第6期 陈鼎欣等：超声铸造7050铝合金的微观组织和宏观偏析规律 ·669· 过程、弱化宏观偏析的机理性研究还处于探索性阶 空化核心，使空化泡产生、崩溃的过程得以延续，并 段，课题组研究认为超声在熔体中传播时产生的空 且不断地产生冲击波 化效应和声流效应起主要作用，下面进行重点论述. 当边部凝固层达到一定的厚度，由于凝固潜热 0.12 的释放和传热条件的改变，冷却速度显著降低，伴随 Zn 一章…hg 着超声空化产生的微射流、冲击波等机械效应引起 0.10 …Cu 的液流宏观湍动以及固体粒子的高速碰撞，使涡流 0.08 扩散加强图，凝固界面的富集溶质迅速扩散：固液 ◆ 界面处形成的固相刚性骨架在这种微射流和冲击波 0.06 的剥离、侵蚀作用下，将形成液相与固相刚性骨架包 围的液相之间的扩散通道，使得凝固固相包围的液 0.04 相溶质浓度降低-)；在上述的多微孔介质内，微 .020 40 80120160 200 射流和冲击波具有促进物质传递的微扰动作用，能 超声功W 使微观内物质扩散加强.上述效应对传质过程起到 图4溶质元素偏析指数随超声功率变化规律 强化作用，使得铸锭半径1/2区域的正偏析程度减 Fig.4 Change in the segregation index of solution elements with ul- 小.超声对先凝固区域正偏析的抑制作用，使得最 trasonic power 后凝固部分中溶质元素浓度得到增大，对铸锭中心 2.1超声空化效应 正偏析的增加起到促进作用.此外，Eskin等)研 超声空化是指存在于液态物质中的微小气泡 究发现，细小等轴晶趋向于溶质富集.空化作用增 (空化核)在超声声场作用的激发下，空化气泡不断 加铸锭中心区域的细小等轴品比率，在一定程度上 振动、膨胀、收缩乃至崩溃爆裂等一系列的动力学过 促进了中心溶质的富集 程.根据文献，空化泡壁的运动方程B,o如下式 2.2声流效应 所示： 超声波在熔体中传播时，声波与熔体中黏性力 R+)-R(尝)-p小6) 交互作用会产生有限振幅衰减，导致熔体内从声源 开始形成一定的声压梯度，当声压幅值超过一定值 忽略空化泡的表面张力，假定空化泡的崩溃为 时，在熔体中形成一个流体的喷射，喷射流在整个熔 绝热过程，可得气泡溃灭时气泡内的最大压力、最高 体中形成环流，称为声流效应0，如图5所示.环 温度以及溃灭时间分别如下式： 流最大可能速度u可由下式计算： 「Pm(k-1)1六 u=2πfA. (7) (4) P 式中，∫为超声波频率，A为变幅杆端面最大振幅. Tn=Tn P.(k-1) (5) 由式(7)可以计算，在超声频率为19kHz,输出功率 P、 为170W(此时的振幅A为1.4776×10-5m)的外场 7=0.915R√f (6) 作用下可能产生的最大声流速度为1.25ms-.声 流速度比熔体中质点振动速度小得多，但也能达到 式中：R为空化泡半径：R,为空化泡初始半径：P。空 化泡内初始压力；1为时间；k为绝热指数；P,为空化 泡内的蒸气压，铝熔体中主要为氢气，取2.33kPa; P为气泡闭合时的外部压力；T为液体温度p为 液态物质密度. 研究发现：对于工业用铝合金熔体，当处于液态 时，其空化阈值大约为1MPa,故取P.为1MPa.由 式(4)~(6)，通过计算得空化泡崩溃瞬间产生的最 大压力为0.4GPa,最高温度为1.3×10K,崩溃时 间约为1μs;这些产生的局部高温高压将在铝熔体 中产生强烈的冲击波和高速射流，空化泡崩溃后会 图5超声声流 产生大量的微气泡，其中一部分微气泡将继续作为 Fig.5 Ultrasonic flows第 6 期 陈鼎欣等: 超声铸造 7050 铝合金的微观组织和宏观偏析规律 过程、弱化宏观偏析的机理性研究还处于探索性阶 段，课题组研究认为超声在熔体中传播时产生的空 化效应和声流效应起主要作用，下面进行重点论述． 图 4 溶质元素偏析指数随超声功率变化规律 Fig． 4 Change in the segregation index of solution elements with ul￾trasonic power 2. 1 超声空化效应 超声空化是指存在于液态物质中的微小气泡 ( 空化核) 在超声声场作用的激发下，空化气泡不断 振动、膨胀、收缩乃至崩溃爆裂等一系列的动力学过 程． 根据 文 献，空化泡壁的运动方程［3，10］ 如 下 式 所示: R d2 R dt 2 + ( 3 2 dR d ) t 2 = 1 [ ρ P0 ( R0 ) R 3k － Pm ] ． ( 3) 忽略空化泡的表面张力，假定空化泡的崩溃为 绝热过程，可得气泡溃灭时气泡内的最大压力、最高 温度以及溃灭时间分别如下式: Pmax = Pv [ Pm ( k － 1) P ] v k k － 1 ， ( 4) Tmax = Tmin ·Pm ( k － 1) Pv ， ( 5) τ = 0. 915Rm ρ 槡Pm ． ( 6) 式中: R 为空化泡半径; R0为空化泡初始半径; P0空 化泡内初始压力; t 为时间; k 为绝热指数; Pv为空化 泡内的蒸气压，铝熔体中主要为氢气，取 2. 33 kPa; Pm为气泡闭合时的外部压力; Tmin为液体温度; ρ 为 液态物质密度． 研究发现: 对于工业用铝合金熔体，当处于液态 时，其空化阈值大约为 1 MPa，故取 Pm为 1 MPa． 由 式( 4) ～ ( 6) ，通过计算得空化泡崩溃瞬间产生的最 大压力为 0. 4 GPa，最高温度为 1. 3 × 105 K，崩溃时 间约为 1 μs; 这些产生的局部高温高压将在铝熔体 中产生强烈的冲击波和高速射流，空化泡崩溃后会 产生大量的微气泡，其中一部分微气泡将继续作为 空化核心，使空化泡产生、崩溃的过程得以延续，并 且不断地产生冲击波． 当边部凝固层达到一定的厚度，由于凝固潜热 的释放和传热条件的改变，冷却速度显著降低，伴随 着超声空化产生的微射流、冲击波等机械效应引起 的液流宏观湍动以及固体粒子的高速碰撞，使涡流 扩散加强［8］，凝固界面的富集溶质迅速扩散; 固液 界面处形成的固相刚性骨架在这种微射流和冲击波 的剥离、侵蚀作用下，将形成液相与固相刚性骨架包 围的液相之间的扩散通道，使得凝固固相包围的液 相溶质浓度降低［10--13］; 在上述的多微孔介质内，微 射流和冲击波具有促进物质传递的微扰动作用，能 使微观内物质扩散加强． 上述效应对传质过程起到 强化作用，使得铸锭半径 1 /2 区域的正偏析程度减 小． 超声对先凝固区域正偏析的抑制作用，使得最 后凝固部分中溶质元素浓度得到增大，对铸锭中心 正偏析的增加起到促进作用． 此外，Eskin 等［13］研 究发现，细小等轴晶趋向于溶质富集． 空化作用增 加铸锭中心区域的细小等轴晶比率，在一定程度上 促进了中心溶质的富集． 2. 2 声流效应 超声波在熔体中传播时，声波与熔体中黏性力 交互作用会产生有限振幅衰减，导致熔体内从声源 开始形成一定的声压梯度，当声压幅值超过一定值 时，在熔体中形成一个流体的喷射，喷射流在整个熔 体中形成环流，称为声流效应［10］，如图 5 所示． 环 流最大可能速度 u 可由下式计算: 图 5 超声声流 Fig． 5 Ultrasonic flows u =槡2πfA． ( 7) 式中，f 为超声波频率，A 为变幅杆端面最大振幅． 由式( 7) 可以计算，在超声频率为 19 kHz，输出功率 为 170 W( 此时的振幅 A 为1. 4776 × 10 － 5 m) 的外场 作用下可能产生的最大声流速度为 1. 25 m·s － 1 ． 声 流速度比熔体中质点振动速度小得多，但也能达到 ·669·