脉冲电流对7075铝合金铸态组织的影响.pdf

‘4 2 有色金属 冶炼部分 h t t p ／／y s y l ．b g r i m m ．c n 2 0 1 3 年第8 期 d o i l O ．3 9 6 9 ／j ．i s s n ．1 0 0 7 7 5 4 5 ．2 0 1 3 ．0 8 ．0 1 3 脉冲电流对7 075 铝合金铸态组织的影响 梁宇1 ’2 ，孙中源1 ，余凌锋1 ，石芷依1 1 ．贵州大学材料与冶金学院，贵阳5 5 0 0 0 3 ；2 ．贵州省材料结构与强度重点实验室，贵阳5 5 0 0 0 3 摘要研究了脉冲电流及A i ～5 T i B 变质剂对7 0 7 5 铝合金铸态组织的改善和机理。结果表明，通入电脉 冲及添加变质剂能抑制二次枝晶的生长，改善铸造组织的形貌，基体主要是均匀的等轴晶和近球形晶 粒，同时，与直接浇铸的试样对比，合金中铜和铁元素的偏析现象得到一定程度缓解。 关键词脉冲电流；变质剂；7 0 7 5 铝合金；A 1 5 T i B ；铸态组织 中图分类号T G l 4 6 ．2 1文献标志码A文章编号1 0 0 7 7 5 4 5 2 0 1 3 j 0 8 0 0 4 2 0 4 E f f e c t so fP u l s eC u r r e n to nC a s tS t r u c t u r eo f7 0 7 5A l u m i n u mA l l o y L I A N GY u l ～，S U NZ h o n g y u a n l ，Y UL i n g f e n 9 1 ，S H IZ h i y i l 1 ．S c h o o lo fM a t e r i a l sa n dM e t a l l u r g y ，G u i z h o uU n i v e r s i t y ，G u i y a n g5 5 0 0 0 3 ，C h i n a ；2 ．T h eK e yL a b o r a t o r y f o rM e c h a n i c a lB e h a v i o ra n dM i e r o s t r u c t u r eo fM a t e r i a l s ，G u i z h o u ，G u i y a n g5 5 0 0 0 3 ，C h i n a A b s t r a c t T h em o d i f i c a t i o na n dm e c h a n i s m sO fp u l s ec u r r e n ta n dA 1 5T i Bm o d i f i c a t o ro na s c a s ts t r u c t u r e o f7 0 7 5a l u m i n u ma l l o yw e r es t u d i e d ．T h er e s u l t ss h o wt h a tp u l s ec u r r e n ta n dA 1 5 T i Bm o d i f i c a t o rc a ni n h i b i tg r o wo fs e c o n d a r yd e n d r i t i cc r y s t a lo fs o l i d i f i c a t i o ns t r u c t u r e ，f r o mg r o w i n g ，i m p r o v ea s c a s ts t r u c t u r e ，a n da c h i e v ee q u i a x i a la n ds p h e r i c a lg r a i n so fm a t r i x ．T h es e g r e g a t i o no fa l l o y i n ge l e m e n t so fc o p p e r a n di r o ni na l l o yi sm o d i f i e dc o m p a r e dw i t hd i r e c t l yc a s ts a m p l e s ． K e yw o r d s p u l s ec u r r e n t ；m o d i f i c a t i o n ；7 0 7 5a l u m i n u ma l l o y ；A 1 - 5 T i B ；a s - c a s tm i c r o s t r u c t u r e 早在2 0 世纪2 0 年代，德国科学家就开始研究 7 系铝合金，当时主要是A 1 一Z n M g 系，后来发现铜 元素能很好地提高合金的抗应力腐蚀性能及综合力 学性能，逐渐发展了A 1 ～Z n - M g C u 系合金。经过几 十年的发展，7 系铝合金已经有了很多新型号，被广 泛应用于航天航空和民用交通等领域[ 1 。2 ] 。 抑制铸态枝晶的生长、细化晶粒、均匀的组织形 貌对铝合金的后续热处理和加工的变形、断裂都有 着至关重要的作用。脉冲电流作为一种外加电场处 理金属材料的新技术，已经被广泛研究，并取得良好 效果[ 3 。5 ] 。本文以7 0 7 5 铝合金为研究对象，通过对 熔体施加低能量脉冲电流，探索脉冲电流对7 0 7 5 铸 态组织的影响。 1 试验方法 熔炼阶段在井式电阻炉中进行，熔炼温度7 4 0 ～7 6 0 ℃，合金熔化后使用六氯乙烷精炼，静置1 5 ～ 2 0m i n ，然后通入脉冲电流及 或者 添加A I - 5 T i B 细化剂，最后浇铸成试样。电极采用高纯石墨棒， 7 0 7 5 铝合金成分 ％ Z n5 ．6 、C u1 ．2 、M g2 ．1 、 M n0 ．1 0 、A l 余量。 电脉冲施加装置见图1 ，电脉冲发生装置为自 制仪器，由示波器、电压调节器和脉冲发生仪组成， 接交流电后即可使用。 在试验得到铝锭的中部取样，抛光后使用凯勒 试剂进行金相腐蚀，并在O L Y M P U S P M G 3 光学 收稿日期2 0 1 3 0 1 2 2 基金项目贵州省科技攻关计划项目 黔科合G Y 字[ 2 0 1 0 1 3 0 2 8 ；贵州大学研究生创新基金项目 理工2 0 1 2 0 2 8 作者简介梁宇 1 9 7 8 一 ，男。贵州遵义人，副教授，博士． 万方数据 订笆金属 冶炼部分 h t t p ／／y s y l ．b g r i m m ．c n 4 3 图1 试验装置示意图 F i g ．1 S c h e m a t i co fe x p e r i m e n t a le q u i p m e n t 显微镜下观察微观组织形貌，使用K Y K Y 一2 0 0 8 B 扫 描电子显微镜和E D A X 能谱仪进行微观形貌观察 和微区成分分析。 试验主要选取4 种工艺参数，分别是工艺1 一 直接浇铸凝固；工艺2 一添加A 1 5 T i B 变质剂；工艺 3 一通入脉冲电流；工艺4 一通人脉冲电流并添加 A 1 5 T i B 细化剂 变质剂 。根据前期试验结果，选 取的电脉冲参数为8 0 0A 、3 0H z 、通入熔体时间3 0 S 。细化剂加入量为原料总质量的0 ．2 ％。 2 试验结果与分析 2 ．1 铸态组织微观形貌 4 种工艺浇铸试样的光学显微组织形貌见图2 。 I 芝I、 12 艺c I T 艺。 t 】 ] ．艺1 图2 不同工艺下合金的光学显微组织 F i g ．2O p t i c a lm i c r o g r a p h so fa l l o yo fd i f f e r e n tc a s tp r o c e s s 由于铝熔体是在坩埚中直接凝固的，冷速较 慢，因此工艺1 试样的铸态枝晶比较发达 图2 a 。 在工艺2 中，虽然添加了细化剂，但是由于冷速较 慢，晶粒尺寸并不均匀，存在蔷薇状或者近花瓣状的 晶粒 图2 b 。工艺3 的熔体经过脉冲电流处理后 枝晶得到一定程度的控制，晶粒以长度较短的蠕虫 状晶粒为主 图2 c 。而对工艺4 ，熔体在添加A l 一 5 T i B 细化剂的同时，还通人了脉冲电流，其晶粒分 布较为均匀，晶粒大部分以规则的等轴晶为主，枝晶 基本消除 图2 d 。 A 1 5 T i B 在高温铝合金熔体中会形成大量的 异质形核核心T i A l 。，硼元素则加快了T i A l 。的生 成。在高温下，部分熔化的T i A l 。粒子在未熔的 T i A l s 粒子周围形成了一层富钛区。根据A l T i 相 图，当钛含量达到0 ．1 5 ％、熔体温度达到6 6 5 ℃时， 会发生包晶反应L 液 T i A l 。一a A l ，包晶反应产 生的铝层包裹在T i A l 。粒子表面，使其很难长大或 者熔化，从而增加基体有效形核质点、细化晶粒[ 6 。7 ] 。 当对合金熔体进行电脉冲处理时，脉冲电流主 要对熔体中的团簇结构产生强烈的影响。根据团簇 理论[ 8 。9 ] ，在液态金属熔体中存在着一定数量的团簇 结构，其内部的不同溶质原子通过金属键结合并与 周围的金属原子进行不稳定的交换。理想状态下， 可以把这些原子集团看作成一定尺度的胶粒[ 9 ] 。当 对熔体施加脉冲电场时，胶粒的外电子层将产生大 的畸变，导致胶粒的一侧外电层电位降低，从而降低 熔体中的原子与胶粒结合的位垒，促进胶粒中原子 与周围液态金属原子结合。新胶粒的尺寸会因为吸 纳了更多的溶质原子而长大为晶胚，从而有助于增 加熔体凝固时所需的有效形核质点数量[ 8 。9 ] 。 同时，由脉冲电流带来的熔体焦耳热相对较少， 但在材料内部成分不均匀的区域和不同相之间的电 阻率有较大的差异，由于P e l t i e r 效应[ 1 0 ] 其固液界 面附近会产生一个附加热量，使得局部界面附近温 度可能升高到一个比较高的数值。因此P e l t i e r 热 效应降低了先凝固相与液相界面处的过冷度，在一 定程度上阻碍了枝晶的生长。 综合来说，当电脉冲施加到含有A 1 5 T i B 细化 剂的熔体中时，含有较高能量的外电场一方面加剧 了熔体中粒子的运动，并降低反应能垒，使得包晶反 应更高效地进行；另一方面，电脉冲的孕育处理也可 以增加熔体有效的形核质点，所以第4 种工艺的铝 合金基体组织得到明显的细化，树枝晶也得到了有 效控制[ 9 ．1 1 ] 。 黧 万方数据 4 4 有色金属 冶炼部分 h t t p ／／y s y l ．b g r i m m ．c n 2 0 1 3 年第8 期 2 ．2 脉冲电流对铸态组织中元素分布的影响 对工艺2 及工艺4 的试样进行了元素面扫描分 析，每种元素扫描时间为4 5 5S ，结果如图3 ～4 所 示。从图3 可明显观察到铜、铁在晶界的富集较为 明显。而经过工艺4 的处理后，铜、铁在晶界富集的 现象大为缓解，仅为局部小区域富集 图4 。 图3工艺2 试样面扫描图像及形貌 F i g ．3 P l a n es c a n sa n a l y s i sa n dm i c r o s t r u c t u r eo fs p e c i m e no fc a s tp r o c e s st w o 图4 工艺4 试样面扫描图像及形貌 F i g ．4 P l a n es c a n sa n a l y s i sa n dm i c r o s t r u c t u r eo fs p e c i m e no fc a s tp r o c e s sf o u r 对7 0 7 5 合金的熔体施加脉冲电流时，使A l A l 形成的稳定胶粒结构外电层发生畸变，导致A l A 1 团簇可以“吸收”在其周围分布的溶质原子从而进行 结构重组。在A l A l 团簇进行重构的时候趋向于吸 收可以降低团簇t t 由能、有利于团簇稳定的原子，由 于A l C u 的原子键强度大于A l A I 和C u C u ，所以 万方数据 2 0 1 3 年第8 期 有色金属 冶炼部分 h t t p [ ／y s y l ．b g r i m m ．c n 4 5 胶粒可以趋向于吸纳铜原子，从而形成自由能更低、 更稳定的新胶粒集团或团簇。同时铜原子的半径小 于铝原子 铝、锌、镁、铜、铁、钛的原子半径分别为 0 ．1 4 3 、0 ．1 3 8 、0 ．1 6 0 、0 ．1 2 8 、0 ．1 2 6 、0 ．1 4 7n m ，这 将导致生成的新团簇形态趋于紧凑，更易于在熔体 中稳定存在。铁原子的半径比铝的小，A l ～F e 的原 子键强度大于A l A l ，在脉冲电场作用下，可能会导 致A l A l 胶粒进行重构时也会更容易吸纳铁原子， 形成新的团簇集团，以达到能量最低排布，而这些新 的、较稳定的团簇会在熔体中更容易地保留下 来㈣] 。 因此，在脉冲电流作用下使得铜、铁原子趋于均 匀分布在铝基体中，在冷却凝固过程中，在一定过冷 度下，团簇达到I 临界尺寸时就会长大形核。在7 系 铝合金熔体中，含有铜或铁的团簇作为晶胚，在形核 驱动力的作用下结晶长大成晶核，形成晶粒，导致合 金中一部分铜和铁元素包含在初生相中。由于合金 成分比例的限制，使得熔体凝固过程中固相前沿的 铜或铁的原子减少，减弱了凝固后期的共晶反应，从 而在凝固结束后抑制了晶界处铜和铁元素的偏析， 在一定程度上改善了基体组织。 3结论 7 0 7 5 铝合金熔体经过低能量脉冲电流处理可 以明显地改善铸态组织，抑制枝晶的生长，晶粒以均 匀等轴晶为主，合金中铜、铁元素的晶间偏聚现象有 效缓解，基体成分均匀，有利于后期均匀化热处理工 艺的优化。 参考文献 [ 1 ] 万里，邓运来，张云崖，等．A 1 一 7 ．8 ～9 ．0 Z n 一1 ．6 M g 一 1 ．o ～2 ．2 C u 合金铸态及其均匀化组织[ J ] ．中国有色 金属学报，2 0 1 0 ，2 0 9 1 6 9 8 1 7 0 4 ． [ 2 ] 吴承健，陈国良，强文江．金属材料学[ M ] ．北京冶金 工业出版社，2 0 0 5 ． [ 3 ] 刘波，王静松，于文涛，等．电脉冲孕育处理对A l l 8 ％S i 凝固过程及组织的影响E E l ／／朱鸿民．冶金研究 2 0 0 6 年 ，北京冶金工业出版社，2 0 0 6 2 3 7 2 4 0 ． [ 4 ] 何树先，王俊，孙宝德，等．高密度脉冲电流对A 3 5 6 铝 合金凝固组织的影响[ J ] ．中国有色金属学报，2 0 0 2 ，1 2 3 4 2 6 4 2 9 ． [ 5 ] Z u oY u b o ，C u iJ i a n z h o n g ，D o n gJ i e ，e t a l ．E f f e c to f l o wf r e q u e n c ye l e c t r o m a g n e t i cf i e l do nt h ea s c a s tm i c r o s t r u c t u r e sa n d m e c h a n i c a l p r o p e r t i e s o f s u p e r h i g h s t r e n g t ha l u m i n u ma l l o y [ - 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