（机械设计及理论专业论文）铝合金熔体超声除气关键参数的理论及实验研究.pdf

原创性声明 舢| i i i | | f i l | f i i i i i ! i l i f i i l l i i | f f f | l i l i i l l i 洲 y 0 1 a9 0 1 j | 5 l | | 1 5 | l i hr 1 7 l a l l l1jiil。 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己在论文中作了明确的说明。 储雠：秤 醐：丛虹月 日 学位论文版权使用授权书 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 权保留学位论文并根据国家或湖南省有关部门规定送交学位论文，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。同时授权中国科学技 术信息研究所将本学位论文收录到中国学位论文全文数据库，并 通过网络向社会公众提供信息服务。 作者签名： 导师鳓吼型吐月 日 摘要 摘要 超声波是一种机械波，频率和振幅是它的两个关键参数。本文 主要研究铝熔体超声波除气中，这两个关键参数对除气效果的影响。 通过大量的实验研究发现了一些规律，并且理论分析这些参数对超 声波除气的影响机制。本文主要完成的工作及研究结论具体如下： 1 、研究了超声波频率参数对铝熔体除气的影响。本文采用功率 相同，频率分别为1 5 k h z 和2 0 k h z 的两套超声波设备对7 0 5 0 铝合 金熔体和9 9 7 工业纯铝熔体进行了超声波除气实验。实验采用 h y s c a ni i 测氢仪测量不同工况下熔体的含氢量，进而探讨超声频率 参数对除气的影响。实验研究表明，1 5 k h z 的超声波的除气效果优 于2 0 k h z 的超声波。 2 、研究了超声波振幅对铝熔体除气的影响。本文采用功率 2 0 0 0 w 频率2 0 k h z 的一套超声波系统，采用工具杆端面振幅和端面 形状不同的工具杆对铝合金熔体进行超声波除气对比实验研究。研 究表明，在相同的功率和频率下，平端面工具杆的除气效果最好， 振幅越大的工具杆除气效果越好。 3 、在实验的基础上，分析了超声波频率和振幅对超声波除气的 影响。空化效应对微气泡的形成具有重要作用，超声波频率和振幅 对气泡的长大具有重大影响。在一定范围内，超声波频率越低，振 幅越大，对气泡的“壳层效应和“表面积效应”影响就越大，越 有利于气泡的长大和溢出，除气效果越好。 关键词：超声除气，频率，工具杆端面振幅，气泡长大 中南大学硕上学位论文 a b s t r a c t a bs t r a c t u l t r a s o t m di sam e c h a n i c a lw a v ea n df r e q u e n c ya n da m pl i t u d ea r e t w ok e yp a r a m e t e r s s e v e r a lr e s e a r c h e sa b o u tu l t r a s o n i cd e g a s s i n go f m o l t e na l u m i n u i nw h i c hi si n f l u e n c e db yf r e q u e n c ya n da m p l i t u d eh a v e b e e ns t u d i e di nt h i sm a s t e r st h e s i s s o m er u l e sh a v eb e e nd i s c o v e r e dv i a ag r e a tn u m b e ro f e x p e r i m e n t s ，a n a l y z i n gt h ee f f e c t so f t h e s ep a r a m e t e r s a c to nu l t r a s o n i cd e g a s s i n g t h em a i nt a s k sa n dr e s e a r c h e sw h a th a v e d o n ec a nb el i s t e da sf o h o w s f i r s t l y , t h er e s e a r c ho fu l t r a s o n i cf r e q u e n c y a c to nm o k e n a l u m i n u mh a v eb e e ns t u d i e d a d o p t i n gt w o s e t so fu l t r a s o n i c e q u i p m e n t sw h i c hh a v et h es a m ep o w e rb u td i f f e r e n tf r e q u e n c y , a t 1 5 k h za n d2 0 k h zr e s p e c t i v e l yd i du l t r a s o n i c d e g a s s i n gr e s e a r c ho n 7 0 5 0a l u m i n u m a l l o ym e l ta n d9 9 7 p u r ea l u m i n u mm e l t i nt h i st h e si s w eu s e dh y d r o g e ni n s t r u m e n tw h i c hi sn a m e dn y s c a ni it om e a s u r e h y d r o g e nc o n t e n tu n d e rd i f f e r e n tc o n d i t i o n st h a tm a k ei tp o s s i b l ef o ru s t oa n a l y z et h ee f f e c to fu l t r a s o n i c d e g a s s i n gw h i c hi s i n f l u e n c e db y t h e s ep a r a m e t e r s t h er e s u l to ft h i s e x p e r i m e n ts h o w st h e e f f e c to f u l t r a s o n i c ( 15 k h z ) o u t w e i g ht h a to fu k r a s o n i c ( 2 0 k h z ) s e c o n d l y , w eh a dd o n et h er e s e a r c ha b o u tt h ee f f e c to fa m p l i t u d eo f u l t r a s o n i cw a v ea c to nd e g a s s i n go fm o k e na l u m i n u m a d o p t i n ga u l t r a s o n i cs y s t e m ( t h ep o w e ri s2 0 0 0 wa n dt h ef r e q u e n c yi s2 0 k h z ) a n d u s 衲gd i f f e r e n tt o o lr o dd i ds o m ec o m p a r a t i v ee x p e r i m e n t s t h er e s u l t s h o w st h a tt h ee f f e c to fu l t r a s o n i cd e g a s s i n gw h i c hi sa c t e db yf l a te n d t o o lr o di sb e t t e rt h a no t h e r sa n dt h ee f f e c to fu l t r a s o n i cd e g a s s i n gw h i c h i sa c t e db yt h et o o lb a r so fg r e a t e ra m pl i t u d eo u t w e i g ho t h e r s t m r d l y , t h ee f f e c to fu l t r a s o n i cd e g a s s i n gw h i c hi si n f l u e n c e db y u l t r a s o n i cf r e q u e n c ya n da m p l i t u d eh a db e e na n a l y z e db a s e do nt h e e x p e r i m e n t c a v i t a t i o ne f f e c tp l a y sa l li m p o r t a n tr ol ei np r o d u c i n gt i n y b u b b l e s u l t r a s o n i cf r e q u e n c ya n da m p l i t u d ei n f l u e n c et h eg r o w t ho f t i n y b u b b l e ss i g n i f i c a n t l y 、耽h 证ac e r t a i n r a n g e ，t h el o w e r o f t h eu l t r a s o n i c f r e q u e n c ya n dt h eg r e a t e ro ft h ea m p l i t u d ea p p e a r , t h em o r ee f f e c to f 中南大学硕士学位论文 a b s t r a c t s h e l le f f e c t a n dt h e s u r f a c ee f f e c t b e c o m ea n di t i sc o n d l a c et o b u b b l e s g r o wu pa n d o v e r f l o w k e y w o r d ： u l t r a s o n i cd e g a s s i n g ，仔e q u e m y , a m p l i t u d eo ft o o lr o d ，t h e g r o w t ho f b u b b l e s h i 中南大学硕士学位论文目录 目录 摘要i a b s t r a c t 目录 第一章绪论1 1 1 铝熔体中的气体。1 1 1 1 铝合金熔体中氢的来源l 1 1 2 铝合金熔体中氢的存在形式2 1 1 3 铝合金熔体中的氢含量2 1 2 铝熔体除气几种方法3 1 2 1 气泡浮游除气法3 1 2 2 熔剂除气法4 1 2 3 真空除气法5 1 2 4 超声波除气法5 1 3 含氢量的定量检测仪器5 1 4 超声波除气的发展状况6 1 4 1 国外发展情况6 1 4 2 国内发展情况9 1 5 研究意义、课题来源及论文内容1 1 1 5 1 研究意义1 l 1 5 2 项目来源1 2 1 5 3 研究内容1 2 第二章超声波除气机理1 4 2 1 超声理论基础1 4 2 1 1 超声中的物理量关系1 4 2 1 2 超声波的在不同介质界面上的反射和透射1 5 2 1 3 超声水中空化强度测量方法1 6 2 2 铝熔体超卢波除气机理1 8 2 2 1 超声在铝熔体中的作用1 8 2 2 2 超声波除气过程2 0 2 2 3 超声除气机理2 2 i v 中南大学硕士学位论文目录 2 2 3 1 压力梯度传质。2 2 2 2 3 2 浓度传质2 3 2 2 3 3 温度梯度传质2 4 2 2 3 4 超声除气耦合模型2 4 2 3 超声波有效除气范围2 5 2 3 1 介质中超声波的衰减2 5 2 3 2 实验方法判断空化作用区域2 6 2 3 3 超声波有效作用区域2 7 2 4 本章小结2 7 第三章超声频率对铝合金除气的影响2 8 3 1 超声频率与气泡尺寸2 8 3 2 试验方法和试验方案2 9 3 2 1 试验仪器配备2 9 3 2 2 试验材料3 1 3 2 3 试验方法3 1 3 3 结果分析与讨论3 2 3 3 1 超声频率对7 0 5 0 铝合金熔体除气的影响3 2 3 3 2 超声频率对9 9 7 工业纯铝除气的影响3 6 3 4 本章小结3 8 第四章变幅杆端面振幅对铝合金除气的影响3 9 4 1 工具杆对超声波振幅的影响3 9 4 1 1 增加介质中质点振动振幅的方法4 0 4 1 2 质点的振幅4 1 4 2 实验方法和实验方案4 3 4 2 1 实验仪器配备4 3 4 2 2 实验材料4 4 4 2 3 试验方法4 4 4 3 实验结果分析与讨论4 5 4 3 。1 不同工具杆的超声系统的水模拟试验4 5 4 3 2 不同端面形状的工具杆对铝合金熔体除气的影响4 7 4 3 3 相同端面不同振幅工具杆对铝合金熔体的除气的影响4 8 4 4 本章小结4 9 第五章总结及展望5 1 5 1 全文总结5 1 v 中南大学硕上学位论文 目录 5 2 不足与展望。5 2 参考文献。5 3 致谢。5 9 攻读硕士学位期间的主要研究成果。6 0 v 1 中南大学硕士学位论文 第一章绪论 第一章绪论 铝合金是重要的工业材料，因密度小、强度高、铸造性能良好而被广泛应 用于航空航天、坦克导弹和汽车行业。近年来，国家大飞机计划对大规格高性 能铝合金板材提出了新的需求。但铝合金在熔炼、浇铸过程中容易吸收气体， 铝液中含气量偏高，造成铸件裹气、缩孔缩松、微观裂纹等一系列缺陷，严熏 影响了材料的机械性能和力学性能，甚至导致铸件报废，这使得铝合金的应用 及推广受到很大的限制。因此，弄清楚铝合金中的气体来源，研究除气的工艺、 方法，最大限度地降低气体和夹杂物对铸件质量的影响，已成为世界各国材料 制各工作者十分关注的课题之一。铝合金熔体的除气是一个“除气一吸气 的 动态过程，由铝合金溶液内部析氢和铝合金熔体表面吸氢两部分组成，除氢的 效果由这两个方向相反的动态过程决定。本章将对铝合金中的气体来源，除气 的手段和方法进行阐述，重点介绍国内外超声波除气的发展状况。 1 1 铝熔体中的气体 铝合金铸件中形成气孔的主要原因是铝合金熔体吸附、扩散、溶解气体。 熔炉中铝熔体与水蒸气反应生成氢和对应的氧化物，氢被表面上的铝液吸附进 入铝合金熔体中。铝合金熔体除了吸收氢以外，还吸收二氧化碳、氮气及其他 气体，但氢是唯一能大量溶于铝熔体中的气体。根据萃取气体的光谱分析数据 以及钯片过滤氢气实验，溶解于铝熔体中的气体，氢气占了8 0 以上，因此可 以认为对铝熔体的除气就是指除氢【1 1 。 1 1 1 铝合金熔体中氢的来源 铝熔体通常是在大气环境中熔炼，这样的环境不可避免存在水蒸气。水蒸 气的来源主要有：空气中的水蒸气；铝料表面附着的水气；炉膛吸收的水蒸气。 在加热过程中这些水蒸气跟铝发生化学反应，主要反应式如下。 温度低于2 5 0 时，铝和水蒸气作用的化学方程式如下： 6 q 譬) + 2 a l ( s ) 22 a i ( o h ) 3 + 3 吼( 窖，( 1 - 1 ) 温度高于4 0 0 时，在低温下生成的氢氧化铝分解成氧化铝和水蒸气，化 学方程式如下： 中南大学硕士学位论文第一章绪论 2 a i ( o h ) 3 ( ，) = 3 h 2 0 _ ( g ) + a 1 2 0 3 r 1 - 2 ) 、一， 温度高于6 0 0 时，铝液和水蒸气反应生成氧化铝和原子态的氢，化学方 程式如下： 3 h 2 q g ) + 2 a l ( t ) 24 j 2 0 3 + 6 h ( 1 - 3 ) 、一， 反应生成的原子态氢大部分被铝液吸收，其余的重新组合成分子进入大气。 生成氢的同时会生成致密氧化膜，氧化膜阻碍反应的进一步进行，但同时也阻 止了氧离开反应液面。因而大气中微量的水汽会引起铝熔体的严重吸氧。吸氢 具体过程如下：氢气分子在运动过程中碰撞到铝合金熔体的表面，在化学力的 作用下，氢分子被吸附到熔体液面的表面并分解成原子态的氢原子，为氢分子 的化学吸附过程。当熔体表面的氢分压大于熔体内部的氢分压时，吸附在熔体 表面的氢原子在分压差的的作用下向熔体内部扩散，为氢原子的扩散过程。氢 原子进入熔体中后迅速转化为离子态溶解在铝合金熔体中，形成氢离子的铝溶 液，为氢离子的溶解过程。氢就以这样的方式进入铝熔体的。 1 1 2 铝合金熔体中氢的存在形式 实践和研究表明，铝液中的氢主要来自铝液和水蒸气的反应以及氧化夹杂 物的吸附。氢在固态铝合金中主要以固溶体、化合物和分子态三种形式存在【2 】。 氢在铝熔体中的存在形式主要有以下几种：以溶液或者固溶体形式存在的氢原 子或者氢离子；以气泡的形式存在的氢分子；以氢化物的形式存在的化合氢； 以y a r 2 0 3 络合物的形式存在的络合氢。铝熔体中的氢主要以氢原子或者氢分子 的形式存在，前者占含氢量的9 0 ，后者占含氢量的1 0 【3 】。 1 1 3 铝合金熔体中的氢含量 按照吸氢的能力，铝是非活性的。氢在铝熔体的溶解度受各种条件含氧量、 合金熔体纯净度、空气湿度、测量方法的影响，所得数值不尽相同【1 4 ，5 ，1 。在固 态铝中氢的溶解度很小，约为0 3 3 0 3 6 m l l k g ，在熔点时氢的溶解度忽然增高， 约为6 6 6 9 m l l k g 1 。液体中的含气量足固体中含气量的2 0 倍左右。本文测试 所得氢在纯铝熔体中的含气量为3 5 m l l k g ；在7 0 5 0 铝合金中，氢在铝合金熔 体中的含气量为4 8 m l l k g 。需要指出的是：影响铝合金熔体中含氢量的因素是 多方面的，有合金元素含量的影响，有熔体温度和保温时间的影响，有大气相 对湿度的影响，与熔体中氢气含量是否达到饱和平衡状态有关，此外还与加热 2 中南大学硕士学位论文 第一章绪论 炉的质量有关。 1 2 铝熔体除气几种方法 铝及其合金在熔炼、浇铸过程中容易被氧化以及吸收氢气，使得铝液中含气 量偏高，造成铸件裹气、缩孔缩松、微观裂纹等一系列缺陷，严重降低了材料的强 度、塑性、疲劳强度等机械性能和力学性能，直接影响了产品的质量，甚至导 致铸件报废，这使得铝合金的应用及推广受到很人的限制。特别是在7 0 5 0 铝合 金大铸锭的铸造过程中，含气量超标是锭子铸造实验失败的重要原因之一，因 此如何减少铝合金熔体的的含气量是一个重要的课题。 按照除气原理，铝熔体的除气方法可以分为吸附型和非吸附型。吸附型是 指通过人为添加净化剂达到去除铝熔体中气体的方法。主要包括：气泡浮游法 和熔剂法。非吸型是指通过物理化学作用，打破系统原来的平衡状态，使气体 从熔体中分离出来，达到新的平衡状态的方法。主要包括：真空净化、静置净化 和超声波净化。 1 2 1 气泡浮游除气法 气泡浮游法又叫吹气法，是一种吸附精炼的方法，具有操作简单、成本低、 效率高的特点，是目前j 【= 业现场使用最多的除气方法。气泡浮游法是上个世纪 八十年代发展起来的铝熔体除气工艺，它是在铝熔体中通入惰性气体或者活性 气体或者通入这两种混合气体，这些气体在熔体中形成气泡，气泡中的氢分压 远远小于熔体中的氢分压，铝熔体中的氢通过扩散传质进入气泡，并随气泡离 开铝熔体，从而达到除气的效果。经过多年发展，在气泡引入方式上，已从原 来的的单管喷吹到多孔喷吹，发展到旋转喷吹技术，旋转喷吹技术被认为是目 前最先进有效的气体导入方法，先后出现了美国联合碳化物公司研制的s n i f 法、法国p e c h i n e y 公司的h l p u r 法、英国f o s e e o 公司的r d u 法、美国h i t e h e o e k 公司的r i d 法、美国联合铝公司的m i n t 法等技术为代表【6 。7 。明。 3 中南大学硕上学位论文 第。一章绪论 a 惰性气体除气示意图b 活性气体除气示意图 图1 i 气泡浮游法卿 1 2 2 熔剂除气法 熔剂法是将熔剂加入到铝熔体内部，熔剂在熔体中发生一系列的物理反应， 熔剂能够使破坏铝液表面致密氧化膜，使气体更容易排除溶体外，从而达到除 气目的。如图1 2 所示为熔剂喷射装置。 倪红军等【1 0 ，1 1 。12 】提出铝合金熔体覆盖保护和化学净化原理，其实现的手段 是采用特定覆盖保护和化学净化的熔剂能够析出净化原子。该原理有以下几个 特点：原子除氢不会受到气泡大小的影响；不会使熔体振动而吸收空气， 影响氧原子扩散和传递；由于不存在氢原子扩散进入除氢气泡和结合为氧分 子的环节，氢原子在铝合金熔体中的扩散和传递能力加强；除氢过程在覆盖 保护下进行；原子除氢和脱氧的过程同时进行。目前使用熔剂净化铝熔体还 存在较大的缺点，主要是单一净化剂只能达到单一效果，应用范围窄，为了达 到综合的净化效果需要添加不同的净化剂后才能达到净化目的，工业应用表明 熔剂净化效果不是特别明显，并且不可避免地引入新的杂质，对组织和环境造 成污染。在大力提倡节能减排的历史趋势下，这种方法将逐渐被淘汰。 4 中南大学硕士学位论文第一章绪论 1 2 3 真空除气法 图1 - 2 熔剂喷射装置示意图【1 3 】 真空除气是通过降低氢的分压，然后降低铝熔体中的氢的溶解度降低，从 而达到除气目的。真空中，铝熔体吸收氢气的倾向趋于零，而且溶解在铝液中 的氢有强烈的析出倾向，溶解在铝液中的氢不断从熔体中析出熔体外，生成的 气泡在上浮过程中能将非金属夹杂带出铝液，最终达到除氢净化的目的。真空 处理法效果好、洁净无污染，并且为克服自身的局限不断获得了新的发展，但 终因需要专用设备、投资昂贵等而未能获得广泛应用。 1 2 4 超声波除气法 超声波除气的基本原理是，向铝熔体中通入超声波，利用超声波的空化效 应，在铝熔体中产生“空穴”现象，在微观尺度上破坏铝液的连续性，产生大 量的显微空穴，铝熔体中的氧通过扩撒传质进入空穴中，成为微小气泡核，气 泡和在超卢波“缩胀 作用下长大成为气泡，上浮逸出铝液，达到除气目的。 超声波除气，在功率足够大的情况下时，有效作用范围包括全部铝液，不仅能 消除宏观气孔，也能消除显微气孔，此外超声波作为绿色无污染的除气技术备 受青睐。 1 _ 3 含氢量的定量检测仪器 目前实验室拥有两种含氢量检测设备，分别是h y s c a ni i 测氢仪使和 a l s c a n 测氢仪。h y s c a ni i 测氧仪用减压技术测量铝熔体中的含氢量，由英 国轻金属铸造协会b n f 金属技术中心开发的，已在世界各国的铸造行业中使用 了1 5 年。h y s c a n l l 测氢仪以其先进的检测技术和稳定的性能在业内备受推崇。 5 中南大学硕士学位论文第一章绪论 图1 - 3h y s c a n i i 测氢仪 a l s c a n 测氢仪系统在线测量溶铝熔体中的氢含量，并且可以与电脑连接 设置参数和读取测量结果。测量过程非常简单有效，只需将探头插入铝熔体中 即可，仪器完全自动检测的，不需要取样操作。相比较而言，在线测氢由于减 少了手动取样，检测结果更加科学可靠，目前工业应用日渐广泛。 图1 4a l s c a n r m 钡u j 氢仪 1 4 超声波除气的发展状况 1 4 1 国外发展情况 1 9 2 6 年t a y l o r 等 1 4 1 提出超声波可能对熔体有除气作用，之后b r a d f i e l d 等 1 5 1 在不同的超声频率作用下分别对水溶液、熔融玻璃以及铝合金熔体等进行了除 6 中南大学硕士学位论文第一章绪论 气实验研究，发现在液体中导入超卢波具有很好的的除气作用。上世纪中叶， e i s e n r e i c h 等【6 l 在铝熔体介质中采用不同除气方法进行除气对比实验，比较了铝 熔体中通入氯气除气、创造真空环境除气、导入超声波除气、真空环境下导入 超声除气四种方法的除气效率，提出超声波处理金属熔体具有很好的发展前景。 早期超声波除气的理论研究声强较低，得出的主要结论是：超声功率和空化效 应密切相关。e s k i ngi 等【16 】利用直径为4 0 r a m 的工具杆，对初始含氢量为 3 m l l k g ，a 1 2 0 3 质量分数o 0 5 o ，温度7 2 0 ，重量为1 0 k g 的9 9 7 工业纯铝 熔体，进行超声波除气实验，得到了超声声强与除气效率之间的关系，如图1 - 6 所示，总体上除气效率随着声强的增强而提高。在声强较小的区域i ，由于声 强低于空化阈值，没有发生空化作用；在区域i i ，声强达到空化阈值，刚开始 除气效率增长很快，随后慢慢趋于稳定；区域i ，随着超声强度继续增大，空 化作用更加活跃，超声除气效率伴随着超声强度几乎呈线性增长。 此外，e s k i ngi 也将铝熔体单独在超声振动、真空环境、添加氯化物的条 件下，对它们的除气效果进行了对比，如图1 7 所示，曲线1 为氯盐除气，曲 线2 为超声除气，曲线3 代表真空除气，曲线4 代表超声真空除气，研究表明 在真空环境下使用超声波除气除气效率最高。 e s m a r c h w 【17 】在超声波功率为1 k w ，频率为1 0 k h z 时，对质量为9 k 左右 的铝镁合金进行了除气试验，发现经过5 分钟超声处理，可以显著减少铸锭中 的气孔，另外还发现在熔体温度超过液相线5 0 c ，试验过程中保持恒温的情况 下，才能达到最佳除气效果。 4 0 笨3 0 室2 0 - o o 2 芒6 鑫l o 1 2 1 4 厶，m o31 5 厶w e r a 2 曾 罢 n 琶 一 处理时阅m i n 图1 - 6 除气率与声强的关系【7 】图1 7 不同除气方式效果对比叨 近年来，橡树岭国家实验室的x uhb 等 1 8 。1 9 2 0 l 也对铝熔体进行了超声除 气实验。在超声波频率为2 0 k h z ，功率为1 5 k w 的条件下，对a 3 5 6 铝合金熔 体进行除气研究。研究发现超声波除气效率与熔体温度、熔体质量关系密切。 7 甜孙盯 绷|堇掰纷班 中南大学硕士学位论文第一章绪论 熔体温度越高，除气速度越快；熔体质量越大，含气量达至0 稳定状态的时间就 越长。另外，他们还对超声除气，真空除气以及通氩气超声除气三种方式的除 气效率进行对比研究。研究发现真空环境下进行超声除气的除气效率是最高。 n a j i ar 等【2 1 】建立了一个数学模型和水的物理模型来模拟a 1 - c u 合金熔体中单 个氢气泡的长大特性。研究表明，频率在2 5 3 5 k h z 间变化时水中气泡内气体 质量随着频率的增大而减小，较低的频率能够促进气体传质作用，有利于气泡 的长大。 k e i j i y a s u d a 等【2 2 】研究表明在超声功率相同的情况下，不同频率的超声场叠 加能增强空化的生声化学效应。它们分别单独从容器底部和单独从容器侧部以 及同时从容器底部和侧部导入不同频率的超声波，然后容器中液体的观察荧光 效果来评估声化学反应的强度，实验结果表明同时从容器底部和侧部导入超声 波时的荧光效果比单独导入时效果好；特别是同时导入两列频率相当的超声波 时，荧光效果最好，说明空化强度最剧烈，如图1 9 c 所示；同时从底部和侧部 导入超声波产生的荧光范围和强度都比单独导入时强；明亮的容器中部是两列 波相交的区域，空化强度最大。 1 1 ) r e a c t o rc 2 ) u l t r a s o n i c t r a n s d u c e r ( 3 ) w i n d o w1 4 ) s a m p i e 图1 8 不同频率超声叠加装置示意图 8 中南大学硕士学位论文第一。章绪论 d b ( a ) 侧面施加4 7 2k h z ，( b ) 底部施加4 2 2m t z ) ，( c ) 侧面4 7 2k h z + 底部4 2 2k h z ， ( d ) 侧部1 7 6k h z + 4 2 2k h z ，( e ) 侧部6 3 5k h z + 底部4 2 2 k h z 图1 - 9 不同频率超声场的叠加 最近，葡萄牙的h 6 1 d e rp 等【2 3 2 4 】研究了超声功率、频率、熔体温度、超声 处理时间等工艺参数对a i s k ) c u 3 熔体除气效率的影响，还研究了同时往该熔体 中施加低频机械振动和高频超声振动。研究发现超声功率、熔体温度以及处理 时间这三个参数对除气效率有至关重要的影响，另外在没有增加作用时间的情 况下，同时施加低频机械振动和超声振动能极大的提高除气效率。此外a b b a ss 等【2 5 】开发出了一个超声波空化水平管理系统。通过实时监测液体中空化噪声 并反馈给控制系统，对超声波电源发出指令调节声强，最后达到控制稳定空化 水平的目的。这个稳定超声场空化水平的控制系统必将对空化机制及超声除气 的定量研究将起到积极的促进作用。 1 4 2 国内发展情况 国内李军文等 2 8 2 7 2 8 1 也对铝合金进行坩埚超声除气实验，利用阿基米德原 理测量铸锭凝固后的密度，进而判断锭子含气量，从而判断超声波除气的效率， 从除气效率的检测手段来看精度不是很高。他们研究发现：只有超声强度达到或 者超过空化阈值，也就是空化效应在发展发达阶段才具有很好的除气效果，较 低的卢强反而会增加熔体中气体的含量。另外他还发现对熔体施加超卢振动的 9 中南大学硕士学位论文 第一章绪论 同时对锭子容器部强制冷却凝固，可使铸锭的含气量显著下降，甚至低于 l m l l k g , 除气效率接近于9 7 。郄喜望等【2 9 1 研究了不同超声波处理时间对 a 1 - s i 合金熔体除气效率的影响，研究发现：处理时间为6 0 s 时，试样气孔率降 低，除气效果明显，减少或者增加处理时间，除气效率都会降低。李争彩【3 0 】 应用m a t l a b 对超声空化进行数值模拟，结果表明较低的超声波频率能使空化泡 产生和长人变得容易。 陈铭等【3 1 】对超声波除气进行了较全面和系统的研究。他研究了功率在 1 0 5 w - 2 4 0 w 范围内，超声功率、频率( 2 0 k h z _ 0 5 k h z ) 、施振温度、施振深 度、大气湿度等参数对7 0 5 0 铝熔体除气效率的影响，对超声波间歇式施振、动 态间歇式施振等对7 0 5 0 铝合金中氢气含量的影响进行了大量的实验研究，得出 以下重要结论： ( 1 ) 铝合金熔体含氧量随着超声处理功率的增大而逐渐减少： ( 2 ) 变幅杆处于共振条件下铝合金熔体中超声除气效果比非共振条件下的 情况好； ( 3 ) 熔体温度对超声除气的效果影响较大，在7 0 0 7 2 0 温度范围内的除 气效率为6 0 左右，远大于6 4 0 6 6 0 温度范围内的4 0 ； ( 4 ) 变幅杆施振深度增加会导致超声振动系统的机械品质因数q m 的下降， 工具杆端面振幅减小，振动强度降低，除气效果减弱； ( 5 ) 动态间歇施振时，工艺合理选配可以最大限度地发挥超声除气作用，获 得比连续施振时更佳的除气效果； ( 6 ) 固定功率间歇性超声施振条件下获得的除气效果好于常规连续施振的 除气效果，按功率从大到小间歇施振时获得的除气效果优于功率从小到大变化 时的除气效果。 虽然陈铭对超声波除气进行了深入全面的实验研究，对可能影响超声波除 气效率的很多冈素都进行了实验分析研究，但是就相同功率下频率以及振幅两 个参数对除气的影响还没有涉及。本文在陈铭的实验研究基础之上，致力于研 究相同大功率条件下，超声频率、振幅及变幅杆端面形状等参数对铝熔体除气 的影响，通过对铝熔体除气的实验研究和理论探索，进一步深化对超声除气机 理的认识，优化超声波除气的：i ：艺参数。 l o 巾南大学硕士学位论文 第一章绪论 芝 0 甜 莽 笾 超声作用时间t r a m 采 、 q 喝 昏 姗 鬏 旷 笾 0l2 3456 r 891 0 趋声作用时涠f 詹血l 图1 1 0 不同超声功率除氢效率变化情况【1 8 】图1 1 1 不同温度除氢效率变化情况【1 8 】 1 5 研究意义、课题来源及论文内容 1 5 1 研究意义 本文结合我国航空航大领域战略发展对轻质高强、高可靠性和功能高效化 本体结构的紧迫需求，针对我国大型复杂高性能整体结构件制造技术发展严重 滞后的现状和技术瓶颈，研究高性能轻合金大型复杂整体构件形胜一体化制造 流程的基本规律，建立独具特色的大型复杂整体构件制造过程中宏微纳多尺度 能量通道与形性演变的多物理场调控原理和技术体系，实现铝合金大型复杂整 体结构件制造技术的跨越，大幅度提升极端服役构件性能水平，推动我国先进 制造技术的发展，有力地支撑国民经济发展与国家安全。 本课题作为项目的重要组成部分，主要致力于研究大规格优质高强铝 合金铸锭成形的外场调控与组织性能的影响机制，弄清微结构形成机理， 取得外场调控技术。 高强高韧铝合金，具有极高的强度及抗剥落腐蚀和抗应力腐蚀断裂的 性能。常用于飞机结构件中厚板挤压件、自由锻打件与模锻件。制造这类 零件对合金要求是：抗剥落腐蚀性与抗应力腐蚀开裂能力、断裂韧性与抗 疲劳性能都强。国家重大规划工程的重要高技术装备，如现代航空航天、信息 产业、交通运载等高技术领域装备，不仅对铝合金性能提出了越来越高的要求， 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。例如 飞机机身、运载火箭箭体、轻轨列车、汽车等的大型整体结构都需要采用大规 中南大学硕士学位论文 第一章绪论 格的高性能轻质铝材。但是，由于这类人规格整体构件组织与性能的均匀性和 残余应力的要求极高，使得这类特大规格铸锭成型难度大，容易产生裹气微观 气孔等缺陷，铸造时容易产生裂纹。这对我国铝加工科学技术提出了新的挑战， 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，这将对我国围民经济建设与国防战 略工程的快速发展起到关键作用，同时也是本课题研究的出发点和目的所在。 鉴于此，本文拟运用功率超声去除铝合金中的气体，研究超声波对铝合金 熔体的净化机制及参数匹配，超声关键艺参数对除气效果的影响，优选出一 套最佳的超声除气工艺，这对于提高铸锭组织结构和防止裂纹形成具有重要意 义。 1 5 2 项目来源 项目来源国家重点基础研究计划( “9 7 3 ”计划) ：“航空航天用高性能轻合 金大型复杂结构件制造的基础研究”之子课题：“高合金化大规格构件锭坯过 饱和凝固成形与性能的外场调控( 编号：2 0 1 0 c b 7 3 1 7 0 0 ) 。 1 5 3 研究内容 由于航天航空制造业的迫切需要，国内外的众多科研工作者对 a 1 - z n - m g - c u 系列超高强度铝合金的开展了大量的研究。目前，大量的文献资料 显示，这螳研究工作以研究材料的性能居多。但是对于材料的制备成型工艺方 面研究工作较少，特别是对于大型铸锭的半连续铸造凝固过程的超卢波除气研 究工非常作较少。根据分析，铝合金中所含气体成分，氢占8 5 以上。因此， 铝的“含气量往往可以近似地认为就是“含氧量”。超声除气作为一种洁净无污 染的除气方式，近年来越来越受到关注。国内外很多专家学者对此进行了深入 的研究。但对于相同功率下超声频率、振幅和变幅杆端面形状等对铝熔体除气 的影响的实验研究，国内外目前还没有。超声波频率和振幅等关键参数，对除 气的影响还有待进一步的探索和研究。本文致力于寻求超声波除气的关键参数， 找到最佳的工艺参数，分析超声波除气的影响因素及除气机理。 鉴于此，本课题拟运用大功率超声去除铝合金中的气体，研究超声关键参 数对除气效果的影响，优选出一套最佳的超声除气工艺，这对于提高铸锭组织 结构和防止裂纹形具有重要意义。本文的主要内容安排如下： 1 2 中南大学硕士学位论文 第一一章绪论 第一章，绪论，简要概述铝合金中气体来源，介绍当前铝合金除气的主要 常见方法，几种主要的测氢仪先进设备的测氢原理及使用方法，国内外超声波 除气的发展状况及取得的成果和前沿动态。 第二章，介绍超声波除气原理及气泡变化规律，探讨超声波在溶液中有效 的除气作用范围，超声波参数对气泡的形成和长大的影响。 第三章，超声频率对铝合金除气的影响的实验研究，相同功率f 不同频率 对除气影响的实验研究。 第四章，超声波振幅对铝合金除气的影响的实验研究，介绍不同工具杆对 超声波振幅的影响，研究相同功率下不同超声振幅对铝熔体除气的影响。 第五章，总结及展望。 中南大学硕士学位论文第二章超声波除气机理 第二章超声波除气机理 超声波是一种机械波，是机械振动在介质中的传播。从频率范围而言，超 声是指频率高于2 0 k h z 人耳可听见的声波。从功率范围而言，连续波超声一般 在毫瓦到几十千瓦范围，脉冲超声可扩充为几分之一毫瓦到几兆瓦。对传播介 质而言，超声在固、液、气中，均能有效传播。不同的频率、功率和声强的超 声波，都具有独特的传播特性，在工业上得到广泛应用。科学研究表明超声波 处理铝熔体能够达到细化晶粒和除气的效果。为了后面更好的进行实验分析， 本章主要介绍超声波的理论基础以及超声波除气的机理。 2 1 超声理论基础 2 1 1 超声中的物理量关系 声强与声功率的关系为： i = 吲s( 2 1 ) 其中s 为变幅杆端面面积。 质点的运动方程可由下式给出： a = a os i n ( c o t k x )( 2 - 2 ) 式中：4 一振幅，a m ；w = 2 n f 一声波角频率，厂为声波的频率，h z ；t 一时间，s ；工一质点位置坐标：k = w c = 2 万兄一角波数，c 为超声在介质中 的传播速度，m s1 ；a 为声波波长，聊。变幅杆端面质点的振幅和振动速度可 以通过多普勒测速仪分析获得。 将式( 2 2 ) 对时间f 求导，即得质点振动速度表达式： 1 ，= & c o c o s ( o , t h ) = y 0c o s ( c o t k x ) ( 2 3 ) 式中：v 。= a o 一质点的振动速度幅值，m s 。 声压的表达式为： p = 倒= p c 4 国c o s ( o t 一缸) - - 只c o s ( c o t k x )( 2 4 ) 1 4 中南大学硕士学位论文 第二章超声波除气机理 式中：p - 铝熔体密度，k 矗； c 铝熔体中的声速，m s ： v 介质中质点的振动速度m s ： 4 介质中质点的振幅m 声压与声强的关系为： ，= 只2 2 0 ： ( 2 5 ) 式中：只- 声压幅值，k e , n ，, c 铝熔体中的声速，m s ； v 介质中质点的振动速度m s 。 由( 2 - 5 ) 可知声强与声压振幅平方成