超聲鑄造工具桿端面對鋁合金顯微疏松的影響

張 明，李曉謙，黎正華，許顯華

(中南大學機電工程學院，長沙410083，E-mail:zhangmingcsu@163.com)

超聲鑄造工具桿端面對鋁合金顯微疏松的影響

張 明，李曉謙，黎正華，許顯華

(中南大學機電工程學院，長沙410083，E-mail:zhangmingcsu@163.com)

通過對工具桿端面的優(yōu)化，研究了3種不同端面的工具桿在不同功率下對7050鋁合金鑄錠中顯微疏松形成的影響。實驗結果表明：球端面工具桿的作用范圍和強度都比較大，距鑄錠表面60 mm處顯微疏松百分比減少了52.7%;雖然圓錐端面工具桿的作用范圍最大，但其聲強效果最弱，衰減最快，抑制顯微疏松形成的效果最差;平端面工具桿的軸向聲強最大，且有明顯的聲流現象，抑制中心顯微疏松形成的效果最好，中心顯微疏松的百分比減小了63.5%.超聲振動能夠同時促進液體補縮和降低氫含量，從而可以根本上減少顯微疏松的形成.此外，工具桿下方的"聲流效應"顯著，其對促進液體補縮抑制中心疏松的形成起了積極作用.

顯微疏松;工具桿;超聲振動;除氣;補縮

顯微疏松形成主要有兩個原因:液體凝固收縮和熔體中的氫含量，其會降低鑄錠的機械性能，尤其對鑄件的疲勞壽命和抗拉強度有較大影響［1－4］.Lee在對鋁合金研究中發(fā)現隨著顯微疏松的增加，疲勞極限會明顯降低［1］.盡管鋁合金鑄錠通過后續(xù)處理，顯微疏松缺陷能得到一定程度愈合，但對于高強度鋁合金來說，這種愈合程度仍難以滿足要求.一般方法主要是吹入惰性氣體減少氫氣含量，使用添加劑細化晶粒，然而這些方法都只是單方面考慮，難以從根本上消除顯微疏松.目前，國內外通過加入外場同時促進液體補縮和減少氫含量來減少顯微疏松的形成的研究還很少，并且國內超聲波鑄造研究中［5－6］，工具桿端面主要是平端面，而平端面工具桿聲波輻射范圍小，作用區(qū)域小，不利于超聲鑄造［7］.

本文首先對實驗工藝進行了優(yōu)化，采用高功率超聲波輸出，利用了3種不同端面的工具桿對7050鋁合金熔體進行超聲振動處理.隨后對實驗結果進行了分析討論，研究了超聲波這一非常規(guī)方法來減少凝固過程中顯微疏松形成的機制.

1 實驗

1.1 實驗設備

1)超聲波發(fā)生器:它激型，頻率為15 kHz，輸出功率五檔可調 (1000、1400、1800、2200、2600 W).

2)超聲振動系統:PZT壓電陶瓷換能器;鈦合金工具桿(平端面，錐端面，平端面).

3)輔助設備:在線測氫裝置(ALSCAN)，圖像觀察分析儀.

1.2 實驗方案

1)不施加超聲振動，然后讓坩堝中的金熔體自然冷卻直至凝固.

2)在不同的超聲功率下，分別導入3種不同端面的工具桿對熔體進行超聲振動處理.為避免施振時高溫鋁熔體粘附在冷工具桿上而導致超聲振動系統過載失諧，在施振前，應先啟動振動，對傳振工具桿進行預熱處理.施振方式為將工具桿從鋁熔體中心頂部導入，工具桿插入熔體深度為20 mm.當熔體溫度下降到750℃時導入超聲波，將ALSCAN測氫儀的熱電偶和測氫探頭置入熔體中，測量熔體中氫氣含量，當溫度在650℃時停止施振，移走振動系統.

鑄錠的尺寸為Φ 180 mm×220 mm，分別沿鑄錠的徑向和縱向取樣分析，具體操作如下:沿鑄錠中心對距工具桿端面30 mm位置處進行取樣，然后，在距工具桿端面90 mm處從距鑄錠表面60 mm位置處取樣，將所取樣品進行編號，研磨，拋光，腐蝕處理，沖洗干凈，通過設定顯微鏡的灰度閥值，可以對樣品中的顯微疏松進行觀察分析.

2 結果與分析

2.1 不同端面工具桿的超聲水模擬實驗

圖3展示了采用3種不同工具桿端面施振在功率為2600 W時的水模擬實驗.可以看出:在相同的功率下，錐形端面工具桿其作用范圍最大，但其強度比較弱，作用強度隨著距離的增大迅速地減小，產生的氣泡較少;平端面工具桿下端超聲強度較高，軸向作用距離和強度都較大，但作用范圍較小;球形端面工具桿作用范圍略微減小，但軸向作用距離增大，作用強度也較大，且有較明顯的“空化”和“聲流”現象.當保持工具桿不變，逐步增加發(fā)生器的輸出功率，3種工具桿端面附近的超聲振動效果均增強，且形成的氣泡增多.

圖1 超聲振動的水模擬實驗

2.2 超聲振動對鑄錠徑向位置處顯微疏松形成的影響

圖2展示了采用不同工具桿端面施振后離鑄錠表面60 mm處顯微疏松百分比的變化情況.實驗結果表明，當未加超聲時，鑄錠該位置處顯微疏松百分比為0.55%;而導入不同端面的工具桿對熔體施振后，顯微疏松百分比比未加超聲的鑄錠有明顯的降低，同時隨著施振功率的增加，抑制顯微疏松作用越明顯.從圖2中可知，當功率為2600 W時，導入球端面工具桿施振時，抑制顯微疏松形成的效果最好，該位置處顯微疏松的百分比減小了52.7%;當導入平端面工具桿時，顯微疏松的百分比減小了43.6%;而采用圓錐端面工具桿時，鑄錠該位置處顯微疏松百分比只減少了25.5%，抑制顯微疏松的效果最差.圖3展示了由在線測氫儀(ALSCAN)測量的在各種工況下熔體中的氫濃度變化情況.當熔體未加超聲時，熔體初始氫含量為0.66 cm3/100 g;當采用球端面工具施振時，超聲除氣效果最好，熔體中的氫濃度下降到了0.28 cm3/ 100 g，除氣率為57.6%;而采用錐形端面工具施振時，超聲除氣效果最差，熔體中的氫濃度只下降到0.49 cm3/100 g，除氣率為26.9%.

首先，當凝固收縮引起微小縮孔時，縮孔壁面就會依附大量的微小氣泡，其會阻礙液體的補縮.當熔體經超聲處理時，依附于枝晶表面的氣泡在超聲振動的作用下會與枝晶脫離進入到液體中，這就減少了微孔中氣體的含量，使得微孔外界的液體更容易滲透到微孔中，從而促進了液體補縮.

其次，超聲空化效應產生大量空化泡，空化泡的長大過程是一種持續(xù)的膨脹與收縮的脈動擴散運動過程.在膨脹階段，空化泡表面積變大，相應地熔體中的氣體通過氣泡壁面擴散到空化泡中的氣體量就變大;在壓縮階段，氣泡表面積變小，相應地空化泡中的氣體通過氣泡壁面擴散到熔體中的氣體量小于膨脹階段進入空化氣泡的氣體，這就形成了“表面效應”［8］.另外，空化泡的壁面周圍存在一定厚度的液體擴散層，其直接影響到氣體的擴散運動.當空化泡收縮時，擴散層厚度變大，擴散層中的氣體濃度變小，空化泡內與熔體之間的氣體濃度梯度減小，從而減少了氣體從空化泡進入熔體的驅動力;當空化泡膨脹時，擴散層厚度變小，擴散層中的氣體濃度變大，當擴散層厚度達到最小值時，急劇變化的濃度梯度大大促進了氣體從熔體中進入空化泡的氣體流動速率，形成了“殼層效應”［8］.“表面效應”和“殼層效應”使得空化泡在長大過程中從熔體中吸入大量的氫氣，根據Eskin的研究［9－10］，當熔體處于較大聲壓作用下，空化泡的長大異常活躍，氣泡的脈動強烈，結果導致氣泡之間的結合和長大，受熔體浮力作用浮出表面，熔體中氣體含量就顯著下降，從而抑制了顯微疏松的形成.

圖2 不同超聲功率下鑄錠處顯微疏松百分比的情況

圖3 不同超聲功率下除氣效果的變化情況

此外，氣泡在長大和崩潰蒸發(fā)過程中，空化泡會從其周圍的熔體吸收大量熱量，形成局部深度過冷，因而在空化泡附近形成了大量晶核，增加了形核率，提高了組織致密度，從而抑制了顯微疏松的形成.同時，學者R.C.Y.Chow等認為空化泡的崩潰，能產生高溫、高壓沖擊波［11］，強烈沖擊波會擊斷或熔斷正在長大的枝晶，這也有利于液體補縮，減少顯微疏松的形成.從水模擬實驗結果可知，采用球端面工具桿施振時“空化效應”和“聲流效應”都比較明顯，并且作用范圍較廣，鑄造實驗結果也驗證了采用球端面工具桿施振時抑制顯微疏松的效果最佳.圖4展示了導入不同端面的工具桿，輸出功率為2600 W時，距鑄錠表面60 mm處顯微疏松的形態(tài)變化.

圖4 3種不同端面工具桿作用后鑄錠徑向位置處顯微疏松形態(tài)變化對比

2.3 超聲振動對鑄錠中心位置處顯微疏松形成的影響

圖5展示了采用不同工具桿端面施振離工具桿端面30 mm的鑄錠中心處顯微疏松百分比的變化情況.當未加超聲時，鑄錠中顯微疏松百分比為1.15%，而導入不同端面的工具桿對熔體施振后，顯微疏松百分比比未加超聲的鑄錠有明顯的降低.當輸入功率為2600 W時，導入圓錐端面工具桿時抑制顯微疏松的效果較差，鑄錠中橫截面處顯微疏松百分比減少了36.5%;而采用平端工具桿時，抑制顯微疏松的效果最為明顯，降低了63.5%.從圖1可知，平端面工具桿正下方的“聲流效應”最為顯著，在聲流沖擊下，工具桿端面下方的枝晶互相搭接形成的骨架容易被聲流沖擊波沖破，此時，枝晶骨架所封閉的小“熔池”就能較容易連接上熔池外的液體，這就為液體補縮創(chuàng)造了條件.同時較強的聲流也較容易除氣，這就使得顯微疏松的形成顯著降低.圖6展示了輸出功率為2600 W時，導入不同端面的工具桿施振后，距工具桿端面30 mm處鑄錠中心顯微疏松的形態(tài)變化.

圖5 不同超聲功率下鑄錠中心顯微疏松百分比的情況

3 結論

1)3種不同的工具桿中，球端面工具桿對距鑄錠表面60 mm處顯微疏松的抑制效果最好，顯微疏松百分比減少了52.7%.而平端面工具桿對鑄錠中心處顯微疏松的抑制效果最好，中心顯微疏松百分比減少了63.5%.

2)3種不同的工具桿中，球端面工具桿除氣效果最佳，除氣率達到了57.6%.而錐形端面工具桿除氣效率最低，只有26.9%.

3)球端面和平端面工具桿端面下方聲流效應顯著，其對抑制鑄錠中心顯微疏松的形成起了積極作用.

圖6 3種不同端面工具桿施振后中心顯微疏松形態(tài)變化對比

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Effect of rod end face of ultrasonic casting on micro-porosity in Al alloy

ZHANG Ming，LI Xiao-qian，LI Zheng-hua，XU Xian-hua
(School of Mechanical and Electrical Engineering;Central South University，Changsha 410083，China，E-mail:zhangmingcsu@163.com)

The influence of three optimized tool rod end faces on the micro-porosity of 7050 aluminum at different ultrasonic power during ultrasonic casting was studied.The experimental results showed that the effect zone of spherical tool rod end face and its intensity was large，and the micro-porosity percentage was reduced by 43.6%at 60 mm from the ingot surface.The effect zone of conical tool rod end face was also large，but the sound wave radiated in a small intensity and its attenuation was the fastest，the inhibited effect was the worst.Axial sound intensity of the flat tool rod end face was the largest and large-scale acoustic streaming was formed under the radiator＇s face.The effect of inhabiting the formation of micro-porosity was the best and the central micro-porosity percentage reduced by 63.5%.Ultrasonic vibration can reduce radically the formation of microporosity by improving liquid feed and reduce hydrogen concentration.In addition，the large-scale acoustic streaming formed under the radiator＇s face can also contribute to improve liquid feed and restrain the formation of central micro-porosity.

micro-porosity;tool rod;ultrasonic vibration;degassing;feed

TB559;TG249.9 文獻標志碼：A 文章編號：1005－0299(2011)05－0102－04

2010－11－25.

國家重點基礎研究發(fā)展計劃資助項目(2010CB731700).

張 明(1984－)，男，碩士研究生;

李曉謙(1958－)，男，教授，博士生導師.

(編輯 程利冬)