超声波场数量调控1060B铝合金轧板微观组织与力学性能的协同优化机制

本研究针对1060B铝合金连续铸轧(CCR)过程中存在的枝晶粗化、力学性能不均等问题，创新性地采用多超声场预处理(UMPT)技术，系统探究了超声场数量(0-2个)对材料微观组织演变和力学性能的影响。结果表明双场超声处理使α-Al晶粒细化率超47%，抗拉强度提升27.2%(78.2→99.5 MPa)，延伸率提高29.9%(37.1%→48.2%)，并通过促进R-Cube{001}<100>再结晶织构形成显著降低各向异性，为工业级铝板高效制备提供了新策略。

　　

在航空航天、高铁运输等高端装备领域，1060系列铝合金因优异的比强度和成型性成为关键结构材料。然而传统连续铸轧(CCR)工艺面临两大技术瓶颈：工业纯铝固有的强度极限难以突破，以及高速凝固过程中易产生枝晶偏析等缺陷。更棘手的是，常规Al-Ti-B晶粒细化剂在超快冷条件下会因动力学滞后效应失效，导致轧板出现力学性能各向异性，严重影响后续加工成型。

中南大学轻合金研究院的Aolei Fu(傅奥雷)、Ripeng Jiang(蒋日鹏)等研究人员在《Journal of Materials Research and Technology》发表的研究中，创新性地将多级可移动超声系统集成到CCR工艺前箱区域，通过调控超声场数量(0-2个)实现了熔体全域晶粒细化。研究采用20kHz钛合金超声探头，在695-710℃处理温度下对含0.02wt.% Al-5Ti-1B细化剂的熔体进行预处理，结合EBSD、SEM等分析手段，系统揭示了超声场数量与微观组织-性能关联的调控机制。

关键技术方法包括：(1)工业级双辊铸轧系统(辊径?690mm×1600mm)制备7mm厚板材；(2)多源超声场相位控制技术实现声压梯度调控；(3)电子背散射衍射(EBSD)分析ND-RD面的晶界取向；(4)Image-Pro Plus 6.0统计第二相面积分数；(5)WDW-250万能试验机进行0°/45°/90°三向拉伸测试。

【微观组织演变】

双场超声处理使表面层和中心层α-Al晶粒尺寸分别从13.8μm、25.7μm细化至7.3μm、13.4μm，细化率达47%。声空化产生的>100MPa微射流促使Al₅FeSi相机械破碎，第二相面积分数中心层从3.69%降至2.01%。EBSD分析显示低角度晶界(LAGBs)向高角度晶界(HAGBs)转化，表面层平均取向差角从16.8°增至20.6%。

【再结晶行为】

动态再结晶(DRX)比例随超声场增加而提升：双场条件下表面层DRX分数达15.2%(未处理样仅6.4%)。单场促进连续动态再结晶(CDRX)，而双场产生的驻波场诱发局部应变起伏，同时引发不连续动态再结晶(DDRX)的晶界凸出形核。

【织构演变】

ODF分析表明超声处理促使主导织构从Y{111}<112>转变为典型再结晶织构R-Cube{001}<100>。双场处理使中心层Brass{110}<112>织构强度从11.38降至5.42，各向异性显著降低。

【力学性能】

双场超声使板材平均抗拉强度提升27.2%至99.5MPa，延伸率提高29.9%至48.2%。三向拉伸曲线重叠度提高，表明各向异性改善。这种强化源于晶界密度增加(晶界强化)和纳米级Al₃Fe相均匀分散(Zener钉扎效应)的协同作用。

该研究首次阐明多超声场干涉产生的声压梯度(双场达22.5MPa)与晶粒细化率的定量关系，通过建立熔体流动-声场动态匹配模型，解决了传统热顶超声处理几何受限的难题。工业试验证实双场UMPT可使830mm宽幅板材实现全厚度均匀细化，为航空航天用大尺寸铝材的高效制备提供了可规模化应用的技术方案。研究揭示的"声场数量-织构类型-力学性能"调控规律，对开发新一代外场辅助短流程加工技术具有重要指导意义。