金屬凝固組織細(xì)化方法.

1、超聲凝固細(xì)晶技術(shù)作超聲凝固細(xì)晶技術(shù)作用機(jī)理用機(jī)理學(xué)生：張成學(xué)號(hào)：12721617專業(yè)：材料加工工程二主要內(nèi)容主要內(nèi)容金屬晶粒的細(xì)化方法超聲細(xì)化技術(shù)的研究進(jìn)展Effect of Ultrasonic Power on Grain Refinement and Purification Processing of AZ80 Alloy by Ultrasonic Treatment2022-5-221.金屬晶粒的細(xì)化方法金屬晶粒的細(xì)化方法 物理方法（1）形變處理細(xì)化法 （2）物理場(chǎng)細(xì)化 （脈沖電流處理；磁場(chǎng)處理；超聲波處理） （3）快速冷卻法 （4）機(jī)械物理細(xì)化法 化學(xué)方法 （1）添加細(xì)化劑 （2

2、）添加變質(zhì)劑2022-5-2342022-5-22.超聲波的研究背景超聲波的研究背景u 在合金凝固過程中施加振動(dòng)使改善其組織結(jié)構(gòu)，提高機(jī)械性能的最有效方法之一。l 早期采用頻率較低的機(jī)械振動(dòng)，偏心凸輪帶動(dòng)鑄型的非線性縱向振動(dòng)，電磁激振，氣體振動(dòng)。l 機(jī)械振動(dòng)頻率一般在幾十Hz，電磁激振502000Hz，氣體振動(dòng)在5060Hz。l 頻率較低，振動(dòng)能量收到限制，振動(dòng)過程不易控制。u外加超聲波起源于20世紀(jì)30年代，超聲振動(dòng)的高能量及其他的特殊效應(yīng)，極大的提高了振動(dòng)對(duì)凝固的作用效果，故超聲振動(dòng)逐步成為振動(dòng)凝固研究的主要方向。l 1987年，Abramo v用超聲波處理碳鋼細(xì)化了晶粒。l 1996年，

3、Eskin用超聲波處理高純鋁，處理后使晶粒度從3.1增大到37.5，拉伸強(qiáng)度從54Mpa提高到70MPa，硬度從HB17.2提高到HB19.7，同時(shí)延伸率也得到了改善。l 2007年，北京科技大學(xué)的陳琳等采用頻率為 20 kHz，最大電功率為600 W( 可調(diào)) 的超聲波發(fā)生器，研究了純鋁在熔體直至凝固全過程進(jìn)行超聲處理對(duì)鑄態(tài)組織和性能的影響。2.超聲波的研究背景超聲波的研究背景u超聲波的概念u超聲波的特性u(píng)凝固過程中超聲場(chǎng)的施加2022-5-25l 通常是指頻率大于20kHz的高頻聲波，它是一種機(jī)械波l 在同樣振幅條件下，超聲波的強(qiáng)度比普通聲波大得多。l 超聲波的波長較短，頻率很高，具有能量

4、較大，在液體介質(zhì)傳播過程中將會(huì)產(chǎn)生周期性的應(yīng)力和聲壓變化。l 公認(rèn)的效果包括：細(xì)化晶粒，組織均勻化，組織凈化（去氣、除渣、提純）。l 超聲換能器：壓電換能器，磁致伸縮換能器l 超聲變幅桿：既要與高溫熔體保持良好的能量耦合，有要盡可能減少高溫腐蝕。鈦制，陶瓷棒。l 施振方式：垂直振動(dòng)，水平振動(dòng)，旋轉(zhuǎn)振動(dòng)u超聲波振動(dòng)實(shí)驗(yàn)儀器 超聲波振動(dòng)部件主要包括超生電源，超聲換能器、超聲變幅桿。 換能器將輸入的電能轉(zhuǎn)換成機(jī)械能，即超聲波，變幅桿將超聲波能量振動(dòng)傳遞給工具頭，再由工具頭將超聲波能量發(fā)射到金屬熔體中。 2022-5-26 圖1.超聲波發(fā)生器 圖2.超聲波發(fā)生器圖解示圖圖3.超聲波換能器和超聲波變幅桿

5、2.超聲波的研究背景超聲波的研究背景u超聲凝固細(xì)化作用機(jī)理 聲空化效應(yīng)：超聲振動(dòng)主要產(chǎn)生的效應(yīng):聲空化效應(yīng)、聲流效應(yīng)、熱效應(yīng)2022-5-272.超聲波的研究背景超聲波的研究背景 超聲波在液體中傳播時(shí)，液體分子受到周期性交變聲場(chǎng)作用。在聲波的稀疏相內(nèi)，液體受到拉應(yīng)力，若聲壓值足夠大，則液體被拉裂而形成空化泡，空化泡長大和內(nèi)部液體的蒸發(fā)，將從周圍吸熱，導(dǎo)致空心泡附近形成過冷區(qū)域，從而促進(jìn)晶核形成。在隨后的正壓相內(nèi)，空化氣泡迅速閉合或崩潰，產(chǎn)生瞬時(shí)的高溫高壓和強(qiáng)烈的沖擊波，沖擊波擊碎正在長達(dá)的晶體，形成新的晶體質(zhì)點(diǎn)，這都有利于增加形核率。OMOPPTT111-OmOPPPPT和P的量級(jí)分別為104

6、K和1010pa， 凝固相變時(shí)需要的壓力為： VVKP1 計(jì)算結(jié)果表明P必須達(dá)到104atm才能實(shí)現(xiàn)形核的生成?？栈a(chǎn)生的高壓沖擊波能夠使局部熔體的熔點(diǎn)顯著上升，有效過冷度亦隨之增加，從而提高了形核率。HVTPTf 聲流效應(yīng)：超聲在熔體中的有限振幅衰減在熔體內(nèi)形成一定的聲壓梯度，形成聲流。聲流的速度比質(zhì)點(diǎn)振動(dòng)速度小得多，但亦能達(dá)到流體熱對(duì)流速度的5-10倍。聲流對(duì)于破壞邊界層，加速傳質(zhì)傳熱，促進(jìn)微細(xì)顆粒彌散起到了關(guān)鍵作用。 熱效應(yīng)：超聲振動(dòng)產(chǎn)生的熱效應(yīng)是細(xì)化晶粒的不利因素，尤其是當(dāng)超聲功率超過閾值時(shí)，熱效應(yīng)很強(qiáng)，延長了晶粒生長時(shí)間，導(dǎo)致晶粒粗化。 圖4. 熔體中的聲流（1.變幅桿，2.凝固前沿

7、，3.熔體） 2022-5-282.超聲波的研究背景超聲波的研究背景92022-5-22.超聲波的研究背景超聲波的研究背景u 功率、溫度和距離對(duì)金屬凝固組織的影響 功率：隨著超聲波功率增加，晶粒變細(xì)，但功率繼續(xù)增加時(shí)晶粒并不明顯減小，而是有一最佳值。 溫度：隨著溫度的升高，組織細(xì)化效果顯著，但當(dāng)溫度很高時(shí)，一方面因超聲作用時(shí)間太長，由于聲吸收，則會(huì)產(chǎn)生很明顯的熱效應(yīng)，使凝固組織粗化；另一方面，由于溫升，空化泡內(nèi)的壓力將增大，從而使空化強(qiáng)度減弱，使細(xì)化作用不明顯。因此在熔點(diǎn)附近區(qū)域進(jìn)行超聲處理效果最好 距離：即為超聲波在金屬溶液中的衰減，離超聲波發(fā)射源進(jìn)的位置組織細(xì)化最明顯。u超聲凝固細(xì)化技術(shù)優(yōu)

8、點(diǎn)與存在的問題優(yōu)點(diǎn)： l 超聲波設(shè)備操作簡(jiǎn)單，成本低廉，能耗較少，環(huán)境友好l 處理工藝靈活多變，可調(diào)節(jié)參數(shù)較多，可以多得最佳工藝參數(shù)組合l 細(xì)化凝固組織的同時(shí)，還可以清除熔體中的氣體，減少熔體中的夾雜物。存在的問題： l 超聲變幅桿端部的高溫腐蝕與空化腐蝕，易使基體合金的成分產(chǎn)生污染l 超聲波在金屬熔體中會(huì)存在嚴(yán)重衰減，能量利用率不高，超聲能力計(jì)算不夠準(zhǔn)確l 離超聲探頭較遠(yuǎn)距離的凝固組織細(xì)化效果較差2022-5-2102.超聲波的研究背景超聲波的研究背景3.Effect of Ultrasonic Power on Grain Refinement and Purification Proce

9、ssing of AZ80 Alloy by Ultrasonic Treatment 2022-5-211 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：超聲振動(dòng)可以使組織細(xì)化，去處夾雜物，均勻合金組織。但超聲功率對(duì)組織細(xì)化和凈化過程的研究還不夠系統(tǒng)充分，通過對(duì)Mg合金進(jìn)行超聲處理，改變超聲功率，來比較超聲功率大小對(duì)于組

10、織細(xì)化過程的影響。實(shí)驗(yàn)材料：選擇成分為AZ80，重為0.55kg的Mg合金作為研究對(duì)象，功率范圍在02000W的超聲發(fā)生器，實(shí)驗(yàn)方法：a. 將Mg合金加熱到650，保溫600sb. 超聲變幅桿預(yù)熱到650，然后深入熔體界面以下0.02m，對(duì)熔體施加不同的超聲功率處理15s。c. 超聲振動(dòng)處理之后，立即水冷。d. 利用Leica DMA Metalloscope觀察顯微組織。 2022-5-212結(jié)果與討論： 圖5.超聲處理對(duì)AZ80合金晶粒大小的影響 （a） oW，（b） 600Wu不經(jīng)過超聲處理，熔體中的初生相內(nèi)含有粗大的樹枝晶，表明這是正常的金屬凝固方式，平均晶粒大小在387m。u經(jīng)過超聲

11、處理，樹枝晶破碎成球狀晶，晶粒大小減小到147m，同時(shí)，晶粒分布均勻。3.Effect of Ultrasonic Power on Grain Refinement and Purification Processing of AZ80 Alloy by Ultrasonic Treatment 2022-5-213結(jié)果與討論： 圖6.超聲功率對(duì)AZ80合金晶粒大小及熔體承受的聲壓大小的影響（20kHz，650,15s）u不論使用哪種超聲發(fā)射器，在0W600W功率范圍內(nèi)，隨著超聲功率的增加，聲壓逐漸增加，晶粒尺寸逐漸減小。u然而當(dāng)超聲功率達(dá)到950W或1400W時(shí)，聲壓仍在增大，而平均晶粒大

12、小也開始逐漸增大，只有當(dāng)功率在600W時(shí)，晶粒尺寸才會(huì)最小。3.Effect of Ultrasonic Power on Grain Refinement and Purification Processing of AZ80 Alloy by Ultrasonic Treatment 2022-5-214結(jié)論： u超聲振動(dòng)產(chǎn)生的聲空化效應(yīng)是增加形核率，細(xì)化組織的主要原因。當(dāng)負(fù)壓大于液體分子之間的結(jié)合力時(shí)，液體被拉斷而形成空腔，即產(chǎn)生空化氣泡，空化泡在膨脹過程中，將從周圍吸熱，導(dǎo)致微區(qū)內(nèi)熔體溫度過冷，致使大量形核。u超聲功率越大，形成的聲壓就越大，就越容易形成空化泡。u超聲振動(dòng)過程中還要產(chǎn)生熱效應(yīng)，功率越高，超聲輻射器和熔體之間的熱效應(yīng)越明顯，這