超聲波在鑄造的應(yīng)用

匯報(bào)人：1111超聲波對(duì)金屬凝固特性及組織的影響

匯報(bào)內(nèi)容一、超聲波處理技術(shù)二、研究現(xiàn)狀三、展望

現(xiàn)代科學(xué)技術(shù)的發(fā)展不僅對(duì)材料性能要求越來(lái)越高,而且對(duì)環(huán)保要求也日趨嚴(yán)格。傳統(tǒng)的冶金化學(xué)手段細(xì)化凝固組織工藝受到了環(huán)境理念的質(zhì)疑和挑戰(zhàn),凝固技術(shù)正朝著高效、環(huán)保的方向發(fā)展。如何能在不“污染”環(huán)境及材料的前提下實(shí)現(xiàn)對(duì)金屬凝固過(guò)程和凝固組織的控制是冶金及材料工作者長(zhǎng)期追求和奮斗的目標(biāo)?；谏鲜霭l(fā)展思路,在凝固過(guò)程中施加物理場(chǎng)處理技術(shù)成為提高材料性能的重要工藝手段之一。外加物理場(chǎng)處理技術(shù)是在金屬凝固前或凝固過(guò)程中對(duì)金屬熔體施加物理場(chǎng),利用金屬和物理場(chǎng)相互作用,改善其凝固過(guò)程和組織的一種技術(shù)。該技術(shù)具有環(huán)境友好、操作簡(jiǎn)便等優(yōu)點(diǎn)。一超聲波處理技術(shù)

按照外場(chǎng)種類不同,該領(lǐng)域的研究熱點(diǎn)主要集中在以下三個(gè)方面:l)對(duì)金屬熔體的凝固過(guò)程進(jìn)行超聲波處理；2)讓金屬熔體在磁場(chǎng)中凝固,即磁場(chǎng)處理；3)讓電流通過(guò)金屬熔體,即電流處理。進(jìn)入21世紀(jì)后,物理、材料和電子等領(lǐng)域科學(xué)技術(shù)的飛速發(fā)展使大功率超聲波、磁場(chǎng)和電流等物理手段的產(chǎn)生成為可能,因此從20世紀(jì)90年代起物理場(chǎng)凝固細(xì)晶技術(shù)成為材料領(lǐng)域的研究熱點(diǎn)。近幾十年來(lái)各種物理場(chǎng)對(duì)材料凝固過(guò)程和組織的影響研究受到特別的關(guān)注,尤其是大功率超聲波由于其獨(dú)特的聲學(xué)效應(yīng)對(duì)金屬凝固過(guò)程具有十分顯著的影響,因此在材料領(lǐng)域的研究和應(yīng)用再次成為熱點(diǎn)。

超聲波通常指的是頻率高于20000HZ的聲波。從其使用用途來(lái)分包括檢測(cè)超聲、功率超聲和醫(yī)學(xué)超聲。功率超聲處理是通過(guò)超聲能量對(duì)物質(zhì)的作用來(lái)改變或加速改變物質(zhì)的一些物理、化學(xué)和生物特性或狀態(tài)的技術(shù)。

采用特定的導(dǎo)入設(shè)備,將功率超聲波施加到液態(tài)金屬的凝固過(guò)程中,通過(guò)功率超聲波在凝固金屬中形成的多種效應(yīng)的綜合作用,改變金屬的凝固過(guò)程,最終改善或控制金屬材料的凝固行為,獲得優(yōu)良組織和性能的材料。(1)線性的交變振動(dòng)作用。由于媒質(zhì)在一定頻率和聲強(qiáng)的超聲作用下作受迫振動(dòng),媒質(zhì)的質(zhì)點(diǎn)位移、速度、加速度以及應(yīng)力等分別達(dá)到一定數(shù)值而產(chǎn)生一系列超聲效應(yīng)。當(dāng)介質(zhì)中存在液相和固相,質(zhì)點(diǎn)的運(yùn)動(dòng)為橫波與縱波的疊加。圖1為超聲波傳播過(guò)程中質(zhì)點(diǎn)運(yùn)動(dòng)和波動(dòng)示意圖。(2)大振幅聲波在媒質(zhì)中傳播時(shí)會(huì)形成鋸齒形波面的周期性激波,在波面處造成很大的壓強(qiáng)梯度,因而能產(chǎn)生局部高溫高壓等一系列特殊反應(yīng)。超聲波在媒體中傳播的效應(yīng)a、縱波b、橫波超聲波在媒體中傳播的效應(yīng)空化效應(yīng)空化是超聲波在液體媒質(zhì)中傳播所出現(xiàn)的一種物理現(xiàn)象,超聲波在液體媒質(zhì)中傳播時(shí),在液體中微小區(qū)域會(huì)形成局部的暫時(shí)負(fù)壓區(qū),當(dāng)超聲強(qiáng)度超過(guò)液體張力時(shí),液體薄弱部位被撕開而產(chǎn)生大量的氣泡。圖為超聲波在水中形成空化泡的圖片,(b)為(a)的放大圖。隨著時(shí)間推移小氣泡逐漸生長(zhǎng),當(dāng)氣泡內(nèi)壓力達(dá)到某臨界值時(shí)瞬間崩潰破裂,分裂后的氣泡又不斷的長(zhǎng)大和潰滅。小氣泡迅速崩潰時(shí)在氣泡內(nèi)產(chǎn)生高壓,并且由于氣泡周圍的液體高速?zèng)_入氣泡而在氣泡附近的液體中產(chǎn)生強(qiáng)烈的局部激波,從而產(chǎn)生了循環(huán)的空化效應(yīng)。超聲波在水霧化時(shí)形成空化泡聲流效應(yīng)超聲波在液體中傳播時(shí)產(chǎn)生有限振幅衰減使液體內(nèi)從聲源處開始形成一定的聲壓梯度,導(dǎo)致液體高速流動(dòng)。在高能超聲情況下,當(dāng)聲壓幅超過(guò)一定值時(shí),液體中可以產(chǎn)生一個(gè)流體的噴射。此噴流直接離開超聲變幅桿的端面并在整個(gè)流體中形成環(huán)流。聲流是環(huán)流與紊流的結(jié)合。超聲波在媒體中傳播的效應(yīng)單個(gè)氣泡從形成到長(zhǎng)大直至最后破碎過(guò)程的照片熱效應(yīng)超聲波是一種機(jī)械波,具有良好的定向性和聚焦性。當(dāng)超聲波在液體介質(zhì)中傳播時(shí),質(zhì)點(diǎn)首先受到機(jī)械作用,部分機(jī)械能又轉(zhuǎn)化為熱能。當(dāng)聲強(qiáng)達(dá)到空化閨值時(shí),還可能產(chǎn)生空化效應(yīng)。因此,超聲波熱效應(yīng)源于其機(jī)械效應(yīng),溫?zé)嵝?yīng)和空化效應(yīng)。熱效應(yīng)應(yīng)用在如聲能吸收而引起的整體加熱,邊界處的局部加熱等場(chǎng)合。超聲波在媒體中傳播的效應(yīng)衰減效應(yīng)超聲波在介質(zhì)中傳播時(shí),隨著傳播距離的增加其能量逐漸衰減。按照引起聲強(qiáng)減弱的不同原因,可把聲波衰減分為三種:擴(kuò)散衰減、散射衰減和吸收衰減。(1)超聲波的擴(kuò)散衰減:擴(kuò)散衰減主要決定于聲源的形式,對(duì)于點(diǎn)聲源來(lái)說(shuō),它的波是各個(gè)方向都在傳播的,所以隨著傳播距離的增加,單位面積上所具有的能量就減小。這就是明顯的擴(kuò)散衰減。(2)超聲波的散射衰減:當(dāng)超聲波在其傳播過(guò)程中遇到由不同聲阻抗介質(zhì)所組成的界面時(shí),就將產(chǎn)生散亂反射(簡(jiǎn)稱散射),被散射的超聲波在介質(zhì)中沿著復(fù)雜路徑傳播下去,從而損耗了聲波的能量,這種衰減就叫做散射衰減。(3)超聲波的吸收衰減:超聲波的吸收是由介質(zhì)的導(dǎo)熱性、粘滯性及彈性滯后造成的。聲波的吸收將聲能直接轉(zhuǎn)換為熱能。這是超聲波衰減的重要原因。超聲波在媒體中傳播的效應(yīng)超聲波處理工藝

超聲波導(dǎo)入方法主要有頂端導(dǎo)入、底端導(dǎo)入及側(cè)部導(dǎo)入。（C）頂部和底部導(dǎo)入均與金屬液接觸，容易產(chǎn)生夾雜，且變幅桿易腐蝕，而側(cè)部導(dǎo)入不直接接觸金屬熔液,從而避免了變幅桿由于與高溫金屬液相浸觸所造成的腐蝕和損耗。不會(huì)造成表面氧化物和雜質(zhì)卷入金屬液內(nèi)部,避免了外來(lái)夾雜物,而且可以隨著試塊處理部位的需要靈活的改變超聲源位置,提高處理效果。二研究現(xiàn)狀

2.1超聲波在低溫合金凝固過(guò)程中應(yīng)用

0.Abramov,G.Eskin和F.Gurevich使用20kHZ的超聲波處理具有不同點(diǎn)陣結(jié)構(gòu)的純金屬,其中包括Bi、Zn、Sn。換能器傳遞的能量為100一25OW。實(shí)驗(yàn)表明,當(dāng)換能器的輸出功率為l00w時(shí),Sn的晶粒開始細(xì)化。而當(dāng)換能器的輸出功率提高到250W時(shí),Bi、Zn的晶粒才開始細(xì)化。實(shí)驗(yàn)結(jié)果揭示,超聲處理能使具有不同點(diǎn)陣的金屬晶粒細(xì)化。金屬熔點(diǎn)較低晶粒形貌變化最大,隨著材料熔化溫度增加,細(xì)化效果減弱。

G.N.Kozhemyakin研究了功率超聲波振動(dòng)對(duì)Sn-Sb晶體凝固過(guò)程生長(zhǎng)的影響。結(jié)果表明,超聲波振動(dòng)能影響Sn-Sb晶體的生長(zhǎng)方向,擇優(yōu)的晶粒取向有利于提高晶體的性能。

下圖為超聲波處理對(duì)錫銻合金微觀組織的影響。對(duì)此種合金的研究結(jié)果表明,超聲波處理能顯著細(xì)化合金的微觀組織,改變?chǔ)孪嘈蚊?使尖銳棱角的立方體刀相破碎為均勻細(xì)小的粒狀,棱角有鈍化趨勢(shì),并可消除比重偏析。未處理超聲波處理2.2聲波在中溫合金凝固過(guò)程中的應(yīng)用

0.Abramov選用純鋁為研究材料,合金凝固過(guò)程中施加超聲振動(dòng)后發(fā)現(xiàn):對(duì)于整個(gè)試塊,晶粒最細(xì)的部分分布在靠近工具頭的部位。這說(shuō)明位于空化區(qū)域和強(qiáng)聲流域的熔體具有很強(qiáng)的結(jié)晶性能。因此,當(dāng)超聲波工具頭壓入熔體中時(shí),由空化氣泡形成的液壓波能非常有效的破碎已經(jīng)凝固的合金,而由超聲波產(chǎn)生的聲流作用將破碎的固體顆粒均勻分布。在超聲波處理區(qū)域,凝固組織發(fā)生了很大的變化,包括晶粒細(xì)化、抑止柱狀晶生長(zhǎng)、提高晶粒的各向同性和減低偏析。圖為采用頂部超聲波處理工藝得的純鋁末處理和超聲波處理的微觀組織,凝固組織由柱狀晶向等軸晶的轉(zhuǎn)變非常明顯。而且力學(xué)性能測(cè)試結(jié)果發(fā)現(xiàn),經(jīng)過(guò)超聲波處理后,材料的抗拉強(qiáng)度由52MPa提高為72MPa,增長(zhǎng)幅度達(dá)到35%,硬度也從HB17.2增長(zhǎng)為HB19.7。C.K.Jen和H.Soda研究了超聲振動(dòng)對(duì)具有不同微觀組織(胞狀、樹枝狀和多面體)的二元Al一Cu、Bi一Cd合金凝固過(guò)程的作用。以前在這一領(lǐng)域內(nèi)的研究?jī)H限定在具有樹枝狀結(jié)構(gòu)的低熔點(diǎn)合金,此實(shí)驗(yàn)中選用具有不同成分、不同微觀組織的材料進(jìn)行研究,深化了以前在這領(lǐng)域的研究。實(shí)驗(yàn)采用頂端導(dǎo)入,在溫度高于液相線10℃以上時(shí),導(dǎo)入2OkHZ的超聲振動(dòng),在溫度低于固相線10℃時(shí)停止導(dǎo)入。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明,這些合金重熔凝固后,組織明顯細(xì)化。然而對(duì)于合金重熔后是否還具有超聲波的影響,這個(gè)問(wèn)題尚存在爭(zhēng)議。

黃笑梅等人通過(guò)高能超聲波攪拌法制備了半固態(tài)Al-5%Cu合金，研究了高能超聲波處理熔體的溫度、處理時(shí)間及超聲波輸出功率對(duì)合金組織形貌的影響。

結(jié)果表明，當(dāng)鋁合金熔體溫度在610℃-660℃之間時(shí)，隨著熔體溫度升高鋁合金的初生晶粒形貌逐漸變成細(xì)小的球狀顆粒；當(dāng)熔體溫度為660℃時(shí)，隨著導(dǎo)入超聲波的功率增大和攪拌時(shí)間增長(zhǎng)，合金的初生相形貌由粗大的枝晶狀逐漸轉(zhuǎn)變?yōu)榧?xì)小的球狀顆粒。

李軍文等人研究了超聲波處理時(shí)間對(duì)鋁合金鑄錠內(nèi)氣孔的影響，結(jié)果表明，當(dāng)以適當(dāng)?shù)某暡ㄌ幚頃r(shí)間施加時(shí)，可以得到良好的除氣效果；處理時(shí)間過(guò)長(zhǎng)，會(huì)導(dǎo)致氣孔增加。隨著超聲波處理時(shí)間的增加，鑄錠細(xì)化率呈急劇增加的趨勢(shì)，當(dāng)增加到一定值后，細(xì)化率變化幅度變小。

羅執(zhí)等人對(duì)Al-5.0Cu-1.0Fe合金進(jìn)行超聲處理，對(duì)比無(wú)超聲處理的Al-5.0Cu-1.0Fe合金，結(jié)果表明，超聲波對(duì)合金微觀組織有顯著影響。當(dāng)施加超聲波后，縮孔、縮松等缺陷減少，合金的二次枝晶間距減小；合金中針狀富Fe相Al2Cu2Fe顯著減少，漢字狀富Fe相Al6(CuFe)增多，合金中的θ-Al2Cu相減少。無(wú)超聲施加超聲

王紅玲等人研究了不同超聲駐波處理功率下，Al-20%Si合金的微觀組織演變。結(jié)果表明，超聲駐波能抑制初晶硅的析出，但聲輻射力的作用使已析出的初晶硅偏聚長(zhǎng)大；超聲駐波處理能實(shí)現(xiàn)共晶硅“片狀-纖維狀”的形態(tài)轉(zhuǎn)變，且隨著超聲功率的增大，這種轉(zhuǎn)變更加明顯，凝固后共晶硅轉(zhuǎn)變?yōu)轭l繁分支細(xì)小的纖維狀。

薛寒松等人用不同的超聲功率處理Mg-6Zn-0.5Y合金熔體時(shí)，發(fā)現(xiàn)600W超聲處理的合金組織細(xì)化效果最好且抗拉強(qiáng)度和伸長(zhǎng)率均達(dá)到最大值；超聲處理后的合金，初生α-Mg相由粗大的樹枝晶變?yōu)榧?xì)小的球狀等軸晶，準(zhǔn)晶I相由粗大的半連續(xù)網(wǎng)狀分布變成斷續(xù)的細(xì)線狀分布。

趙君文等人研究了超聲振動(dòng)制備過(guò)共晶Al-Si合金半固態(tài)漿料中工藝參數(shù)對(duì)半固態(tài)漿料組織的影響規(guī)律。結(jié)果表明超聲振動(dòng)后初晶硅可細(xì)化到20μm；漿料在保溫過(guò)程中，初晶Si粒以8μm/min的平均速度快速長(zhǎng)大，2min內(nèi)初