金属凝固组织细化方法

1、超声凝固细晶技术作超声凝固细晶技术作用机理用机理学生：张成学号：12721617专业：材料加工工程二主要内容主要内容金属晶粒的细化方法超声细化技术的研究进展Effect of Ultrasonic Power on Grain Refinement and Purification Processing of AZ80 Alloy by Ultrasonic Treatment2021-12-821.金属晶粒的细化方法金属晶粒的细化方法 物理方法（1）形变处理细化法 （2）物理场细化 （脉冲电流处理；磁场处理；超声波处理） （3）快速冷却法 （4）机械物理细化法 化学方法 （1）添加细化剂 （

2、2）添加变质剂2021-12-8342021-12-82.超声波的研究背景超声波的研究背景u 在合金凝固过程中施加振动使改善其组织结构，提高机械性能的最有效方法之一。l 早期采用频率较低的机械振动，偏心凸轮带动铸型的非线性纵向振动，电磁激振，气体振动。l 机械振动频率一般在几十Hz，电磁激振502000Hz，气体振动在5060Hz。l 频率较低，振动能量收到限制，振动过程不易控制。u外加超声波起源于20世纪30年代，超声振动的高能量及其他的特殊效应，极大的提高了振动对凝固的作用效果，故超声振动逐步成为振动凝固研究的主要方向。l 1987年，Abramo v用超声波处理碳钢细化了晶粒。l 199

3、6年，Eskin用超声波处理高纯铝，处理后使晶粒度从3.1增大到37.5，拉伸强度从54Mpa提高到70MPa，硬度从HB17.2提高到HB19.7，同时延伸率也得到了改善。l 2007年，北京科技大学的陈琳等采用频率为 20 kHz，最大电功率为600 W( 可调) 的超声波发生器，研究了纯铝在熔体直至凝固全过程进行超声处理对铸态组织和性能的影响。2.超声波的研究背景超声波的研究背景u超声波的概念u超声波的特性u凝固过程中超声场的施加2021-12-85l 通常是指频率大于20kHz的高频声波，它是一种机械波l 在同样振幅条件下，超声波的强度比普通声波大得多。l 超声波的波长较短，频率很高，

4、具有能量较大，在液体介质传播过程中将会产生周期性的应力和声压变化。l 公认的效果包括：细化晶粒，组织均匀化，组织净化（去气、除渣、提纯）。l 超声换能器：压电换能器，磁致伸缩换能器l 超声变幅杆：既要与高温熔体保持良好的能量耦合，有要尽可能减少高温腐蚀。钛制，陶瓷棒。l 施振方式：垂直振动，水平振动，旋转振动u超声波振动实验仪器 超声波振动部件主要包括超生电源，超声换能器、超声变幅杆。 换能器将输入的电能转换成机械能，即超声波，变幅杆将超声波能量振动传递给工具头，再由工具头将超声波能量发射到金属熔体中。 2021-12-86 图1.超声波发生器 图2.超声波发生器图解示图图3.超声波换能器和超

5、声波变幅杆2.超声波的研究背景超声波的研究背景u超声凝固细化作用机理 声空化效应：超声振动主要产生的效应:声空化效应、声流效应、热效应2021-12-872.超声波的研究背景超声波的研究背景 超声波在液体中传播时，液体分子受到周期性交变声场作用。在声波的稀疏相内，液体受到拉应力，若声压值足够大，则液体被拉裂而形成空化泡，空化泡长大和内部液体的蒸发，将从周围吸热，导致空心泡附近形成过冷区域，从而促进晶核形成。在随后的正压相内，空化气泡迅速闭合或崩溃，产生瞬时的高温高压和强烈的冲击波，冲击波击碎正在长达的晶体，形成新的晶体质点，这都有利于增加形核率。OMOPPTT111-OmOPPPPT和P的量级

6、分别为104K和1010pa， 凝固相变时需要的压力为： VVKP1 计算结果表明P必须达到104atm才能实现形核的生成。空化产生的高压冲击波能够使局部熔体的熔点显著上升，有效过冷度亦随之增加，从而提高了形核率。HVTPTf 声流效应：超声在熔体中的有限振幅衰减在熔体内形成一定的声压梯度，形成声流。声流的速度比质点振动速度小得多，但亦能达到流体热对流速度的5-10倍。声流对于破坏边界层，加速传质传热，促进微细颗粒弥散起到了关键作用。 热效应：超声振动产生的热效应是细化晶粒的不利因素，尤其是当超声功率超过阈值时，热效应很强，延长了晶粒生长时间，导致晶粒粗化。 图4. 熔体中的声流（1.变幅杆，

7、2.凝固前沿，3.熔体） 2021-12-882.超声波的研究背景超声波的研究背景92021-12-82.超声波的研究背景超声波的研究背景u 功率、温度和距离对金属凝固组织的影响 功率：随着超声波功率增加，晶粒变细，但功率继续增加时晶粒并不明显减小，而是有一最佳值。 温度：随着温度的升高，组织细化效果显著，但当温度很高时，一方面因超声作用时间太长，由于声吸收，则会产生很明显的热效应，使凝固组织粗化；另一方面，由于温升，空化泡内的压力将增大，从而使空化强度减弱，使细化作用不明显。因此在熔点附近区域进行超声处理效果最好 距离：即为超声波在金属溶液中的衰减，离超声波发射源进的位置组织细化最明显。u超

8、声凝固细化技术优点与存在的问题优点： l 超声波设备操作简单，成本低廉，能耗较少，环境友好l 处理工艺灵活多变，可调节参数较多，可以多得最佳工艺参数组合l 细化凝固组织的同时，还可以清除熔体中的气体，减少熔体中的夹杂物。存在的问题： l 超声变幅杆端部的高温腐蚀与空化腐蚀，易使基体合金的成分产生污染l 超声波在金属熔体中会存在严重衰减，能量利用率不高，超声能力计算不够准确l 离超声探头较远距离的凝固组织细化效果较差2021-12-8102.超声波的研究背景超声波的研究背景3.Effect of Ultrasonic Power on Grain Refinement and Purificat

9、ion Processing of AZ80 Alloy by Ultrasonic Treatment 2021-12-811 Zhiwen Shao, Qichi Le*, Zhiqiang Zhang, and Jianzhong Cui.Key Laboratory of Electromagnetic Processing of Materials. Met. Mater. Int., Vol. 18, No. 2 (2012), 目的：超声振动可以使组织细化，去处夹杂物，均匀合金组织。但超声功率对组织细化和净化过程的研究还不够系统充分，通过对Mg合金进行超声处理，改变超声功率，来比

10、较超声功率大小对于组织细化过程的影响。实验材料：选择成分为AZ80，重为0.55kg的Mg合金作为研究对象，功率范围在02000W的超声发生器，实验方法：a. 将Mg合金加热到650，保温600sb. 超声变幅杆预热到650，然后深入熔体界面以下0.02m，对熔体施加不同的超声功率处理15s。c. 超声振动处理之后，立即水冷。d. 利用Leica DMA Metalloscope观察显微组织。 2021-12-812结果与讨论： 图5.超声处理对AZ80合金晶粒大小的影响 （a） oW，（b） 600Wu不经过超声处理，熔体中的初生相内含有粗大的树枝晶，表明这是正常的金属凝固方式，平均晶粒大小

11、在387m。u经过超声处理，树枝晶破碎成球状晶，晶粒大小减小到147m，同时，晶粒分布均匀。3.Effect of Ultrasonic Power on Grain Refinement and Purification Processing of AZ80 Alloy by Ultrasonic Treatment 2021-12-813结果与讨论： 图6.超声功率对AZ80合金晶粒大小及熔体承受的声压大小的影响（20kHz，650,15s）u不论使用哪种超声发射器，在0W600W功率范围内，随着超声功率的增加，声压逐渐增加，晶粒尺寸逐渐减小。u然而当超声功率达到950W或1400W时，声

12、压仍在增大，而平均晶粒大小也开始逐渐增大，只有当功率在600W时，晶粒尺寸才会最小。3.Effect of Ultrasonic Power on Grain Refinement and Purification Processing of AZ80 Alloy by Ultrasonic Treatment 2021-12-814结论： u超声振动产生的声空化效应是增加形核率，细化组织的主要原因。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，空化泡在膨胀过程中，将从周围吸热，导致微区内熔体温度过冷，致使大量形核。u超声功率越大，形成的声压就越大，就越容易形成空化泡。u超声振动过程中还要产生热效应，功率越高，超声辐射器和熔体之间的热效应越明显，这