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·