王莹等：大直径铝锭热顶铸造中超声施振深度的细晶机制 ·101· 其中， 点随着超声的声流作用弥散分布于熔体中：V温度 f八9)=(2-3c0s0+c0s30)/4 (8) 层属于固液两相温度区段，熔体中晶核逐步长大并 式中，σs为固液界面张力，Jm2.通过方程(6)与 形成树枝晶，此时超声所带来的机械效应将破坏初 (7)可知，△G导=△G均f(0),对于0°≤0<180°，非 生枝品之间的搭桥，使得枝品臂脱落，晶粒变得更加 均质形核所需的能量比均质形核普遍较小，即日越 圆整，即存在超声机械碎晶现象 小异质形核所需的能量相比均质形核的越低，故越 图7(a)中辐射杆施振深度为110mm,处于高 容易形核 温区段，辐射杆端面附近存在超声空化现象，并且 铝熔体在超声波的正负压相交替作用下出现空 作用于Ⅱ温度区段内的熔体，距辐射杆端面30mm 化现象，在空化泡附近区域形成局部过冷，诱发增值 处的柱面附近也存在空化现象同时作用于I温度 形核，同时超声声流效应增大了熔体宏观上的流动 区段中的熔体，但空化范围小于端面附近，由此得 搅拌，使异质颗粒均匀分布于熔体中，部分异质颗粒 知，该辐射杆施振深度所产生的空化作用未能直 落到凝固前沿，增加了形核质点.图7是三组不同 接作用于熔体凝固前沿.在I和Ⅱ高温度区段中， 超声铸造工艺的作用机制图，超声辐射杆浸入位置 超声空化作用而产生的晶核被部分重熔，进而导 位于结晶器1/2半径处.通过实际测量得知，此处 致形核增殖作用较弱：图7(b)与7(c)中辐射杆施 铝熔体液面距离下方铸锭的固相线350mm左右，自 振深度分别为190mm与280mm,均到达了结晶温 上而下温度依次降低，可划分为I、Ⅱ、Ⅲ、Ⅳ和V共 度区段，辐射杆端面附近均存在空化现象，但不同 五层温度带，其中I和Ⅱ温度层属于高温区段[]， 的是前者端面附近的空化现象出现在Ⅲ温度区段 温度处于固相线以上，熔体尚未开始形核结晶，并且 中，而后者出现在V与V温度区段中，即超声空化 由于辐射杆与熔体之间相互作用而产生热效应，使 直接作用于浆状区域，并且在Ⅲ温度层中后者辐 得熔体冷却速率降低，内部分子活跃，导致在该温度 射杆柱面的附近存在空化作用.在图7(a)、(b)和 下超声空化作用而产生的晶核被部分重熔，超声外 (c)三组实验中，超声所产生的空化效应与声流作 场所带来的形核增殖作用被大大削弱：Ⅲ和Ⅳ温度 用依次增强，铸锭凝固组织细化效果越发明显，其 层属于初始结晶温度区段，铝熔体开始结晶并且由 中图7(c)组辐射杆同时作用于高温区段、初始结 于超声空化作用所带来的热效应变强，熔体冷却速 晶温度区段以及固液两相温度区段，铸锭晶粒尺 率减慢，使得空化引发的形核效果更加明显，形核质 寸细化效果最明显 R/2 (a) (b) V+ + H=110 mm H=190 mm H=280 mm 图7不同施振深度的超声作用机制图.(a)H=110mm;(b)H=190mm;(c)H=280mm Fig.7 Different vibration mechanisms at the depths of the ultrasound mechanism:(a)H=110 mm;(b)H=190 mm;(c)H=280 mm 铝熔体中辐射杆在超声空化作用下将产生腐蚀 及柱面均出现严重腐蚀.相比于图8(a)中浸入铝 现象[1)]，在三种工艺条件下进行半连续铸造实验， 熔体液面以下280mm而未施加超声振动系统的辐 连续工作36h后卸下超声辐射杆并用盐酸清洗掉 射杆，在开启超声振动系统并且施振深度为110mm 表面的铝合金附着层，结果如图8所示.通过辐射 时，端面和距离端面37mm的柱面出现严重凹坑腐 杆腐蚀前后形貌的对比发现，在超声辐射杆端面以 蚀，如图8(b)所示：在施振深度为190mm时，在端王 莹等: 大直径铝锭热顶铸造中超声施振深度的细晶机制 其中, f(兹) = (2 - 3cos 兹 + cos 3 兹) / 4 (8) 式中,滓LS为固液界面张力,J·m - 2 . 通过方程(6)与 (7)可知,驻G异 = 驻G均·f( 兹),对于 0毅臆兹 < 180毅,非 均质形核所需的能量比均质形核普遍较小,即 兹 越 小异质形核所需的能量相比均质形核的越低,故越 容易形核. 铝熔体在超声波的正负压相交替作用下出现空 化现象,在空化泡附近区域形成局部过冷,诱发增值 形核,同时超声声流效应增大了熔体宏观上的流动 搅拌,使异质颗粒均匀分布于熔体中,部分异质颗粒 落到凝固前沿,增加了形核质点. 图 7 是三组不同 超声铸造工艺的作用机制图,超声辐射杆浸入位置 位于结晶器 1 / 2 半径处. 通过实际测量得知,此处 铝熔体液面距离下方铸锭的固相线 350 mm 左右,自 上而下温度依次降低,可划分为玉、域、芋、郁和吁共 五层温度带,其中玉和域温度层属于高温区段[17] , 温度处于固相线以上,熔体尚未开始形核结晶,并且 由于辐射杆与熔体之间相互作用而产生热效应,使 得熔体冷却速率降低,内部分子活跃,导致在该温度 下超声空化作用而产生的晶核被部分重熔,超声外 场所带来的形核增殖作用被大大削弱;芋和郁温度 层属于初始结晶温度区段,铝熔体开始结晶并且由 于超声空化作用所带来的热效应变强,熔体冷却速 率减慢,使得空化引发的形核效果更加明显,形核质 点随着超声的声流作用弥散分布于熔体中;吁温度 层属于固液两相温度区段,熔体中晶核逐步长大并 形成树枝晶,此时超声所带来的机械效应将破坏初 生枝晶之间的搭桥,使得枝晶臂脱落,晶粒变得更加 圆整,即存在超声机械碎晶现象. 图 7( a)中辐射杆施振深度为 110 mm,处于高 温区段,辐射杆端面附近存在超声空化现象,并且 作用于域温度区段内的熔体,距辐射杆端面 30 mm 处的柱面附近也存在空化现象同时作用于玉温度 区段中的熔体,但空化范围小于端面附近,由此得 知,该辐射杆施振深度所产生的空化作用未能直 接作用于熔体凝固前沿. 在玉和域高温度区段中, 超声空化作用而产生的晶核被部分重熔,进而导 致形核增殖作用较弱;图 7( b)与 7( c)中辐射杆施 振深度分别为 190 mm 与 280 mm,均到达了结晶温 度区段,辐射杆端面附近均存在空化现象,但不同 的是前者端面附近的空化现象出现在芋温度区段 中,而后者出现在郁与吁温度区段中,即超声空化 直接作用于浆状区域,并且在芋温度层中后者辐 射杆柱面的附近存在空化作用. 在图 7( a) 、( b)和 ( c)三组实验中,超声所产生的空化效应与声流作 用依次增强,铸锭凝固组织细化效果越发明显,其 中图 7( c)组辐射杆同时作用于高温区段、初始结 晶温度区段以及固液两相温度区段,铸锭晶粒尺 寸细化效果最明显. 图 7 不同施振深度的超声作用机制图. (a)H = 110 mm;(b)H = 190 mm;(c)H = 280 mm Fig. 7 Different vibration mechanisms at the depths of the ultrasound mechanism: (a)H = 110 mm;(b)H = 190 mm;(c)H = 280 mm 铝熔体中辐射杆在超声空化作用下将产生腐蚀 现象[18] ,在三种工艺条件下进行半连续铸造实验, 连续工作 36 h 后卸下超声辐射杆并用盐酸清洗掉 表面的铝合金附着层,结果如图 8 所示. 通过辐射 杆腐蚀前后形貌的对比发现,在超声辐射杆端面以 及柱面均出现严重腐蚀. 相比于图 8( a)中浸入铝 熔体液面以下 280 mm 而未施加超声振动系统的辐 射杆,在开启超声振动系统并且施振深度为 110 mm 时,端面和距离端面 37 mm 的柱面出现严重凹坑腐 蚀,如图 8(b)所示;在施振深度为 190 mm 时,在端 ·101·