徐婷等：铝合金大铸锭超声半连铸多场耦合的数值模拟与实验研究 ·1275* 均结晶速度V=Vesin6也随之增大，通常铸锭的结晶 故.因此，根据模拟结果，当辐射杆插入深度为 速度愈大，铸锭的结晶组织愈细小、均匀国：但当端面 100mm,超声施振频率为20kHz时，输出振幅应设定 振幅达到15μm时，可以发现铸锭边部温度接近固相 在10um. 线温度，会导致初始凝固坯壳较薄，容易造成拉漏事 524 599 (b) 708 56 05 850 50 814 927 923 960 (c) 885668 (d) 817 928 83 014 956 939 966 970 图8不同超声振幅下Z=0.4m铸坯断面上温度分布（单位：K).(a)0μm:(b)5μm;(c)10μm:(d)15μm Fig.8 Temperature distribution (in K)on the cross section of Z=0.4m under different ultrasonic vibration amplitudes:(a)0um;(b)5 um:(c) 10μm:(d)15m 超声处理，直到结束，最终铸锭长度为5000mm. 3超声波热顶半连铸实验 取样时分别在距铸锭底部850mm与1500mm处 3.1实验与取样 切取宽度与厚度均为50mm的截面，如图9(b).低倍 根据上述模拟结果，设定超声波电源频率为20 试样条经铣削加工后用强酸浸蚀适当时间，然后立即 kHz,振幅A=10m,进行超声辅助2219铝合金热顶 用清水冲洗干净，观察其表面.金相试样在沿径向均 半连铸实验，见图9.当铸锭浇注达到750mm时，插入 分的七块试样的同一位置分别切取一个25mm×25 预热好的变幅杆，但关闭超声波电源，继续浇注当铸锭 mm×25mm的立方体，经研磨、抛光、腐蚀和烘干后采 长度达到1000mm时，启动超声波电源，对铝熔体进行 用Leica台式金相显微镜观察其显微组织 a b 高倍取样位置 54 低倍试样条 水平浇注口 200mm 超声辐射杆位置×4 图9铝合金超声波辅助铸造示意图.(a)实验装置：(b)取样示意图 Fig.9 Schematic diagram of Al alloy casting with ultrasonic treatment:(a)experimental facility:(b)distribution of test samples 3.2实验结果与分析 树枝晶，溶质元素在晶界高度富集，晶界较宽.施加超 图10为低倍组织实验结果.从图中可以看出，超 声后，铸锭所有区域的组织发生显著变化，多为细小的 声铸锭断面组织在沿半径同一位置处，均得到不同程 等轴晶，晶粒明显细化，且分布更加弥散、均匀，晶界变 度的细化，且晶粒分布较为均匀.对比可以发现，施加 细，说明晶界中原来富集的溶质元素更多的溶解到了 超声后边部细晶区域范围增大 基体中，有利于改善合金元素偏析. 图11为有无超声铸锭截面上不同位置的微观组 图12为有无超声晶粒尺寸分布曲线.未加超声 织对比图.可以发现未加超声时，除铸锭边部有部分 时，铸锭径向平均晶粒尺寸为365μm,边部晶粒最为 等轴晶外，其他区域的晶粒组织为二次臂比较发达的 细小，为292μm,心部附近的晶粒最为粗大，为427徐 婷等: 铝合金大铸锭超声半连铸多场耦合的数值模拟与实验研究 均结晶速度 V = vcastsinθ 也随之增大，通常铸锭的结晶 速度愈大，铸锭的结晶组织愈细小、均匀［3］; 但当端面 振幅达到 15 μm 时，可以发现铸锭边部温度接近固相 线温度，会导致初始凝固坯壳较薄，容易造成拉漏事 故． 因 此，根 据 模 拟 结 果，当辐射杆插入深度为 100 mm，超声施振频率为 20 kHz 时，输出振幅应设定 在 10 μm． 图 8 不同超声振幅下 Z = 0. 4 m 铸坯断面上温度分布( 单位: K) . ( a) 0 μm; ( b) 5 μm; ( c) 10 μm; ( d) 15 μm Fig． 8 Temperature distribution ( in K) on the cross section of Z = 0. 4 m under different ultrasonic vibration amplitudes: ( a) 0μm; ( b) 5μm; ( c) 10 μm; ( d) 15 μm 3 超声波热顶半连铸实验 3. 1 实验与取样 根据上述模拟结果，设定超声波电源频率为 20 kHz，振幅 A = 10 μm，进行超声辅助 2219 铝合金热顶 半连铸实验，见图 9． 当铸锭浇注达到 750 mm 时，插入 预热好的变幅杆，但关闭超声波电源，继续浇注当铸锭 长度达到 1000 mm 时，启动超声波电源，对铝熔体进行 超声处理，直到结束，最终铸锭长度为 5000 mm． 取样时分别在距铸锭底部 850 mm 与 1500 mm 处 切取宽度与厚度均为 50 mm 的截面，如图 9( b) ． 低倍 试样条经铣削加工后用强酸浸蚀适当时间，然后立即 用清水冲洗干净，观察其表面． 金相试样在沿径向均 分的七块试样的同一位置分别切取一个 25 mm × 25 mm × 25 mm 的立方体，经研磨、抛光、腐蚀和烘干后采 用 Leica 台式金相显微镜观察其显微组织． 图 9 铝合金超声波辅助铸造示意图． ( a) 实验装置; ( b) 取样示意图 Fig． 9 Schematic diagram of Al alloy casting with ultrasonic treatment: ( a) experimental facility; ( b) distribution of test samples 3. 2 实验结果与分析 图 10 为低倍组织实验结果． 从图中可以看出，超 声铸锭断面组织在沿半径同一位置处，均得到不同程 度的细化，且晶粒分布较为均匀． 对比可以发现，施加 超声后边部细晶区域范围增大． 图 11 为有无超声铸锭截面上不同位置的微观组 织对比图． 可以发现未加超声时，除铸锭边部有部分 等轴晶外，其他区域的晶粒组织为二次臂比较发达的 树枝晶，溶质元素在晶界高度富集，晶界较宽． 施加超 声后，铸锭所有区域的组织发生显著变化，多为细小的 等轴晶，晶粒明显细化，且分布更加弥散、均匀，晶界变 细，说明晶界中原来富集的溶质元素更多的溶解到了 基体中，有利于改善合金元素偏析． 图 12 为有无超声晶粒尺寸分布曲线． 未加超声 时，铸锭径向平均晶粒尺寸为 365 μm，边部晶粒最为 细小，为 292 μm，心部附近的晶粒最为粗大，为 427 ·1275·