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第11期 谢恩华等：超声波熔体处理过程中的声流现象 ,1429 发现，在工具杆端面位置处往铸锭边上有一明显的 (③)坩埚内熔体的最大轴向速度出现在工具杆 分界线，分界线两端组织呈现完全不同的样貌：在分 端面中心轴线下液相区域的中心点附近，其值并不 界线的上端，组织粗大，枝晶非常发达，并且连成一 随着驱动力值的增大而呈线性增大 体，局部存在着夹杂以及缩孔的缺陷：而在分界线的 (4)实验结果表明，声流作用使铸锭在工具杆 下端，组织细密均匀，与左端的组织呈现强烈的对 端面至铸锭壁面之间形成一条作用区域分界线，分 比.如熔体的流线图3所示，熔体内产生的声流覆 界线两端凝固组织呈现完全不同的样貌，工具杆端 盖了工具杆下大部分区域，而工具杆端面以上大段 面下一侧组织在空化和声流的双重作用下得到细 区域没有熔体的流动现象，如此规模的声流作用将 化，而上端组织则呈枝状晶形态， 工具杆下由于空化作用而形成的等轴晶及有效形核 质点转移到其他区域，又把其他区域的熔体带到空 参考文献 化范围内，使其又形成等轴晶和更多的形核质点，这 [1]Eskin GI.Broad prospects for commercial application of the ul 样通过空化和声流的双重作用，工具杆端面下的组 trasonic (cavitation melt treatment of light alloys.Ultrason 织都受到了超声的作用而得到细化，与端面以上声 Sonochem,2001,8(3).319 流没有到达而形成的枝晶区域之间形成一条明显的 [2]Liu X.Osawa Y,TakamoriS.et al.Microstructure and mechani- cal properties of AZ91 alloy produced with ultrasonic vibration. 分界线 Mater Sci Eng A.2008,487(1):120 100m [3]Eskin GI.Principles of ultrasonic treatment application for light alloys melts.Ade Perform Mater,1997.4:223 [4]Zhang X M.Zhang T J.Tian F,et al.Effects of multi-direction forging on improving properties of 7075 aluminum alloy.Rare Met Mater Eng.2003.32(5):372 (张小明，张廷杰，田锋，等，多向锻造对改善7075铝合金性能 的作用.稀有金属材料与工程，2003,32(5)：372) [5]Li Y L.Feng H K.Cao F R.et al.Effect of high density ultra sonic on the microstructure and refining property of Al-5Ti-0.25C grain refiner alloy.Mater Sci Eng A.2008.487(2):518 图7没有超声作用形成的铸锭微观组织 [6]Jian X,Xu H.Meek TT,et al.Effect of power ultrasound on Fig.7 Microstructure of a casting ingot without ultrasonic radiation solidification of aluminum A356 alloy.Mater Lett.2005.59 (2):190 [7] Han Y.Li K,Wang J.et al.Influence of high intensity ultra- 自由液面 sound on grain refining performance of Al-5Ti-1B master alloy on aluminium.Mater Sci Eng A.2005.405:306 工具杆 [8]LiT B.Computational Acoustics:Sound Field Equation and 用埚吧面 Computational Methods.Beijing:Science Press,2005 分界线 (李太宝。计算声学：声场的方程和计算方法，北京：科学出版 社，2005) 对称面 [9]Kumar A,Kumaresan T.Pandit A B,et al.Characterization of flow phenomena induced by ultrasonic horn.Chem Eng Sci, 2006,61:7410 图8工具杆作用区域附近铸锭的宏观组织 [10]Cosgrove JA.Buick JM.PyeS D.et al.PIV applied to Eckart Fig.8 Macrostructures of a casting ingot around the radiator streaming produced by a medical ultrasound transducer.Ultra sonics,2001,39,461 4结论 [11]Madelin G.Grucker D.Franconi J M,et al.Magnetic reso nance imaging of acoustic streaming:absorption coefficient and (1)超声波在黏性熔体中传播时，由于黏滞衰 acoustic field shape estimation-Ultrasonics,2006.44:272 减产生声压梯度而形城声流驱动力，使处于液相区域 [12]Frenkel V,Gurka R.Liberzon A,et al.Preliminary investiga- tions of ultrasound induced acoustic streaming using particle im 内的熔体产生具有容器大小规模的Eckart声流现象. age velocimetry.Ultrasonics,2001.39:153 (2)由于黏滞系数过大，两相区内熔体的声流 [13]Frampton K D.Minor K.Martin S.Acoustic streaming in mi 速度幅值远远小于液相区域内熔体的速度值， cro-scale eylindrical channels.Appl Acoust.2004.65:1121发现在工具杆端面位置处往铸锭边上有一明显的 分界线分界线两端组织呈现完全不同的样貌：在分 界线的上端组织粗大枝晶非常发达并且连成一 体局部存在着夹杂以及缩孔的缺陷；而在分界线的 下端组织细密均匀与左端的组织呈现强烈的对 比．如熔体的流线图3所示熔体内产生的声流覆 盖了工具杆下大部分区域而工具杆端面以上大段 区域没有熔体的流动现象如此规模的声流作用将 工具杆下由于空化作用而形成的等轴晶及有效形核 质点转移到其他区域又把其他区域的熔体带到空 化范围内使其又形成等轴晶和更多的形核质点这 样通过空化和声流的双重作用工具杆端面下的组 织都受到了超声的作用而得到细化与端面以上声 流没有到达而形成的枝晶区域之间形成一条明显的 分界线． 图7 没有超声作用形成的铸锭微观组织 Fig．7 Microstructure of a casting ingot without ultrasonic radiation 图8 工具杆作用区域附近铸锭的宏观组织 Fig．8 Macrostructures of a casting ingot around the radiator 4 结论 （1） 超声波在黏性熔体中传播时由于黏滞衰 减产生声压梯度而形成声流驱动力使处于液相区域 内的熔体产生具有容器大小规模的 Eckart 声流现象． （2） 由于黏滞系数过大两相区内熔体的声流 速度幅值远远小于液相区域内熔体的速度值． （3） 坩埚内熔体的最大轴向速度出现在工具杆 端面中心轴线下液相区域的中心点附近其值并不 随着驱动力值的增大而呈线性增大． （4） 实验结果表明声流作用使铸锭在工具杆 端面至铸锭壁面之间形成一条作用区域分界线分 界线两端凝固组织呈现完全不同的样貌工具杆端 面下一侧组织在空化和声流的双重作用下得到细 化而上端组织则呈枝状晶形态． 参 考 文 献 ［1］ Eskin G I．Broad prospects for commercial application of the ultrasonic （cavitation ） melt treatment of light alloys． Ultrason Sonochem20018（3）：319 ［2］ Liu XOsawa YTakamori Set al．Microstructure and mechanical properties of AZ91 alloy produced with ultrasonic vibration． Mater Sci Eng A2008487（1）：120 ［3］ Eskin G I．Principles of ultrasonic treatment application for light alloys melts．A dv Perform Mater19974：223 ［4］ Zhang X MZhang T JTian Fet al．Effects of mult-i direction forging on improving properties of 7075 aluminum alloy．Rare Met Mater Eng200332（5）：372 （张小明张廷杰田锋等．多向锻造对改善7075铝合金性能 的作用．稀有金属材料与工程200332（5）：372） ［5］ Li Y LFeng H KCao F Ret al．Effect of high density ultrasonic on the microstructure and refining property of A-l5T-i0∙25C grain refiner alloy．Mater Sci Eng A2008487（2）：518 ［6］ Jian XXu HMeek T Tet al．Effect of power ultrasound on solidification of aluminum A356 alloy． Mater Lett200559 （2）：190 ［7］ Han YLi KWang Jet al．Influence of high-intensity ultrasound on grain refining performance of A-l5T-i1B master alloy on aluminium．Mater Sci Eng A2005405：306 ［8］ Li T B．Computational Acoustics：Sound Field Equation and Computational Methods．Beijing：Science Press2005 （李太宝．计算声学：声场的方程和计算方法．北京：科学出版 社2005） ［9］ Kumar AKumaresan TPandit A Bet al．Characterization of flow phenomena induced by ultrasonic horn． Chem Eng Sci 200661：7410 ［10］ Cosgrove J ABuick J MPye S Det al．PIV 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