铝合金在3C、航空航天及建筑行业等领域中应用十分广泛，而铝合金的制造一般都涉及到其熔炼过程[1-5]。在此过程中，铝合金熔体从空气中吸收的大量氢，随着温度的下降来不及逸出而留在金属中形成气孔，这对材料性能的影响非常大。最近，超声波因其对环境无任何不良影响，改善工人劳动环境等绿色环保优势，越来越普遍的应用于各领域中[6-9]，有研究发现高频超声振动所产生的空化效应和声流的搅拌作用具有细化和除气双重作用。合金铸锭质量及力学性能也进一步提高，因此得到了国内外学者的广泛青睐[10-14]。
目前关于超声对金属熔体处理的报道比较多，但是均以细化为主，而超声波除气研究虽然较少，但也受到世界各国的广泛关注。如前苏联就报道过有关超声波除气效果主要与超声产生的空化效应有关 [15-16]；美国的橡树岭国家实验室也曾对大气湿度、熔体温度及体积的除气内容进行过研究[17]；Helder P等[18]研究发现熔体的体积、温度以及超声波处理时间对AlSi9Cu3铝合金除气均有重要的影响；李晓谦等[19-20]研究发现超声功率、频率、施振深度的参数对除气均有较大的影响；李争彩等[21]通过数值模拟超声波空化过程发现，空化气泡在较低的频率下更容易产生，该研究也与李晓谦的结论相吻合。综上所述，目前的超声除气虽然已经取得了一定的进展，但是也有不足之处，如美国橡树岭实验室采用的真空-超声复合除气法效果虽然较好，但是也存在设备复杂及除气率低的问题，因此，需要寻找一种除气率高、装置比较简单及成本低的除气方法。本文作者选用的Al-5Cu作为二元合金，具有成分简单、熔点较低及易操作等特点，因此，以本合金为例，研究了一种坩埚底部强制冷却施加超声处理的方法进行联合除气，考察其规律并进行了分析。
1 实验方法
1.1 实验装置示意图
实验设备包括超声波发生器，其最大输出功率为2 000 W，频率为20 kHz；还包括熔体控温的控温表、井式电阻炉、超声波支架（可实现超声探头的上下前后移动）及粘土-石墨坩埚，见图1。
图1 超声场装置布置示意图
Fig.1 Schematic diagram of ultrasonic field device layout
1.2 实验方法
实验所用Al-5Cu合金采用工业纯铝（99.7%）与电解铜片按比例熔配而成，熔炼时使用石墨杆多次搅拌金属熔体使成分均匀化，将浇注成型后的铸锭使用切割机切成小块，留待重熔使用。将试样分为6组，放入1号粘土-石墨坩埚中进行重熔，每组试样的质量为200 g左右，重熔过程中当温度800 ℃稳定后，将含有熔体的1号粘土-石墨坩埚放入铜板上，使用预热500 ℃超声探头插入熔体中进行超声处理，插入深度为5 mm，当熔体温度降为750 ℃时，铜板内部通入循环冷却自来水，直至铸锭凝固至室温（20 ℃左右）。实验条件为未施加超声、底部仅水冷、仅超声处理90 s未水冷、超声-底部水冷处理90、120、150 s，处理后让熔体自然冷却后得到铸锭。铸锭密度采用阿基米德原理进行测量，最后将铸锭从顶部向下切成对称的两块，用于组织观察。其中，Al-5Cu合金宏观腐蚀液为：HCl∶HF∶H2O=15∶10∶90，显微组织腐蚀液为5%HF水溶液。
2 实验结果及分析
2.1 宏观组织状态
铸锭经自然冷却后，观察其宏观组织发现，在观察范围内分布着较粗大的气孔和柱状晶，如图2(a)所示；而铸锭强制水冷后，从断面可以看出，铸锭气孔有所减少，但是并不理想，且铸锭细化效果也不好，仅在铸锭的底部分布着少量粗大的等轴晶，如图2(b)，这主要是由于冷却速度较快使气体被封锁在熔体内而留下气孔；再对比不同冷却方式但超声处理时间同为90 s的2(c)与2(d)时发现，使用强冷后的凝固组织细化效果最好，气孔量明显下降，如图2(d)。但如果将超声时间延长到120、150 s，发现凝固组织并没有得到进一步细化，但是肉眼可见的气孔在逐渐减少，相对来说，图2(e)的细化和除气效果最好。
图2 AI-5Cu 合金自然冷却和经各种处理后冷却铸锭的宏观组织
Fig.2 Macrostructure of Al-5Cu alloy ingots naturally cooled and cooled with different treatments
2.2 微观组织的观察
为了进一步说明不同超声处理时间对粘土-石墨坩埚底部强制水冷凝固组织的影响，取样部位均为试样的中心部位，从图3(a)看出，正常冷却的铸锭中心部位均为粗大的树状晶，气孔也较多，如图3(a)所示；当铜板加水冷未经超声处理时，可见中心部位凝固组织依旧比较粗大，没有得到细化，见图3(b)；随着超声处理时间的延长，可看出微观组织不断从粗大的树枝晶向细小圆整的晶粒过渡，见图3(c)、3(d)、3(e)及3(f)所示。其中，可看出图3(e)的细化效果最好，视野内很少见到气孔，这与图2(e)吻合，但是当超声处理时间进一步延长，气孔有增多的趋势，如图3(f)。
图3 AI-5Cu 合金自然冷却和经各种处理后冷却铸锭的微观组织
Fig.3 Microstructure of Al-5Cu alloy ingots naturally cooled and cooled with different treatments
2.3 Al-5Cu合金除气密度及除气率分析
合金熔体除气率具体计算公式如下[22]：
式中，ρ0为未除气合金试样密度，×103 kg·m-3；ρa为除气合金试样密度，×103 kg·cm-3；ρb为合金试样理论密度（Al-5Cu 合金是2.796 6×103 kg·cm-3）。
表1给出了粘土-石墨坩埚底部强制冷却不同超声时间对铸锭密度和除气率的比较，即自然冷却时，铸锭的密度仅有2.683 1×103 kg·m-3；底部水冷时，铸锭密度有所提升，达到2.698 7×103 kg·m-3，但效果不明显；而超声处理90 s后，即使不加底部水冷铜板，铸锭密度也可达到2.736 5×103 kg·m-3，说明超声处理有很好的除气效果；底部水冷后加入超声后，随着处理时间延长，铸锭的密度会增大，最高可达到2.791 1×103 kg·m-3，除气率可达95.1%，但超声时间不宜过长，否则会降低铸锭的密度和除气率。
表1 不同处理条件的铸锭密度和除气率
Tab.1 Density and Degassing rate of Al-5Cu alloy ingots naturally cooled and cooled with different treatments
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2.4 Al-5Cu合金粘土-石墨坩埚底部强制水冷的超声除气机理
当使用超声处理熔体时，产生的空化气泡会在正负周期中长大和收缩[23]，如图4[24]。熔体经超声处理后晶粒细化的原因有两个：首先，空化气泡的生长可以吸收熔体中的热量，然后在气泡界面受到冷却影响而形核[25]。随后空化气泡的破裂产生巨大能量粉碎熔体中的初始晶核和枝晶，导致晶核数量增加，晶粒尺寸变小，如图4(c)。并且产生的声流是一种由于声压梯度引起的液体流动，也有利于晶粒细化[25-26]。而超声产生的液相宏观流动效应表现为液体内部的普遍回流，可以将非均匀形核和枝晶破碎引起的大量核输运到整个铝合金熔体中[27-29]。当对粘土-石墨坩埚底部进行强制冷却时，由超声产生的细小等轴晶会在声流的作用下向下掉落凝固成细小等轴晶粒，下面的气孔会逐渐被排出，于是致密的组织开始从熔体最下方开始形成，当该阶段到达120 s时，效果最佳；进一步延长超声处理时间到150 s后，由于铝液温度的下降导致熔体粘度过大会阻碍气体的上浮，因此出现了很多气孔。
图4 晶粒细化示意图
Fig.4 Schematic grain refinement
图5为超声除气的机理图[5]，当施加适宜的超声波处理熔体时，产生的空化气泡吸附周围的氢原子，此时气泡会迅速长大析出，达到除气目的。对于本实验过程，图6为超声和粘土-石墨坩埚底部强制水冷的机理图，在粘土-石墨坩埚底部放置铜板进行通水冷却时，超声振动形成的细小等轴晶会不断向下掉落后会很快凝固，而它们之间的空隙会被上方的金属液所填补，进而形成致密的组织，如图3(e)。而在粘土-石墨坩埚底部非强制冷却的情况下，虽然在超声作用下也具有除气效果，但此时熔体是由四周开始凝固的，各个方向的冷却速度相当，这使得熔体中的大部分气体还未完全逸出就被凝固前熔体形成的枝晶所阻碍，残留在熔体中形成气孔。
图5 超声除气机理示意图
Fig.5 Schematic mechanism of ultrasonic degassing
图6 铝合金超声除气示意图
Fig.6 Schematic diagram of aluminum alloy by ultrasonic degassing
3 结论
（1）铝合金铸锭的除气效果可用测定铸锭的密度来表征，这是一种简单、经济及快速的方法。
（2）采用超声联合粘土-石墨坩埚底部强制水冷方法，可大幅度细化铸锭的凝固组织，2 000 W处理90～150 s铸锭断面均可获得细小、均匀的等轴晶。
（3）在本实验中，采用超声联合粘土-石墨坩埚底部强制水冷除气的最佳条件为2 000 W×120 s，铸锭密度和除气率分别为2.791 1×103 kg·m-3和95.1%。
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