金属凝固理论超声

1、摘要:简要介绍功率超声的基本特性及其在凝固过程中的工作原理，综述了功率超声在金属及其复合材料凝固过程以及凝固组织的作用和影响等方面的研究和发展现状，提出了功率超声能够有效的影响合金及其复合材料的凝固过程，是改善材料的凝固组织，提高其机械性能的有效方法，并对功率超声在金属及其复合材料上的应用前景进行了展望。在金属及其复合材料的过程中，如何控制以及优化凝固过程是改善材料凝固组织，提高性能的关键性问题。在凝固过程中施加外场（如振动）是改善其微观组织结构，提高机械性能最为有效的途径之一。早在 19 世纪中期， chernov 等 1就利用摇晃铸模振动的方法成功的细化了钢凝固时的晶粒。20 世纪 30

2、年代至今，许多研究学者就对振动凝固细晶技术进行了广泛的研究，取得大量具有理论和应用价值的成果。目前，振动产生的主要方式有机械振动和功率超声振动两种。由于一般的机械振动的振动频率较低，所以提供的能量受到限制，且振动过程不易控制，故逐渐被高频功率超声振动所取代2。1935 年， Sokolov 等3人就在 Al、Zn、Sn 等金属凝固过程中，施加功率超声振动来研究其对凝固过程的影响,研究表明：由于功率超声具有较大的频率和能量，其对凝固的作用效果较好。因此，国内外有关功率超声对金属及其复合材料凝固影响的研究日益广泛和突出。1. 功率超声的特点频率介于 2统振动（如机械搅拌振动）所受到的增强体分布不均

3、匀，增强体与基体润湿性差的限制，为控制和优化凝固过程提供了新的研究方向。2 金属凝固过程率超声的导入在金属及其复合材料凝固过程率超声发生器中的超声换能器、超声变幅杆以及功率超声的施振方式和施振深度等对凝固过程的影响极其显著。2.1 超声换能器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，磁致收缩换能器较压电换能器具有时间、高温稳定性等优点，且能够提供更大的功率，在高温金属材料中应用得较为广泛。在金属材料的过程中，一般较常用的换能器所使用的频率介于 20-200KHZ 之间。在实际过程中通常使用的是 20KHZ，这是由于频率越低，空化效应越明显。等8提出

4、了一种新型复合结构的超声换能器，即在一只换能器中同时使用压电陶瓷和压电薄膜两种压电材料，实验结果表明：该复杂结构的超声换能器具有较小的输入功率损耗和相对较短的回响。2.2 超声变幅杆变幅杆是超声波与金属熔体之间的媒介。因此，变幅杆材质的选择将显得十分重要。由于变幅杆要与金属熔体直接接触，其必须具有较高的和热稳定性，而且变幅杆还要与金属熔体保持良好的能量耦合。目前，超声变幅杆的材质主要有碳钢、不锈钢、镀氮化钛、钛合金以及金属与陶瓷的组合物等。对于低合金而言，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，导致使用大大缩减9。等10通过系列工艺实验，借助扫描电镜、显微硬度计等设备，分析了铁基合

5、金超声焊接工具头的失效原因，结果表明：微裂纹是导致超声工具头早期失效的主要原因,工具头经较低温度的渗碳和超细化处理后，可获得最佳的使用效果。从大量的文献来看，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。此外，Abdl-Reihim 11提出将陶瓷棒作为变幅杆是最佳的选择。2.3 施振方式和施振深度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；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。刘青梅等12研究了侧部导入超声处理对合金凝固的影响，结果表明侧部导入

6、超声处理的合金比较干净，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 1 功率超声施振方式Fig.1 The way of theer suic executes inspires等13研变幅杆在熔体中的位置及深度也影响着金属材料的凝固组织。究了超声施振时工具杆的工作深度对铸锭凝固组织的影响，实验结果表明：随着施振深度的增加,超声振动系统的机械品质因数降低,振动强度减小，输出振幅减小，超声细化效果减弱。此外，超声波处理过程中，其有一个细化晶粒最等14通过对铝合金凝固组织的超声细化区域范围的研究表明：佳范围。超声波引起的铝合金熔体中空化范围为工具杆端面下约 30 mm 的区域内。功率超

7、声在金属凝固领域的应用功率超声在除气及除杂方面的应用在金属熔体中引入功率超声振动，能够有效的对熔体进行除气和除非金属夹杂。Dobatkin 等15在研究高能超声对金属凝固界面的作用时发现：功率超声的除气、除杂效果十分明显。等16 针对超声波作用下金属液中微小非金属夹杂物的凝聚过程进行了分析研究，结果表明：利用水平超声波照射金属液时，其中的微小非金属夹杂物会凝聚于波腹，结成串或块状的大体积夹杂物，这有利于其上浮分离，便于去除。马新建等17研究了超声波对钢液中夹杂物去除效果的影响, 其结果表明：超声处理能够去除低碳钢液中的 Al203 夹杂物，夹杂物总的去除率也较高。等18研究了铸锭底部强制冷却情

8、况下，超声波对金属铸锭的除气效果,研究结果表明:采用超声波振动处理与铸锭底部强制冷却相结合的方法,不仅使铸锭的气孔数量下降，除气效率提高，而且铸锭的细化效果也是非常理想的，断面上的等轴晶区域接近 100。功率超声在金属基复合材料润湿的应用在、颗粒增强的金属基复合材料方面，采用功率超声能够在极短的时间实现增强体在基体中的润湿与分散,并同时起到除气、除渣的目的19。中西治通等人的研究发现，在高能超声的作用下，金属液体渗入预制件所需的压力门槛值从 139KPa 降为 10KPa，同时对于该方备的材料之微观分析表明：金属熔体在功率超声的作用下能够充分地渗入增强体预制件中，而加入的粉末状粒子亦能均匀地分

9、散在基体当中，且材料的致密度普遍高于用常规方备的材料20。等21等利用高能超声复合备了纳米 SiC 颗粒增强 AZ91D 复合材料，实验表明：功率超声作用产生的声空化和声流效应对颗粒/熔体能够起到除气、除渣、高温、高压及润湿作用，且能将 n-SiCp 均匀的分布到金属熔体中。群等22利用超声备细微颗粒增强金属基复合材料，研究发现：功率超声处理能使微米级陶瓷颗粒均匀的分散于 Al 液中，超声的声空化作用极大的改善了陶瓷颗粒与 Al 液之间的润湿性。3.3 功率超声在凝固细晶上的应用在金属及其复合材料凝固过程中施加功率超声，其空化效应和声流效应产生的激波与涡流能够打碎生长着的粗大枝晶，并能促进过冷

10、形核，细化凝固组织。 Eskin 等23对铝硅合金进行功率超声处理，实验表明：随着超声振幅有的增加，合金晶粒尺寸得到明显细化。Abramov 和 Gurevich 使用超声波处理具有不同点阵结构的纯金属，结果表明超声处理能够使不同点阵结构的金属晶粒均得到细化，力学性提高24。等25,26对JianA356 合金进行超声处理，除发现超声可以细化晶粒外，还首次观察到超声处理可以改善Si 形貌，达到了变质处理所能产生的效果。等27研究了超声处理对 AZ31 镁合金显微组织和性能的影响, 探讨了超声波对 AZ31 镁合金晶粒细化的作用机理，结果表明,功率超声在合金液中的各种效应能够使合金晶粒明显细化,

11、 晶粒尺寸均匀, 并提高了AZ31 合金的力学性能。等28研究了功率超声对 7050 铝合金凝固组织晶粒细化规律,实验结果表明：功率超声施振对 7050 凝固组织有显著细化作用,并随着施振功率的增大,晶粒细化效果增强，而且超声施振功率与细化晶粒尺寸近似满足负指数递减关系,这为超声细晶技术在工业应用方面提供了实验依据。4 功率超声振动细晶技术的应用前景及展望关于功率超声振动处理对金属及其复合材料凝固过程及其组织影响的研究始于上世纪 30 年代，此后国内外很多研究机构相继投入大量的人力物力对功率超声振动细晶技术进行研究，仅国内就有上、海交通大学、东南大学、航空航天大学等十多所研究机构。进入 21 世纪以后，与金属材料领域传统的对实验环境和设备的要求较高、易造成污染的孕育处理技术、变质处理技术、电磁搅拌技术、机械搅拌技术以及微合金化等凝固细晶技术相比，超声振动细晶技术既减少了对环境和材料本身的污染，又提高了材料的可回收性。此外，超声振动细晶技术在金属及其复合材料的作用，特别是在金属基复合材料工艺和性能的改善方面发挥了重要过程中，对基体合金的净化除