·98. 工程科学学报，第41卷，第1期 平稳地流入热顶式结晶器，在结晶器中加入两套对 称分布的超声振动系统开始超声铝合金圆锭半连续 铸造.本研究共进行三次施加超声的铸造试验与一 次只加入超声振动系统而不施振的对比铸造试验， 超声铸造时超声振动系统的辐射杆分别浸入铝熔体 液面以下110、190与280mm.半连续铸造过程中， 铸造系统处于稳定状态，超声振动系统相对于铝合 金熔池的位置不变，待铸造完成后，在铸锭中部进行 切割处理，获取横截面试片进行凝固组织检测，如图 l(b)所示，并利用Leica台式金相显微镜观察分析 铸锭微观组织. 1.2超声铸造声场仿真 为了探索铝熔体中声场分布规律，基于20t半 图2双源超声铸造仿真模型 Fig.2 Dual-source ultrasonic casting simulation model 连续铝合金铸造机，建立双源铝合金超声铸造仿真 计算模型.由压电式换能器、45钢变幅杆及钛合金 超声的I-A中，主要为发达的柱状枝晶与二次枝 辐射杆组成的超声振动系统作用于2219铝熔体，形 晶，平均晶粒尺寸约为465um;在I-B中，有少量等 成了辐射杆与铝熔体的流固耦合边界.利用ANSYS 轴晶出现，但主要为二次臂比较发达的枝晶，晶粒尺 有限元软件仿真计算辐射杆在铝熔体中不同浸人深 寸约为415um;在I-C中，有部分的等轴枝品出现， 度情况下的声场分布，双源超声铸造仿真网格模型 但晶粒尺寸较大，尺寸约为295um.在Ⅱ、Ⅲ和N组 如图2所示.假定超声波在密度均匀的铝熔体中以 中，铸锭心部区域（即A处）主要是圆整的等轴状枝 线性波传播，则可以得到以下声压方程]： 晶，晶粒尺寸分别约为379、368与354m;1/2半径 附近（即B处）铸锭晶粒的形貌比较圆整，存在均布 (1) 的细小等轴晶，晶粒尺寸分别约为318、293和 假定在该铝熔体中超声波进行简谐振动，则有： 263m:铸锭边部（即C处）组织主要是弥散分布的 P(r,t)=p(r)eim (2) 细小等轴晶，晶粒尺寸分别约为237、226和213μm. 将式(2)代入式(1)得到铝熔体中声压的Helmholtz 由此可知，铸锭的晶粒尺寸随着超声辐射杆浸入深 方程： 度的增加而不断减小 FP+OP-0 (3) 图4为铝合金铸锭沿径向方向不同位置处取样 进行显微组织检测所统计得出的晶粒尺寸变化趋 式中：P为声压，Pa:p为铝合金密度，kgm-;c为铝 势，进一步分析得知，铸锭心部组织粗大，但是晶粒 熔体中的声速，ms;t为时间，s:w为角频率，rad 最粗大区域出现在铸锭中心附近而不在中心处，随 s1;r为空间点(x,y,z)到原点的距离，m;72为拉 着辐射杆浸入深度的增加该现象越发明显，这说明 普拉斯算符.基于声压方程(3)，运用ANSYS软件 铸锭心部组织在不同的超声工艺下存在不同程度的 对超声辐射杆向铝熔体介质施加超声波时产生的声 细化现象；在铸锭边部，晶粒尺寸细小并且随着超声 场进行仿真计算 辐射杆浸入深度的增加晶粒尺寸不断减小，铸锭的 2实验结果 晶粒尺寸由边部向心部呈逐渐变大趋势.在不同超 声处理工艺下，铸锭晶粒尺寸的变化趋势大致相同， 2.1铸锭显微组织 即边部晶粒较细，心部较粗大.综上可知，不同的超 图3为铝合金铸锭在不同超声施振深度下的显 声处理工艺均可以细化铝合金铸锭组织，但细化效 微组织对比图.图中I、Ⅱ、Ⅲ和V四组对比图分别 果并不相同，随着超声辐射杆浸入深度的增加，组织 代表未施加超声、施加超声且辐射杆浸入深度分别 细化效果越发明显：并且超声处理对铸锭1/2半径 为110、190以及280mm时的显微组织：A、B与C代 到边部这一区域细化效果最为明显 表取样位置分别在铸锭中心处、1/2半径附近处以 2.2铸造声场分布 及距离铸锭边缘30mm的边部.可以看出在未施加 通过对流固耦合模型的有限元仿真计算得到铝工程科学学报,第 41 卷,第 1 期 平稳地流入热顶式结晶器,在结晶器中加入两套对 称分布的超声振动系统开始超声铝合金圆锭半连续 铸造. 本研究共进行三次施加超声的铸造试验与一 次只加入超声振动系统而不施振的对比铸造试验, 超声铸造时超声振动系统的辐射杆分别浸入铝熔体 液面以下 110、190 与 280 mm. 半连续铸造过程中, 铸造系统处于稳定状态,超声振动系统相对于铝合 金熔池的位置不变,待铸造完成后,在铸锭中部进行 切割处理,获取横截面试片进行凝固组织检测,如图 1(b)所示,并利用 Leica 台式金相显微镜观察分析 铸锭微观组织. 1郾 2 超声铸造声场仿真 为了探索铝熔体中声场分布规律,基于 20 t 半 连续铝合金铸造机,建立双源铝合金超声铸造仿真 计算模型. 由压电式换能器、45 钢变幅杆及钛合金 辐射杆组成的超声振动系统作用于 2219 铝熔体,形 成了辐射杆与铝熔体的流固耦合边界. 利用 ANSYS 有限元软件仿真计算辐射杆在铝熔体中不同浸入深 度情况下的声场分布,双源超声铸造仿真网格模型 如图 2 所示. 假定超声波在密度均匀的铝熔体中以 线性波传播,则可以得到以下声压方程[9] : ( 驻 1 籽 驻 P ) - 1 籽c 2 鄣 2P 鄣t 2 = 0 (1) 假定在该铝熔体中超声波进行简谐振动,则有: P(r,t) = p(r)e i棕t (2) 将式(2)代入式(1)得到铝熔体中声压的 Helmholtz 方程: 2驻 P + 棕 2 c 2 P = 0 (3) 式中:P 为声压,Pa;籽 为铝合金密度,kg·m - 1 ;c 为铝 熔体中的声速,m·s - 1 ;t 为时间,s;棕 为角频率,rad· s - 1 ;r 为空间点( x,y,z) 到原点的距离,m; 驻2为拉 普拉斯算符. 基于声压方程(3),运用 ANSYS 软件 对超声辐射杆向铝熔体介质施加超声波时产生的声 场进行仿真计算. 2 实验结果 2郾 1 铸锭显微组织 图 3 为铝合金铸锭在不同超声施振深度下的显 微组织对比图. 图中玉、域、芋和吁四组对比图分别 代表未施加超声、施加超声且辐射杆浸入深度分别 为 110、190 以及280 mm 时的显微组织;A、B 与 C 代 表取样位置分别在铸锭中心处、1 / 2 半径附近处以 及距离铸锭边缘 30 mm 的边部. 可以看出在未施加 图 2 双源超声铸造仿真模型 Fig. 2 Dual鄄source ultrasonic casting simulation model 超声的玉鄄A 中,主要为发达的柱状枝晶与二次枝 晶,平均晶粒尺寸约为 465 滋m;在玉鄄B 中,有少量等 轴晶出现,但主要为二次臂比较发达的枝晶,晶粒尺 寸约为 415 滋m;在玉鄄C 中,有部分的等轴枝晶出现, 但晶粒尺寸较大,尺寸约为 295 滋m. 在域、芋和郁组 中,铸锭心部区域(即 A 处)主要是圆整的等轴状枝 晶,晶粒尺寸分别约为 379、368 与 354 滋m;1 / 2 半径 附近(即 B 处)铸锭晶粒的形貌比较圆整,存在均布 的细 小 等 轴 晶, 晶 粒 尺 寸 分 别 约 为 318、 293 和 263 滋m;铸锭边部(即 C 处)组织主要是弥散分布的 细小等轴晶,晶粒尺寸分别约为 237、226 和213 滋m. 由此可知,铸锭的晶粒尺寸随着超声辐射杆浸入深 度的增加而不断减小. 图 4 为铝合金铸锭沿径向方向不同位置处取样 进行显微组织检测所统计得出的晶粒尺寸变化趋 势,进一步分析得知,铸锭心部组织粗大,但是晶粒 最粗大区域出现在铸锭中心附近而不在中心处,随 着辐射杆浸入深度的增加该现象越发明显,这说明 铸锭心部组织在不同的超声工艺下存在不同程度的 细化现象;在铸锭边部,晶粒尺寸细小并且随着超声 辐射杆浸入深度的增加晶粒尺寸不断减小,铸锭的 晶粒尺寸由边部向心部呈逐渐变大趋势. 在不同超 声处理工艺下,铸锭晶粒尺寸的变化趋势大致相同, 即边部晶粒较细,心部较粗大. 综上可知,不同的超 声处理工艺均可以细化铝合金铸锭组织,但细化效 果并不相同,随着超声辐射杆浸入深度的增加,组织 细化效果越发明显;并且超声处理对铸锭 1 / 2 半径 到边部这一区域细化效果最为明显. 2郾 2 铸造声场分布 通过对流固耦合模型的有限元仿真计算得到铝 ·98·