超声振动对7050铝合金铸锭宏观偏析作用规律的实验研究

　　0 引言

　　宏观偏析是合金铸锭在凝固过程中的溶质元素分布不均现象，产生的根本原因在于凝固过程中溶质元素固液相的分配差异。宏观偏析的出现不仅对铸锭的性能有不良的影响，而且增加了铸锭产生热裂的倾向，同时对后续热处理工艺和制品的最终性能有不同程度的影响。宏观偏析缺陷的出现严重限制了铸锭的生产能力，如铸锭的尺寸、合金的组成以及铸造过程中的工艺参数等，因此宏观偏析在产品生产过程的重要性不容忽视。

　　宏观偏析的出现与合金的凝固过程紧密相关，液相流动过程中的溶质扩散对其起决定性作用，因此控制液相的流动是控制宏观偏析的主要手段。在凝固过程中引入超声外场作为一种绿色环保的工艺手段在当前得到了广泛的社会关注，其细晶效果明显，细晶效应已得到业内人士的广泛认可，然而超声外场作用于凝固过程弱化宏观偏析的实验和规律研究还很少。

　　7050铝合金由于其高强高硬性广泛应用于航天航空业。由于其合金含量较高，在铸造过程中存在严重的成分偏析。因此通过改变超声功率和冷却方式以及施振温度，探究超声外场对铸锭宏观偏析的作用规律，从而为高性能铝锭的生产制备提供理论和技术指导。

　　1 试验

　　1.1 试验设备及装置(图1)

　　1) 超声波发生器: 他激型; 输出功率: 105W，135W，170W，200W，240W; 输出频率: (19±0.5)kHz，(20±0.5)kHz，(21±0.5)kHz;

　　2) 超声振动系统: PZT压电陶瓷换能器; #45钢变幅杆; 钛合金工具杆。

　　3) 其他辅助设备: 电阻加热炉; 温度控制记录仪; 计时器; 坩埚，壁厚5mm，外形尺寸为d130mm×200mm×5mm; 液压式位移操作台; 热电偶、斯派克台式光谱仪。

　　1.2 试验材料

　　实验所用的7050铝合金是通过采用质量分数为99.7%的工业纯铝铸锭和各种合金母锭熔配而成的。材料的合金成分(质量分数%)如表1所示。

　　1.3 试验方案

　　将盛有铝块的坩埚放入电阻丝加热炉进行熔炼，铝块完全融化后，对熔体进行充分搅拌，并持续加热至800℃，添加铝打渣剂净化熔体，保证每次试验铝熔体质量相等。为防止超声振动系统失谐，对工具杆进行预热处理，试验具体方案如下。

　　a) 不施加超声波，1)关闭电阻炉电源，使坩埚内熔体在加热炉内冷却，直至完全凝固; 2)把坩埚从加热炉中取出，使铝熔体自然空冷，直至完全凝固; 3)操作与2)相同，仅改变冷却方式为水冷。

　　b) 把铁坩埚从加热炉中取出，采用顶部连续施加超声的方法对铝熔体施加超声处理，通过位移控制台调节超声系统的位置，确保工具杆处于坩埚的中心位置，热电偶和温度记录控制仪观测熔体的温度变化情况，选择发生器工作频率(19±0.5)KHz，工具杆浸入铝熔体中深度约为15mm。