D0I:10.13374/1.issnl00103.2008.11.015 第30卷第11期 北京科技大学学报 Vol.30 No.11 2008年11月 Journal of University of Science and Technology Beijing Nov.2008 施振功率与温度对工业纯铝凝固组织的影响 蒋日鹏李晓谦张立华胡仕成刘荣光 中南大学机电工程学院，长沙410083 摘要在工业纯铝的凝固过程中引入超声场，探讨了超声细化晶粒的机理，并具体研究了超声功率、导入声波的熔体温度 区间对铸锭凝固组织的影响规律。实验结果表明：铝熔体经超声处理后，凝固组织均得到显著细化，这主要取决于超声的空化 效应和声流效应：超声功率增大时，组织细化程度提高，功率达到170W时细化效果最好，继续增大功率则细化作用减弱；施 振温度区间对凝固组织的影响也有相似的规律，在合理的温度导入声波，品粒能细化到最佳程度 关键词工业纯铝：熔体温度：凝固组织；空化效应：声流效应：晶粒尺寸：超声功率 分类号TG249.9 Effects of ultrasonic power and temperature subjected to vibration on the solidifi- cation structure of industrial pure aluminum JIA NG Ripeng.LI Xiaoqian,ZHA NG Lihua.HU Shicheng.LIU Rongguang College of Mechanical and Electrical Engineering:Central South University.Changsha 410083.China ABSTRACT Ultrasonic field was introduced into the solidification process of industrial pure aluminum.The mechanism of grain re- finement by ultrasonic was discussed.The effects of ultrasonic power and melt temperature range subjected to ultrasonic vibration on the solidification structure of casting ingots were studied.The experiment results showed that the solidification structures of aluminum melt were all refined remarkably by ultrasonic treatment due to ultrasonic cavitation effect and acoustic stream effect.The structure refinement was improved when the ultrasonic power increased,the refining effect was the best at the ultrasonic power of 170 W,but it would be decreased if the ultrasonic power continuously increased.The similar law was found in investigating the influence of tem- perature range applying vibration on the solidification structure,and the grain refinement can reach an optimum degree at a reasonable temperature applying ultrasonic. KEY WORDS industrial pure aluminum:melt temperature:solidification structure:cavitation effect:acoustic streaming effect: grain size:ultrasonic power 铝材的制备都必须经过坯料铸造的过程，均质 细化铸钢晶粒以改善铸锭的质量)].20世纪三四 无裂纹的铸锭是生产合格铝材的前提条件，各种裂 十年代，以Eskin、Abramov和Sokolov为代表掀起 纹的形成及材料性能的优劣与其凝固组织有着密切 了研究振动效应对凝固组织影响的热潮，但此后的 的关系，如何细化晶粒，获得细小均匀的等轴晶组 一段时间由于材料及技术问题的制约，同时人们找 织，减少各种铸造缺陷一直以来都是国内外学者所 到了变质处理、孕育处理等有效细化晶粒的方法，导 关注的问题，在合金熔体中引入超声波将产生一系 致这方面的研究处于停滞状态，20世纪80年代伴 列储如空化、声流、机械、辐射压力等非线性效 随新材料的诞生，技术瓶颈获得突破，使得这一领域 应山，通过这些效应可以改善组织，减少偏析，改变 的研究再度活跃起来，在超声处理铝合金方面，前 二次相的形成及分布，将振动应用于冶金领域可追 苏联、俄罗斯、美国和日本等国家的科研院所进行了 潮到l878年，Chernov第一次成功运用摇晃俦模法 广泛的探索性研究，积累了很多成果[3)]，我国在 收稿日期：2007-09-10修回日期：2007-10-28 基金项目：国家重点基础研究发展计划资助项目(N。,2005CB23707) 作者简介：蒋日鹏(1983一)，男，项士研究生，E-mail:jiangripeng@163.com；李晓谦(1958一)，男，教授，博士
施振功率与温度对工业纯铝凝固组织的影响 蒋日鹏 李晓谦 张立华 胡仕成 刘荣光 中南大学机电工程学院长沙410083 摘 要 在工业纯铝的凝固过程中引入超声场探讨了超声细化晶粒的机理并具体研究了超声功率、导入声波的熔体温度 区间对铸锭凝固组织的影响规律．实验结果表明：铝熔体经超声处理后凝固组织均得到显著细化这主要取决于超声的空化 效应和声流效应；超声功率增大时组织细化程度提高功率达到170W 时细化效果最好继续增大功率则细化作用减弱；施 振温度区间对凝固组织的影响也有相似的规律在合理的温度导入声波晶粒能细化到最佳程度． 关键词 工业纯铝；熔体温度；凝固组织；空化效应；声流效应；晶粒尺寸；超声功率 分类号 TG249∙9 Effects of ultrasonic power and temperature subjected to vibration on the solidification structure of industrial pure aluminum JIA NG RipengLI XiaoqianZHA NG LihuaHU ShichengLIU Rongguang College of Mechanical and Electrical EngineeringCentral South UniversityChangsha410083China ABSTRACT Ultrasonic field was introduced into the solidification process of industrial pure aluminum．T he mechanism of grain refinement by ultrasonic was discussed．T he effects of ultrasonic power and melt temperature range subjected to ultrasonic vibration on the solidification structure of casting ingots were studied．T he experiment results showed that the solidification structures of aluminum melt were all refined remarkably by ultrasonic treatment due to ultrasonic cavitation effect and acoustic stream effect．T he structure refinement was improved when the ultrasonic power increasedthe refining effect was the best at the ultrasonic power of 170Wbut it would be decreased if the ultrasonic power continuously increased．T he similar law was found in investigating the influence of temperature range applying vibration on the solidification structureand the grain refinement can reach an optimum degree at a reasonable temperature applying ultrasonic． KEY WORDS industrial pure aluminum；melt temperature；solidification structure；cavitation effect；acoustic streaming effect； grain size；ultrasonic power 收稿日期：2007-09-10 修回日期：2007-10-28 基金项目：国家重点基础研究发展计划资助项目（No．2005CB23707） 作者简介：蒋日鹏（1983—）男硕士研究生E-mail：jiangripeng＠163．com；李晓谦（1958—）男教授博士 铝材的制备都必须经过坯料铸造的过程均质 无裂纹的铸锭是生产合格铝材的前提条件．各种裂 纹的形成及材料性能的优劣与其凝固组织有着密切 的关系．如何细化晶粒获得细小均匀的等轴晶组 织减少各种铸造缺陷一直以来都是国内外学者所 关注的问题．在合金熔体中引入超声波将产生一系 列诸如空化、声流、机械、辐射压力等非线性效 应［1］通过这些效应可以改善组织减少偏析改变 二次相的形成及分布．将振动应用于冶金领域可追 溯到1878年Chernov 第一次成功运用摇晃铸模法 细化铸钢晶粒以改善铸锭的质量［2］．20世纪三四 十年代以 Eskin、Abramov 和 Sokolov 为代表掀起 了研究振动效应对凝固组织影响的热潮但此后的 一段时间由于材料及技术问题的制约同时人们找 到了变质处理、孕育处理等有效细化晶粒的方法导 致这方面的研究处于停滞状态．20世纪80年代伴 随新材料的诞生技术瓶颈获得突破使得这一领域 的研究再度活跃起来．在超声处理铝合金方面前 苏联、俄罗斯、美国和日本等国家的科研院所进行了 广泛的探索性研究积累了很多成果［3—7］．我国在 第30卷 第11期 2008年 11月 北 京 科 技 大 学 学 报 Journal of University of Science and Technology Beijing Vol．30No．11 Nov．2008 DOI:10．13374／j．issn1001－053x．2008．11．015
第11期 蒋日鹏等：施振功率与温度对工业纯铝凝固组织的影响 ,1261. 此领域也开展了一些工作，但因为各方面条件的限 声功率，此功率可视为液体中的总声功率山.为了 制，研究还比较零散，应用成果很少[⑧101，通过引入 保证测量的准确性，选用比热容较小、温升反映快的 外场调控铸锭凝固过程，改善凝固组织是当前国际 溶液，同时采取保温措施，减少热量的损失，在测量 研究的热点，笔者所在的课题组将在铝合金超声铸 过程中，应保持超声振动系统处于最佳谐振状态以 造实验及工业应用、超声波作用机理等方面展开全 保证测得的功率与高温铝熔体中的情况尽可能 面、系统、深入的研究，力求获得超声铸造工艺参数 接近 的匹配规律及其对合金凝固组织的影响，为高性能 超声波发生器 铝材的生产制备提供基础理论平台和技术指导.本 文主要探讨超声功率和熔体温度对工业纯铝凝固组 定位法兰盘 定位夹具 织的影响规律 位移控制操作台 超声振动系统 1实验 温度控制记录仪 1.1实验设备、材料与装置 采用他激式超声波发生器，共有(19士0.5)， 热电偶 (20士0.5)和(21土0.5)kz三个工作频率档位和五 铝合金熔体 个输出功率档位，可以根据不同的负载工况选择工 作频率和功率，工作时超声振动系统的谐振状况和 ,石墨坩埚 偏频程度可由发生器控制面板的指示表读取，以便 及时调整电源参数，功率超声振动系统由三部分组 图1实验装置示意图 成：压电陶瓷换能器，直径50mm,设计频率为 Fig.I Schematic diagram of the experiment apparatus 19.8k出z;阶梯形变幅杆，材质为45#钢：钛合金工 取一定质量的甘油放入烧杯中，工具杆浸入甘 具杆，工作端面直径50mm,压电陶瓷片端部安装 油25mm,启动振动系统，同时开始记时，记录初始 散热风扇用以缓解高温工作环境及机械损耗所产生 温度T.,每隔5min记录一次溶液温度，60min时停 的发热效应，其他辅助设备：电阻丝加热炉及配套 止施振，记录终止温度T。·更换功率档位，重复测 的温度控制记录仪；热电偶；位移控制操作台；石墨 量，得到对应五个功率档位的温升变化曲线如图2 坩埚，外形尺寸为70mm×20mm,壁厚18mm； 所示，为了补偿散失的热量，每次实验结束后再从 Leica台式金相显微镜. 温度T。开始自然降温，降温时间与超声波导入时 实验材料为工业纯铝，取自半连续铸造成型的 间相同，得到温度T。,由此可算出温差△T=2T。一 300mm×200mm大铸锭，材料的合金成分如表1 T,一T,根据热功转换原理，由下式可计算出对应 所示 各档位的总声功率： 表1实验用工业纯铝的合金成分 P=(C1M1+C2M2)△T/t (1) Table 1 Composition of industrial pure aluminum in the experiment 其中，P为实际输出总声功率，t为超声波作用时 % 180r Si Mn Cu Fe Zn Al 160- 。1功率档位 ·2功率档位 0.001 0.001 0.001 0.0860.01 余量 140 。一3功率档位 4功率档位 120 ←5功率档位 整个实验装置如图1所示，通过位移控制操作 4 台调节超声振动系统，改变工具杆在坩埚铝熔体中 80 的位置，既可满足实验条件，又能保证高温下实验操 60 作的安全性， 40 1.2超声波功率测量 20 30405060 在高温铝熔体中测量超声波的实际作用功率、 10 20 时间min 空化强度十分困难，本实验采用常用的恒流量热法， 即向确定的溶液中辐射超声能，使液体温度上升，通 图2温升变化曲线 过测量温升变化计算出超声输出能量，进而计算超 Fig.2 Variation curves of temperature rising
此领域也开展了一些工作但因为各方面条件的限 制研究还比较零散应用成果很少［8—10］．通过引入 外场调控铸锭凝固过程改善凝固组织是当前国际 研究的热点．笔者所在的课题组将在铝合金超声铸 造实验及工业应用、超声波作用机理等方面展开全 面、系统、深入的研究力求获得超声铸造工艺参数 的匹配规律及其对合金凝固组织的影响为高性能 铝材的生产制备提供基础理论平台和技术指导．本 文主要探讨超声功率和熔体温度对工业纯铝凝固组 织的影响规律． 1 实验 1∙1 实验设备、材料与装置 采用他激式超声波发生器共有（19±0∙5） （20±0∙5）和（21±0∙5）kHz 三个工作频率档位和五 个输出功率档位可以根据不同的负载工况选择工 作频率和功率工作时超声振动系统的谐振状况和 偏频程度可由发生器控制面板的指示表读取以便 及时调整电源参数．功率超声振动系统由三部分组 成：压电陶瓷换能器直径 ●50mm设计频率为 19∙8kHz；阶梯形变幅杆材质为45＃ 钢；钛合金工 具杆工作端面直径●50mm．压电陶瓷片端部安装 散热风扇用以缓解高温工作环境及机械损耗所产生 的发热效应．其他辅助设备：电阻丝加热炉及配套 的温度控制记录仪；热电偶；位移控制操作台；石墨 坩埚外形尺寸为●70mm ×20mm壁厚18mm； Leica台式金相显微镜． 实验材料为工业纯铝取自半连续铸造成型的 ●300mm×200mm 大铸锭材料的合金成分如表1 所示． 表1 实验用工业纯铝的合金成分 Table1 Composition of industrial pure aluminum in the experiment ％ Si Mn Cu Fe Zn Al 0∙001 0∙001 0∙001 0∙086 0∙01 余量 整个实验装置如图1所示通过位移控制操作 台调节超声振动系统改变工具杆在坩埚铝熔体中 的位置既可满足实验条件又能保证高温下实验操 作的安全性． 1∙2 超声波功率测量 在高温铝熔体中测量超声波的实际作用功率、 空化强度十分困难本实验采用常用的恒流量热法 即向确定的溶液中辐射超声能使液体温度上升通 过测量温升变化计算出超声输出能量进而计算超 声功率此功率可视为液体中的总声功率［11］．为了 保证测量的准确性选用比热容较小、温升反映快的 溶液同时采取保温措施减少热量的损失．在测量 过程中应保持超声振动系统处于最佳谐振状态以 保证测得的功率与高温铝熔体中的情况尽可能 接近． 图1 实验装置示意图 Fig．1 Schematic diagram of the experiment apparatus 图2 温升变化曲线 Fig．2 Variation curves of temperature rising 取一定质量的甘油放入烧杯中工具杆浸入甘 油25mm启动振动系统同时开始记时记录初始 温度 Ts每隔5min 记录一次溶液温度60min 时停 止施振记录终止温度 Te．更换功率档位重复测 量得到对应五个功率档位的温升变化曲线如图2 所示．为了补偿散失的热量每次实验结束后再从 温度 Te 开始自然降温降温时间与超声波导入时 间相同得到温度 Tc由此可算出温差ΔT＝2Te— Ts— Tc根据热功转换原理由下式可计算出对应 各档位的总声功率： P＝（C1M1＋C2M2）ΔT／t （1） 其中P 为实际输出总声功率t 为超声波作用时 第11期 蒋日鹏等： 施振功率与温度对工业纯铝凝固组织的影响 ·1261·
,1262 北京科技大学学报 第30卷 间，C1、M1、C2和M2分别为甘油和烧杯的比热容、 施振，同时移走振动系统，使铝熔体自然冷却直至完 质量.计算得到五个档位的声功率分别为105,135， 全凝固，依次改变超声功率，重复实验， 170,200和240W, (3)操作控制台，使工具杆浸入铝熔体25mm, 1.3实验方案 超声波发生器工作频率19士0.5kz,输出功率 将大铸锭中截取的工业纯铝块置于石墨坩埚放 170W.在800~750℃温度区间施加超声波，施振 入电阻丝加热炉进行熔炼，铝块完全融化后，对铝熔 结束后移走振动系统，使铝熔体自然冷却直至完全 体进行充分搅拌，持续加热至900℃，并添加铝打渣 凝固，依次改变施振温度区间，分别在750~700， 剂打渣净化熔体。启动超声振动系统，对导波工具 700~660,660~630,850~660,800~660和680~ 杆进行预热，将坩埚从电阻炉中移出，置于空气中， 660℃导入超声，重复上述实验 使其自然冷却.超声波从铝熔体顶部连续导入，具 每次实验处理的铸锭质量相同，一共获得样品 体方案如下， 13个，考虑到铸锭形状的对称性，将样品从中间切 (1)不施加超声波，使坩埚中的铝熔体自然冷 开，取1/4断面进行研磨、用化学抛光液抛光研磨 却直至完全凝固， 面，最后对断面进行强酸腐蚀，样品冲洗拭干后，沿 (2)操作控制台，使工具杆浸入铝熔体25mm, 施加声波的轴线方向由上至下取近声场和远声场两 选择工作频率19士0.5kh,当熔体温度下降到 个位置观察其凝固组织，为便于观察与记录，表2 750℃时，开始施加超声波，至液相线660℃时，停止 对样品进行了标记， 表2样品标记表 Table 2 Marker list of samples 实验工况 样品标记 实验工况 样品标记 实验工况 样品标记 观察位置标记 未加声波 A P=240W T=660-630℃ J P=105W 女 T=800-750℃ T=850-660℃ K P=135W T=750-700℃ 夕 T=800-660℃ P=170W 0 T=700-660℃ T=680-660℃ P=200W 2实验结果与分析 状、片状、骨骼状；而经超声振动处理过的铝铸锭，无 论是在何种工况下导入声波，其宏观组织与未加超 2.1铸锭凝固组织 声的情况相比较，均有明显细化现象且晶粒分布较 从样品的宏观组织（图3）可发现：未加超声处 为均匀 理的铸锭，枝晶非常发达并且连成一体，组织呈块 (b) 2 mm 2 mm 图3铸锭宏观组织对比图.(a)为未施加超声波；(b),(c)和()为不同工况下施加超声波 Fig.3 Comparison of the macrostructures of casting ingots obtained without(a)and with the application of ultrasonic in different load cases (b.c and d) 分别从靠近振源位置（标记1，如表2所示）和 源处，虽然晶粒比较粗大，但它们的显微组织也不同 远离振源位置（标记2）取微观组织分析，也发现相 于样品A,在改变超声输出功率得到的铸锭组织 似的变化规律.从图4和图5可以看出，与样品A 中，发现当超声输出功率P=170W时，晶粒细化效 相比，样品B一M的组织中在靠近施加超声处，粗大 果最为理想，过大或过小的声功率都将导致这种效 的树枝晶、柱状晶已被细小等轴晶取代，在远离振动 果减弱，晶粒尺寸增大
间C1、M1、C2 和 M2 分别为甘油和烧杯的比热容、 质量．计算得到五个档位的声功率分别为105135 170200和240W． 1∙3 实验方案 将大铸锭中截取的工业纯铝块置于石墨坩埚放 入电阻丝加热炉进行熔炼铝块完全融化后对铝熔 体进行充分搅拌持续加热至900℃并添加铝打渣 剂打渣净化熔体．启动超声振动系统对导波工具 杆进行预热．将坩埚从电阻炉中移出置于空气中 使其自然冷却．超声波从铝熔体顶部连续导入具 体方案如下． （1） 不施加超声波使坩埚中的铝熔体自然冷 却直至完全凝固． （2） 操作控制台使工具杆浸入铝熔体25mm 选择工作频率19±0∙5kHz当熔体温度下降到 750℃时开始施加超声波至液相线660℃时停止 施振同时移走振动系统使铝熔体自然冷却直至完 全凝固．依次改变超声功率重复实验． （3） 操作控制台使工具杆浸入铝熔体25mm 超声波发生器工作频率19±0∙5kHz输出功率 170W．在800～750℃温度区间施加超声波施振 结束后移走振动系统使铝熔体自然冷却直至完全 凝固．依次改变施振温度区间分别在750～700 700～660660～630850～660800～660和680～ 660℃导入超声重复上述实验． 每次实验处理的铸锭质量相同一共获得样品 13个考虑到铸锭形状的对称性将样品从中间切 开取1／4断面进行研磨、用化学抛光液抛光研磨 面最后对断面进行强酸腐蚀．样品冲洗拭干后沿 施加声波的轴线方向由上至下取近声场和远声场两 个位置观察其凝固组织．为便于观察与记录表2 对样品进行了标记． 表2 样品标记表 Table2 Marker list of samples 实验工况 样品标记 未加声波 A P＝105W B P＝135W C P＝170W D P＝200W E 实验工况 样品标记 P＝240W F T＝800～750℃ G T＝750～700℃ H T＝700～660℃ I 实验工况 样品标记 T＝660～630℃ J T＝850～660℃ K T＝800～660℃ L T＝680～660℃ M 观察位置标记 2 实验结果与分析 2∙1 铸锭凝固组织 从样品的宏观组织（图3）可发现：未加超声处 理的铸锭枝晶非常发达并且连成一体组织呈块 状、片状、骨骼状；而经超声振动处理过的铝铸锭无 论是在何种工况下导入声波其宏观组织与未加超 声的情况相比较均有明显细化现象且晶粒分布较 为均匀． 图3 铸锭宏观组织对比图．（a） 为未施加超声波；（b）（c）和（d）为不同工况下施加超声波 Fig．3 Comparison of the macrostructures of casting ingots obtained without （a） and with the application of ultrasonic in different load cases （bc and d） 分别从靠近振源位置（标记1如表2所示）和 远离振源位置（标记2）取微观组织分析也发现相 似的变化规律．从图4和图5可以看出与样品 A 相比样品 B～M 的组织中在靠近施加超声处粗大 的树枝晶、柱状晶已被细小等轴晶取代在远离振动 源处虽然晶粒比较粗大但它们的显微组织也不同 于样品 A．在改变超声输出功率得到的铸锭组织 中发现当超声输出功率 P＝170W 时晶粒细化效 果最为理想过大或过小的声功率都将导致这种效 果减弱晶粒尺寸增大． ·1262· 北 京 科 技 大 学 学 报 第30卷
第11期 蒋日鹏等：施振功率与温度对工业纯铝凝固组织的影响 ,1263. 200m 200m 00m D-I 200m 200m 200m 200m 200m 图4不同超声功率下获得的铸锭显微组织 Fig.4 Microstructures of casting ingots obtained at different ultrasonic powers 200 um 200m 2004m 200μm H-2 200山m 200μm 200μm 山 200m 200μm 200m 200um 200μm 200m 图5不同温度区间施振获得的铸锭显微组织 Fig.5 Microstructures of casting ingots obtained in different temperature ranges 铝熔体温度对组织细化程度的影响也十分明 细小均匀的等轴晶组织；在低温区间施振时，虽未形 显.从800~630℃选取不同的温度区间导入超声 成等轴晶，但组织同样得到有效细化，晶粒较为细 波，由图5可知：在高温区间800~750℃施振，晶粒 小，从不同温度施加超声波至铝熔体液相线时，组 得到细化，但仍存在大量的枝晶网胞；中间温度段施 织结果显示在800℃引入超声场对组织细化最为有 加超声时，在工具杆端面附近即近声场区，均获得了 利，这时得到的晶粒最为细小.图5中L一1、L一2表
图4 不同超声功率下获得的铸锭显微组织 Fig．4 Microstructures of casting ingots obtained at different ultrasonic powers 图5 不同温度区间施振获得的铸锭显微组织 Fig．5 Microstructures of casting ingots obtained in different temperature ranges 铝熔体温度对组织细化程度的影响也十分明 显．从800～630℃选取不同的温度区间导入超声 波由图5可知：在高温区间800～750℃施振晶粒 得到细化但仍存在大量的枝晶网胞；中间温度段施 加超声时在工具杆端面附近即近声场区均获得了 细小均匀的等轴晶组织；在低温区间施振时虽未形 成等轴晶但组织同样得到有效细化晶粒较为细 小．从不同温度施加超声波至铝熔体液相线时组 织结果显示在800℃引入超声场对组织细化最为有 利这时得到的晶粒最为细小．图5中 L—1、L—2表 第11期 蒋日鹏等： 施振功率与温度对工业纯铝凝固组织的影响 ·1263·
.1264 北京科技大学学报 第30卷 明沿整个铸锭断面，晶粒尺寸都大致相同且晶粒分 导致空化泡表面的铝熔体温度降低，形成局部过冷， 布非常均匀 这样就在空化泡附近形成大量晶核，形核率增加，组 2.2晶粒细化机理 织得到细化，空化泡在崩溃后形成很多微气泡，重 在超声场中，液体分子受到周期性的交变声压 新溶解在铝熔体中，进一步长大形成空化气泡，如此 作用，当声压超过一定值时，首先负声压作用于液体 循环往复使空化过程持续进行，此外，有限振幅的 分子使其超过临界分子距离，导致液体被拉裂形成 超声波在传播过程中会产生衰减，这样就从施加超 空化泡或空穴，接着正声压使空化泡和空穴以极高 声振动处由上至下形成一定的声压梯度，形成流体 速度闭合或崩溃，在气泡崩溃瞬间将形成强烈的冲 喷射，引发熔体流动，当施加声压超过一定值时，喷 击波，在液体内产生局部的高温高压，如图6所示， 射流在熔体中将形成环流，即所谓的声流效应]. 空化泡崩溃时的最高温度Tm和最大压力Pm可 强烈的冲击波击碎了初生晶体和正在长大的晶体， 由下式计算得到213) 在声流效应的搅拌作用下，击碎的晶体将弥散分布 Tmax-Tmin Pm(r-1) 在熔体中，形成新的晶核，提高了形核率。同时，声 流效应能破坏边界层，加速传质、传热，促进微细颗 (2) [Pm(r-1】- 粒弥散，清洗颗粒表面，减小润湿角，增大形核功. Pmas-P9 Pa 前人研究发现超声波在熔体中引发的声流速度可达 式中，P,为起始半径时空化泡内压力，Pm为空化泡 到熔体热对流速度的10~103倍1]，强大的声流可 崩溃过程中受到的总压力，r为蒸汽的比热值，Tmim 明显提高熔体温度场的均匀性，超声场引发的空 为铝熔体温度 化、声流效应对高温铝熔体产生强烈作用，改变了熔 体的凝固条件，使铝熔体的凝固方式由逐层凝固变 工具杆 为体积凝固，抑制柱状晶的生长，形成均匀的等轴晶 组织 铝合金熔体 空化泡崩溃 2.3晶粒细化规律 未加超声波形成的铸锭组织多为发达的树枝 晶、柱状晶，晶粒尺寸粗大，引入小功率超声波时， 膨胀与长大 石墨坩埚 一次枝晶被打断，晶粒尺寸减小，但由于声功率较 小，空化与声流效应比较微弱，所形成的晶粒尺寸偏 空化泡产生 大，同时发现组织中仍存在许多枝晶网胞，当声功 声流过程 空化过程 率P=170W时，二次枝晶也被打断，晶粒进一步细 化，超声细化效果达到了最佳状态，若继续增大声 图6超声空化、声流效应示意图 功率，强烈的空化与声流效应使得铝熔体瞬时局部 Fig.6 Schematic diagram of ultrasonic cavitation effect and acoustic 温度升高，延长了晶体的长大时间，晶粒尺寸增大， stream effect 超声细化效果反而减弱，实验统计了单位面积上所 理论计算及实验测量表明，气泡瞬间崩溃能产 有晶粒的线性尺寸，得到铸锭组织平均晶粒尺寸随 生高达104K和10MPa的高温和高压1.空化泡 超声功率变化的规律，如图7(a)所示 在长大和崩溃过程中，会从液体周围吸收热量，因此 图7(b)显示了从不同的温度施加超声波至铝 1200 195r (b) 400 (c) 写1000 且165 800 300 135 200 400 105 200 斗75 100 90 180 270 45680720760800840 630660 700 750 800 超声功率W 熔体温度/℃ 温度区间/℃ 图7晶粒尺寸与超声功率(a)、熔体温度(b)和温度区间(c)的关系 Fig.7 Relations of grain size to ultrasonic power (a),melt temperature (b),and temperature range (c)
明沿整个铸锭断面晶粒尺寸都大致相同且晶粒分 布非常均匀． 2∙2 晶粒细化机理 在超声场中液体分子受到周期性的交变声压 作用当声压超过一定值时首先负声压作用于液体 分子使其超过临界分子距离导致液体被拉裂形成 空化泡或空穴接着正声压使空化泡和空穴以极高 速度闭合或崩溃在气泡崩溃瞬间将形成强烈的冲 击波在液体内产生局部的高温高压如图6所示． 空化泡崩溃时的最高温度 T max和最大压力 Pmax可 由下式计算得到［12—13］： T max＝ T min Pm（ r—1） Pg Pmax＝Pg Pm（ r—1） Pg r （ r—1） （2） 式中Pg 为起始半径时空化泡内压力Pm 为空化泡 崩溃过程中受到的总压力r 为蒸汽的比热值T min 为铝熔体温度． 图6 超声空化、声流效应示意图 Fig．6 Schematic diagram of ultrasonic cavitation effect and acoustic stream effect 理论计算及实验测量表明气泡瞬间崩溃能产 生高达104 K 和104 MPa 的高温和高压［14］．空化泡 在长大和崩溃过程中会从液体周围吸收热量因此 导致空化泡表面的铝熔体温度降低形成局部过冷 这样就在空化泡附近形成大量晶核形核率增加组 织得到细化．空化泡在崩溃后形成很多微气泡重 新溶解在铝熔体中进一步长大形成空化气泡如此 循环往复使空化过程持续进行．此外有限振幅的 超声波在传播过程中会产生衰减这样就从施加超 声振动处由上至下形成一定的声压梯度形成流体 喷射引发熔体流动当施加声压超过一定值时喷 射流在熔体中将形成环流即所谓的声流效应［15］． 强烈的冲击波击碎了初生晶体和正在长大的晶体 在声流效应的搅拌作用下击碎的晶体将弥散分布 在熔体中形成新的晶核提高了形核率．同时声 流效应能破坏边界层加速传质、传热促进微细颗 粒弥散清洗颗粒表面减小润湿角增大形核功． 前人研究发现超声波在熔体中引发的声流速度可达 到熔体热对流速度的10～103 倍［16］强大的声流可 明显提高熔体温度场的均匀性．超声场引发的空 化、声流效应对高温铝熔体产生强烈作用改变了熔 体的凝固条件使铝熔体的凝固方式由逐层凝固变 为体积凝固抑制柱状晶的生长形成均匀的等轴晶 组织． 2∙3 晶粒细化规律 未加超声波形成的铸锭组织多为发达的树枝 晶、柱状晶晶粒尺寸粗大．引入小功率超声波时 一次枝晶被打断晶粒尺寸减小但由于声功率较 小空化与声流效应比较微弱所形成的晶粒尺寸偏 大同时发现组织中仍存在许多枝晶网胞．当声功 率 P＝170W 时二次枝晶也被打断晶粒进一步细 化超声细化效果达到了最佳状态．若继续增大声 功率强烈的空化与声流效应使得铝熔体瞬时局部 温度升高延长了晶体的长大时间晶粒尺寸增大 超声细化效果反而减弱．实验统计了单位面积上所 有晶粒的线性尺寸得到铸锭组织平均晶粒尺寸随 超声功率变化的规律如图7（a）所示． 图7（b）显示了从不同的温度施加超声波至铝 图7 晶粒尺寸与超声功率（a）、熔体温度（b）和温度区间（c）的关系 Fig．7 Relations of grain size to ultrasonic power （a）melt temperature （b）and temperature range （c） ·1264· 北 京 科 技 大 学 学 报 第30卷
第11期 蒋日鹏等：施振功率与温度对工业纯铝凝固组织的影响 ,1265 熔体液相线时晶粒尺寸的变化规律，8O0℃时施加 [4]Eskin G I.Effect of ultrasonic (cavitation)treatment of the melt 超声波形成的凝固组织最为细小，平均晶粒尺寸达 on the microstructure evolution during solidification of aluminum 77mm,而过高或过低的温度都将减弱超声细化效 alloy ingots.Z Metallkd.2002.93(6):502 [5]Abdel-Rehim M.Reif W.Practical applications for solidification 果.对于这种规律的变化，通常认为超声振动细化 of metals and alloys under ultrasonic vibrations.Metal,1984,38 晶粒、除气和除杂需要一定时间1]，高温导入超声 (12):1156 波时，振动处理熔体的时间相对延长，超声波的热效 [6]Puskar A.The Use of High-intensity Ultrasonic.Amsterdam 应加强，晶粒尺寸增大；低温导入超声波则处理时间 Elsevier,1982:56 缩短，超声细化晶粒的能力未得到充分发挥. [7]Eskin G I.Ultrasonic Treatment of Molten Aluminum. Moscow:Metallurgiya.1985:1 此外，从图7(c)可以看出，在不同的熔体温度 [8]Li Y L.Li B M.Liu Y T et al.Effect of high intensity ultrasonic 区间施加超声波，晶粒亦可得到细化，在液相线上 on structures and properties of Al Si alloys.Chin I Nonferrous 的三个温度区间，以700~660℃导入超声波的组织 Met,1999,9(4):719 细化效果最好，而在液相线下660~630℃导入超声 (李英龙，李宝绵，刘永涛，等.功率超声对ASi合金组织和性 波的晶粒尺寸也较小，这也证明了声流搅拌、破碎效 能的影响.中国有色金属学报，1999,9(4)：719) [9]Zhao Z X.Mu G H.Huang J R.et al.Effect of ultrasonic on the 应对组织的细化作用 structure and properties of casting alloy.Foundry.1996(3):21 3结论 (赵忠兴，穆光华，黄金日，等.超声波对铸造合金组织和性能 的影响，铸造，1996(3)：21) ()超声波功率对凝固组织的影响：在铝熔体 [10]Ma L Q,Shu G J.Chen F et al.Research on solidification of 中导入超声波，其凝固组织明显细小；当声功率P= metal melt under ultrasonic field.Mater Sci Eng.1995.13 170W时，晶粒细化效果最好， (4):2 (马立群，舒光冀，陈锋，等。金属熔体在超声场中凝固的研 (2)施振温度对凝固组织影响：在不同温度导 究、材料科学与工程，1995,13(4).2) 入超声波至熔体液相线，均对凝固组织有细化作用， [11]Ying C F.Ultrasonics.Beijing:Science Press,1990:524 然而温度过高、过低都将减弱细化效果，最佳施振温 (应崇福.超声学.北京：科学出版社，1990,524) 度为800℃；截取不同的温度区间导入超声波同样 [12]Yuan Y Q.Ultrasonic Physics Theory and Application in Mod- 均能细化凝固组织：在液相线以上700~660℃和液 ern Times.Nanjing:Nanjing University Press,1996:133 (袁易全·近代超声原理及应用南京：南京大学出版社， 相线以下660~630℃导入超声波，晶粒细化效果较 1996,133) 为理想， [13]Mondolfo L F.Structure and Properties of Aluminum Alloys (3)超声波在传递过程中会产生衰减，因此沿 London:Butterworths Press,1976:200 施加超声振动的轴线由上至下，晶粒尺寸都有不同 [14]Feng R.Li H M.Acoustic Chemistry and Application.Hefei: 程度的增大 Anhui Science and Technology Press,1990:112 (冯诺，李化茂.声化学及应用，合肥：安徽科技出版社， (4)超声波细化晶粒的机理主要是空化效应和 1990:112) 声流效应.空化效应产生的局部高温、高压和强烈 [15]Pan L.Chen F,Wu S Q.Review of MMC fabrication under 的冲击波能熔断和击碎初生晶体和枝晶，在声流搅 high intensity utrasonic treatment.Mater Mech Eng.2003.27 拌的作用下弥散分布于熔体中，形成晶核。同时，空 (7):1 化气泡的崩渍使熔体的有效过冷度增加，因而提高 (潘蕾，陈锋，吴申庆·高能超声作用下金属基复合材料的制 备.机械工程材料，2003,27(7)：1) 形核率，促使晶粒细化 [16]Wang J.Zhou Y H.Shu G J.The status and development of 参考文献 MMC fabrication by high intensity ultrasound.Foundry.1997 (12):40 [1]Eskin GI.Ultrasonic Treatment of Light Alloy Melts.Amster- (王俊，周尧和，舒光冀·用高能超声制备金属基复合材料的 dam:Gordon 8 Breach.1998:1 形状与发展.铸造，1997(12)：40) [2]Jiang X.Xu H.Meek T T,et al.Effect of power ultrasound on [17]CMJIHMJI JI.Ulrasonic Welding.Translated by Jiang J. solidification of aluminum A356 alloy.Mater Lett.2005.59 Guan Z Y.Beijing:National Defence Industry Press,1963:104 (3):190 (CHJIHHJI JI.超声波焊接，姜健，关中原，译，北京：国防工 [3]Abramov O V.Action of high intensity ultrasound on solidifying 业出版社，1963,104) metal.Ultrasonics.1987.25(2):73
熔体液相线时晶粒尺寸的变化规律．800℃时施加 超声波形成的凝固组织最为细小平均晶粒尺寸达 77mm而过高或过低的温度都将减弱超声细化效 果．对于这种规律的变化通常认为超声振动细化 晶粒、除气和除杂需要一定时间［17］高温导入超声 波时振动处理熔体的时间相对延长超声波的热效 应加强晶粒尺寸增大；低温导入超声波则处理时间 缩短超声细化晶粒的能力未得到充分发挥． 此外从图7（c）可以看出在不同的熔体温度 区间施加超声波晶粒亦可得到细化．在液相线上 的三个温度区间以700～660℃导入超声波的组织 细化效果最好而在液相线下660～630℃导入超声 波的晶粒尺寸也较小这也证明了声流搅拌、破碎效 应对组织的细化作用． 3 结论 （1） 超声波功率对凝固组织的影响：在铝熔体 中导入超声波其凝固组织明显细小；当声功率 P＝ 170W 时晶粒细化效果最好． （2） 施振温度对凝固组织影响：在不同温度导 入超声波至熔体液相线均对凝固组织有细化作用 然而温度过高、过低都将减弱细化效果最佳施振温 度为800℃；截取不同的温度区间导入超声波同样 均能细化凝固组织；在液相线以上700～660℃和液 相线以下660～630℃导入超声波晶粒细化效果较 为理想． （3） 超声波在传递过程中会产生衰减因此沿 施加超声振动的轴线由上至下晶粒尺寸都有不同 程度的增大． （4） 超声波细化晶粒的机理主要是空化效应和 声流效应．空化效应产生的局部高温、高压和强烈 的冲击波能熔断和击碎初生晶体和枝晶在声流搅 拌的作用下弥散分布于熔体中形成晶核．同时空 化气泡的崩溃使熔体的有效过冷度增加因而提高 形核率促使晶粒细化． 参 考 文 献 ［1］ Eskin G I．Ultrasonic T reatment of L ight Alloy Melts．Amsterdam：Gordon ＆ Breach1998：1 ［2］ Jiang XXu HMeek T Tet al．Effect of power ultrasound on solidification of aluminum A356 alloy． Mater Lett200559 （3）：190 ［3］ Abramov O V．Action of high intensity ultrasound on solidifying metal．Ultrasonics198725（2）：73 ［4］ Eskin G I．Effect of ultrasonic （cavitation） treatment of the melt on the microstructure evolution during solidification of aluminum alloy ingots．Z Metallkd200293（6）：502 ［5］ Abde-l Rehim MReif W．Practical applications for solidification of metals and alloys under ultrasonic vibrations．Metal198438 （12）：1156 ［6］ Puskar A．The Use of High-intensity Ultrasonic．Amsterdam： Elsevier1982：56 ［7］ Eskin G I． Ultrasonic T reatment of Molten Aluminum． Moscow：Metallurgiya1985：1 ［8］ Li Y LLi B MLiu Y T et al．Effect of high-intensity ultrasonic on structures and properties of A-l Si alloys．Chin J Nonferrous Met19999（4）：719 （李英龙李宝绵刘永涛等．功率超声对 Al—Si 合金组织和性 能的影响．中国有色金属学报19999（4）：719） ［9］ Zhao Z XMu G HHuang J Ret al．Effect of ultrasonic on the structure and properties of casting alloy．Foundry1996（3）：21 （赵忠兴穆光华黄金日等．超声波对铸造合金组织和性能 的影响．铸造1996（3）：21） ［10］ Ma L QShu G JChen F et al．Research on solidification of metal melt under ultrasonic field． Mater Sci Eng199513 （4）：2 （马立群舒光冀陈锋等．金属熔体在超声场中凝固的研 究．材料科学与工程199513（4）：2） ［11］ Ying C F．Ultrasonics．Beijing：Science Press1990：524 （应崇福．超声学．北京：科学出版社1990：524） ［12］ Yuan Y Q．Ultrasonic Physics Theory and Application in Modern Times．Nanjing：Nanjing University Press1996：133 （袁易全．近代超声原理及应用．南京：南京大学出版社 1996：133） ［13］ Mondolfo L F．Structure and Properties of Aluminum Alloys． London：Butterworths Press1976：200 ［14］ Feng RLi H M．Acoustic Chemistry and Application．Hefei： Anhui Science and Technology Press1990：112 （冯诺李化茂．声化学及应 用．合 肥：安 徽 科 技 出 版 社 1990：112） ［15］ Pan LChen FWu S Q．Review of MMC fabrication under high intensity ultrasonic treatment．Mater Mech Eng200327 （7）：1 （潘蕾陈锋吴申庆．高能超声作用下金属基复合材料的制 备．机械工程材料200327（7）：1） ［16］ Wang JZhou Y HShu G J．The status and development of MMC fabrication by high intensity ultrasound．Foundry1997 （12）：40 （王俊周尧和舒光冀．用高能超声制备金属基复合材料的 形状与发展．铸造1997（12）：40） ［17］ CИЛНИЛ Л． Ultrasonic Welding．Translated by Jiang J Guan Z Y．Beijing：National Defence Industry Press1963：104 （CИЛНИЛ Л．超声波焊接．姜健关中原译．北京：国防工 业出版社1963：104） 第11期 蒋日鹏等： 施振功率与温度对工业纯铝凝固组织的影响 ·1265·