｜导读｜
■ 研究了C2Cl6除气、超声除气、C2Cl6-超声联合除气、氩气对2024铝合金氢含量及力学性能的影响。发现C2Cl6-超声联合除气氢含量最低，对应的力学性能最高；最后考察了2024铝合金氢含量与力学性能相关性。结果表明，铸锭抗拉强度随氢含量降低而升高，当氢含量小于0.12 cm3/100 g Al时，屈服强度随氢含量的降低升高不显著。
关键词：2024铝合金；氢含量；力学性能；C2Cl6-超声联合
■ 铝合金熔炼过程中容易大量吸气（主要是氢），如果合金凝固前氢来不及排出而形成气孔，会使合金的力学性能和耐蚀性降低。因此，铝熔体除气是必须解决的问题，而除气方法主要包括除气剂除氢、氩气除氢、超声除氢及稀土固氢法等。对于C2Cl6除气剂来说，虽然除氢效果较好，但由于其具有一定的毒性而被限制使用；氩气除氢得到重视，企业上目前所使用的旋转喷吹除气率可达70%左右，但是进行深度除气较为困难；对于超声场来说，作为一种广泛使用而绿色环保的物理方法，目前得到了学者及企业的广泛关注。但是，超声目前主要以细化为主，除氢虽然有所涉及，但是由于超声的功率受到了限制，且无法处理大量熔体而很少被企业使用；对于稀土固氢法，由于添加了稀土元素导致除氢成本大幅度上升，且由于混进了稀土元素而使用范围受限；因此，每种除氢方法都有各自的优点及缺点，在一定程度上制约了除氢方法的发展，并且除氢后氢含量与力学性能的关系报道较少，但通过氢含量间接判断合金力学性能的好坏十分重要，所以研究氢含量与力学性能的相关性意义明显。基于此，以2024铝合金为例，研究C2Cl6、超声、C2Cl6-超声、氩气除气对2024铝合金的影响，考察了氢含量与力学性能的关系，并进行了分析。最后，将氢含量与力学性能进行了相关拟合，为铝合金的应用提供参考。
■ 对于除气剂除氢，试验条件如下：每炉熔体的质量均为1.5 kg 左右，以C2Cl6为除气剂，且加入温度为 730 ℃，加入量分别为熔体质量的 0、0.5%、 1%、2%及 3%，静置20 min后利用测氢仪测氢含量，待温度降至720 ℃浇注到水冷铜模中；对于超声处理来说，试验参数为150 W下分别处理0、40、80 和 120 s，温度为730 ℃，然后将熔体静置 10 min，测出氢含量后待温度降至720 ℃浇注到水冷铜模中；为了对比，也进行了2024铝合金的氩气除气研究，首先通入速度为0.5 L/min的氩气10 min，同时不断搅拌使氩气在熔体中均匀化，随后静置10 min，待温度达到720 ℃后浇注到水冷铜模中。
1 2024铝合金的C2Cl6除气
■ 熔体的氢含量随着除气剂的增加而降低。但若继续添加C2Cl6，其氢含量会升高，导致除气率下降。因此，在本试验中，C2Cl6的添加量在1%~2%时除氢效果较好。图2为改变C2Cl6添加量后，2024铝合金的力学性能受到的影响，熔体中添加C2Cl6会发生反应。反应产生的AlCl3为气态，在熔体中就会有大量的气泡生成，而气泡内因不受分压，在浓度差的作用下熔体中的氢将会不断地进入气泡中，这个过程会持续到气泡内和熔体中的氢浓度相等，之后气泡会浮出熔体，只要时间足够，该过程就一直能够持续。所以，C2Cl6除氢效果随保温时间延长得到较大程度的发挥，当加入量太大时，除气剂会有所团聚，分解时间也较长，因此除气效果下降。
(a)氢含量 (b)除气率
图1 不同除气剂量下2024合金氢含量和除气率的变化
图2 除气剂添加量对2024合金力学性能的影响
2 2024铝合金的超声除气
■ 氢含量随超声处理时间的延长而不断降低，超声处理80 s后，氢含量为0.085 cm3 /100 g，除气率为51.1%，当超声处理120 s后，除气率下降至 44.8%。
■ 结果表明，超声处理后80 s后铸锭抗拉强度、屈服强度及伸长率分别提高了27.4%、6.7%及4.9%。
(a)氢含量 (b)除气率
图3 超声处理时间对2024合金的影响
图4 超声处理时间对2024合金力学性能的影响
3 2024铝合金的C2Cl6-超声复合除气
■ 没有施加超声振动时，添加C2Cl6的熔体中氢含量大大低于没有添加C2Cl6的。对两者施加较短时间的超声处理后发现，氢含量均快速下降，此时二者之间的氢含量差别较大，但随着处理时间延长，两者的氢含量差开始缩小，超声处理时间过长时，添加C2Cl6的熔体氢含量略有升高的趋势。因此，在添加C2Cl6的熔体中，只需要较短的超声时间就可以得到理想的除氢效果，但此时超声时间不应该太长，否则将导致氢含量上升，而未添加C2Cl6的熔体则需超声处理较长时间才能达到添加C2Cl6的除氢效果。由此可见，2024铝合金先经C2Cl6进行预处理后，再施加超声处理40 s，氢含量为0.082 cm3/100g，但继续使用超声处理时氢含量则会有所上升。
■ 图6为不同除气方法对2024铝合金性能的影响。可以看出，C2Cl6-超声联合除气时，2024铝合金的抗拉强度、屈服强度及伸长率提高了28.3%、6.7%及5%，达到最大值。
图5 不同超声处理时间下2024铝合金氢含量的变化
图6 除气方法对2024合金力学性能的影响
（1：未除氢、2：仅C2Cl6除氢、3：仅超声处理、4.C2Cl6+超声处理）
■ 未进行除气时，凝固组织主要由粗大的树枝晶和细小等轴晶组成，同时可观察到较多的气孔；而使用1%的C2Cl6进行除气时，发现2024合金组织变化不大；超声处理40 s和添加1%的C2Cl6后再超声处理40 s组织有所细化，但仍有小枝晶存在。未除气时有较多的大气孔存在，尺寸大约为5~150 μm；但当合金经过除氢处理后，铸锭中心部位的大气孔数量和位置发生了明显变化。当氢含量达到0.082 cm3/100 g时，气孔和缩松都很少，其尺寸为1~10 μm，见图8d。
(a)未除气 (b)1% C2Cl6除气 (c)超声处理40s (d)1%C2Cl6+超声处理40s
图7 不同方法除氢前后2024合金的显微组织
(a)未除气 (b) C2Cl6除气 (c)超声处理 (d)C2Cl6+超声处理
图8 除氢前后的2024合金气孔
■ 使用C2Cl6进行预除气后，此时熔体中的气体明显减少，而再经超声处理后，熔体中发生空化作用，产生了大量的空化气泡，这些气泡在熔体中会一直处于脉动状态并在熔体中快速地运动着，同时吸收熔体中存在的氢，只需要较短的超声时间空化气泡就会长大浮出熔体，实现除氢目的。相反，在未进行预除气的熔体中存在大量的气体，施加超声处理熔体时，产生的大量的发达空化同样会处于脉动状态，仍然会吸附周围的氢，但由于熔体中的氢较多，该过程持续的时间也就更久。此外，由于熔体界面处同时存在着吸氢和溢氢两种完全相反的过程，当熔体中氢含量较低时，超声波作为一种外加的干扰会使少量的气体有进入熔体的趋势，因此施加较长的超声时间会导致氢含量升高，C2Cl6-超声波联合处理示意图见图9。
图9 C2Cl6 -超声波联合处理铝熔体除氢示意图
1.C2Cl6; 2.熔体中的气体; 3.C2Cl6所产生的气泡; 4.超声探针; 5.脉动的空化气泡 6.空化气泡; 7.剩余气体
4 几种除气方法对比分析
■ C2Cl6+UST氢含量最低， 约为0.08 cm3/100 g Al。对应的力学性能来说，除气剂、超声波及C2Cl6+UST的抗拉强度及屈服强度接近，但是C2Cl6+UST的伸长率较高，达到5%左右，而氩气除气后力学性能较低。
(a)氢含量 (b) 力学性能
图10 2024合金不同除氢方法的氢含量及力学性能
5 氢含量与力学性能的相关性
■ 图11为2024合金在不同除氢工艺下氢含量和力学性能关系的拟合图。可以看出，当氢含量大于0.12 cm3/100g时，熔体中氢含量的降低会使屈服强度有所增加；氢含量低于0.12 cm3/100g时，随着氢含量的下降，屈服强度则变化不大。随着氢含量的降低，铸锭抗拉强度及伸长率出现缓慢升高的趋势。
(a)抗拉强度 (b)屈服强度 (c) 伸长率
图11 氢含量对2024合金力学性能的影响
■ 作为对比，给出了AZ91镁合金氢含量与力学性能的相关性，见图12。氢含量在11 cm3/100 g Mg以上时，氢含量的降低会使AZ91镁合金的抗拉强度和伸长率增大；而当氢含量小于11 cm3/100 g Mg左右时，氢含量的降低对AZ91镁合金的力学性能提升没有效果。从图12b可以得出，AZ91镁合金中氢含量对屈服强度影响较小。在AZ91合金中氢含量较低时，继续除氢无法进一步提高合金力学性能。
■ 这可能主要与熔体的吸氢特性有关，镁熔体在熔炼时会吸入铝熔体自身的两个数量级以上的氢，此时氢含量相当高，镁熔体在凝固时，生成的MgH2化合物不易分解。在熔体凝固的过程中虽然一部分氢会溢出，但液态与固态中氢并不会因为冷却过程而发生太大的溶解，这与铝凝固时氢大量析出有很大不同。因此，当氢含量降到一定程度时，镁合金中的气孔没有铝合金严重，故对力学性能的影响较铝合金小。
(a)抗拉强度 (b)屈服强度 (c)伸长率
图12 氢含量与AZ91合金力学性能的相关性
文献引用：贾征，喻兵，宋婧怡，等. 不同除气方法对2024铝合金氢含量及力学性能的影响.特种铸造及有色合金，2021,41（7）：837-841.
