鋁熔體中超聲空化區(qū)域分布及聲壓衰減系數(shù)

章 武, 李曉謙, 蔣日鵬

(中南大學(xué) 輕合金研究院，高性能復(fù)雜制造國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，長(zhǎng)沙 410083)

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鋁熔體中超聲空化區(qū)域分布及聲壓衰減系數(shù)

章 武, 李曉謙, 蔣日鵬

(中南大學(xué) 輕合金研究院，高性能復(fù)雜制造國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，長(zhǎng)沙 410083)

利用激光測(cè)距儀測(cè)得鑄造用超聲輻射桿端面全局振幅及頻率，基于FFT細(xì)化分析對(duì)所測(cè)振幅分析后得到輻射桿端面振幅整體分布特性，在鋁熔體中，將鈦板豎直置于超聲輻射桿正下方，啟動(dòng)超聲振動(dòng)系統(tǒng)運(yùn)行20 h，通過分析鈦板空蝕區(qū)域探究超聲在鋁熔體中的空化區(qū)域，得出輻射桿的空化區(qū)域分布，空化區(qū)域?yàn)橐粰E球形且分界面明顯，空化域最遠(yuǎn)可達(dá)變幅桿正下方68 mm，結(jié)合鋁熔體中超聲的空化閾值，推算出20 kHz鑄造用功率超聲在鋁熔體中傳播的衰減系數(shù)。

超聲振動(dòng)系統(tǒng)；空化腐蝕；空化域；聲壓衰減系數(shù)

超聲鑄造是一種無污染、高效率且極具發(fā)展?jié)摿Φ男滦丸T造技術(shù)，目前的研究認(rèn)為，超聲波在熔體中產(chǎn)生的空化效應(yīng)能顯著細(xì)化晶粒，提高材料性能，在強(qiáng)超聲場(chǎng)正負(fù)聲壓的高頻交替作用下，形成空化泡，空化泡崩潰瞬間產(chǎn)生的高溫高壓以及高強(qiáng)度的微射流，促使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(rùn)濕角被減小，實(shí)際結(jié)晶溫度降低，過冷度增大，從而使凝固組織得到明顯的細(xì)化[1-5]。由于金屬熔體的高溫，不可視以及金屬熔體內(nèi)部難于檢測(cè)，目前尚無定量測(cè)量金屬熔體空化強(qiáng)度及空化區(qū)域的方法。國(guó)內(nèi)外現(xiàn)有研究中主要通過水中空化實(shí)驗(yàn)[6-9]或超聲作用后合金晶粒細(xì)化效果來間接研究空化作用，對(duì)高溫金屬內(nèi)空化作用區(qū)域鮮有研究[3-6]。

本文通過2219鋁合金熔體中鈦板空蝕試驗(yàn)，由鈦板空蝕區(qū)域探究鑄造用超聲輻射桿的空化作用區(qū)域，并推測(cè)出超聲波在鋁熔體中的衰減系數(shù)。

1 測(cè)試與試驗(yàn)

1.1 試驗(yàn)材料及裝置

試驗(yàn)材料為0.5 mm厚度GB/T3621—2007鈦板，2219鋁合金，試驗(yàn)使用設(shè)備為鑄造用超聲波電源，鑄造用超聲振動(dòng)系統(tǒng)(包含PZT壓電陶瓷片，變幅桿，輻射桿)。其它輔助設(shè)備為井式加熱爐，微米級(jí)基恩士激光測(cè)距儀，高精度電子稱，石墨坩堝，熱電偶，游標(biāo)卡尺。

1.2 端面振幅測(cè)量

超聲振動(dòng)由壓電陶瓷的壓電效應(yīng)產(chǎn)生，經(jīng)階梯形變幅桿將振幅放大后傳遞至輻射桿，再將超聲能量傳輸至鋁熔體，實(shí)驗(yàn)設(shè)備如圖2所示，測(cè)試以端面原點(diǎn)為圓心的同心圓為基準(zhǔn)測(cè)量，半徑差為5 mm，最小半徑為0 mm，最大半徑為24.8 mm，每個(gè)同心圓取4平分點(diǎn)測(cè)量。測(cè)量時(shí)將超聲振動(dòng)系統(tǒng)調(diào)節(jié)至諧振狀態(tài)，待振動(dòng)穩(wěn)定后將頻率鎖定在諧振點(diǎn)，移動(dòng)激光探頭依次對(duì)端面及柱面各測(cè)量點(diǎn)進(jìn)行振幅數(shù)據(jù)采集，采樣頻率為408 kHz；采樣點(diǎn)數(shù)為2 000 000，每個(gè)測(cè)量點(diǎn)測(cè)量三次，共測(cè)得21組數(shù)據(jù)，測(cè)量過程圖如圖1所示。

圖1 激光測(cè)距示意圖Fig.1 Schematic diagram of Laser ranging

1.3 鋁熔體中鈦板空化腐蝕試驗(yàn)

根據(jù)石墨坩堝以及變幅桿尺寸，變幅桿插入深度，將0.5 mm鈦板裁剪成合適形狀，因在鋁熔體中溫度高，操作不便，防止變幅桿插入鋁熔體與鈦板貼合以及超聲振動(dòng)導(dǎo)致鈦板不穩(wěn)、傾斜，故在鈦板上設(shè)置夾持加固裝置，實(shí)驗(yàn)前進(jìn)行試裝試驗(yàn)，調(diào)試好坩堝位置以后輻射桿高度與角度，以確保鈦板與變幅桿同軸貼合，將裝有2219鋁合金的石墨坩堝置于電阻爐中加熱，待鋁合金完全融化之后，持續(xù)加熱保溫至700℃穩(wěn)定溫度，將鈦板和變幅桿清洗打磨干凈，為防止試驗(yàn)鋁熔體溫度變化較大，且除去表面水分，鈦板和變幅桿應(yīng)進(jìn)行預(yù)熱，將鈦板置于石墨坩堝對(duì)稱位置，固定后插入變幅桿，變幅桿軸與坩堝中心軸以及鈦板對(duì)稱軸處于同一條直線上，變幅桿插入深度為50 mm，變幅桿端面與鈦板上沿貼合，啟動(dòng)超聲波電源，調(diào)至諧振狀態(tài)同時(shí)計(jì)時(shí)，持續(xù)20 h后，取出鈦板，冷卻后用堿液將鈦板上的鋁清洗干凈,試驗(yàn)示意圖如圖2所示。

圖2 鈦板空化腐蝕裝置示意圖Fig.2 Schematic diagram of Titanium cavitation corrosion

2 試驗(yàn)結(jié)果與討論

2.1 輻射桿端面振動(dòng)分析

經(jīng)激光測(cè)距儀采集到的超聲振動(dòng)信號(hào)為離散時(shí)間點(diǎn)信號(hào)，基于Matlab軟件將振動(dòng)信號(hào)進(jìn)行快速傅里葉變換 (FFT)后，進(jìn)行頻譜分解[10]，對(duì)頻譜進(jìn)行FFT細(xì)化分析之后，得出各點(diǎn)的振幅與頻率。頻率為20 050 Hz，振幅分布規(guī)律如圖3所示。

圖3 端面振幅分布Fig.3 Amplitude distribution of End face

分析可知，半徑相同時(shí)振幅差距不大，不同半徑上振幅，振幅差異較小，所以我們可以認(rèn)為端面振幅基本一致，大小為13.5 μm。

2.2 鈦板空蝕特性及超聲空化區(qū)域

鈦板空化腐蝕前后形貌對(duì)比見圖4。

由圖4可知，在鋁熔體中，超聲場(chǎng)作用下，鈦板上形成較明顯的空蝕坑，表層材料部分脫落，形成較多麻點(diǎn)，靠近變幅桿一端空蝕效果更顯著，鈦板向內(nèi)縮短約3 mm，且空蝕區(qū)域鈦板明顯變薄，強(qiáng)度變差，空蝕區(qū)域最下端距變幅桿端面距離為68 mm，側(cè)面離變幅桿距離為13 mm，空化域分布界面較明顯，空化域以外區(qū)域無空蝕現(xiàn)象。

(a)空蝕前鈦板 (b)空蝕后鈦板圖4 鈦板空蝕前后對(duì)比Fig.4 Comparison of Titanium before and after cavitation

空蝕破壞是由于近壁空泡潰滅的最后階段產(chǎn)生的壓力沖擊波造成的，熔體在負(fù)聲壓下被撕扯開形成空化泡，并長(zhǎng)大，在隨后而來的正聲壓中瞬間破滅，空化泡破滅瞬間形成微射流，沖擊金屬壁面，如此反復(fù)，最終破壞金屬壁面結(jié)構(gòu)[11-14]，并不是存在聲壓就能產(chǎn)生空化，在鋁熔體中只有聲壓超過一定幅值才能形成空化泡，在鋁熔體中，使鋁熔體產(chǎn)生空化所需的最低聲壓，稱為鋁熔體的聲空化閾值，已有研究表明，鋁熔體中超聲波空化閾值為1.1 MPa[15]，結(jié)合鈦板形成的空化區(qū)域，最下端距輻射桿端面距離為68 mm，分界面明顯，故我們可以推測(cè)出輻射桿端面正下方68 mm處聲壓幅值為1.1 MPa。

2.3 鋁熔體中鑄造用超聲波衰減系數(shù)

超聲波在介質(zhì)中傳播時(shí)，隨著傳播距離的增加，其能量逐漸減弱，這種現(xiàn)象叫做超聲波的衰減，常用超聲波衰減系數(shù)來表示超聲波的衰減。超聲衰減分為吸收散射衰減與擴(kuò)散衰減，前兩類衰減取決于媒介的特性，后一類衰減與聲源特性有關(guān)，而與媒介無關(guān)，對(duì)于吸收與散射衰減，常用衰減系數(shù)來表示，其衰減規(guī)律滿足式(1)[1-3]。

P1=P0e-ax

(1)

式中:P為初始聲壓；P1為傳播距離x后聲壓；a為衰減系數(shù)。

由于尚無有效方法測(cè)量鋁熔體中超聲波聲壓幅值，對(duì)鋁熔體中超聲波傳播衰減系數(shù)更是鮮有涉及。

考慮到試驗(yàn)中輻射桿聲源端面為圓形，存在較明顯擴(kuò)散衰減，基于前文測(cè)得端面振幅分布，分析采用微元積分疊加法法，分析原理見圖5。

圖5 聲場(chǎng)分析原理圖Fig.5 Diagram of Acoustic analysis

結(jié)合式(1)，面元ds在軸線上P點(diǎn)產(chǎn)生的聲壓為[1-2]

(2)

對(duì)式(2)積分得P點(diǎn)的總聲壓

(3)

e-ahcos(ωt-nh)]

(4)

分析式(4)可知P點(diǎn)振幅為

表1 計(jì)算所需參數(shù)值

由此可以推算出，鑄造用超聲波在2219鋁合金中衰減系數(shù)為0.011 03 mm-1。

3 結(jié) 論

(1) 鑄造用超聲振動(dòng)系統(tǒng)端面振幅均勻，圓面上各點(diǎn)振幅基本一致。

(2) 超聲振動(dòng)在鋁熔體中產(chǎn)生空化，空化腐蝕鈦板效果明顯，腐蝕區(qū)域分界處清晰，空化域最遠(yuǎn)可達(dá)端面下方68 mm處。

(3) 700 ℃溫度下2219鋁合金熔體中的聲壓衰減系數(shù)約為0.011 03 mm-1。

[1] 張海瀾.理論聲學(xué)[M]. 北京：高等教育出版社，2008.

[2] 馮若.超聲手冊(cè)[M]. 南京：南京大學(xué)出版社，1999.

[3] 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．

[4] NIE K B, WANG X J, WU K, et al. Effect of ultrasonic vibration and solution heat treatment on microstructures and tensile properties of AZ91 alloy[J]. Materials Science and Engineering A，2011，52(8)：7484-7487.

[5] HUANG Haijun, XU Yifan, SHU Da，et al. Effect of ultrasonic melt treatment on structure refinement of solidified high purity aluminum[J].Transactions of Nonferrous Metals Society of China，2014，24(7)：2414-2419.

[6] YAN J C， ZHAO W W，XU H B，et al. Ultrasonic brazing of aluminum alloy and aluminum matrix composite[P]. US 7，624，906，B2. 2009.

[7] GRAFF K. Ultrasonic soldering and brazing[J]. EWI Insights，2007， 20(3)：4-5.

[8] MASATO I, TAKASHI N. Direct observation and theoretical study of cavitation bubbles in liquid mercury[J]. Physcial Review， 2007，162(75)： 55-57.

[1] MATTHIEU V，TONY C . Acoustic cavitation at the water-glass interface[J]. J Phys Chem C，2010，11(4)：13083-13091.

[10] 沈再陽(yáng)，何永勇．基于共振峰的超聲空化聲發(fā)射信號(hào)分析[J].振動(dòng)與沖擊，2012，31(16):43-47. SHEN Zaiyang,HE Yongyong Formant method applied to analyze acoustic emission signals from ultrasonic cavitation[J]. Journal of Vibration and Shock,2012,31(16):43-47.

[11] 劉榮光．超聲波在鋁熔體中的聲場(chǎng)分布和空化效應(yīng)及其對(duì)凝固過程影響[D].長(zhǎng)沙：中南大學(xué)，2007，12:43-44．

[12] 李超，應(yīng)崇福，白立新.流體動(dòng)力空化的噪聲特性及空化強(qiáng)度的測(cè)量[J].中國(guó)科學(xué) 物理學(xué)力學(xué) 天文學(xué)，2012，42(10)： 987-995. LI Chao, YING Chongfu, BAI Lixin.The characteristic of cavitation noise and the intensity measurement of hydrodynamic cavitation[J]. Scientia Sinica Physica, Mechanica & Astronomica,2012,42(10):987-995.

[13] 李永?。瘴g發(fā)生過程中表面形貌作用機(jī)理研究[D].北京：清華大學(xué)，2008．

[14] 張敏，李曉謙，蔣日鵬，等. 超聲輻射桿振幅分布與空蝕區(qū)域[J]. 振動(dòng)與沖擊，2014，33(13)：59-62. ZHANG Min, LI Xiaoqian, JIANG Ripeng, et al. Amplitu-de distribution and cavitation corrosion field of ultrasonic transducer system[J]. Journal of Vibration and Shock, 2014, 33(13): 59-62.

[15] ESKIN G I. Ultrasonic treatment of light alloy melts[M]. CRC Press，1998:41-51．

Ultrasonic caviation areal distribution in molten Aluminum and sound pressure attenuation coefficient

ZHANG Wu, LI Xiaoqian, JIANG Ripeng

(State Key Laboratory of High Performance Complex Manufacturing, School of Mechanical and Electrical Engineering, Central South University, Changsha 410083, China)

The global ultrasonic amplitude and frequency of an ultrasonic radiation rod’s end face was measured using a laser rangefinder, and the data obtained were analyzed by utilizing FFT zoom analysis technique to obtain the global amplitude distribution of the rod’s end face. A titanium plate was placed under the ultrasonic radiation rod in molten aluminum. An ultrasonic vibration system was activated for 20 h to find the ultrasonic cavitation area in molten aluminum by analyzing the cavitation corrosion area of the titanium plate, then the caviation area distribution of the ultrasonic radiation rod was obtained. It was shown that the cavitation area of the rod is an ellipsoid with obvious boundaries, and the longest distance between the boundaries and the ultrasonic radiation rod is 68 mm. Moreover, the sound pressure attenuation coefficient of 20 kHz ultrasound was calculated with the ultrasonic cavitation threshold in molten aluminum.

ultrasonic vibration system; cavitation corrosion; cavitation threshold; sound pressure attenuation coefficient

國(guó)家重點(diǎn)基礎(chǔ)研究發(fā)展規(guī)劃(973 計(jì)劃)(2010CB731706;2012CB619504)

2015-07-20 修改稿收到日期：2015-11-15

章武 男，碩士生，1990年2月生

李曉謙 男，教授，博士生導(dǎo)師，1958年2月生

TG249.9;TB559

A

10.13465/j.cnki.jvs.2016.21.023