超声波工艺超声工艺参数对金属凝固过程的影响.ppt

1、超声工艺参数对金属凝固过程的影响,顾伊杰 王纪开 任津毅,目 录,频率介于HZ之间的声波称为超声波。在强度较低时可以作为探测与负载信息的载体与媒介, 称为检测超声；同时超声波又是一种能量形式, 当其强度超过一定值时, 就可以通过它与传声媒质的相互作用, 去影响、改变以至破坏后者的状态、性质及结构, 称为功率超声 (高能超声)。,超声波具有以下四个基本特性： (1) 束射特性。超声波波长短，可以集中成一束射线。 (2) 吸收特性。超声波在空气、液体和固体中均会被吸收。空气中的吸收最强烈，固体中的吸收最微弱。 (3) 高功率。由于频率高，超声波的功率比声波大得多，它不仅能使所作用的介质产生急速运动

2、，甚至会破坏其分子结构。 (4) 声压作用。声波振动使物质分子产生压缩和稀疏作用，这种由于声波振动引起的附加压力现象叫声压作用。 上述四个基本特性使超声波在媒体中导致如下五种效应：力学效应、热学效应、光学效应、电学效应和化学效应。,金属凝固过程中超声波的导入设备,超声凝固设备主要包括三部分：超声电源、超声换能器和超声变幅杆。 超声换能器是将电能转变为超声能的器件。目前常用的换能器有压电换能器和磁致收缩换能器两种，前者可提供较高的频率，后者可提供较大功率，且稳定性较好，更适用于高温熔体在超声场中的应用 。 变幅杆是将超声能直接传递给金属液的中介，由于超声空化作用对变幅杆的侵蚀相当严重，即使对于低

3、熔点的有色合金而言，不锈钢变幅杆的空化侵蚀速度也是相当严重的。对于低熔点合金而言，碳钢和不锈钢变幅杆在熔体中所受到的空化腐蚀十分严重，导致使用寿命大大缩减。因此，变幅杆的选择是一个需要认真考虑的问题，既要使其与高温合金保持良好的能量耦合，又要尽量减少高温侵蚀。关于变幅杆材料的选择，许多学者进行了大量的研究。 从大量的文献报道来看，尽管钛制变幅杆在铝合金熔体中的溶解量达到了5%，但是相对与其他变幅杆钛制变幅杆是较好的选择。 同时也有研究表明，金属陶瓷既可以承受较强的超声振动又能抵抗高温钢液的侵蚀，也许陶瓷棒才是作为变幅杆的最佳选择。 目前，超声变幅杆的材质主要有碳钢、不锈钢、镀氮化钛、钛合金以及

4、金属与陶瓷的组合物等。,金属凝固过程中超声波的导入方式,超声波的导入方式对金属凝固组织和超声波的利用率都有很大的影响。 功率超声施振方式主要有垂直施振、水平施振两种。其中垂直施振又分为顶部导入和底部导入两种，上部导入和底部导入是两种较为普遍的方式 ，如图所示。水平施振即侧部导入法。目前使用较多的是顶部导入施振，但是顶部导入施振存在容易氧化和引起夹杂等问题。从操作上来看，上部导人较为简便。但是由于工具头直接和金属液体表面接触，工具头腐蚀严重，而且超声振动使得金属液表面连续的氧化膜遭到破坏，使其进入熔液内部造成夹杂，严重影响铸坯质量。底部引入超声波避免了由于超声振动引起的夹杂，却削弱了超声波的处理

5、效果，对于一些比重偏析严重的金属如欲获得与上部导入时同样的效果，需增大超声强度。,金属凝固过程中功率超声的导入,因此有研究人员将上述两种超声导入方式进行改进，开发出一种自吸式侧部导入装置，工具头水平放置，这样变幅杆不直接接触金属溶液，减少了侵蚀，也避免了外来夹杂。而且可以根据试验需要任意改变超声波的处理位置，从而增强作用效果。但其存在超声功率衰减的缺点，对换能器功率要求也较高。图3是超声波侧部导人示意图。,超声波参数对金属凝固过程的影响,对高纯铝的凝固过程进行超声波处理，发现处理后的微观组织得到充分细化，如图4所示。超声处理后，铝的力学性能变好，抗拉强度提高了35 ，硬度增加了14，同时其伸长

6、率从48提高到52。,超声波细化作用,超声波参数对金属凝固过程的影响,锡锑合金、铝硅合金分别作为低温合金和中温合金的代表，对其凝固过程施加超声处理进行了研究。研究结果发现，超声处理效果比较明显。图5(b)是对锡锑合金凝固过程进行超声波处理的微观组织 ，与同条件下的未处理组织(a)比较可以看出，超声处理后组织明显细化，B相形貌发生改变，晶粒棱角钝化趋于球状。比较超声处理前后的铸坯竖直方向上不同位置的组织形貌，发现超声处理亦可改善合金比重偏析。,超声波细化作用,超声波参数对金属凝固过程的影响,图6(b)是用700w功率超声处理的亚共晶铝硅合金的宏观组织，与(a)图比较可知，超声波的细化效果明显。通

7、过分析超声波对凝固方式、晶体形核和晶体长大过程的影响，得知：超声波的引入改变了All0si合金的凝固方式，使之由逐层凝固变为典型的体积凝固，整个试样宏观组织只有细小的等轴晶。,超声波细化作用,超声波频率对金属凝固过程的影响,为了获得一种既经济又有效的超声处理工艺，以期在超声处理金属凝固组织的过程时获得最佳效果，研究了超声处理功率对凝固组织的影响规律。功率变化范围选择2O0800 w(声强：08293_316 wcmz)的超声波，分别处理铝硅合金、锡锑合金、镁合金的凝固组织。结果发现：随着朝升功率的增加，细化效果由弱变强，但是存在一个阀值，当功率超过该值后，组织将不再进一步细化，而且该功率阀值与

8、合金的种类有关。,超声波频率对金属凝固过程的影响,在超声波的作用下，空化泡不断地形成、长大和破碎，造成金属液内局部过冷，增加形核率，细化组织。超声波在传播过程中会衰减，减弱了远离工具头处的作用效果。 图8给出了用不同功率超声波处理1Cr18Ni9Ti钢液的组织。功率为400 w时，有细化效果但是组织仍为柱状晶；500 w时，开始出现等轴晶；功率提高到700 w时，铁素体相消失，得到几乎全奥氏体的等轴晶组织，晶体内出现亚晶界，钢的抗拉强度比未处理试样提高了近l4。将超声振动施加到Tcs不锈钢 ，钢液凝固后得到的铸造组织发生了很大的变化。表面急冷区等轴晶区扩大，柱状晶区缩小且柱状晶间距减小，中心等

9、轴晶区组织明显细化。超声振动增加铸模壁处的形核率，超声流效应对晶粒细化起了重要的作用。,超声波振幅对金属凝固过程的影响,超声波振幅的影响,超声波持续时间对金属凝固过程的影响,为了洞悉超声作用机理，有效地利用超声能，对超声施加时机和超声作用时间分别作了研究。超声处理Al一125Si合金，从凝固开始施加超声振动，持续时间分别为l00 s和l50 s，研究其组织细化情况，结果如图9。凝固过程中前lO0 s处理，共晶硅明显细化，局部有少量直径较大的多边形共晶硅，这是共晶硅固有的聚集倾向造成的。延长处理时间，出现了长条状共晶硅。这是因为在凝固中后期，不再形核，共晶硅在热效应作用下部分聚集，得到了粗化的共

10、晶硅。由此可知，施加超声波振动的最佳时期是凝固初期的形核阶段。,超声工艺参数对形核过程的影响的机理,由金属凝固理论可知，晶粒细化的条件是凝固界面前沿的液相中有晶核来源或在液相中存在晶核形成和生长所需的过冷度。通常条件下，当过热熔体冷却到形核开始温度后，在靠近型壁附近开始形核，随后满足生长条件的晶核逆着热流方向长大，形成柱状晶组织，直到凝固结束。而采用超声波处理熔体，由于超声波的多种效应，形核过程的条件发生了很大的改变。 根据超声空化理论，当足够强的功率超声波作用于液体介质时，有交变声压的幅值大于液体中的静压力岛，则在声压的负压相中，负压的作用不但抵消压力，还可以在液体中形成局部性的负压作用区。

11、当负压大于液体分子之间的结合力时，液体被拉断而形成空腔，即产生空化气泡。接着在声压的正压相到来时，空化气泡闭合与破裂，完成一个周期的空化过程。空化泡在膨胀过程中，将从泡壁周围的金属中吸收大量热量，这个过程导致微区熔体温度过冷。液态金属结晶驱动力满足 式中：,超声工艺参数对形核过程的影响的机理,实际熔体温度T越低，液、固两相自由能差值就越大，即相变驱动力越大，这样就有利于形核的进行。通常条件下，凝固初期在型壁处由于温度低而发生大量形核。当采用超声波处理时，凝固初期合金的形核位置不仅仅在型壁处，由于空化效应造成微小区域温度的急剧降低。当这些微区满足生核所要求的温度条件时，大量的晶核将在这些区域生成

12、，其中部分小的晶核由于声流造成的热起伏而熔化，而大的晶核就保存下来使形核核心数量增加。单位体积中的晶核数目越多，每个晶粒的长大余地越小，因而长成的晶粒也越细小，即超声处理可以达到细化晶粒的作用。 另一方面当超声波导入到熔体中，存在于熔体中的空化核在声场的作用下振动，气泡迅速增长后突然闭合。在气泡闭合过程，气泡还未破裂。随着泡内压力的进一步增大，气泡收缩伴随着半径变小。一旦压力达到一定值，气泡瞬间破裂。在气泡闭合时熔体内会形成剧烈的冲击波，此时伴随着微区局部高压。计算数据显示，泡内气压从0.001atm变化到0.01atm，在破碎瞬间能形成的最大压强近5674atm，。如此高的压力将对微区的形核

13、速率形成了很大的影响。,超声工艺参数对形核过程的影响的机理,在高压情况下，熔体的形核速率,凝固过程中激活能表示液态原子向固态原子跨越所需克服的势垒，因此，激活能越小，势垒越小，液态原子向固态原子跨越的难度越小，越容易形核。激活能可按下式求得： 未处理情况下，当液态原子聚集而形成固相时有dP=0。而超声波处理下，由于空化效应产生了高于100atm的高压，此时压力对激活能的作用比较明显，空化泡闭合瞬间有dP0,所以超生场作用下原子的激活能小于未处理条件下原子的激活能，即超声波处理后凝固过程的形核率得到提高。,超声工艺参数对形核过程的影响的机理,超声工艺参数对长大过程的影响机理,在凝固过程中，超声波

14、空化气泡闭合时产生的冲击力对生长中的枝晶形貌也有很大的影响。在凝固过程中，冲击力对枝晶具有循环性的冲击作用，破碎枝晶。同时根据凝固理论，在枝晶根部的缩颈部位存在溶质富集，此处融化温度较低，超声波对熔体的剧烈搅拌形成大范围热起伏，瞬时过热的熔体将熔断枝晶根部缩颈部位。通过冲击力和热流的综合作用，大量碎小枝晶形成，增加了凝固过程中晶核数量，也有利于组织的细化。,超声工艺参数对形核过程的影响的机理,而超声波既然为一种机械波，除去空化效应形成的冲击力的作用，剧烈的声流对铸型壁上枝晶的冲刷作用也导致了大量游离晶核的形成。如图所示为正常凝固和声流冲刷情况下枝晶凝固过程示意图。正常凝固情况下，在铸型壁上形成细小晶核，随后晶核沿着铸型壁向熔体内生长形成柱状枝晶。而在声流作用下，长的枝晶破碎形成等轴枝晶，随着液态金属的流动，脱离的小枝晶将游离在熔体内部使得最终凝固晶粒分布均匀。,超声工艺参数对过冷度的影响机理,在金属凝固过程，由于理论结晶温度与实际结晶温度之差造成了熔体过冷。过冷度的大小对最终组织的细化程度有重要的影响，这里首先分析超声波处理对金属理论结晶温度的影响。,超声工艺参数对过冷度的影响机理,金属凝固过程中外界环境的不同将对合金的实际结晶温度产生影响。根据上式可知，随着超声波功率的提高，熔体的凝固温度逐渐降低。金属凝固的过冷度为金属的理论结晶温度与实际