正在加载图片...
.1264 北京科技大学学报 第30卷 明沿整个铸锭断面，晶粒尺寸都大致相同且晶粒分 导致空化泡表面的铝熔体温度降低，形成局部过冷， 布非常均匀 这样就在空化泡附近形成大量晶核，形核率增加，组 2.2晶粒细化机理 织得到细化，空化泡在崩溃后形成很多微气泡，重 在超声场中，液体分子受到周期性的交变声压 新溶解在铝熔体中，进一步长大形成空化气泡，如此 作用，当声压超过一定值时，首先负声压作用于液体 循环往复使空化过程持续进行，此外，有限振幅的 分子使其超过临界分子距离，导致液体被拉裂形成 超声波在传播过程中会产生衰减，这样就从施加超 空化泡或空穴，接着正声压使空化泡和空穴以极高 声振动处由上至下形成一定的声压梯度，形成流体 速度闭合或崩溃，在气泡崩溃瞬间将形成强烈的冲 喷射，引发熔体流动，当施加声压超过一定值时，喷 击波，在液体内产生局部的高温高压，如图6所示， 射流在熔体中将形成环流，即所谓的声流效应]. 空化泡崩溃时的最高温度Tm和最大压力Pm可 强烈的冲击波击碎了初生晶体和正在长大的晶体， 由下式计算得到213) 在声流效应的搅拌作用下，击碎的晶体将弥散分布 Tmax-Tmin Pm(r-1) 在熔体中，形成新的晶核，提高了形核率。同时，声 流效应能破坏边界层，加速传质、传热，促进微细颗 (2) [Pm(r-1】- 粒弥散，清洗颗粒表面，减小润湿角，增大形核功. Pmas-P9 Pa 前人研究发现超声波在熔体中引发的声流速度可达 式中，P,为起始半径时空化泡内压力，Pm为空化泡 到熔体热对流速度的10~103倍1]，强大的声流可 崩溃过程中受到的总压力，r为蒸汽的比热值，Tmim 明显提高熔体温度场的均匀性，超声场引发的空 为铝熔体温度 化、声流效应对高温铝熔体产生强烈作用，改变了熔 体的凝固条件，使铝熔体的凝固方式由逐层凝固变 工具杆 为体积凝固，抑制柱状晶的生长，形成均匀的等轴晶 组织 铝合金熔体 空化泡崩溃 2.3晶粒细化规律 未加超声波形成的铸锭组织多为发达的树枝 晶、柱状晶，晶粒尺寸粗大，引入小功率超声波时， 膨胀与长大 石墨坩埚 一次枝晶被打断，晶粒尺寸减小，但由于声功率较 小，空化与声流效应比较微弱，所形成的晶粒尺寸偏 空化泡产生 大，同时发现组织中仍存在许多枝晶网胞，当声功 声流过程 空化过程 率P=170W时，二次枝晶也被打断，晶粒进一步细 化，超声细化效果达到了最佳状态，若继续增大声 图6超声空化、声流效应示意图 功率，强烈的空化与声流效应使得铝熔体瞬时局部 Fig.6 Schematic diagram of ultrasonic cavitation effect and acoustic 温度升高，延长了晶体的长大时间，晶粒尺寸增大， stream effect 超声细化效果反而减弱，实验统计了单位面积上所 理论计算及实验测量表明，气泡瞬间崩溃能产 有晶粒的线性尺寸，得到铸锭组织平均晶粒尺寸随 生高达104K和10MPa的高温和高压1.空化泡 超声功率变化的规律，如图7(a)所示 在长大和崩溃过程中，会从液体周围吸收热量，因此 图7(b)显示了从不同的温度施加超声波至铝 1200 195r (b) 400 (c) 写1000 且165 800 300 135 200 400 105 200 斗75 100 90 180 270 45680720760800840 630660 700 750 800 超声功率W 熔体温度/℃ 温度区间/℃ 图7晶粒尺寸与超声功率(a)、熔体温度(b)和温度区间(c)的关系 Fig.7 Relations of grain size to ultrasonic power (a),melt temperature (b),and temperature range (c)明沿整个铸锭断面晶粒尺寸都大致相同且晶粒分 布非常均匀． 2∙2 晶粒细化机理 在超声场中液体分子受到周期性的交变声压 作用当声压超过一定值时首先负声压作用于液体 分子使其超过临界分子距离导致液体被拉裂形成 空化泡或空穴接着正声压使空化泡和空穴以极高 速度闭合或崩溃在气泡崩溃瞬间将形成强烈的冲 击波在液体内产生局部的高温高压如图6所示． 空化泡崩溃时的最高温度 T max和最大压力 Pmax可 由下式计算得到［12—13］： T max＝ T min Pm（ r—1） Pg Pmax＝Pg Pm（ r—1） Pg r （ r—1） （2） 式中Pg 为起始半径时空化泡内压力Pm 为空化泡 崩溃过程中受到的总压力r 为蒸汽的比热值T min 为铝熔体温度． 图6 超声空化、声流效应示意图 Fig．6 Schematic diagram of ultrasonic cavitation effect and acoustic stream effect 理论计算及实验测量表明气泡瞬间崩溃能产 生高达104 K 和104 MPa 的高温和高压［14］．空化泡 在长大和崩溃过程中会从液体周围吸收热量因此 导致空化泡表面的铝熔体温度降低形成局部过冷 这样就在空化泡附近形成大量晶核形核率增加组 织得到细化．空化泡在崩溃后形成很多微气泡重 新溶解在铝熔体中进一步长大形成空化气泡如此 循环往复使空化过程持续进行．此外有限振幅的 超声波在传播过程中会产生衰减这样就从施加超 声振动处由上至下形成一定的声压梯度形成流体 喷射引发熔体流动当施加声压超过一定值时喷 射流在熔体中将形成环流即所谓的声流效应［15］． 强烈的冲击波击碎了初生晶体和正在长大的晶体 在声流效应的搅拌作用下击碎的晶体将弥散分布 在熔体中形成新的晶核提高了形核率．同时声 流效应能破坏边界层加速传质、传热促进微细颗 粒弥散清洗颗粒表面减小润湿角增大形核功． 前人研究发现超声波在熔体中引发的声流速度可达 到熔体热对流速度的10～103 倍［16］强大的声流可 明显提高熔体温度场的均匀性．超声场引发的空 化、声流效应对高温铝熔体产生强烈作用改变了熔 体的凝固条件使铝熔体的凝固方式由逐层凝固变 为体积凝固抑制柱状晶的生长形成均匀的等轴晶 组织． 2∙3 晶粒细化规律 未加超声波形成的铸锭组织多为发达的树枝 晶、柱状晶晶粒尺寸粗大．引入小功率超声波时 一次枝晶被打断晶粒尺寸减小但由于声功率较 小空化与声流效应比较微弱所形成的晶粒尺寸偏 大同时发现组织中仍存在许多枝晶网胞．当声功 率 P＝170W 时二次枝晶也被打断晶粒进一步细 化超声细化效果达到了最佳状态．若继续增大声 功率强烈的空化与声流效应使得铝熔体瞬时局部 温度升高延长了晶体的长大时间晶粒尺寸增大 超声细化效果反而减弱．实验统计了单位面积上所 有晶粒的线性尺寸得到铸锭组织平均晶粒尺寸随 超声功率变化的规律如图7（a）所示． 图7（b）显示了从不同的温度施加超声波至铝 图7 晶粒尺寸与超声功率（a）、熔体温度（b）和温度区间（c）的关系 Fig．7 Relations of grain size to ultrasonic power （a）melt temperature （b）and temperature range （c） ·1264· 北 京 科 技 大 学 学 报 第30卷