半连续铸造Al-Zn-Mg-Cu合金的显微组织与力学性能

李盛锋，孙小燕，王 蕾，罗铭强，陈文泗

（1.广东省材料与加工研究所，广东 广州 510651；2.广东兴发铝业有限公司，广东 佛山 528000）

Al-Zn-Mg-Cu合金是可热处理强化的高强度铝合金，广泛用于交通运输、航空航天、电子电器、机械设备、模具等领域，如汽车、高铁、飞机、火箭、智能手机、笔记本电脑、注塑成型模具等[1]。Al-Zn-Mg-Cu合金的主要强化元素包括Zn、Mg、Cu，可形成多种强化效果显著的强化相，提高铝合金的强度，使Al-Zn-Mg-Cu合金的热处理强度效果远远胜过于Al-Zn二元合金。提高合金中Zn、Mg、Cu元素的含量，可进一步提高Al-Zn-Mg-Cu合金的强度[2]。由于Al-Zn-Mg-Cu合金的Zn、Mg、Cu元素含量较高，合金凝固温度范围较宽，采用半连续铸造工艺制备大规格尺寸的Al-Zn-Mg-Cu合金铸锭时，铸锭的元素偏析非常严重，晶粒较为粗大，热裂倾向较大，会严重降低Al-Zn-Mg-Cu合金铸锭的质量和成材率，甚至难以获得质量合格的大规格半连续铸造Al-Zn-Mg-Cu合金铸锭。

晶粒细化可以改善铸锭的组织成分均匀性，提高铝合金铸锭的质量[3]。在半连续铸造过程中通过添加晶粒细化剂是实现铸锭晶粒细化的有效方法，但该方法仍然无法完全解决大规格半连续铸造Al-Zn-Mg-Cu合金铸锭的元素偏析和热裂问题[4]。研究人员[5，6]研究了电磁搅拌对半连续铸造Al-Zn-Mg-Cu合金铸锭组织的影响，但电磁搅拌半连续铸造的生产工艺较为复杂，成本较高，难以应用于实际生产。超声波振动具有空化效应和声流效应的双重作用，采用超声波振动辅助半连续铸造铝合金铸锭，可细化铸锭的晶粒组织，抑制元素偏析，消除热裂[7-10]，并且超声波振动的工艺较为简单，容易实现工业化生产。因此，本文采用超声辅助半连续铸造工艺制备直径310 mm的Al-6Zn-0.9Mg-0.2Cu合金铸锭，研究了半连续铸造Al-6Zn-0.9Mg-0.2Cu合金铸锭的显微组织与力学性能。

1 实验材料与方法

实验材料为Al-6Zn-0.9Mg-0.2Cu合金，采用纯铝锭（99.7%，质量百分数，下同）、纯锌锭（99.9%）、纯镁锭（99.95%）和Al-10Cu中间合金熔炼配制。实验设备包括300 Kg铝合金熔炼炉、螺杆式半连续铸造机和超声波振动系统，超声波振动系统包括超声波发生器、换能器、变幅杆和工具头，变幅杆和工具头的材质为钛合金，工具头直径为50 mm。超声波辅助半连续铸造装置如图1所示。

在铝合金熔炼炉中于780℃加热熔化纯铝锭，然后加入纯镁锭、纯锌锭和Al-10Cu中间合金，搅拌熔化成铝合金液，对铝合金液取样并浇注成锭，然后采用SPECTRO-MAX型直读光谱仪对铝合金锭进行化学成分分析，成分见表1。采用纯度为99.99%的氩气和铝合金液重量为0.5%的铝合金精炼剂对铝合金液进行喷吹精炼除气除杂，喷吹精炼时间为3 min，扒渣后再降温至730℃，再静置30 min，最后将铝合金液在超声波振动条件下半连续铸造成直径310 mm的铝合金铸锭，铸造温度为710℃，冷却水流量为3000 L/h，铸造速度为65 mm/min，超声波功率分别为0 W、70 W、140 W和210 W。

图1 半连续铸造装置示意图

表1 合金的化学成分（质量百分数，%）

分别在铝合金铸棒横截面的二分之一半径位置处取样，试样经磨制、抛光和腐蚀后，在LEICA-DMI3000M型光学显微镜和JEOL型扫描电子显微镜上进行组织观察，并使用电子探针能谱对第二相和铝基体元素固溶度进行分析。将试样加工成拉伸试样，在DNS200型电子拉伸试验机上进行室温拉伸，拉伸速度为2 mm/min，拉伸试样的形状尺寸如图2所示。

图2 拉伸试样的形状尺寸（单位：mm）

2 实验结果与分析

2.1 显微组织

图3为半连续铸造Al-6Zn-0.9Mg-0.2Cu合金铸锭的显微组织。从图3可看到，没有施加超声波振动时，铸锭的显微组织为粗大的α-Al树枝晶，晶界较宽和较粗大，α-Al晶粒的尺寸大小差异也较大，如图3（a）所示。

当施加超声波振动后，随着超声波功率的增大，铸锭的显微组织逐渐从粗大的α-Al树枝晶向α-Al等轴晶转变，α-Al晶粒尺寸越来越细小，晶界变得越来越细。

当超声波功率增大到210 W时，从图3（d）可看到，铸锭的显微组织为细小均匀的α-Al等轴晶，α-Al晶粒的尺寸大小均匀。

图3 合金铸锭的显微组织

图4 合金铸锭的扫描电镜背散射图

Al-6Zn-0.9Mg-0.2Cu合金铸锭的晶粒细化主要得益于超声波振动产生的空化效应和声流效应[7]。在超声波振动作用下，铝合金熔体内部会产生大量的空化泡，空化泡持续不断地吸收来之超声波振动产生的能量，使空化泡不断地长大，当空化泡的压力超过某一阈值时，空化泡破碎，空化泡破碎会使铝合金熔体局部产生高温和高压，并吸收铝合金熔体的一部分热量[8]，这种空化泡效应会提高铝合金熔体的过冷度，进而增加了铝合金熔体形核核心，最终使铸锭的α-Al晶粒得到细化。超声波振动还会在铝合金熔体中产生声流效应，使铝合金熔体内部产生了局部的压力梯度，使铝合金熔体形成对流，对流会使打碎α-Al枝晶，增加铝合金熔体的形核核心，同样可起到α-Al晶粒的细化作用[9]。

图4为半连续铸造Al-6Zn-0.9Mg-0.2Cu合金铸锭的扫描电镜背散射图。

从图4可看到，未施加超声波振动时，铸锭显微组织的第二相在α-Al树枝晶的晶界处呈连续分布，第二相形态呈棒状和针状，部分心部的第二相呈点状分布，如图4（a）和（c）所示。施加超声波振动后，铸锭显微组织的第二相主要呈点状和块状，α-Al晶粒的心部没有第二相存在，如图4（b）和（d）所示。

表2为半连续铸造Al-6Zn-0.9Mg-0.2Cu合金铸锭的电子探针能谱分析结果。

从表2可看到，位置1的第二相含有Al、Mg、Cu和Fe元素，其含量分别为68.83%、3.21%、6.01%和21.95%，Al和Fe元素是主要元素，Al和Fe元素的原子数量比等于3:1，因此，位置1的第二相为Al3Fe相。位置3的第二相只有含有Al和Fe元素，Al与Fe的原子数比等于3:1，因此，位置3的第二相也是Al3Fe相。位置2的第二相为Al2Zn3Mg3相。位置4的第二相的成分组成与位置1的第二相的成分组成相同，因此，位置4的第二相也是富铁相Al3Fe。

表2 电子探针能谱分析结果（质量百分数，%）

2.2 力学性能

图5为半连续铸造Al-6Zn-0.9Mg-0.2Cu合金铸锭的拉伸力学性能与超声波功率之间的关系曲线。

从图5可看到，没有施加超声波振动时，由于铸锭的显微组织为粗大的α-Al树枝晶，晶界较宽和较粗大，α-Al晶粒的尺寸大小差异也较大，导致铸锭的拉伸力学性能较低，其抗拉强度为310.9 MPa，伸长率为9.1%。

施加超声波振动后，由于α-Al晶粒和第二相都得到细化，因此，铸锭的拉伸力学性能得到提高。随着超声波功率的逐渐增大，由于铸锭的显微组织逐渐从粗大的α-Al树枝晶向α-Al等轴晶转变，α-Al晶粒和第二相的尺寸越来越细小，晶界变得越来越细。

因此铸锭的拉伸力学性能越来越高。当超声波功率增大到210W时，铸锭的抗拉强度为329.4 MPa，伸长率为12%，与没有施加超声波振动的铸锭相比，此时铸锭的抗拉强度提高了6%，伸长率提高了31.3%。

图5 拉伸力学性能与超声波功率之间的关系曲线

3 结论

（1）施加超声波振动可细化半连续铸造Al-6Zn-0.9Mg-0.2Cu合金铸锭的α-Al晶粒和第二相，提高铸锭的力学性能。

（2）超声波功率越大，Al-6Zn-0.9Mg-0.2Cu合金铸锭的α-Al晶粒和第二相越细小，分布越均匀，铸锭的拉伸力学性能越高。

（3）当超声波功率为210 W时，半连续铸造Al-6Zn-0.9Mg-0.2Cu合金铸锭的抗拉强度为329.4 MPa，伸长率为12%。

（4）与未施加超声波相比，施加210 W超声波的半连续铸造合金铸锭的抗拉强度提高了6%，伸长率提高了31.3%。