超声波在铸造的应用

汇报人：1111超声波对金属凝固特性及组织的影响

汇报内容一、超声波处理技术二、研究现状三、展望

现代科学技术的发展不仅对材料性能要求越来越高,而且对环保要求也日趋严格。传统的冶金化学手段细化凝固组织工艺受到了环境理念的质疑和挑战,凝固技术正朝着高效、环保的方向发展。如何能在不“污染”环境及材料的前提下实现对金属凝固过程和凝固组织的控制是冶金及材料工作者长期追求和奋斗的目标。基于上述发展思路,在凝固过程中施加物理场处理技术成为提高材料性能的重要工艺手段之一。外加物理场处理技术是在金属凝固前或凝固过程中对金属熔体施加物理场,利用金属和物理场相互作用,改善其凝固过程和组织的一种技术。该技术具有环境友好、操作简便等优点。一超声波处理技术

按照外场种类不同,该领域的研究热点主要集中在以下三个方面:l)对金属熔体的凝固过程进行超声波处理；2)让金属熔体在磁场中凝固,即磁场处理；3)让电流通过金属熔体,即电流处理。进入21世纪后,物理、材料和电子等领域科学技术的飞速发展使大功率超声波、磁场和电流等物理手段的产生成为可能,因此从20世纪90年代起物理场凝固细晶技术成为材料领域的研究热点。近几十年来各种物理场对材料凝固过程和组织的影响研究受到特别的关注,尤其是大功率超声波由于其独特的声学效应对金属凝固过程具有十分显著的影响,因此在材料领域的研究和应用再次成为热点。

超声波通常指的是频率高于20000HZ的声波。从其使用用途来分包括检测超声、功率超声和医学超声。功率超声处理是通过超声能量对物质的作用来改变或加速改变物质的一些物理、化学和生物特性或状态的技术。

采用特定的导入设备,将功率超声波施加到液态金属的凝固过程中,通过功率超声波在凝固金属中形成的多种效应的综合作用,改变金属的凝固过程,最终改善或控制金属材料的凝固行为,获得优良组织和性能的材料。(1)线性的交变振动作用。由于媒质在一定频率和声强的超声作用下作受迫振动,媒质的质点位移、速度、加速度以及应力等分别达到一定数值而产生一系列超声效应。当介质中存在液相和固相,质点的运动为横波与纵波的叠加。图1为超声波传播过程中质点运动和波动示意图。(2)大振幅声波在媒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反应。超声波在媒体中传播的效应a、纵波b、横波超声波在媒体中传播的效应空化效应空化是超声波在液体媒质中传播所出现的一种物理现象,超声波在液体媒质中传播时,在液体中微小区域会形成局部的暂时负压区,当超声强度超过液体张力时,液体薄弱部位被撕开而产生大量的气泡。图为超声波在水中形成空化泡的图片,(b)为(a)的放大图。随着时间推移小气泡逐渐生长,当气泡内压力达到某临界值时瞬间崩溃破裂,分裂后的气泡又不断的长大和溃灭。小气泡迅速崩溃时在气泡内产生高压,并且由于气泡周围的液体高速冲入气泡而在气泡附近的液体中产生强烈的局部激波,从而产生了循环的空化效应。超声波在水雾化时形成空化泡声流效应超声波在液体中传播时产生有限振幅衰减使液体内从声源处开始形成一定的声压梯度,导致液体高速流动。在高能超声情况下,当声压幅超过一定值时,液体中可以产生一个流体的喷射。此喷流直接离开超声变幅杆的端面并在整个流体中形成环流。声流是环流与紊流的结合。超声波在媒体中传播的效应单个气泡从形成到长大直至最后破碎过程的照片热效应超声波是一种机械波,具有良好的定向性和聚焦性。当超声波在液体介质中传播时,质点首先受到机械作用,部分机械能又转化为热能。当声强达到空化闺值时,还可能产生空化效应。因此,超声波热效应源于其机械效应,温热效应和空化效应。热效应应用在如声能吸收而引起的整体加热,边界处的局部加热等场合。超声波在媒体中传播的效应衰减效应超声波在介质中传播时,随着传播距离的增加其能量逐渐衰减。按照引起声强减弱的不同原因,可把声波衰减分为三种:扩散衰减、散射衰减和吸收衰减。(1)超声波的扩散衰减:扩散衰减主要决定于声源的形式,对于点声源来说,它的波是各个方向都在传播的,所以随着传播距离的增加,单位面积上所具有的能量就减小。这就是明显的扩散衰减。(2)超声波的散射衰减:当超声波在其传播过程中遇到由不同声阻抗介质所组成的界面时,就将产生散乱反射(简称散射),被散射的超声波在介质中沿着复杂路径传播下去,从而损耗了声波的能量,这种衰减就叫做散射衰减。(3)超声波的吸收衰减:超声波的吸收是由介质的导热性、粘滞性及弹性滞后造成的。声波的吸收将声能直接转换为热能。这是超声波衰减的重要原因。超声波在媒体中传播的效应超声波处理工艺

超声波导入方法主要有顶端导入、底端导入及侧部导入。（C）顶部和底部导入均与金属液接触，容易产生夹杂，且变幅杆易腐蚀，而侧部导入不直接接触金属熔液,从而避免了变幅杆由于与高温金属液相浸触所造成的腐蚀和损耗。不会造成表面氧化物和杂质卷入金属液内部,避免了外来夹杂物,而且可以随着试块处理部位的需要灵活的改变超声源位置,提高处理效果。二研究现状

2.1超声波在低温合金凝固过程中应用

0.Abramov,G.Eskin和F.Gurevich使用20kHZ的超声波处理具有不同点阵结构的纯金属,其中包括Bi、Zn、Sn。换能器传递的能量为100一25OW。实验表明,当换能器的输出功率为l00w时,Sn的晶粒开始细化。而当换能器的输出功率提高到250W时,Bi、Zn的晶粒才开始细化。实验结果揭示,超声处理能使具有不同点阵的金属晶粒细化。金属熔点较低晶粒形貌变化最大,随着材料熔化温度增加,细化效果减弱。

G.N.Kozhemyakin研究了功率超声波振动对Sn-Sb晶体凝固过程生长的影响。结果表明,超声波振动能影响Sn-Sb晶体的生长方向,择优的晶粒取向有利于提高晶体的性能。

下图为超声波处理对锡锑合金微观组织的影响。对此种合金的研究结果表明,超声波处理能显著细化合金的微观组织,改变β相形貌,使尖锐棱角的立方体刀相破碎为均匀细小的粒状,棱角有钝化趋势,并可消除比重偏析。未处理超声波处理2.2声波在中温合金凝固过程中的应用

0.Abramov选用纯铝为研究材料,合金凝固过程中施加超声振动后发现:对于整个试块,晶粒最细的部分分布在靠近工具头的部位。这说明位于空化区域和强声流域的熔体具有很强的结晶性能。因此,当超声波工具头压入熔体中时,由空化气泡形成的液压波能非常有效的破碎已经凝固的合金,而由超声波产生的声流作用将破碎的固体颗粒均匀分布。在超声波处理区域,凝固组织发生了很大的变化,包括晶粒细化、抑止柱状晶生长、提高晶粒的各向同性和减低偏析。图为采用顶部超声波处理工艺得的纯铝末处理和超声波处理的微观组织,凝固组织由柱状晶向等轴晶的转变非常明显。而且力学性能测试结果发现,经过超声波处理后,材料的抗拉强度由52MPa提高为72MPa,增长幅度达到35%,硬度也从HB17.2增长为HB19.7。C.K.Jen和H.Soda研究了超声振动对具有不同微观组织(胞状、树枝状和多面体)的二元Al一Cu、Bi一Cd合金凝固过程的作用。以前在这一领域内的研究仅限定在具有树枝状结构的低熔点合金,此实验中选用具有不同成分、不同微观组织的材料进行研究,深化了以前在这领域的研究。实验采用顶端导入,在温度高于液相线10℃以上时,导入2OkHZ的超声振动,在温度低于固相线10℃时停止导入。实验结果表明,这些合金重熔凝固后,组织明显细化。然而对于合金重熔后是否还具有超声波的影响,这个问题尚存在争议。

黄笑梅等人通过高能超声波搅拌法制备了半固态Al-5%Cu合金，研究了高能超声波处理熔体的温度、处理时间及超声波输出功率对合金组织形貌的影响。

结果表明，当铝合金熔体温度在610℃-660℃之间时，随着熔体温度升高铝合金的初生晶粒形貌逐渐变成细小的球状颗粒；当熔体温度为660℃时，随着导入超声波的功率增大和搅拌时间增长，合金的初生相形貌由粗大的枝晶状逐渐转变为细小的球状颗粒。

李军文等人研究了超声波处理时间对铝合金铸锭内气孔的影响，结果表明，当以适当的超声波处理时间施加时，可以得到良好的除气效果；处理时间过长，会导致气孔增加。随着超声波处理时间的增加，铸锭细化率呈急剧增加的趋势，当增加到一定值后，细化率变化幅度变小。

罗执等人对Al-5.0Cu-1.0Fe合金进行超声处理，对比无超声处理的Al-5.0Cu-1.0Fe合金，结果表明，超声波对合金微观组织有显著影响。当施加超声波后，缩孔、缩松等缺陷减少，合金的二次枝晶间距减小；合金中针状富Fe相Al2Cu2Fe显著减少，汉字状富Fe相Al6(CuFe)增多，合金中的θ-Al2Cu相减少。无超声施加超声

王红玲等人研究了不同超声驻波处理功率下，Al-20%Si合金的微观组织演变。结果表明，超声驻波能抑制初晶硅的析出，但声辐射力的作用使已析出的初晶硅偏聚长大；超声驻波处理能实现共晶硅“片状-纤维状”的形态转变，且随着超声功率的增大，这种转变更加明显，凝固后共晶硅转变为频繁分支细小的纤维状。

薛寒松等人用不同的超声功率处理Mg-6Zn-0.5Y合金熔体时，发现600W超声处理的合金组织细化效果最好且抗拉强度和伸长率均达到最大值；超声处理后的合金，初生α-Mg相由粗大的树枝晶变为细小的球状等轴晶，准晶I相由粗大的半连续网状分布变成断续的细线状分布。

赵君文等人研究了超声振动制备过共晶Al-Si合金半固态浆料中工艺参数对半固态浆料组织的影响规律。结果表明超声振动后初晶硅可细化到20μm；浆料在保温过程中，初晶Si粒以8µm/min的平均速度快速长大，2min内初