超声施振方式对纯铝凝固组织细化规律的研究

　　大规格高性能铝材不能合格生产,高强铝合金综合性能太低严重制约了本国铝工业的发展,另一方面,国民经济及国防建设对铝材的需求却日益增大,解决问题的根本办法就是要突破技术瓶颈,努力提高铝合金的强度和韧性,成功制备满足应用要求的高性能铝坯。为了实现这一目标,人们探索了很多合金强韧化方法,如固溶强化、时效强化、过剩相强化、冷变形强化、组织细化强化[1, 2]。其中,组织细化强化作为一种既不损坏金属材料的延性和韧性,又能极大程度提高合金强度的手段广泛应用于工业领域[1]。传统的晶粒细化工艺是在铝合金中添加细化剂,此法不可避免地产生合金污染,影响金属的重复使用性[3]。因此,开发绿色环保的组织细化工艺引起了世界各国的纷纷重视,通过引入外场调控金属熔体的凝固过程,细化铸锭组织是当前国际研究的热点。由于超声波具有空化、声流、机械等特殊的非线性效应,能够促进液相形核,提高形核率,打碎枝晶,抑制晶体长大,有效细化组织,美国、俄罗斯、日本等国都对超声细晶技术进行了大量的研究[4-8]。20世纪90年代,国内以赵忠兴等人为代表的一批科研工作者对此领域也进行了相关研究[9-13],但因为各方面条件的制约,研究工作还未形成系统性,将超声振动有效应用于工业生产的成果很少。所以在铝合金超声铸造上,尚有巨大的研究空间,同时任务十分艰巨。中南大学冶机所一直致力于铝材质量的提高和高性能铝合金的开发,在外场铸造、铸轧上有良好的科研平台和丰富的实践经验[14, 15],本工作将对超声细晶机理、超声铸造工艺参数对凝固组织的影响规律等展开全面深入的研究,储备理论知识和技术规范,为超声铸造有效应用于工业领域打下基础。本工作主要分析不同的超声施振方式,即静态连续施振与动态间歇施振对纯铝凝固组织的细化规律。

　　1 实验

　　1.1 超声功率测量

　　测量超声波在高温铝熔体的有效功率十分困难,因此实验选用比热小,温升快的甘油溶液进行模拟测试,利用恒流量热法[16],即在固定工况下,向确定的溶液辐射超声能,每隔一定时间测量液体温升,最后根据热功转换原理,由总温升计算等效超声功率。在测量过程中,应保持超声振动系统处于谐振状态,同时采取保温措施,以保证模拟法测得的功率与在铝熔体中的功率尽可能接近。由图1的温升曲线计算得到实验所用超声波发生器五个功率档位对应的输出声功率依次为105,135,170,200,240W。

　　1.2 实验设备及材料

　　实验选用工作频带宽、输出功率稳定且能根据不同负载工况需要改变频率与功率的他激式超声波发生器,共有19±0.5,20±0.5,21kHz±0.5kHz三组备选频率和五个功率档位。使用的超声振动系统包括压电陶瓷式换能器,设计频率为19.8kHz;45#钢变幅杆及钛合金工具杆。为了缓解高温工作环境及机械损耗所带来的发热效应,在压电陶瓷片端部安装了散热风扇。其他辅助设备:电阻丝加热炉及配套的温控记录仪;石墨坩埚,外形尺寸为Φ170mmx200mmx18mm,壁厚15mm;热电偶;位移操作台;Leica台式金相显微镜。整个实验装置如图2所示,通过液压式位移操作台调节超声振动系统,可以准确改变工具杆在坩埚铝熔体中的位置,控制超声施振时间,既可满足不同的实验要求,又可保证高温环境下实验操作的安全性。