超聲波對鋁合金熔體的有效細化區(qū)域

謝恩華，李曉謙

(中南大學機電工程學院現(xiàn)代復雜裝備設計與極端制造教育部重點實驗室，長沙410083，E-mail:xieenhuacsu@163.com)

超聲波對鋁合金熔體的有效細化區(qū)域

謝恩華，李曉謙

(中南大學機電工程學院現(xiàn)代復雜裝備設計與極端制造教育部重點實驗室，長沙410083，E-mail:xieenhuacsu@163.com)

為了探討凝固組織的超聲細化區(qū)域范圍，在液相線溫度至575℃區(qū)間內(nèi)對鋁合金熔體施加超聲振動，待鑄錠冷卻至室溫，經(jīng)腐蝕處理后觀察其宏觀和微觀組織.試驗結(jié)果表明，在工具桿端面位置處靠近鑄錠邊緣有一明顯的作用區(qū)域分界線，分界線兩端組織呈現(xiàn)截然不同的特征，端面以下組織均得到了有效的細化，而端面以上組織晶粒粗大，呈枝晶狀分布.超聲在熔體中產(chǎn)生空化和聲流效應，理論計算表明，熔體中的有效空化范圍為端面下30 mm區(qū)域內(nèi)，超聲在熔體中產(chǎn)生的聲流效應遍及整個熔體可流動區(qū)域，通過聲流和空化的雙重作用，工具桿端面以下的組織均受到超聲的作用，并得到細化.

功率超聲;聲壓分布;空化范圍;聲流效應;凝固組織;有效作用區(qū)域

凝固組織細化是提高鋁合金材料性能的有效手段之一［1-4］.傳統(tǒng)的組織細化技術(shù)是在鋁合金材料中添加晶粒細化劑，但是，通常促進等軸晶生成的元素一般都容易生成偏析，造成鑄造組織缺陷，同時，這些元素的添加會使合金的化學成分產(chǎn)生變化，從而導致產(chǎn)品的物理性能和化學性質(zhì)發(fā)生變化［5］.外加物理場是一種既能明顯細化組織又不會造成合金污染的方法［6］，有研究結(jié)果表明，在金屬鑄造過程中外加超聲場能產(chǎn)生明顯的晶粒細化效果，超聲在熔體中傳播時會產(chǎn)生一系列的非線性效應，如空化效應、聲流效應等［7-8］，空化效應引發(fā)的次級效應對周圍熔體產(chǎn)生巨大作用，鋁合金熔體中的初生晶被打碎，異質(zhì)結(jié)晶核數(shù)目增多，結(jié)晶核與固相間的潤濕角減小，在聲流的帶動下，這些形核微粒散播到熔體的各個區(qū)域，使熔體中等軸晶的形核幾率大大提高，從而使組織得到明顯細化.國內(nèi)外學者已經(jīng)對超聲場在熔體中的作用機理、現(xiàn)象以及效果進行很多研究，但對超聲作用熔體時具體的作用區(qū)域并沒有太多的涉及.本文主要研究施加到鋁合金熔體中的超聲所引起的晶粒細化作用范圍.

1 試驗

1.1 試驗裝置及材料

試驗材料為7050鋁合金，取自半連鑄成型的Φ 300 mm鑄錠.試驗裝置示意圖如圖1所示.使用的超聲設備包括GCH-Q型他激式超聲波發(fā)生器和超聲振動系統(tǒng)，其中，超聲振動系統(tǒng)由PZT壓電陶瓷換能器、變幅桿和鈦合金工具桿組成.為了緩解高溫工作環(huán)境及摩擦損耗產(chǎn)生的發(fā)熱效應，在換能器端部安裝散熱風扇，提高超聲振動系統(tǒng)的冷卻能力.其他輔助裝置有:電阻絲加熱爐及配套的溫度控制記錄儀、熱電偶、石墨坩堝、位移控制操作臺、Leica5000臺式金相顯微鏡.

圖1 超聲鑄造試驗裝置示意圖

1.2 工具桿端面振動位移振幅的測量

超聲振動系統(tǒng)把從超聲發(fā)生器中產(chǎn)生的高頻電振蕩信號轉(zhuǎn)換為超聲頻機械振動，繼而傳遞給工作介質(zhì).超聲振動系統(tǒng)在工作時，與熔體接觸的是其最前端的超聲工具桿，它把變幅桿產(chǎn)生的振動傳遞給鋁合金熔體.測量超聲波在高溫熔體中的聲壓分布十分困難，可先測量出工具桿端面在空氣中的振動位移振幅，然后通過計算得到超聲振動系統(tǒng)在熔體中的聲壓分布.采用高精度的PSV-400-M2高頻激光多普勒測振儀測定工具桿端面的位移振幅，實驗裝置如圖2所示.測量結(jié)果表明，超聲振動系統(tǒng)在空載和170 W的輸出功率工作時，工具桿端面的位移振幅為5.7923 μm.

1.3 試驗方案

將盛有鋁合金塊的石墨坩堝置入電阻絲爐中進行熔煉，待鋁塊完全融化后，充分攪拌熔體，持續(xù)加熱至750℃，關(guān)閉電阻絲爐的電源，坩堝不移出，待熔體溫度降至液相線溫度635℃時，對其進行超聲振動處理.超聲振動系統(tǒng)的工作參數(shù)如下:頻率為(20±0.5)kHz，輸出功率為170 W，工具桿端面直徑為50 mm.將工具桿伸入熔體施加振動之前，為了防止冷工具桿浸入高溫熔體時熔體粘附在工具桿上面引起系統(tǒng)過載失諧，先對工具桿進行預熱處理，工具桿從熔體頂部中心處導入，伸入液面下約25 mm.當熔體溫度降至575℃時，停止超聲振動系統(tǒng)的工作，將工具桿移出熔體，坩堝繼續(xù)置于爐內(nèi)，冷卻直至熔體凝固.

鑄錠冷卻至室溫后，沿縱向從中間對稱切開，取對稱面的一半進行分析.整個面約呈倒梯形，如圖3所示，工具桿位置用虛線標出，伸入液面下約25 mm.為了便于腐蝕處理和金相觀察，將整個面切成6塊，經(jīng)研磨、化學拋光后用專用的鋁合金腐蝕劑進行腐蝕處理，沖洗干凈后觀察其宏觀組織特征，并采用金相顯微鏡對其進行金相觀察.

圖3 鑄錠縱向截面示意圖(單位:mm)

2 結(jié)果與討論

2.1 熔體中的聲壓分布與空化范圍

超聲波沿著工具桿傳遞給作用介質(zhì)，在端面處發(fā)生反射，如圖4所示.假設超聲波在空氣和熔體的界面處都是垂直入射，不考慮熔體中超聲波在坩堝底和壁上的反射，只考慮超聲波在工具桿端面的入射和透射，則透射聲壓幅值P0為［9］

式中:f為聲波頻率;ρ0c0為介質(zhì)的聲阻抗;ρ為密度，c為聲速，不同的傳播介質(zhì)其量值見表1［1］.已測得空氣中工具桿端面的位移振幅A= 5.7923 μm，將它和其他已知量代入式(1)，可得到空氣中工具桿端面的透射聲壓幅值.透射公式為

式中:P1為入射聲壓幅值，t為透射系數(shù)［11］，ρ1c1為工具桿的聲阻抗.將透射聲壓幅值代入式(2)，可得工具桿中的入射聲壓幅值.

圖4 聲壓在界面上折反射示意圖

表1 介質(zhì)物性參數(shù)

工具桿浸入熔體時，聲波透射入熔體.將工具桿和熔體中的聲阻抗值以及工具桿中的入射聲壓幅值代入式(2)、(3)，可得鋁合金熔體中工具桿端面的透射聲壓幅值.工具桿浸入熔體時，由于熔體的負載作用，會引起從壓電陶瓷到工具桿端面?zhèn)鬟f途中的功率損耗，計算聲壓值時要考慮這種損耗，約為6.5%［10］，最后得到工具桿進入熔體時端面的聲壓幅值為4.68 MPa.

首先考慮沿著工具桿端面圓心軸線上熔體內(nèi)的聲壓值，不考慮介質(zhì)對聲波的衰減，工具桿端面上各微小面元都可看作是一個單聲源，把所有這些單一點聲源輻射的聲波聲壓疊加可以得到合成聲波的聲壓，如圖5所示.在液體中聲壓可以線性疊加而不必考慮聲壓的方向，則軸線聲場中任意一點處的聲壓振幅為［12］

式中:Pz為軸線r上距離工具桿端面a處的聲壓幅值;a是軸線上任一點至點源的距離;λ為波長;Pq為工具桿浸入熔體時端面處的聲壓幅值;Rs為工具桿的端面半徑.取鋁合金熔體中超聲振動系統(tǒng)諧振頻率為19 kHz，則波長 λ為0.2446 m.將 Pq= 4.68 MPa，Rs=0.025 m和λ=0.2446 m代入式(4)，得到工具桿中心軸線上的聲壓分布如圖6所示.由圖6可以發(fā)現(xiàn)，沿軸線離工具桿端面約20 mm處，聲壓幅值已下降至起始值的近一半，在離工具桿端面約30 mm處，聲壓幅值已下降至約1 MPa.可見，在近場區(qū)聲壓幅值隨距離的增加快速衰減，當距離增加到一定值時，聲壓幅值的下降趨勢趨于平緩.

圖5 工具桿軸線聲壓疊加計算示意圖

圖6 工具桿中心軸線聲壓分布圖

設定a≥2Rs的區(qū)域為工具桿輻射聲場的遠聲場，根據(jù)指向特性可得遠聲場區(qū)域任一點處的聲壓振幅為

式中:k為波數(shù)，θ為聲場中任意點與端面中心的連線和中心軸線的夾角，J1(x)為一階貝塞爾函數(shù).將各已知參數(shù)代入式(5)，得到遠聲場區(qū)任意點處的聲壓幅值Pr隨軸線距離a和夾角θ的變化趨勢，如圖7所示，任意點處的聲壓幅值都小于1 MPa，聲壓幅值隨軸線距離和夾角的增加而減小，且隨軸線距離的減小速率較大.在a＜2Rs的區(qū)域(近聲場區(qū)域)，任意點處的聲壓幅值計算非常復雜，經(jīng)數(shù)值計算發(fā)現(xiàn)，近聲場區(qū)輻射的聲場聲壓平均值近似等于同距離軸線上的聲壓值［13］.由圖6可知，在軸線距離約大于30 mm的位置處，聲壓幅值已低于1 MPa.鋁合金熔體中的空化值約為1 MPa［14］.根據(jù)以上計算結(jié)果，可得熔體中的空化范圍為工具桿下約30 mm的區(qū)域內(nèi).

圖7 遠聲場任意點聲壓分布圖

2.2 鑄錠凝固組織分析

圖8 鑄錠宏觀組織

鑄錠宏觀組織如圖8所示，處于工具桿下端的凝固組織全部得到細化，晶粒在整個面內(nèi)呈均勻分布，在工具桿端面位置處靠近鑄錠的邊緣有一條明顯的分界線，即圖3中Ⅰ-Ⅰ和Ⅰ-Ⅱ兩塊樣品面上有一條自工具桿端面位置向鑄錠邊延伸的分界線，分界線兩端的組織呈現(xiàn)完全不同的樣貌.在分界線的左端，組織粗大，枝晶非常發(fā)達，并且連成一體，局部存在著夾雜以及縮孔的缺陷;在分界線的右端，組織細密均勻，與左端的組織呈現(xiàn)強烈的對比.微觀金相圖也反映了類似的現(xiàn)象，圖9(a)和圖9(b)分別為分界線左端和右端組織的金相圖，可以看出，分界線左端組織呈枝晶狀分布，分界線右端為等軸晶組織，兩者形成明顯的對比.

圖9 鑄錠微觀組織

超聲的開始作用溫度為液相線溫度，此時熔體中已開始有液相轉(zhuǎn)為固相的趨勢.當強超聲作用于熔體時，由于縱波的作用，金屬溶液中的液體分子受到周期性的交變聲壓作用，當聲壓超過一定值時，在熔體的脆弱點處由負聲壓作用形成空化泡和空穴，之后，正聲壓使前期受拉應力作用形成、又由于慣性繼續(xù)長大的空化泡和空穴以極高的速度閉合或崩潰，在氣泡崩潰瞬間將形成強烈的沖擊波，導致液體內(nèi)產(chǎn)生局部的高溫高壓，這就是所謂的空化現(xiàn)象.長大中的空化氣泡從周圍的熔體中大量吸收熱量，造成周圍熔體的局部深度過冷，過冷度是晶體形核的動力，因此在局部區(qū)域內(nèi)形成了大量的晶核.在氣泡崩潰破滅的過程中，釋放出的巨大沖擊波會使剛形成的晶核進一步細化，并且擊碎凝固過程中正在長大的枝晶，形成更多的晶核，為接下來等軸晶的形成創(chuàng)造好的條件.

由前面的計算可知，在本次試驗條件下，熔體中的空化范圍為工具桿端面下約30 mm的區(qū)域范圍內(nèi)，但從試驗結(jié)果得到的凝固組織發(fā)現(xiàn)，整個鑄錠組織除了工具桿端面以上至液面的區(qū)域內(nèi)沒有得到細化外，其他區(qū)域都得到了均勻的等軸晶組織，即整個工具桿端面以下區(qū)域內(nèi)的組織在凝固過程中都受到了超聲的作用.當超聲對坩堝內(nèi)的熔體作用時，坩堝處于爐內(nèi)冷卻凝固的條件下，電阻絲爐的保溫效果好，熔體中的溫度梯度較小，熔體中的熱對流作用不強烈，超聲在熔體中作用時所引發(fā)的人工對流規(guī)模遠遠大于其自然對流.超聲在熔體中作用時，由于聲壓與熔體的粘滯力相互作用，導致超聲振幅隨著作用距離的增加而衰減，形成了一定的壓力梯度，熔體介質(zhì)吸收了波的動量，使其本身產(chǎn)生了流動，即形成了所謂的聲流效應［15-16］，如圖10所示.聲流既把空化范圍內(nèi)形成的等軸晶及有效形核質(zhì)點轉(zhuǎn)移到其他區(qū)域，又把其他區(qū)域內(nèi)的熔體帶到空化范圍內(nèi)，使其形成等軸晶和更多的形核質(zhì)點，這樣通過聲流以及空化的雙重作用，工具桿端面下的組織都受到了超聲的作用得到細化.同時可以發(fā)現(xiàn)，工具桿端面之上的區(qū)域并沒有得到超聲的作用，這意味著聲流并沒有到達這些區(qū)域，與Eskin的觀點［9］一致.

圖10 聲流分布示意圖

3 結(jié)論

1)在鋁合金熔體中導入超聲波，其凝固組織明顯細化，且呈等軸晶狀均勻分布.

2)超聲波引起的鋁合金熔體中空化范圍為工具桿端面下約30 mm的區(qū)域內(nèi).

3)雖然超聲波在熔體中的有效空化區(qū)域不是很大，但在聲流效應的作用下，工具桿端面下的凝固組織都得到了均勻細化，而工具桿端面以上組織并不能受到超聲的作用，在工具桿端面往鑄錠邊上有一明顯的作用區(qū)域分界線，分界線兩邊呈現(xiàn)截然不同的組織特征.

［1］張小明，張廷杰.多向鍛造對改善7075鋁合金性能的作用［J］.稀有金屬材料與工程，2003，32(5):372 -374.

［2］ESKIN G I.Broad prospects for commercial application of the ultrasonic(cavitation)melt treatment of light alloys［J］.Ultrasonics Sonochemistry，2001，8(3):319-325.

［3］LI Y L，F(xiàn)ENG H K，CAO F R，et al.Effect of high density ultrasonic on the microstructure and refining property of Al-5Ti-0.25C grain refiner alloy［J］.Materials Science and Engineering A，2008，487(2):518-523.

［4］LIU X，OSAWA Y，TAKAMORI S，et al.Microstructure and mechanical properties of AZ91 alloy produced with ultrasonic vibration［J］.Materials Science and Engineering A，2008，487(1):120-123.

［5］大野篤美.金屬的凝固理論、實踐及應用［M］.邢建東，譯.北京:機械工業(yè)出版社，1990.

［6］范金輝，翟啟杰.物理場對金屬凝固組織的應用［J］.中國有色金屬學報，2002，12(1):11-17.

［7］JIAN X，XU H，MEEK T T，et al.Effect of power ultrasound on solidification of aluminum A356 alloy［J］.Materials Letters，2005，59(2):190-193.

［8］馬立群，舒光冀，陳鋒，等.金屬熔體在超聲場中凝固的研究［J］.材料科學與工程，1995，13(4):2-7.

［9］ESKIN G I.Ultrasonic treatment of light alloy melts［M］.Amsterdam:Gordon＆Breach，1998.

［10］劉榮光.超聲波在鋁熔體中的聲場分布和空化效應及其對凝固過程影響［D］.長沙:中南大學，2007.

［11］馮偉駿.功率超聲對Pb-Sn合金凝固行為的影響［D］.大連:大連理工大學，2004.

［12］《超聲波探傷》編寫組.超聲波探傷［M］.北京:水利電力出版社，1985.

［13］杜功煥，朱哲民，龔秀芬.聲學基礎［M］.南京:南京大學出版社，2001.

［14］ESKIN G I.Principles of ultrasonic treatment application for light alloys melts［J］.Advanced Performance Materials，1997，4(2):223-232.

［15］李新濤，趙建強，寧紹斌，等.功率超聲對水平連鑄Al-1%Si合金凝固的影響［J］.稀有金屬材料與工程，2006，35(增2):284-287.

［16］KUMAR A，KUMARESAN T，ANIRUDDHA B P，et al.Characterization of flow phenomena induced by ultrasonic horn［J］.Chemical Engineering Science， 2006，61(22):7410-7420.

Efficient refining zone of ultrasonic sonication on the industrial aluminum alloy melt

XIE En-hua，LI Xiao-qian
(Key Laboratory of Modern Complex Equipment Design and Extreme Manufacturing of Ministry of Education，School of Mechanical and Electrical Engineering，Central South University，Changsha 410083，China，E-mail:xieenhuacsu@163.com)

In order to discuss the extent of grain refinement on the solidification structure，ultrasonic vibration was imposed on aluminum alloy melt during the liquid temperature and 575℃.The experimental results show that there is an obvious borderline in the area from the radiator′s face to the boundary of the ingot.The structure of one side of the borderline is absolutely different from the other′s.Structures below the radiator′s face are all well refined while those of the other side are coarse and of dendritic.Ultrasound induces cavitation and acoustic streaming in the melt.Calculation results indicate that the area of 30 mm below the radiator′s face is the efficient cavitation area in the melt.The acoustic streaming tranferes the effective nuclei and equiaxed grains from the cavitation area to other areas and brings the melt in those areas back，thus forming equiaxed grains and more effective nuclei.Subjected by the duple action of cavitation and acoustic streaming，the structures below the face are all refined at last.

power ultrasound;acoustic pressure distribution;cavitation area;acoustic streaming effect;solidification structure;efficient extent

TB559;TG249.9文獻標識碼:A文章編號:1005-0299(2010)02-0149-05

2008-09-03.

國家重點基礎研究發(fā)展計劃資助項目(2005CB23707).

謝恩華(1984-)，男，碩士研究生;

李曉謙(1958-)，男，教授，博士生導師.

(編輯 程利冬)