（机械设计及理论专业论文）铝合金超声凝固溶池流场数值模拟及试验研究.pdf

中南大学硕士学位论文 摘要 摘要 在铝合金的铸造过程中施加超声外场技术是当前国际研究的热 点和未来铸造技术的一个新的发展方向，超声波在金属熔体中产生的 空化和声流效应可以明显改善成型铸锭的组织和性能，本文主要以铝 合金超声铸造为切入点，研究以下几方面内容： 1 、通过测量超声工具杆端面在空气中的位移振幅，应用多介质 声波传输理论对工具杆在铝合金熔体中的声压分布进行计算，得到了 工具杆在铝合金熔体中产生的声压场分布。在对空化理论以及空化阈 值的影响因素进行分析后，结合熔体的声压场分布，得出在本试验条 件下超声设备在铝合金熔体中所产生的空化场约为工具杆端面下 3 0 m m 范围内。 2 、通过对熔体中的e c k a r t 声流现象进行理论分析，考虑流体方 程各参量的二阶项的基础上，经过分析和推导，得到了e c k a r t 声流驱 动力的表达式。应用流体仿真软件f l u e n t 对置于坩埚中的7 0 5 0 铝合 金熔体超声处理过程进行数值模拟，通过对熔体内的超声吸收系数进 行分析和计算后得到试验条件下的声流驱动力值，随后通过u d f 函 数将其添加到f l u e n t 的计算过程中进行模拟计算，模拟结果表明：在 输出功率为1 7 0 w 的超声波的作用下，在坩埚的可流动区域内，形成 了大规模的e c k a r t 声流现象；高速并不是声流的特点；在液相区域内 位于工具杆对称轴线上的轴向速度幅值呈先增大后减小的趋势；仿真 得到的最大轴向速度幅值与e c k a r t 声流轴向速度经典公式计算值在 一个数量级上，但在出现位置上与其有偏差；声流驱动力增大时，最 大轴向速度幅值并不随着线性增大，驱动力的增大影响了温度场和声 流范围；随着容器规模的增大，最大轴向速度幅值也随着迅速增大， 但随后增长幅值渐小。 3 、根据仿真模拟条件，进行铝合金超声坩埚铸造试验，试验结 果发现了从工具杆端面至坩埚壁面的一条超声作用区域分界线，结合 空化场的分析和声流场的数值模拟结果，间接证明了超声声流对铸锭 细晶区域的贡献。铝合金的超声半连铸试验结果证明了超声波在半连 铸领域具有同样的细晶效果，对比浇铸口引起的外流场和超声流场， 可知声流现象在半连铸试验中对于细晶区域的贡献很小，可以忽略不 计。 关键词：e c k a r t 声流，声压场分布，工具杆，空化范围，数值模拟 a bs t r a c t t r e a t i n ga l u m i n u mm e l tb y u l t r a s o n i cf i e l di st h e i n t e r n a t i o n a l r e s e a r c hh o t s p o ti nn o w a d a y sa n dan e wd i r e c t i o n o ff u t u r ec a s t i n g t e c h n i q u e c a v i a t i o n a n da c o u s t i cs t r e a m i n gi n t h em e l ti n d u c e db y u l t r a s o u n dc a ni m p r o v ei n g o t ss o l i d i f i c a t i o n s t r u c t u r ea n dm e c h a n i c a l p r o p e r t yo b v i o u s l y t h i s p a p e r t o o ka l u m i n u mu l t r a s o n i cc a s t i n g a s p e n e t r a t i o np o i n ta n dt h em a i ns t u d yw a s s h o w na st b l l o w s ： 1 、b ym e a s u r i n gt h ed i s p l a c e m e n ta m p l i t u d eo ft h e u l t r a s o n i c r a d i a t o ra n du s i n gt h em u l t i m e d i at r a n s m i s s i o nt h e o r y , t h es o u n dp r e s s u r e f i e l dd i s t r i b u t i o ni nt h ea l u m i n u ma l l o ym e l ti n d u c e db yt h er a d i a t o rw a s c a l c u l a t e d a f t e ra n a l y z i n gt h ec a v i t a t i o nt h e o r y a n dt h ei n f l u e n c i n g f a c t o r so fc a v i t a t i o nt h r e s h o l d ，c o m b i n e dw i t ht h es o u n dp r e s s u r e f i e l d d i s t r i b u t i o no ft h em e l t ，t h ea r e a30 m m d o w nb e l o wt h er a d i a t o rsf a c e w a sa s s i g n e dt ob et h ee f f i c i e n t c a v i t a t i o na r e ai nt h em e l tu n d e rt h e l a b o r a t o r yc o n d i t i o n 2 、t h ee x p r e s s i o no fe c k a r ts t r e a m i n gd r i v i n gf o r c ew a so b t a i n e d b yt h e o r e t i c a la n a l y s i so f t h ee c k a r ts t r e a m i n gp h e n o m e n o ni nt h em e l t a n dd e r i v a t i n g t h ef l u i d e q u a t i o n s c o n s i d e r i n g t h es e c o n do r d e r p a r a m e t e r s c f ds o f t w a r ef l u e n tw a su s e dt on u m e r i c a ls i m u l a t i n gt h e p h e n o m e n o no ft h e7 0 5 0a l u m i n u ma l l o y m e l ti nt h ec r u c i b l ew h i l e u i t r a s o n i cs o n i c a t i n g a c o u s t i cs t r e a m i n gd r i v i n g f o r c ew a sg o tb y c a l c u l a t i n gt h ea c o u s t i c a la b s o r p t i o nc o e f f i c i e n t i nt h em e l t t h e nt h e d r i v i n g f o r c ew a sa d d e dt o f l u e n t s c o m p u t a t i o n a lp r o c e s su s i n g u d f t h es i m u l a t i o nr e s u l t sw e r ea sf o l l o w s ：l a r g e s c a l ee c k a r ts t r e a m i n g p h e n o m e n o nw a sp r o d u c e d i nt h ef l o w a b l ea r e ao ft h ec r u c i b l eb y u l t r a s o u n do f17 0 wo u t p u tp o w e r h i g hv e l o c i t i e sw e r en o tc h a r a c t e r i s t i c o fa c o u s t i cs t r e 锄i n g t h ea x i sv e l o c i t i e si nt h el i q u i dp h a s ea l o n gt h e r a d i a t o rf a c e ，sa x i si n c r e a s e da tf i r s t a n dt h e nr e d u c e dt oz e r oa tt h e c m c i b l e ，sb o t t o m t h em a x i m u mv a l u eo ft h ea x i sv e l o c i t i e ss i m u l a t e d w a si nt h es a m eo r d e ro fm a g n i t u d ew i t ht h eo n ec a l c u l a t e db yc l a s s i c e c k a r ts t e a m i n ge q u a t i o n b u ti nt h ed i f f e r e n tp o s i t i o n t h em a x i m u m a x i s v e l o c i t yd i d n o ti n c r e a s el i n e a r l yw i t ht h ed r i v i n gf o r c e t h ei n c r e a s e m e n t o fd r i v i n gf o r c ei n f l u e n c e dt h et e m p e r a t u r ef i e l da n da c o u s t i cs t r e a m i n g f i e l d t h em a x i m u ma x i sv e l o c i t y i n c r e a s e dw i t ht h ei n c r e a s e m e n to f c o n t a i n e rs c a l er a p i d l y , b u tw h e nt h ec o n t a i n e rw e n tl a r g e r , i tb e g a nt o i n c r e a s es l o w l y 3 、a c c o r d i n gt os i m u l a t i o nc o n d i t i o n s ，u l t r a s o n i c v i b r a t i o nw a s i m p o s e dd u r i n gt h ec r u c i b l ec a s t i n go fa l u m i n u ma ll o y r e s u l t ss h o w e d t h e r ew a sa no b v i o u sb o r d e r l i n ei nt h ea r e af r o mt h er a d i a t o rsf a c et ot h e b o u n d a r yo ft h ei n g o t ，c o m b i n i n gw i t ht h ea n a l y s i so f c a v i t a t i o nf i e l da n d t h en u m e r i c a ls i m u l a t i o nr e s u l t s ，a c o u s t i cs t r e a m i n gp h e n o m e n o nw a s p r o v e dt oh a v ec o n t r i b u t i o nt ot h er e f i n e da r e ao ft h ei n g o ti n d i r e c t l y r e a u l t so fs e m i c o n t i n u o u sc a s t i n go fa l u m i n u ma l l o yu s i n gu l t r a s o u n i c v i b r a t i o n p r o v e d t h a tu l t r a s o u n dp r o d u c e ds a m er e f i n i n g e f f e c ti n s e m i c o n t i n u o u s c a s t i n g a r e a w ec a nf i n dt h a ta c o u s t i cs t r e a m i n g p h e n o m e n o nh a dl i t t l ec o n t r i b u t i o ni ns e m i c o n t i n u o u sc a s t i n gt e s t sf o r e n l a r g i n gt h er e f i n e dr e g i o na f t e rc o n t r a s t i n gt h e f l o wf i e l dc a u s e db y c a s t i n gm o u t hw i t ha c o u s t i cs t r e a m i n gf l o wf i e l d k e yw o r d s ：e c k a r ts t e a m i n g ，s o u n dp r e s s u r ef i e l dd i s t r i b u t i o n ， r a d i a t o r ，c a v i t a t i o na r e a ，n u m e r i c a ls i m u l a t i o n 原创性声明 本人声明，所呈交的学位论文是本人在导师指导下进行的研究 工作及取得的研究成果。尽我所知，除了论文中特别加以标注和致谢 的地方外，论文中不包含其他人已经发表或撰写过的研究成果，也不 包含为获得中南大学或其他单位的学位或证书而使用过的材料。与我 共同工作的同志对本研究所作的贡献均已在在论文中作了明确的说 明。 作者签名：盗主是绎日期：4 年三月巫日 关于学位论文使用授权说明 本人了解中南大学有关保留、使用学位论文的规定，即：学校 有权保留学位论文，允许学位论文被查阅和借阅；学校可以公布学位 论文的全部或部分内容，可以采用复印、缩印或其它手段保存学位论 文；学校可根据国家或湖南省有关部门规定送交学位论文。 作者签名：瑚瞽鸟筚导师 期：兰丑年三月丛日 中南人学硕十学位论文 第一章绪论 1 1 引言 第一章绪论 铝工业的整个发展历史不过两百年，但由于铝及其合金具有一系列优异特 性，发展速度非常快，已广泛应用于交通运输、包装容器、建筑装饰、航空航天、 机械电器、电子通讯、石油化工、能源动力等行业，成为发展国民经济与提高人 民物质生活和文化生活水平的重要基础材料l l j 。现代航天航空、交通运载、信息 产业等高技术领域，特别是国家重大工程规划的重要高技术装备，不仅对铝合金 性能提出了愈来愈高的要求，而且要求采用大型整体构件以减轻结构重量，提高 装备的刚度和有效性。如核电站、轻轨列车、飞机机身、导弹舱体、运载火箭箭 体、天地往返系统等的大型整体结构都需要采用轻质高性能的大规格铝材。然而， 由于这类大规格整体构件组织与性能的均匀性和残余应力的要求极其苛刻，使得 这类特大规格铸锭的成型难度大，铸造时易产生裂纹，而且内部组织不均匀。我 国目前不能合格生产用于大规格整体构件的铝合金厚板、锻件、管材与型材，严 重制约我国尖端技术和国防建设的发展，这是对我国铝加工科学技术提出的新挑 战，急需加强基础研究，建立我国大规格高性能铝材自主制备的技术理论体系， 取得核心技术的突破，自主制造出高性能大规格铝合金关键构件，这对我国国民 经济建设与国防战略工程的发展不受制于人将起重要作用，同时也是本课题研究 的出发点和目的所在。 获得均匀细小的等轴晶组织，减少各种铸造缺陷，生产出合格的高强合金大 铸锭是本课题组所致力于的方向，传统的晶粒细化方法是在熔铸过程中添加晶粒 细化剂以细化铸造组织【2 0 】，但细化剂的使用会造成合金中成份的失调，影响金 属的性能和重复使用性。引入# l - 力n 物理场对熔体的结晶与传热过程进行调控，改 变其凝固过程，改善凝固组织是当前国际研究的热点。试验证明，在众多外场调 控手段中，超声场的施加是一个行之有效的方法，超声波在液体中传播时会产生 空化、声流、机械等诸多特殊效应【4 07 1 ，通过这些效应可以改善组织、减少偏析、 改变二次相的形成及分布。在铝合金超声铸造方面，前苏联，俄罗斯，美国、法 国、日本等国家都进行了广泛的研究，积累了很多成果1 4 9 l 。我国在此领域也开 展了一些工作，但因为各方面条件的限制，研究还比较零散，应用成果很少【l m l 7 】。 中南人学硕士学位论文 第一章绪论 1 2 功率超声场应用于金属熔体处理 通常情况下所指的超声波是指弹性振动频率大于1 6 0 0 0 h z 的声波，超声波是 一种高频声波，当具有大功率的超声波在介质中传导时，产生周期性的应力和声 压变化，在具有粘性的金属熔体中产生空化和声流效应，空化产生的高温高压效 应对周围的金属熔体产生很大的作用，对合金的成核过程产生重要的影响，生产 实践及研究结果证明，在纯金属和合金金属的铸造过程中施加大功率的超声场可 以显著的减少铸造缺陷，使获得合格铸锭的几率大大提高，铸锭的金相组织结果 显示，经过了大功率超声波处理过的组织相比没有超声处理的组织显得更均匀细 小。 1 2 1 超声振动对金属熔体处理技术的研究状况 在过去的近一个半世纪内，c h e r n o v 提出的关于动态凝固的观点被转化成各 种处理手段，像振动，摇晃，机械和电磁搅拌以及超声处理等来应用在处理液态 金属和处于凝固过程中的金属熔体中。依靠各自独特的应用原理，这些方法都得 到了工业应用。c h e r n o v 认为动态作用对凝固的影响很重要。在他写的一本关于 钢锭凝固的著作罩l 隅l ，提到了如果钢在一个摇晃的很厉害的模子罩面凝固，则 铸锭旱面的所有的颗粒都会运动起来，冷却后的铸锭就会得到很细小的晶粒。动 态凝固的观点在使用基于在凝固过程中使凝固表面附近的熔体以及液态金属本 身内部产生受迫运动的不同技术和装备的时候已经被提出并发展起来。对盛有液 态金属的模子施加低频振动，把振动工具伸到处于凝固时的熔体中，对凝固过程 中的熔体施加电磁影响，对凝固金属( 合金) 进行超声处理，这些方法在工业上 都得到过应用，并且在数以千万吨的金属的生产中证明了c h e r n o v 的观点的正确 性。 早期的研究都是低频振动，如凸轮、气动、电磁激振等。一般为几十赫兹， 最高也不过2 0 0 0 h z ，这些类型振动的频率很低，能提供的振动能量受到限制， 且振动不易控制，所以随着超声振动技术的发展，这些低频处理技术逐渐被高频 的超声振动技术所取代。 用一个离心振动器对包含有熔体的铸模进行振动的方法自1 9 1 0 年就已经开 始应用。以每分钟一百次的频率，1 5 2 0 m m 的振幅对铸模进行周期性的摇晃有利 于气体从钢熔体中的去除和晶粒细化，增加密度值以及改善铸锭的机械特性。随 后，对凝固中的会属施加低频振动的方法被广泛应用于改善模铸铝合金以及钢的 性能。b a l a n d i n 1 9 j 和c a m p b e l l 【2 0 l 在他们的著作中总结了由r o m a n o v ，l e o n t ，e v ， b a l a n d i n ，以及r e b i n d e r 等人研究的关于低频振动的影响。 2 中南人学硕士学位论文 第一章绪论 倘若在连续铸造时，振动工具或者在靠近凝固前沿处放置，或者在当它浸入 铸锭的液穴中被冷却，那么低频振动就可以改善铸造后得到的钢铸锭的机械性 能。h e r r m a n n 和h o f f m a n n d e 证明了低频振动对连续铸造的铸锭的机械性能具有 同样效果1 2 l 】。 以上所有的这些关于低频振动处理金属凝固的研究，都得出一个结论：低频 振动可以制造出固相碎片，它能改变熔体，增加其结晶核的数量。也就是说，由 于在凝固前沿的振动对熔体的破坏性作用或者是由于冷却的振动工具固相表面 对熔体的清洗效应，是有可能会出现碎片结构的。 尽管不同的作者提出的关于振动对凝固中的熔体的影响机制不同，但是他们 中的大多数，包括c h e r n o v ，都假设熔体存在着强烈的搅拌运动，它有利于熔体 的均匀冷却和随后在其中晶核的形成。在使用机械搅拌器或者电磁场使熔体运动 以及测量凝固中的液态金属的温度时很容易观察到这个冷却效应。 d o b a t k i n 对连续铸造铝合金铸锭的凝固进行了全面的研究1 2 2 1 。他的实验基 础是：各种不同的因素对连续铸造铝合会铸锭的晶粒尺寸的影响可以归结为它们 对处于铸锭液穴中的熔体温度的影响。这个温度与合会的液相温度的偏差值对晶 粒的尺寸有很重要的影响并且事实上它就是决定晶粒大小的。铸造时熔体温度的 下降会使液穴温度有稍微的下降，并且因此使晶粒细化。搅动液穴中的熔体可以 使其中的熔体温度下降一点。由于从熔体向凝固界面的传热提高而引起的液穴中 熔体的冷却就是形成搅动对铸锭晶粒细化效应的原因。仅仅把晶体分散在处于搅 动中的液穴中并不能增加它们的数量，因为只有在非常强的搅动作用下才能把枝 状晶体打断。 s o k o l o v 是第一个在凝固锌，锡和铝实验时使用超声处理的人，其超声频率 选用的是0 7 - 0 8 m h z 。不过他没有观察到明显的晶粒细化现象。相反，他发现 了在超声场中晶粒变粗了并且枝状晶继续生长，只是其枝状部分减少了，这是因 为通过铸模底部传输上来的振动有利于结晶，但是超声强度太小了。s e e m a n 以 及s c h m i d 和e h r e t 分别在1 9 3 6 年和1 9 3 7 年研究了在频率为l o k h z 的超声场中 锑，镉，硬铝合金以及铝硅合金的凝固，他们观察到铸造晶粒有显著的细化。g o f e r 和s h e v c h u k 在1 9 6 1 年研究了超声场作用下铝硅合金的凝固情况。b r a d f i e l d 研 究发现对凝固中的含有4 铜的铝熔体进行处理时用频率为2 0 k h z 的超声处理比 ，用6 0 h z 的振动处理对晶粒的细化更有效。在a g r a n a t 和k h a v s k ii 的指导下一系 列超声研究被展开，超声的施加旨在改善一些金属和半导体物质的特性和结构。 这几个作者同样对一些金属，均匀的半导体热电材料，均匀的基于镉的固熔体晶 体以及碲化汞的超声结晶细化作用进行了研究，对铝的区域再结晶也进行了研 究。以e s k i n 、a b r a m o v 为代表的许多学者也纷纷展丌了振动效应对凝固组织影 3 中南人学硕十学位论文 第一章绪论 响的研究 4 9 1 ，探讨了超声振动对会属和合成有机材料凝固过程的影响及作用机 制并取得了显著成果。随后t e u m i n 、p o g o d i n - a l e k s e c v 、p o l o t s k i t 等人也分别 对超声场下金属的凝固规律展开了研究。但此后一段时| l i j 由于材料和技术问题的 制约，同时人们找到了变质处理、孕育处理等有效细化品粒的方法，导致这方面 的研究处于停滞状态。八十年代伴随新材料的诞生，技术瓶颈获得突诎，使得 这一领域的研究 f ；度话跃起来。美国 开纳西州大学对超声处理高强铝合会及钢材 料进行了为期四年的试验研究，获得超声处理时，冷却速率施振时自j 等因素对 金属熔体的影响规律；i r s i d 将超声振动施加于连铸过程，能明显改善润滑状巷， 容易出型，减轻铸件表面偏析，国内李英龙、赵忠必、陈康华等学者采用不同超 声处理方式处理z l l 0 2 ，z c u p b 3 0 ，h t l 0 0 ，a i s i m g - c u 等合金，均发现舍金 组织得到细化，铸造缺陷获得改善1 1 0 , 1 1 ”】，但由r 条件和技术的限制，我国在这 一领域的麻用成果很少。 从以上所提到的对于各种材料进行的研究我们u ，以得到这么一个结论：动力 冲击比如说超声处理对铸锭的结构具有很大的影响。在金属凝固过程中引入超声 振动，凝固组织从粗大的柱状品变为均匀细等轴品，材料力学性能提高，各向同 性性增强，金属的宏观与微观偏析均得到改善，所以，对熔体施加超声振动是细 化凝吲组织、改善铸锭质最、提高余属性能的有效手段。 22 铝合金的超声半连续铸造 图1 1 超声半连续错追示意图：圈1 2 超声连峙得到的 ) 超声瓣：2 ) 传振系统，3 ) 结晶嚣：4 ，铸锭；s ) 熔炉 2 3 2 4 铝台金铸锭( 直径曲1 2 m ) 立式直接水冷半连铸造锭简称d c 铸造( v e n i c a ld i r ec h i l lc a s t i n g ) ，1 9 3 3 年 由法圜人j u n g h a n 一2 3 首先研制成功。目前这种方法在生产工业中较为普遍，它有 生产效率高、生产用期短等优点，但是也有致命的缺点：组织分粕小均匀、容易 中南大学硕士学位论文 第一章绪论 产生裂纹和内应力、晶粒粗大等，容易对材料性能造成不利影响。 在纯铝及铝合金的连续或半连续铸造过程中施加超声波进行处理，可以使铸 锭的晶粒普遍得到细化，而且铝合金连续铸造件表蘧的偏析也大大的减少。在国 外已取得较好实验结果。图1 1 为超声应用于连续铸造的示意图犯4 l ，图l 。2 为俄 困人e k i n 通过超声波半连续铸造得到的大规格非枝晶结构铝合金铸锭犯引，从表 l l 中可以看出超声对大型锅铸锭的晶粒结构的影响【2 6 j ，国内对这方面的理论和 实验研究方面进展不大，因此，铝合金的超声半连续铸造法是目前国内连铸的热 点和前沿之一。 表1 1 超声对大型连铸铝铸锭的结晶过程的影响 注：两种不同规格合金连续铸造的速率分别为：1 6 ，1 5 ，1 4 5 以及1 3 m m m i n ；h 是液穴深 度，d 是晶粒尺屯 1 。2 。3 超声对金属熔体的作用效果 1 超声对金属熔体的除气作用 用高声强的超声波处理液体可以明显的减少液体中的溶解气体含量，该作用 已经被应用于熔融金属液体的除气过程，称为超声除气技术。 早在1 9 2 6 年，b o y l e 和t a y l o r 27 j 已经发现超声波可能对液体的除气有所作用。 随后s u r e n s e n 、k r u g e r 4b r a d f i e l d 等人分别在不同的超声频率下对水，熔融的玻 璃以及铝合金熔体等进行了除气实验研究，均发现超声在一定条件下对液体的除 气有很好的效果。e i s e n r e i c h 在1 9 5 0 年做了铝合金的相关除气实验，比较了真空 超声除气和真空除气，氯气除气和超声除气四种除气方法的除气效果，他指出了 用超声进行处理的潜力。s e r g e e v 在1 9 5 2 年同样也指出了超声除气的巨大潜力以 5 中南大学硕十学位论文第一章绪论 及在质量很大的液态金属中导入足够的超声功率的困难性。早期的相关研究已经 证明从铝合金熔体中除去氢气与传入熔体中的超声功率和空化的进展大大相关。 t e u m i n 和e s k i n 2 4 1 等利用直径为4 0 m m 的圆柱形工具杆对熔体中初始氢气含量为 0 3 c m 3 1 0 0 9 ，a 1 2 0 3 浓度为0 0 0 5 0 0 0 6 w t 的1 0 k g 工业纯铝a 7 ( 1 0 7 0 ) 进行超 声除气实验，铝熔体的温度保持在7 2 0 。c ，得到了除气率与施加在熔体中的声强 之间的关系，如图卜3 所示，在区域i 内，由于未发生空化，几乎没有除气功能 这个区域被称为“预空化处理区域 ，在区域i i 内，开始时除气效率增长的很快， 随后渐渐的稳定下来，这是在大概处于空化阈值时的超声处理阶段。随着空化的 进行，熔体的波阻抗( 密度p 与声速c 的乘积) 跟在其他液体中一样会下降。所 以，施加到熔体中的声强与除气效率的比值也下降了。随着超声强度进一步增加， 空化也进行的更加激烈，这个超声处理阶段即为区域i i i ，其中超声除气效率随着 超声强度呈线性增长。另外，超声除气效果还和超声的处理时间、金属液中的初 始含气率以及金属液本身的物性有关，e s k i n 也将超声除气效果和真空处理、用 氯化物精炼铝等除气方法的效果进彳亍了比较，认为将超声除气和真空处理方法结 合起来应用更有助于提高除气率。 4 0 3 0 2 0 1 0 o2 46 81 0 1 2 1 4 厶，a m 031 5 1 | 时 图1 - 3 除气率与声强的关系 美国橡树岭国家实验室的h a n b i n gx u 等人做了铝合金的相关超声除气实验 2 8 - 3 0 l ，他们利用频率为2 0 k h z ，最大输入功率为1 5 k w 的超声波对熔融状态下 的a 3 5 6 铝合金进行除气，发现超声除气率与熔体温度以及熔体的重量具有很大 的关系，熔体温度越高，达到稳定除气效果的时间越短。温度越低，熔体的粘度 越大，空化气泡越难颤动，越难聚集，上浮。而且随着温度的降低，从熔体向气 泡的氢气的纯扩散就越难。因为这两个原因，除气效率随着温度的降低而降低。 而熔体的量越多，超声除气后达到稳定稳定密度的时间就越长。另外，他们还比 较了常规超声除气，真空除气以及吹氩结合超声除气三种除气手段的效率。发现 超声除气与真空除气一同进行的情况下效率是最高的，但是超声除气的效率与两 6 寥暑譬ts&甜q 中南人学硕士学位论文第一章绪论 者一起除气的效率相差无几，比单纯的真空除气效率要高不少。但是对于大铸锭， 单纯的真空除气和超声除气都是不现实的，因为其效率很差，超声除气的不现实 是因为超声的衰减比较大，难以对整个铸锭内的熔体都进行除气。而单纯的吹氩 除气的效率电不高，这是因为氩气气泡的尺寸比较大而在吹氩的同时加l 超声 的作用后，效率提高了一倍。 在国内李军文等也做了相关的坩埚内铝台金除气实验i “。2 1 ，通过超声除气后 铸锭密度的测量大小柬判断除气的效率，发现当超声强度到达一阂值后其除气才 具有效率，而在低于这个闽值时非但没有除气，反而会增加熔体内气体的含量， 而且除气效率随着超声强度和频率的升高而增大。 2超声对金属凝固组织的细化作用 c h e m o v 的动态凝固观点应用于冶金过程中后，早期的研究已经表明，对正 处于凝固阶段的金属熔体施加低频振动后其凝固组织会得到细化，而当高频率振 动的超声波施加到其中后，各种余属和合金的组织都得到了相当程度的细化。由 于强超声的作用其凝固过程和组织结构均发生了变化，各种相关的研究都证明 了这一点。 口4 2 02 4 “q 酬 i u 图卜4 超声处理对a i1 7 s i 舍空中初生s i 相太小的影响 a b r a i n o v 和g u r e v i c h p ”使用超卢波处理具有不周点阵结构的纯金属结果表 明超声处理能使具有不同点阵结构的会属晶粒细化，力学性能提高。e s k i n 等在 这领域进行了很多实验。1 ，其研究如认为超声熔体处理可以除气、净化、精炼 金属，形成非枝晶组织，对高纯铝进行超声波处理后其拉伸强度从5 4 m p a 提高 到7 0 m p a ，硬度从h b l 72 提高到h b l 9 7 ，同时延伸率也得到了改善。在镁合 金的凝固过程中采用超声处理可以明显的起到除气和细化晶粒的作用。在连续铸 造中，用超声波处理a l s i 合金，也取得了良好的效果，超声波作用对初生s i 相的细化作用十分显著。如图1 4 所示，初生s i 的太小随着超声振幅的增大而 e_*12t-4日elja；“m 中南人学硕士学位论文 第一章绪论 逐渐变小。x j i a n 等人【3 8 l 在对a 3 5 6 铝合金的超声处理实验中发现合金在6 3 4 到5 7 4 区间内凝固过程中施加连续的超声振动处理后其合会组织呈现非枝晶 结构，而间歇的超声施加能得到更好的组织结构。 李英龙等【lo j 将功率超声作用于金属凝固结晶的全过程，研究了超声处理对 共晶及过共晶a 1 s i 合金组织和性能的影响。实验结果表明，适宜参数的超声处 理使初生s i 和共晶s i 相显著细化，断裂并呈粒状分布，合金的强度和塑性都得 到了明显提高。赵忠兴等f 1 1 , 1 5 】采用底部导入方式对铝合会进行超声处理，发现经 过超声处理后的合金组织得到了明显的细化，树枝晶被打碎，形成了均匀的等轴 晶组织。冯伟骏等1 3 9 j 采用高能超声处理p b s n 合金，研究发现随着超声功率的增 加，合金组织的细化程度提高，但功率提高到一定程度后，细化作用出现减弱的 现象。胡化文等【j6 l 通过在7 0 5 5 铝合金熔体浇铸前作超声处理，认为是空化作用 活化了熔体中微小的氧化铝杂质，使其成为结晶核从而可以促进形核作用，并因 此能够细化品粒和均匀化组织，提高其抗拉强度，大幅提高塑性。 1 2 4 超声对凝固组织的作用机制 当功率超声在液体介质中传播时，其对液体介质具有下述独特的作用【4 0 j ： 第一个是线性交变振动作用，当超声波在介质中传播时，必然使介质粒子作交变 振动，并引起介质中的应力或声压的周期性变化，从而引起一系列次级效应。第 二个为周期性激波作用，大振幅振动在介质中传播时会形成锯齿形波面的周期性 激波，在波面处造成很大的压强梯度，因而能产生局部高温高压等一系列特殊效 应。第三个为力学作用，振动的非线性会引起相互靠近的伯努利力，由粘度的周 期性变化而引起的直流平均粘滞力等，这些直流力将产生定向作用、凝聚作用等 力学效应。第四个为空化作用，空化作用是超声波在液体介质中出现的一种重要 的基本作用，在声场中，液体中的气泡逐步生成和扩大，然后突然破灭，在这急 速的气泡崩溃过程中，在气泡附近产生瞬时高温高压，以及局部强烈的激波。第 五个为声流效应，超声在有粘性的液体介质中传播时，超声振动振幅的粘滞衰减 在液体内会形成声流。在上述作用中，超声空化与声流效应对于金属组织的影响 起主导作用。 1 空化效应 存在于液体中的微气泡( 空化核) 在声场的作用下振动，当声压达到一定值 时，气泡将迅速膨胀，然后突然闭合，在气泡闭合时产生冲击波，这种膨胀，闭 合，振荡等一系列动力学过程即称为空化效应1 4 。自r a y l e i g h 在1 9 1 7 年发表了 题为液体中球形空腔崩溃时产生的压力的研究论文【4 2 】为其后空化理论的研 究奠定基础后，多年来空化现象一直都是超声学及其应用的一项基础研究。 8 中南人学硕士学位论文 第一章绪论 s u s l i c k 等人【4 3 】用实验的方法测定了气相反应的温度达到了5 2 0 0 6 5 0 k ，液相反 应区的有效温度在1 9 0 0 k 左右，局部压强达到了5 0 5 1 0 。7 p a 以上，同时这种局 部高温、高压存在的时间非常短、仅有几微秒，所以温度变化率高达1 0 9 k s 。这 种高温高压现象对周围的介质产生很大的作用，并产生一系列次级效应，如化学 效应、声致发光、分散作用和乳化作用等。 2 声流效应 声流效应是超声作用于声场中由于传播过程中的能量衰减而引起的流动现 象，这种衰减效应不仅能在熔体的可流动区域内形成环流，也能在局部区域产生 湍流。所以声流不仅可以提高金属熔体温度场和成分的均匀性，而且对金属熔体 内的颗粒具有微观的搅拌作用。 国内外许多学者对金属熔体中空化和声流的相关理论进行了许多探讨，并形 成了诸多超声细化凝固组织理论，主要包括破碎理论，过冷成核理论，理论的核 心，下面将作一简要介绍。 超声破碎理谢删：在超声振动处理金属熔体之前，有许多关于低频振动处 理金属凝固的研剜惜圳】，这些研究已经得出一个结论：由于低频振动作用能引起 凝固前沿处或者振动工具固相表面处的振动，这种振动对熔体具有破坏性作用， 可以制造出一定数量的固相碎片，它能改变熔体，增加其结晶核的数量，从而可 以达到细化晶粒的作用。而当高能超声施加到金属熔体中时，在高频振动的同时 会形成大量的空化气泡，这些空化泡在超过一定的阈值的声压下将崩溃并产生冲 击波。而且空化现象足持续进行的，因此，j 下在长大的晶体受到冲击波的急剧冲 击而被折断、击碎，同时声流搅拌效应也能打断枝晶，抑制晶体长大，并使晶粒 在得到细化的同时，均匀弥散于熔体之中。 过冷与形核理论【4 5 】：超声波作用于金属熔液时，当声压超过一定值时，会 产生声空化现象，空化泡将会膨胀直至破灭。空化泡的增大及破灭会带走大量的 蒸气，导致空化泡周围金属熔液的温度迅速降低，这样就在熔体中形成了大量的 晶核。d a n i l o v ，k a p u s t i n ，b e r l a g a 和g o r s k i i 分别用透明的有机物质进行模拟试 验，都证实了超声波促进过冷，增加形核率的机理。c i b u l a ，h u n t ，j a c k s o n 对空 化泡的增大和液体蒸发降低空化泡的温度进行了定量的测试分析，研究发现，随 着空化泡的增大，对水而言，空化泡附近的温度降低约2 0 ，而对于汽油，温 度降低高达2 0 0 。c 1 4 6 1 。当空化泡增大到一定程度时，详随气泡的崩溃，在熔体内 造成很大的压强，也能增加晶核的形核率。 x j i a n 等人【3 8 j 在对a 3 5 6 铝合金的超声处理实验中发现，当超声对处于恒定 温度下的熔体进行振动处理后，其得到的金属组织的平均晶粒尺寸变小但是却不 能得到等轴晶组织，也就是说在这种实验条件下超声振动细化晶粒的主导作用应 9 中南人学硕十学位论文第一章绪论 该是空化导致的异质成核作用而不是因为超声对枝晶的破断形成非枝晶结构。 a b d e l r e h i m 6 1 在前人研究的基础上，总结了超声振动的细晶机理，认为除 了空化效应引起过冷产生晶核，声流搅拌破碎晶体外，脉冲超声波的时间若延迟 2 s ，也有成核作用，并在某种条件下脉冲超声波的细化效果要比连续超声波的好。 同时，他还指出凝固区域越窄，即液相线和固相线越接近，超声振动细化效果越 不明显，细化效果越差。 1 3 声流现象的研究状况 早在1 8 3 1 年f a r a d a y l 4 7 1 就发现了空气中的声流现象，他发现了空气流在声场 的位移波腹点上升，在位移节点处下降。在1 8 8 3 年，r a y l e i g h | 4 8 】第一次提出了 声流理论，定义声流是强振幅声波在具有损耗性流体中传播时引起的一种稳定流 动现象。他在考虑声场方程高阶项的情况下进行一次线性拟合，预测了在一个振 动的盘子上空的空气流的形式。在1 9 4 5 年，r a y l e i g h t 4 9 】第一次分析了在两块平 行板间的驻波引起的流场样式。e c k a r t l 5 0 】在1 9 4 8 年进行的研究表明声流是由于 声学吸收性以及介质粘度而产生的，e c k a r t 声流的理论图如图i 5 所示。n y b o r g 也对声流现象的产生机理进行了很多研究【5 1 , 5 2 l ，他认为声流是由于雷诺应力的作 用而形成的，其运动会被粘度所抑制，他在研究中已经忽略了流体自身惯性的作 用。s c h l i c h t i n g l 5 3 j 和l i g h t h i l l l 5 4 j 分别在1 9 5 5 年和1 9 7 8 年对声流现象进行了研究， 重点研究了声流的基础理论，认为声能在传播过程中有损失从而形成动量流梯度 引起了声流，l i g h t h i l l 重点研究了声功率在3 1 0 巧w 上的惯性驱动喷射声流。 j a c k s o n 和n y b o r g i ”j 在1 9 6 0 年研究了由纵波引起的声流现象。以上这些研究都 是定性研究，没有开展相关的仿真和实验来定量分析。 图1 - 5e c k a r t 声流示意图：1 ) 超声源；2 ) 吸收体 当流场测量技术开始兴起并发展后，对超声引起的声流场的定量测量研究也 开始逐步开展。c a d w e l l 和f o g l e r l 5 6 1 - 于1 9 7 1 年通过测量发现在施加的超声频率为 8 0 0 k h z 时，在超声工具杆附近的空气的流动速度为o 3 0 5 m s 。g o n d r e x o n 等人 1 0 中南人学硕十学位论文 第一章绪论 1 5 7 1 发现在超声频率为5 0 0 k h z ，工具杆直径为o 0 4 m 的超声参数下，容器的尺寸 为直径0 1 m ，高为0 1 m ，工具杆从底面向上作用，当输入功率为i o o w 时流场 速度为0 0 5 0 1 m s ，输入功率为4 0 w 时为o 0 1 0 0 3 m s 。c h o u v e l l o n 等人【5 8 l 运用 激光x 射线断层照相技术研究在5 0 0 k h z 超声频率下，超声功率、水深以及流体 粘度对声流速度的影响，发现在水中，当输入功率为2 5 w 时( 这个功率值不是 真正耗散的功率值) ，速度为0 0 0 6 6 m s ，1 0 0 w 时，为o 0 2 3 m s ，在1 5 0 w 时， 为o 0 3 3 m s ；同时，发现水深越深，速度越小；粘度越大，速度越大，但当到达 一阈值后，速度随粘度增大而减小。f