功率超声制备铝合金半固态浆料机理初探

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1、摘要功率超声在液态金属结晶过程中可以细化晶粒并且提高结晶组织的致密度，这在国内外已有不少报道。然而，有关其作用机理的研究报道较少。研究功率超声对金属结晶组织的作用机理，是进行工艺优化的前提，因而意义重大。本课题以具体的实验为依据进行理论分析，探索了功率超声对金属结晶过程的作用机理。分别采用800W、1000W和1500W等三种不同功率的超声波对A356合金熔体进行处理，超声波加载方式为从铝液下部加载，结果表明超声波功率越大，试件结晶晶粒越细小，组织致密性越好。功率超声可使铝液中具有大量结构缺陷的树枝晶碎断，增加形核率，因而细化了晶粒。晶粒细化后，改善了铝液凝固时的补缩状况，此外，功

2、率超声还能打碎铝液中包裹着的气泡，使结晶组织“针孔”缺陷消除。在本研究范围内，超声波功率越大，效果越明显。改变铝液顶端的承载方式（顶端处于自由状态，下称“开式”；顶端封闭，下称“闭式”），让功率超声在这两种方式下振动处理铝液，发现闭式承载方式下比开式承载方式下枝晶破碎得更为彻底，结晶组织也更为致密。这是因为闭式承载方式通过改变声路阻抗匹配状况而使超声波能量利用率得到提高的结果。提出了超声波功率和频率参数对铝液及其结晶组织作用的力学意义，以及超声波传播过程中铝液内部产生摩擦与破坏现象的能量转变机理。在此基础上，初步建立了功率超声破碎枝晶理论的数学模型，该模型虽然不能直接用于具体的数学

3、计算，但却能有效地反映出影响枝晶破碎条件的主要因素及其影响规律，并对功率超声细化晶粒的实验具有一定的指导意义。文中还提出了功率超声打碎枝晶和气泡的几何模型。此外，分析了开式闭式两种铝液承载方式对试样结晶效果的影响实质。关键词：功率超声A356合金影响机理晶粒破碎数学模型IIIABSTRACTItisreportedathomeandaboardusuallythatcrystalscanbebrokenupbypowerultrasonicinthecrystallizationofliquidmetal,andthemicrostructuregrowsdenser.Howeve

4、r,therearefewreportsonmechanismofitseffect.Itismostimportantthatresearchingthemechanismofeffectonmicrostructureofmetalwithpowerultrasonic,becauseitisthebaseoftechnicsoptimization.Inthepurposeofunderstandingthemechanism,theoreticanalysisismadeuponexperimentsinthissubject.Semi-solidslurryofA356a

5、lloyistreatedbythreekindsofpowerultrasonic（800W、1000Wand1500W）respectivelyfromthebottom,anditisfoundthatthehigherultrasonicpoweris,thesmallercrystalsare,andthedensermicrostructureis.dendriteswhichareofgreatdisfigurementcanbebrokenupbypowerultrasonic,socrystalcoresincreaserapidly,andcrystalsare

6、finedeventually.Thefeedingconditionisimprovedaftercrystalsbeingfined,aswellasbubblesbeingbrokenup,thenthemicrostructureisdenser.Inthisstudy,thehigherultrasonicpoweris,themoreobvioustheeffectis.Semi-solidslurryofA356alloyistreatedbypowerultrasonicwiththetopfree(“Open-mode”forshort)andrestricted

7、byarigidobject(“Close-mode”forshort)respectively.ItisindicatedthatinClose-modethaninOpen-modedendritesarebrokenupmorecompletely,andmicrostructureisdenseralso.ItistheresultofthattheenergyutilityofpowerultrasonicisadvancedinClose-modebych