王莹等：大直径铝锭热顶铸造中超声施振深度的细晶机制 .97。 faces of the ultrasonic radiation rod,there is a vibrational peak at the fixed position,which leads to different ultrasonic cavities under different ultrasonic vibrational depths in the aluminum melt.This leads to different refinement mechanisms of the solidified structure. KEY WORDS aluminum alloy;hot roof casting;finite element method;vibration peaks;ultrasonic cavitation;refinement mecha- nism 航天航空飞行器的工作环境恶劣，条件极端，所 艺，液穴深度很浅，未涉及到超声施振深度问题：而 以为了满足飞行器的工作需求，延长其使用寿命，需 圆锭采用热顶结晶器进行超声铸造，液穴较深，需要 要对其机械结构不断优化的同时还要提高其材料的 考虑超声施振深度对铸锭的影响.但目前并没有专 性能.航天航空飞行器的材料多数为合金材料，比 门针对铝合金超声铸造中施振深度的研究，而实际 如铝合金材料就是航天航空飞行器中应用最为广泛 上由于热顶铸造过程中铝熔体液位极高，超声施振 的合金材料.作为我国航空火箭能否顺利研发与运 深度会影响超声空化范围，不同的施振深度及空化 行的关键性技术，高强铝合金材料的研发与制造技 范围对铝熔体凝固过程的作用机制不同，因此急需 术一直以来都是需要不断突破的课题.超声处理由 开展关于不同超声施加深度对铝合金凝固组织细化 于具有空化与声流作用而被广泛运用于各个领域， 机制方面的研究 其中空化作用伴随着机械效应、热效应、化学效应 在大直径铝合金铸锭实验过程中，由于单源超 等-)].在进行铝合金铸造时，常规俦造方法存在凝 声振动系统作用范围有限且结晶器的结构具有对称 固组织粗大、合金元素偏析严重等问题，但在超声辅 性，故本文在直径为650mm的热顶半连续铸造生产 助铸造中，超声在铝熔体中产生的空化作用具有改 中施加对称分布的双源超声振动系统进行铝合金圆 善溶质元素偏析]、增大合金元素固溶度以及细化 锭铸造，研究了超声辐射杆浸入深度对铸锭宏观组 铸锭凝固组织等诸多优点[3-].近年来，随着航天事 织的影响，并针对辐射杆不同的施振深度，进行基于 业的发展以及工业化生产的需要，大直径铝合金铸 有限元法的声场与位移场仿真，深入探讨了超声空 锭的超声铸造工艺成为行业研究热点，黎正华 化作用对铝熔体凝固过程的作用机制. 等[6-刀研究了超声对铸造扁锭铝合金宏观偏析规律 1超声铸造实验与仿真 的影响，结果表明超声能显著改善溶质元素的宏微 观偏析，提高溶质元素晶内固溶程度：ⅵ等)研究 1.1超声半连续铸造实验材料与方法 了多源超声对大规格圆锭铝合金热顶铸造凝固组织 本次实验使用20t半连续铸造机并配备尺寸为 与宏观偏析的影响，结果表明超声能够有效细化铸 650mm热顶式结晶器进行2219铝合金铸造，其中 锭晶粒并改善铸锭组织分布的均匀性.对于大规格 热顶具有保温、防止熔体二次污染等优点，如图1 铝合金铸锭，如扁锭，其大多采用非热顶超声铸造工 (a)所示. (a) b 1一热顶式结品器 2一超声振动系统 3一溶池 4一浇口 5一冷凝水 6糊状区 铸 7一凝固区 8一引錠器 向 图1铸造及检测示意图.(a)双源超声热顶式铸造：(b)凝固组织取样位置 Fig.I Casting and testing schematic:(a)hot-top dual-source ultrasonic casting;(b)solidified tissue sampling position 半连续铸造机开启后，从熔炼炉倾倒出来的铝 熔体进入除气净化装置进行精炼，随后通过导流槽王 莹等: 大直径铝锭热顶铸造中超声施振深度的细晶机制 faces of the ultrasonic radiation rod, there is a vibrational peak at the fixed position, which leads to different ultrasonic cavities under different ultrasonic vibrational depths in the aluminum melt. This leads to different refinement mechanisms of the solidified structure. KEY WORDS aluminum alloy; hot roof casting; finite element method; vibration peaks; ultrasonic cavitation; refinement mecha鄄 nism 航天航空飞行器的工作环境恶劣,条件极端,所 以为了满足飞行器的工作需求,延长其使用寿命,需 要对其机械结构不断优化的同时还要提高其材料的 性能. 航天航空飞行器的材料多数为合金材料,比 如铝合金材料就是航天航空飞行器中应用最为广泛 的合金材料. 作为我国航空火箭能否顺利研发与运 行的关键性技术,高强铝合金材料的研发与制造技 术一直以来都是需要不断突破的课题. 超声处理由 于具有空化与声流作用而被广泛运用于各个领域, 其中空化作用伴随着机械效应、热效应、化学效应 等[1鄄鄄2] . 在进行铝合金铸造时,常规铸造方法存在凝 固组织粗大、合金元素偏析严重等问题,但在超声辅 助铸造中,超声在铝熔体中产生的空化作用具有改 善溶质元素偏析[3] 、增大合金元素固溶度以及细化 铸锭凝固组织等诸多优点[3鄄鄄5] . 近年来,随着航天事 业的发展以及工业化生产的需要,大直径铝合金铸 锭的超声铸造工艺成为行业研究热点, 黎正华 等[6鄄鄄7]研究了超声对铸造扁锭铝合金宏观偏析规律 的影响,结果表明超声能显著改善溶质元素的宏微 观偏析,提高溶质元素晶内固溶程度;Li 等[8] 研究 了多源超声对大规格圆锭铝合金热顶铸造凝固组织 与宏观偏析的影响,结果表明超声能够有效细化铸 锭晶粒并改善铸锭组织分布的均匀性. 对于大规格 铝合金铸锭,如扁锭,其大多采用非热顶超声铸造工 艺,液穴深度很浅,未涉及到超声施振深度问题;而 圆锭采用热顶结晶器进行超声铸造,液穴较深,需要 考虑超声施振深度对铸锭的影响. 但目前并没有专 门针对铝合金超声铸造中施振深度的研究,而实际 上由于热顶铸造过程中铝熔体液位极高,超声施振 深度会影响超声空化范围,不同的施振深度及空化 范围对铝熔体凝固过程的作用机制不同,因此急需 开展关于不同超声施加深度对铝合金凝固组织细化 机制方面的研究. 在大直径铝合金铸锭实验过程中,由于单源超 声振动系统作用范围有限且结晶器的结构具有对称 性,故本文在直径为 650 mm 的热顶半连续铸造生产 中施加对称分布的双源超声振动系统进行铝合金圆 锭铸造,研究了超声辐射杆浸入深度对铸锭宏观组 织的影响,并针对辐射杆不同的施振深度,进行基于 有限元法的声场与位移场仿真,深入探讨了超声空 化作用对铝熔体凝固过程的作用机制. 1 超声铸造实验与仿真 1郾 1 超声半连续铸造实验材料与方法 本次实验使用 20 t 半连续铸造机并配备尺寸为 准650 mm 热顶式结晶器进行 2219 铝合金铸造,其中 热顶具有保温、防止熔体二次污染等优点,如图 1 (a)所示. 图 1 铸造及检测示意图. (a)双源超声热顶式铸造;(b)凝固组织取样位置 Fig. 1 Casting and testing schematic: (a) hot鄄top dual鄄source ultrasonic casting; (b) solidified tissue sampling position 半连续铸造机开启后,从熔炼炉倾倒出来的铝 熔体进入除气净化装置进行精炼,随后通过导流槽 ·97·