功率超声对纯铝凝固组织的影响

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1、·18·2008年全国铝合金熔铸技术交流会文集功率超声对纯铝凝固组织的影响何迁，李建国，何北星(清华大学材料科学与"l-程系，北京100084)摘要：对1．5k的纯铝熔体进行了功率超声辅助凝固试验，研究了功率超声对不同纯度纯铝凝固组织的影响，并比较了机械搅拌与功率超声的细化效果。结果表明，功率超声可以有效细化99．7％工业纯铝以及99．992％高纯铝的凝固组织。功率超声与机械搅拌相比，所获得的凝固组织更均匀且不易产生铸造缺陷。基于结晶游离理论讨论了功率超声的细化机制。功率超声的空化作用促进了超声耦合头附近液面的异质形核，声流作用则促进了晶粒的游

2、离和沉淀。此二者的综合效应是等轴晶区形成的主要原因。关键词：功率超声；纯铝；凝固组织；晶粒细化；细化机制功率超声因其在液体中传播时产生空化、声流等特殊效应，可以作为一种廉价的细化晶粒、改善凝固质量的手段，得到了国内外很多研究机构和学者的关注【1—8

3、。然而，在现有有关功率超声辅助凝固过程的研究工作中，尽管涉及的合金体系较多，但在说明功率超声的功效时，大都只对比了局部微观照片b一2

4、，未对铸锭整体凝固质量加以考察。而事实上局部的组织改善并不能完全说明功率超声的功效。另一些文献虽注意了这一点¨3。15I，但铸锭的尺寸都较小，在结合铸锭的凝固过程分析

5、超声机制方面尚有欠缺。另外，尽管功率超声对凝固晶粒的细化作用已经开始被应用于轻合金的熔体凝固(本课题组已成功地在工业铝合金、镁合金半连铸生产线上应用功率超声并大幅细化了凝固组织)，但对于功率超声细化晶粒的机制仍不十分清楚。Eskin等L2。3j认为是空化效应活化了熔体中杂质从而促进了熔体内的异质形核。Yasuda等¨6J认为凝固前的超声处理所产生的微小的纳米级的气泡能够促进熔体的异质形核。陈锋等【17J认为是功率超声的正压相的高压以及空化泡破裂产生的冲击波使得熔体等效过冷度提高进而提高了形核率。另外，Kamarov[I剐在综述中认为功率超声的空

6、化效应能够促使枝晶臂的折断并使之被声流卷入熔体，从而增加晶粒数目。然而无论是上述何种机制，或是某几种机制的综合，目前尚都缺乏直接的试验证据，特别是在纯金属的凝固过程中。本试验认为，在上述几种功率超声细化机制提出的过程中，强调了功率超声及其在熔体中特殊效应的作用，但忽略了铸型、熔体液面以及超声耦合头(也有中文文献称之为“探头”或“振动头”，本文统一称“耦合头”，特此注明)等外界条件对凝固过程的影响。实际上，根据Southin[19

7、、Ohno汹1等提出的等轴晶形成的晶核游离学说，铸型壁、熔体液面以及伸入熔体的超声耦合头表面，是熔体中过冷最大的区域

8、，是形核最容易发生的位置，也是等轴晶晶核的主要来源。讨论功率超声细化效果的时候不应忽略这些区域和功率超生的相互作用。另外，也鲜有功率超声方法与其他细化方法效果对比的报道。本试验利用功率超声辅助工业纯铝及高纯铝锭的熔体凝固(1．50kg／炉)，通过对比铸锭纵剖面的宏观组织形貌，考察功率超声在凝固过程中的细化晶粒效果，并与机械搅拌的细化效果进行对比。选择1．50k熔体质量一方面是为了适应井式电阻熔化炉的大小，另一方面也是尽量提高熔体质量以减小铸造环境微小变化带来的相对试验误差。通过对试验中铸锭凝固过程2008年全国铝合金熔铸技术交流会文集-19·和

9、凝固组织的分析，探讨功率超声细化晶粒的机制。1试验方法1．1试验材料和装置试验材料：99．7％工业纯铝，99．992％的高纯铝，每炉1．50kg。功率超声设备为自行研制，额定功率为300w、频率为20kHz，采用钛合金变幅杆、铌合金耦合头。熔炼在井式电阻炉中通过石墨坩埚进行。凝固过程中用镍铬镍铝热电偶对熔体温度进行监控。凝固试验装置如图1所示。891一超声波发生器；2一超声波换能器；3一冷却水人／出口：4一超声波变幅杆；5一超声波耦台头；6一石墨坩埚；7一铝液；8一热电偶；9一铁支架；10一冷铁图l功率超声辅助凝固试验装置示意图1．2试验过程试

10、验分三组进行，第一组为标样，即不施加功率超声，而使铝液在坩埚中自然凝固，分别记为工业纯铝一0群和高纯铝一0#。第二组为功率超声辅助凝固(施加功率超声的时问段有所不同)，工业纯铝一1}}和高纯铝一1#是在熔体凝固过程中施加功率超声；而工业纯铝一2#则是在熔体凝固前施加功率超声。第三组为机械搅拌辅助凝固的工业纯铝，记为工业纯铝一3栉。具体的熔炼和凝固过程为：在井式电阻炉中将铝锭在720℃熔炼后，保温10min，而后将坩埚取出置于图1中的位置，使熔体冷却凝固，其间用带钢套管的镍铬镍铝热电偶在熔体内部同一位置检测熔体温度。在坩埚底部放置一块冷铁，目的是

11、为了提高坩埚底部的冷却能力，从而使熔体的凝固从底部向上进行。为了保证熔体凝固的条件尽可能一致，对于三组铝液，功率超声耦合头均在7000C时插入熔体中央