超聲對(duì)鋁合金凝固傳熱與組織形成的影響與作用機(jī)制

(中南大學(xué) 機(jī)電工程學(xué)院，高性能復(fù)雜制造國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，湖南 長(zhǎng)沙，410083)

自 Chernov的動(dòng)態(tài)凝固觀點(diǎn)應(yīng)用于冶金過(guò)程中后[1]，早期的研究已經(jīng)表明，對(duì)正處于凝固階段的金屬熔體施加低頻振動(dòng)后其凝固組織會(huì)得到細(xì)化，而當(dāng)高頻率振動(dòng)的超聲波施加到其中后，各種金屬和合金的組織都可以得到相當(dāng)程度的細(xì)化，材料性能也得到大幅提升[2?4]。在純鋁及鋁合金的連續(xù)或半連續(xù)鑄造過(guò)程中施加超聲波進(jìn)行處理，可以使鑄錠的晶粒普遍得到細(xì)化，并且鋁合金連續(xù)鑄造件表面的偏析也大大的減少，這在國(guó)外已取得較好實(shí)驗(yàn)結(jié)果[1,5]，如Eskin[1,4]通過(guò)超聲波半連續(xù)鑄造得到的大規(guī)格非枝晶結(jié)構(gòu)鋁合金鑄錠。超聲振動(dòng)和低頻振動(dòng)不僅在物理性質(zhì)上不同，它們調(diào)控金屬凝固過(guò)程的機(jī)理也完全不同[1]。超聲波作為一種高頻聲波，它在熔體傳播過(guò)程中會(huì)產(chǎn)生空化、聲流、機(jī)械沖擊、輻射壓力等非線(xiàn)性效應(yīng)[1,5?9]。許多學(xué)者對(duì)液體金屬中的空化和聲流進(jìn)行了探索，形成了諸多超聲細(xì)化凝固組織的理論，主要包括枝晶破碎理論和過(guò)冷成核理論[1,5?9]。然而，高溫熔體具有不透明性，人們無(wú)法直接觀察到超聲波處理金屬熔體的過(guò)程，因而對(duì)其產(chǎn)生一系列效應(yīng)的具體作用機(jī)理認(rèn)識(shí)還較模糊，特別是對(duì)超聲鑄造實(shí)驗(yàn)過(guò)程中產(chǎn)生的一些現(xiàn)象，很難用上述理論進(jìn)行解釋。如實(shí)驗(yàn)發(fā)現(xiàn)在半固態(tài)區(qū)域施加超聲波，凝固組織亦獲得了明顯細(xì)化，但由理論計(jì)算可知：在半固態(tài)狀態(tài)下，超聲波空化效應(yīng)很難產(chǎn)生，而且超聲聲流場(chǎng)也很微弱，所產(chǎn)生的沖擊力很小，不足以破碎枝晶組織[10?11]。因此，系統(tǒng)探索超聲物理場(chǎng)對(duì)鋁合金鑄造過(guò)程中成形、成性過(guò)程的影響規(guī)律與作用機(jī)制是課題研究的一個(gè)重要內(nèi)容。本文作者通過(guò)在 7050鋁合金熔體凝固過(guò)程中不同溫度區(qū)間段分別施加超聲波振動(dòng)實(shí)驗(yàn)，研究超聲波對(duì)熔體凝固過(guò)程的不同階段的能量傳遞及凝固組織的影響，并分析各階段相應(yīng)的超聲作用機(jī)理。

1 實(shí)驗(yàn)

1.1 實(shí)驗(yàn)材料與設(shè)備

本實(shí)驗(yàn)以高強(qiáng)高韌7050鋁合金為研究對(duì)象，合金樣品取自工業(yè)成品鑄錠，其合金成分見(jiàn)表1。

表1 試驗(yàn)用7050鋁合金化學(xué)成分(質(zhì)量分?jǐn)?shù))Table 1 Chemical composition of 7050 aluminum alloy used in experiment %

實(shí)驗(yàn)設(shè)備包括：超聲波電源、超聲振動(dòng)系統(tǒng)、電阻加熱爐、溫度控制儀、液壓式位移操作臺(tái)、計(jì)時(shí)秒表、石墨坩堝(內(nèi)徑×深度×壁厚為 170 mm×200 mm×18 mm)、熱電偶、Leica臺(tái)式金相顯微鏡。

1.2 實(shí)驗(yàn)步驟

如圖1所示，將盛有7050鋁合金塊的石墨坩堝置入電阻加熱爐進(jìn)行熔化，待其完全熔化后，充分?jǐn)嚢枞垠w，同時(shí)添加打渣劑凈化熔體，并持續(xù)加熱至 750℃，切斷電阻爐電源，使坩堝中的鋁合金熔體在爐內(nèi)自然冷卻，達(dá)到實(shí)驗(yàn)所需溫度時(shí)，導(dǎo)入功率為240 W的超聲波，進(jìn)行3次實(shí)驗(yàn)，每次重復(fù)鑄造相同鋁錠2個(gè)，具體條件如下：

(1) 遠(yuǎn)離液相線(xiàn)670～645 ℃(定義為液相高溫區(qū)段)施加超聲波振動(dòng)實(shí)驗(yàn)：熔體冷卻至670 ℃時(shí)，開(kāi)始施加超聲波至645 ℃時(shí)停止。

(2) 液相線(xiàn)附近645～625 ℃(定義為結(jié)晶溫度區(qū)段)施加超聲波振動(dòng)實(shí)驗(yàn)：熔體冷卻至645 ℃時(shí)，開(kāi)始施加超聲波至625 ℃停止。

(3) 低于液相線(xiàn) 625～590 ℃(定義為漿狀溫度區(qū)段[12])施加超聲波振動(dòng)實(shí)驗(yàn)：熔體冷卻至625 ℃時(shí)，開(kāi)始施加超聲波至590 ℃停止。

在施加超聲波振動(dòng)前，先對(duì)工具桿進(jìn)行預(yù)熱，導(dǎo)入方式均采取從坩堝中心處上方垂直浸入熔體，浸入深度為30 mm；熱電偶置于工具桿端面下方約20 mm處，記錄熔體實(shí)時(shí)溫度變化情況；同時(shí)使用秒表記錄熔體在條件(1)，(2)和(3)各溫度區(qū)段冷卻所需時(shí)間。為便于對(duì)比分析，在同樣實(shí)驗(yàn)條件下，制備一個(gè)未經(jīng)超聲波處理的鑄錠，并記錄各相應(yīng)溫度區(qū)段熔體冷卻所需時(shí)間。

將試驗(yàn)鑄得的樣品從中間施振處對(duì)稱(chēng)切開(kāi)，取四分之一斷面進(jìn)行研磨、拋光，最后用專(zhuān)門(mén)配制的試劑對(duì)斷面進(jìn)行浸蝕處理。樣品經(jīng)沖洗、拭干、標(biāo)記后，使用Leica金相顯微鏡觀測(cè)分析凝固組織特征。

圖1 試驗(yàn)裝置原理圖Fig.1 Scheme diagram of experimental setup

1.3 實(shí)驗(yàn)結(jié)果

1.3.1 鑄錠凝固組織特征

圖2 不同條件下獲得的凝固組織Fig.2 Microstructures obtained under different conditions

圖2所示為不同溫度區(qū)間施振和未施加超聲獲得的凝固組織，在常規(guī)凝固中，7050合金的凝固組織大多為初生粗大的α-Al樹(shù)枝晶，形貌呈片狀、樹(shù)枝狀、骨骼狀(見(jiàn)圖2(a))。在遠(yuǎn)離液相線(xiàn)的高溫區(qū)段，對(duì)熔體施加超聲波振動(dòng)時(shí)，超聲波對(duì)鑄錠凝固組織幾乎無(wú)任何細(xì)化作用(見(jiàn)圖 2(b))。在液相線(xiàn)附近的熔體起始結(jié)晶溫度段施加超聲波振動(dòng)時(shí)，超聲波作用顯著，表現(xiàn)為全區(qū)域凝固組織均呈等軸晶粒狀分布，細(xì)化效果十分明顯(見(jiàn)圖2(c))。當(dāng)施振溫度區(qū)間選擇在液相線(xiàn)下，漿狀溫度區(qū)段625～590 ℃時(shí)，即在通常人們所認(rèn)為的空化效應(yīng)發(fā)生困難、聲流效應(yīng)微弱的情況下，超聲波仍能發(fā)揮較大的作用，凝固組織與常規(guī)條件下的相比，亦獲得顯著細(xì)化(見(jiàn)圖 2(d))。對(duì)于漿狀溫度區(qū)段，超聲波振動(dòng)可以細(xì)化晶粒，說(shuō)明對(duì)于超聲細(xì)化晶粒的作用機(jī)制，除了空化形核增殖與聲流擾動(dòng)碎晶外，應(yīng)該還存在其他細(xì)晶機(jī)制。

1.3.2 熔體凝固傳熱特征

圖3所示為熔體在施加超聲與未加超聲2種工藝條件下的冷卻曲線(xiàn)。由圖3可知：在不同的溫度區(qū)間對(duì)熔體施加超聲，對(duì)熔體冷卻速率的影響明顯不同。當(dāng)在液相高溫區(qū)段(670～645 ℃)和結(jié)晶溫度區(qū)段(645～625 ℃)施加超聲波振動(dòng)時(shí)，熔體對(duì)應(yīng)冷卻時(shí)間與未加超聲時(shí)的相比，略有延長(zhǎng)，分別約延長(zhǎng)8 min和4 min。而選擇在獎(jiǎng)狀溫度區(qū)段(625～590 ℃)施加超聲時(shí)，熔體冷卻速率顯著提高，熔體冷卻時(shí)間較未加超聲時(shí)縮短2/3。總體來(lái)看，引入超聲波外場(chǎng)明顯加快了凝固進(jìn)程，從液態(tài)區(qū)(670 ℃)到漿狀區(qū)(590 ℃，固相分?jǐn)?shù)≤0.3)的冷卻時(shí)間減少了約30%。

圖3 鋁合金熔體在不同工藝方法處理下的冷卻曲線(xiàn)Fig.3 Cooling curves of aluminum alloy melt treated by different technological methods

2 討論

鋁合金熔體凝固時(shí)，液態(tài)金屬將不斷釋放凝固潛熱，黏度逐漸增大，晶核形成并不斷長(zhǎng)大，這些物性參數(shù)的變化將直接影響超聲波各種物理效應(yīng)的發(fā)揮，凝固過(guò)程不同階段超聲場(chǎng)的主導(dǎo)作用機(jī)制也因此而不同。金屬的凝固體系由液態(tài)金屬、大小晶胚和晶粒及雜質(zhì)等組成，由于在熔體凝固過(guò)程中存在著潛熱的釋放，溫度起伏，流場(chǎng)起伏及結(jié)構(gòu)起伏，因此晶體生長(zhǎng)過(guò)程具有類(lèi)似于振蕩的特征。當(dāng)在熔體凝固過(guò)程中施加超聲波振動(dòng)，超聲波作為一種外源振動(dòng)激勵(lì)，勢(shì)必對(duì)熔體凝固振蕩過(guò)程產(chǎn)生影響。

2.1 液相高溫區(qū)段超聲波作用機(jī)制

超聲波在介質(zhì)中傳播時(shí)會(huì)產(chǎn)生熱效應(yīng)，這點(diǎn)在醫(yī)學(xué)及超聲焊接方面應(yīng)用較為廣泛。Zocchi[13]將超聲能量產(chǎn)生熱效應(yīng)的機(jī)制歸納為：介質(zhì)對(duì)聲波的吸收產(chǎn)生了熱能；工具桿探頭與組織間的摩擦生熱；壓電轉(zhuǎn)換過(guò)程中在工具桿探頭內(nèi)產(chǎn)生熱能。其中，摩擦所產(chǎn)生的熱是引起熱效應(yīng)的主要原因。由于金屬熔體黏度較大，存在內(nèi)摩擦，超聲波在熔體中傳播時(shí)，其能量會(huì)部分被熔體吸收并轉(zhuǎn)變成熱能，從而促使熔體內(nèi)部溫度上升[14]。前期對(duì)甘油施加超聲波的模擬實(shí)驗(yàn)發(fā)現(xiàn)，當(dāng)對(duì)甘油施加240 W的超聲波時(shí)，15 min可使甘油升溫 30 ℃，證實(shí)超聲波熱效應(yīng)確實(shí)存在于液體中[15]。因此，在金屬熔體高溫區(qū)段導(dǎo)入超聲波，熱效應(yīng)會(huì)使整個(gè)熔體凝固傳熱速度較常規(guī)鑄造時(shí)的變緩，因而此階段熔體冷卻速率降低，相應(yīng)冷卻所需時(shí)間也有所延長(zhǎng)。

對(duì)凝固組織的細(xì)化而言，高溫區(qū)段進(jìn)行熔體超聲波處理益處不大，因?yàn)榇藭r(shí)熔體仍處于一種高溫液體狀態(tài)，并未開(kāi)始形核結(jié)晶(7050鋁合金的液相線(xiàn)溫度大約為635 ℃[16])，同時(shí)由于冷卻速率的降低使得熔體內(nèi)部熱量散發(fā)速度減慢，內(nèi)部分子活動(dòng)十分劇烈，空化效應(yīng)產(chǎn)生的晶核將被瞬時(shí)重熔，超聲波振動(dòng)未能有效發(fā)揮形核增殖作用，故最終形成的凝固組織與未加超聲的鑄錠組織相差無(wú)異。

2.2 結(jié)晶溫度區(qū)段超聲波作用機(jī)制

起始結(jié)晶溫度區(qū)段引入超聲波時(shí)，由于熔體剛剛開(kāi)始結(jié)晶，大部分仍處于液態(tài)，超聲波產(chǎn)生的熱效應(yīng)同樣能使熔體溫降速度降低，冷卻時(shí)間延長(zhǎng)。在此溫度區(qū)段施加超聲波振動(dòng)能夠有效細(xì)化凝固組織，其細(xì)晶作用機(jī)制主要為超聲空化引發(fā)的增殖形核效應(yīng)。

通常情況下，只有縱波能在液態(tài)金屬中傳播即介質(zhì)中的粒子是沿著波傳播的方向振動(dòng)的，因此超聲傳播時(shí)會(huì)形成一個(gè)波疏區(qū)和波密區(qū)的交替[1]。大功率超聲振動(dòng)在金屬液體中傳播產(chǎn)生的物理效應(yīng)中，空化效應(yīng)，或者說(shuō)在液態(tài)金屬中形成的空化泡是最為重要。如圖4所示，用高速攝影相機(jī)拍攝到了超聲波在水中傳播時(shí)的聲空化現(xiàn)象，并根據(jù)空化原理繪制了空化泡運(yùn)動(dòng)過(guò)程示意圖。當(dāng)超聲波能量足夠高時(shí)(聲壓超過(guò)空化閾值)，由圖可知，在波疏區(qū)半周期內(nèi)，在聲壓拉應(yīng)力的作用下會(huì)形成空化泡。空化泡由于慣性繼續(xù)生長(zhǎng)，不斷聚集聲場(chǎng)能量，直到它們?cè)诓軈^(qū)半周期內(nèi)的壓應(yīng)力作用下急劇閉合崩潰，空化泡崩潰會(huì)在流體中形成具有強(qiáng)烈沖擊力的微射流。因此，在外加超聲場(chǎng)中，空化泡將在負(fù)壓區(qū)間內(nèi)熔體的最脆弱點(diǎn)生成，并在正壓區(qū)間內(nèi)崩潰。同時(shí)，伴隨空化過(guò)程，聲振幅沿聲波傳播方向衰減而產(chǎn)生壓力梯度，施加的超聲能會(huì)在熔體內(nèi)部產(chǎn)生聲流。

空化閾值是液體空化能力的衡量標(biāo)準(zhǔn)，聲壓必須超過(guò)空化閾值才能在液體中形成空化。根據(jù)現(xiàn)有的對(duì)空化閾值的觀點(diǎn)，拉應(yīng)力引起的液體中的破裂(破碎，分解)不是由分子間的作用力決定的，而是由其他相的核子的存在所決定的，蒸汽泡，氣泡，有水吸附的固體懸浮粒子和疏水性的雜質(zhì)很可能就是這些“核子”[1]。所以，實(shí)際空化閾值pB與液體的黏度系數(shù)η的關(guān)系可用如下經(jīng)驗(yàn)公式描述[17]：

圖4 超聲波空化現(xiàn)象及空化泡運(yùn)動(dòng)過(guò)程示意圖Fig.4 Cavitation phenomenon and scheme diagram of cavitation bubble motion caused by ultrasonic

液體黏度η隨液體溫度T的變化關(guān)系采用Antoine型方程式[18]：

根據(jù)式(1)和(2)計(jì)算得到的是空化閾的上限值，至于空化閾的下限值，Abramov[19]建議在上限值基礎(chǔ)上下降1.5～2.0倍。圖 5給出了鋁合金完全為液態(tài)時(shí)空化閾下限值隨熔體溫度的變化曲線(xiàn)，從圖5可知鋁合金液體的空化閾值大約為1.65 MPa。通過(guò)計(jì)算，功率為240 W的超聲波在鋁合金熔體中傳播時(shí)產(chǎn)生的聲壓幅值pA約42 MPa[20]，因此熔體在此功率超聲的作用下會(huì)形成大量的空化泡，不斷長(zhǎng)大至崩潰，崩潰后形成的二次微氣泡將循環(huán)往復(fù)持續(xù)空化過(guò)程。

圖5 空化閾值與鋁熔體溫度的關(guān)系曲線(xiàn)Fig.5 Relationship between cavitation threshold and aluminum alloy melt temperature

由于空化時(shí)間很短，空化泡的壓縮崩潰過(guò)程可以認(rèn)為是絕熱過(guò)程，崩潰瞬間將產(chǎn)生強(qiáng)烈的沖擊波，造成熔體中巨大的能量起伏，這種劇烈的作用施加在鋁熔體上會(huì)產(chǎn)生局部的高溫高壓，根據(jù)文獻(xiàn)[21]，可以推導(dǎo)出空化泡崩潰時(shí)的最高溫度Tmax和最大壓力pmax分別為：

式中：Tmin為液體溫度；pm為氣泡閉合時(shí)的外部壓力；pv為空化泡內(nèi)的蒸汽壓；γ為蒸汽的比熱比。

可以計(jì)算，實(shí)驗(yàn)所用的超聲波，空化氣泡破滅能產(chǎn)生的最高溫度為8.9×104K，產(chǎn)生的最大壓強(qiáng)為1.64 GPa[20]，按Clausius-Clapeyron方程得[8]：

式中：ΔT為壓力改變而導(dǎo)致的熔點(diǎn)變化；Tm為金屬凝固點(diǎn)溫度；ΔV為凝固時(shí)體積的變化；Δp為壓力變化；ΔH為金屬凝固時(shí)的焓變。熔體中壓力改變時(shí)，ΔH的變化可以忽略不計(jì)，并且由于ΔT/Δp＞0，故ΔT會(huì)隨壓力p的增大而增大，即增大壓強(qiáng)可使合金的凝固溫度升高。可見(jiàn)：空化產(chǎn)生的高壓沖擊波能夠使局部熔體的熔點(diǎn)顯著上升，增加有效過(guò)冷度。課題組曾對(duì)超聲波振動(dòng)對(duì)過(guò)冷度的影響進(jìn)行了專(zhuān)門(mén)的研究，發(fā)現(xiàn)對(duì)熔體施加超聲波過(guò)冷度較未加超聲條件下的提高約6 ℃[22]。在空化泡附近區(qū)域形成局部過(guò)冷，誘發(fā)增殖形核。伴隨空化過(guò)程的不斷進(jìn)行，在空化區(qū)域?qū)⒉粩嘈纬纱罅康木Ш耍@些晶核又在微射流與聲流的沖刷攪拌作用下，向熔池全域擴(kuò)散，實(shí)現(xiàn)對(duì)顆粒尺寸和分布的控制，最終實(shí)現(xiàn)全斷面凝固組織的均勻細(xì)化效果。

2.3 漿狀溫度區(qū)段超聲波作用機(jī)制

在漿狀溫度區(qū)段施加超聲波振動(dòng)時(shí)，熔體已經(jīng)形核，析出一定量的樹(shù)枝狀初生α-Al晶體，熔體黏度明顯增大，熔體不再是純液體狀態(tài)，而是呈漿糊狀[12]。因此，一方面，空化產(chǎn)生的環(huán)境條件發(fā)生了變化，液體中特有的空化效應(yīng)是否會(huì)在漿狀熔體中產(chǎn)生值得質(zhì)疑，另一方面，根據(jù)式(1)，由于黏度的增大，超聲在漿狀熔體中的傳播時(shí)振幅衰減增大，空化閾值也顯著增大，空化效應(yīng)產(chǎn)生也變得更加困難。用空化效應(yīng)形核增殖理論已經(jīng)無(wú)法解釋這一階段的超聲細(xì)晶現(xiàn)象，經(jīng)過(guò)分析，認(rèn)為在這一階段超聲波對(duì)凝固組織的細(xì)化機(jī)制主要為結(jié)晶體在振動(dòng)信號(hào)激勵(lì)下產(chǎn)生的諧振效應(yīng)。

諧振效應(yīng)已為大家所熟識(shí)，如前所述，金屬的凝固本身就是一個(gè)結(jié)晶體動(dòng)態(tài)振蕩長(zhǎng)大的過(guò)程(見(jiàn)圖6)，根據(jù)振動(dòng)學(xué)理論，對(duì)于一個(gè)在周期振動(dòng)的外源激勵(lì)作用下的動(dòng)力系統(tǒng)來(lái)說(shuō)，如果外源的振動(dòng)頻率ν與系統(tǒng)的固有頻率ω0相等或取一定比值時(shí)，外源和系統(tǒng)將發(fā)生共振，此時(shí)微弱的外源激勵(lì)信號(hào)可以引起系統(tǒng)的巨大反響[23]。如果把熔體中單個(gè)晶體的生長(zhǎng)當(dāng)作一個(gè)系統(tǒng)，當(dāng)其振蕩固有頻率接近于超聲振動(dòng)頻率時(shí)，就會(huì)產(chǎn)生諧振，從而改變整個(gè)系統(tǒng)的能量與能量傳遞規(guī)律，進(jìn)而影響金屬凝固傳熱過(guò)程和凝固組織[24?25]。

圖6 晶體生長(zhǎng)過(guò)程示意圖Fig.6 Scheme diagram of crystal growth

超聲波振源激勵(lì)下，能夠產(chǎn)生諧振效應(yīng)的所有結(jié)晶體統(tǒng)稱(chēng)為諧振媒介，即所有固有頻率量級(jí)在104Hz的粒子。普通鋁合金的晶粒尺寸為微米級(jí)，對(duì)于此數(shù)量級(jí)別微粒的固有頻率，目前尚無(wú)準(zhǔn)確的數(shù)學(xué)模型可用于求解其固有頻率，本文通過(guò)求取超微粒(1～100 nm)固有頻率與宏觀微粒(1～100 mm)的固有頻率，然后通過(guò)不同尺度間粒徑與固有頻率的關(guān)系，利用線(xiàn)性插值法近似求得了漿狀熔體(計(jì)算時(shí)取 3組接近熔融狀態(tài)的物性參數(shù)[16])在20 kHz超聲波激勵(lì)條件下的諧振媒介的尺寸范圍(見(jiàn)表2)[11]。可以看出：對(duì)固?液共存區(qū)的熔體施加超聲波振動(dòng)，凝固前沿1～10 μm之間的結(jié)晶體最有可能引起諧振。

表2 共振媒介的尺度范圍Table 2 Scale ranges of resonant medium

漿狀溫度區(qū)段熔體凝固時(shí)釋放的大量凝固潛熱、相變能并沒(méi)有以熱量的形式向外界傳遞，而是被初生的結(jié)晶體吸收轉(zhuǎn)換成自身的諧振能量，導(dǎo)致向外界傳輸?shù)臒崃肯鄬?duì)減少，因此在實(shí)驗(yàn)中觀察到施加超聲波后冷卻時(shí)間顯著減少的這一重要現(xiàn)象。在這一階段，超聲波諧振效應(yīng)對(duì)凝固組織的細(xì)化作用主要有3個(gè)方面：首先，處于諧振狀態(tài)結(jié)晶體的振幅將逐漸變大，能級(jí)增大，這將導(dǎo)致原子團(tuán)簇能級(jí)發(fā)生變化，由于熔體形核過(guò)程中總是由高能級(jí)向低能級(jí)變化，即能級(jí)低的原子團(tuán)簇更容易吸收液相原子而長(zhǎng)大，所以此時(shí)對(duì)能級(jí)較高的諧振結(jié)晶體而言，其相變驅(qū)動(dòng)力減小，表面原子將重新進(jìn)入液相，長(zhǎng)大的速度減緩，無(wú)法迅速長(zhǎng)大，進(jìn)而影響最終晶粒尺寸。其次，超聲場(chǎng)作用下誘發(fā)的結(jié)晶體諧振效應(yīng)將產(chǎn)生足夠的機(jī)械力能效應(yīng)，改變初生枝晶之間的搭橋，使枝晶重新熔入液相，加速枝晶臂的脫落和晶粒的圓整，增強(qiáng)對(duì)凝固組織的細(xì)化作用。最后，在漿狀熔體中，凝固前沿的液態(tài)金屬被初生的枝晶分割與阻隔，結(jié)晶體在超聲波激勵(lì)下產(chǎn)生諧振效應(yīng)后，振幅增大，這將促進(jìn)枝晶之間液態(tài)金屬的對(duì)流，可對(duì)凝固前沿起到一定的攪拌作用，有利于熱傳導(dǎo)及溫度場(chǎng)的均勻化，進(jìn)而細(xì)化凝固組織。

3 結(jié)論

(1) 液相高溫區(qū)段(670～645 ℃)施加超聲波振動(dòng)對(duì)7050鋁合金凝固組織無(wú)細(xì)化作用，在結(jié)晶溫度區(qū)段(645～625 ℃)與漿狀溫度區(qū)段(625～590 ℃)導(dǎo)入超聲波均能獲得良好的細(xì)晶效果。結(jié)晶溫度區(qū)段超聲細(xì)晶機(jī)制主要?dú)w功于空化產(chǎn)生的增殖形核效應(yīng)，而漿狀溫度區(qū)段則是超聲波誘發(fā)的結(jié)晶體諧振效應(yīng)起主導(dǎo)作用。

(2) 液相高溫區(qū)段與結(jié)晶溫度區(qū)段施加超聲波時(shí)，超聲波產(chǎn)生的熱效應(yīng)使熔體冷卻時(shí)間較未加超聲時(shí)的有所延長(zhǎng)，但對(duì)漿狀溫度區(qū)段熔體施加超聲波，諧振效應(yīng)顯著縮短冷卻時(shí)間，大約縮短2/3，這有利于鋁合金的快速成形與鑄錠凝固組織的細(xì)化。

(3) 當(dāng)施加20 kHz的超聲波振動(dòng)時(shí)，熔體凝固前沿中最有可能引起諧振的為1～10 μm結(jié)晶體，其諧振能量來(lái)自于熔體內(nèi)部熱能，諧振抑制晶體長(zhǎng)大并在一定程度上打亂枝晶結(jié)構(gòu)，實(shí)現(xiàn)晶粒細(xì)化。

[1] Eskin G I. Ultrasonic treatment of light alloy melts[M].Amsterdam: Gordon & Breach, 1998: 1?5, 59, 191.

[2] Abramov V, Abramov O, Bulgakov V, et al. Solidification of aluminium alloys under ultrasonic irradiation using water-cooled resonator[J]. Materials Letters, 1998, 37(1/2): 27?34.

[3] Eskin G I. Principles of ultrasonic treatment application for light alloys melts[J]. Advanced Performance Materials, 1997, 4(2):223?232.

[4] Eskin G I. Effect of ultrasonic (cavitation) treatment of melt on the microstructure evolution during solidification of aluminium alloy ingots[J]. International Journal of Materials Research, 2002,93(6): 502?507.

[5] Eskin G I. Broad prospects for commercial application of the ultrasonic (cavitation) melt treatment of light alloys[J].Ultrasonics Sonochemistry, 2001, 8(3): 319?325.

[6] ZHANG Li-hua, YU Jun, ZHANG Xiao-ming. Effect of ultrasonic power and casting speed on solidification structure of 7050 aluminum alloy ingot in ultrasonic field[J]. Journal of Central South University of Technology, 2010, 17(3): 431?436.

[7] Jiang X, Xu H. Effect of power ultrasound on solidification of aluminum A356 alloy[J]. Material Letters, 2005, 59(3):190?193.

[8] 李新濤，趙建強(qiáng). 功率超聲對(duì)水平連鑄 Al-1%Si合金凝固的影響[J]. 稀有金屬材料與工程, 2006, 35(2): 284?286.LI Xin-tao, ZHAO Jian-qiang. Effect of high-intensity ultrasonic on the solidification of Al-1%Si alloy by horizontally continuous cast[J]. Rare Metal Materials and Engineering, 2006, 35(2):284?286.

[9] MA Qian, Ramirez A, Das A. Ultrasonic refinement of magnesium by cavitation: Clarifying the role of wall crystal[J].Crystal Growth, 2009, 311(14): 3708?3715.

[10] 謝恩華. 鋁合金超聲凝固溶池流場(chǎng)數(shù)值模擬及試驗(yàn)研究[D].長(zhǎng)沙: 中南大學(xué)機(jī)電工程學(xué)院, 2009: 57?60.XIE En-hua. Numerical simulation of flow field during solidification and experimental research on aluminum alloy in melt pool[D]. Changsha: Central South University. School of Mechanical and Electrical Engineering, 2009: 57?60.

[11] 李開(kāi)曄. 直入式超聲波施振鑄造試驗(yàn)及其凝固動(dòng)力學(xué)機(jī)理研究[D]. 長(zhǎng)沙: 中南大學(xué)機(jī)電工程學(xué)院, 2010: 29-35.LI Kai-ye. Study of casting experiment with ultrasonic introduced directly and analysis of its kinetic mechanism[D].Changsha: Central South University. School of Mechanical and Electrical Engineering, 2010: 29?35.

[12] Nadella R, Eskin D G, Du Q, et al. Macrosegregation in direct-chill casing of aluminium alloys[J]. Progress of Materials Science, 2008, 53: 421?480.

[13] Zocchi M L. Ultrasonic assisted lipoplasty, technical refinements and clinical evaluations[J]. Clin Plast Surg, 1996, 23(4):575?598.

[14] Humphrey V F. Ultrasound and matter—Physical interactions[J].Progress in Biophysics and Molecular Biology, 2007, 93:195?211.

[15] 蔣日鵬, 李曉謙, 張立華, 等. 超聲施振方式對(duì)純鋁凝固組織細(xì)化規(guī)律的研究[J]. 材料工程, 2009(2): 6?10.JIANG Ri-peng, LI Xiao-qian, ZHANG Li-hua, et al. Research on the solidification structure refining laws of pure aluminum under different methods of ultrasonic vibration[J]. Materials Engineering, 2009(2): 6?10.

[16] 馬維策. 7050鋁合金大圓錠半連鑄凝固過(guò)程數(shù)值模擬及裂紋傾向性分析[D]. 長(zhǎng)沙: 中南大學(xué)機(jī)電工程學(xué)院, 2009: 40?52.MA Wei-ce. Numerical simulation of semi-continuous casting process for 7050 aluminium alloy ingot and analysis of crack tendency [D]. Changsha: Central South University. School of Mechanical and Electrical Engineering, 2009: 40?52.

[17] Eskin G I, Yu P, Makarov G S. Effect of cavitation melt treatment on the structure refinement and property improvement in cast and deformed hypereutectic Al-Si alloys[J]. Materials Science Forum, 1997, 243/244/245: 65?70.

[18] 焉國(guó)森. 關(guān)于液體黏度與溫度關(guān)系的計(jì)算[J]. 四川大學(xué)學(xué)報(bào):自然科學(xué)版, 1959(6): 65?70.YAN Guo-seng. Calculation on relations between liquid viscosity and temperature[J]. Journal of Sichuan University of Technology, 1959(6): 65?70.

[19] Abramov O V. Crystallization of metals in ultrasonic field[M].Moscow: Metallurgiya, 1972: 42?48.

[20] 劉榮光. 超聲波在鋁熔體中的聲場(chǎng)分布和空化效應(yīng)及其對(duì)凝固過(guò)程影響[D]. 長(zhǎng)沙: 中南大學(xué)機(jī)電工程學(xué)院, 2008: 14?17,74?77.LIU Rong-guang. Ultrasonic field distribution and cavitation in aluminium melt and its effects on solidification[D]. Changsha:Central South University. School of Mechanical and Electrical Engineering, 2008: 14?17, 74?77.

[21] Mondolfo L F. Structure and properties of aluminum alloys[M].London: Butterworths Press, 1976: 200?400.

[22] 吳鈺. 超聲振動(dòng)對(duì)7050鋁合金熔體凝固動(dòng)力學(xué)過(guò)冷度的影響[D]. 長(zhǎng)沙: 中南大學(xué)機(jī)電工程學(xué)院, 2009: 32?35.WU Yu. Effect of ultrasonic vibration on kinetic undercooling of aluminum alloy melt during solidification[D]. Changsha: Central South University. School of Mechanical and Electrical Engineering, 2009: 32?35.

[23] 李守中. 共振[M]. 北京: 科學(xué)出版社, 1987: 10?36.LI Shou-zhong. Resonance[M]. Beijing: Science Press, 1987:10?36.

[24] 董學(xué)武. 激振頻率對(duì)振動(dòng)凝固鑄件殘余應(yīng)力的影響[J]. 鑄造,2000, 49(11): 816?818.DONG Xue-wu. Effect of exciting frequency on the residual stress of the vibrating solidification casting[J]. Foundry, 2000,49(11): 816?818.

[25] 陶紅標(biāo), 張慧, 王玫. 振動(dòng)激發(fā)金屬液形核對(duì)鋅凝固組織的影響[J]. 中國(guó)冶金, 2007, 17(11): 45?62.TAO Hong-biao, ZHANG Hui, WANG Mei. Effect of Liquid metal nucleation stirred by vibration on solidification structure of zinc[J]. China Metallurgy, 2007, 17(11): 45?62.