功率超声在金属凝固中的应用

　　在金属和合金凝固过程中,施加振动是改善其组织结构、提高力学性能的一种有效方法.超声波在液体中传播时会产生周期性的应力和声压变化,在声波的波面处形成很强的压强梯度,产生局部高温、高压效应,这种效应导致瞬时的正压、负压变化,并导致结晶过程中固-液界面正在形核、长大的晶胚脱落下来,被超声波振动下的液体带到整个熔体的各个部分,改变了固-液界面的结晶方式,从而提高金属的力学性能[1].利用超声波冶金可以细化晶粒、去除渣、细化枝晶网胞,是一项颇有前途的技术[2].利用高能超声波处理金属熔体也是一种新的环保且相对安全的技术[3],因而它已经成为生产上获得优质铸件,提高铸件机械性能的重要手段之一.近年来超声处理更是获得高新技术用材的主要技术之一.

　　1 超声凝固细化作用的机理

　　高能超声波在熔体中传递时,通过空穴的产生、闭合和溃灭,在熔体中形成瞬时的局部高温和高压(可分别达到105K和105atm),也即超声的空化效应.国外众多科学家研究超声凝固细化作用的机理,在超声空化的基础上提出了下面的两种理论[4~6]:

　　(1)破碎理论.高能超声形成的大量气泡在超过一定阈值的声压作用下发生崩溃并产生激波,将以结晶长大的晶粒打碎,使晶粒得到细化[4~6].

　　(2)过冷生核理论.有学者认为[4,6],超声波产生的空化泡增大和内部液体的蒸发会降低空化泡的温度,这将导致空化泡表面的金属熔液温度降低,因此在空化泡的附近就有可能形成晶核.

　　2 金属凝固过程中超声场的导入

　　2.1 超声换能器

　　超声换能器是一种将电能转换为声能的器件.常用的超声换能器有压电换能器和磁致伸缩换能器.前者可以提供频率极高的超声场;后者在时间、高温稳定性方面明显高于前者,且能提供较高的功率,故更适于高温熔体在超声场中的凝固.超声凝固中使用的换能器的振动频率大致为20~200kHz,最常用的是20kHz.不采用较高的频率是因为频率越高,单个换能器体积越小,功率容量也越小,空化效应就越差.

　　2.2 超声变幅杆

　　变幅杆是将超声换能器直接传递给熔体的中介,其选择是需要认真考虑的.由于变幅杆要和金属熔液直接接触,交变应力和金属熔液的高温会使变幅杆迅速熔化,所以对变幅杆的材质要求很高,不仅要有很高的熔点和热稳定性,而且要有良好的高温声学特性和疲劳强度.Dobatkin和Eskin曾用碳化钢变幅杆对铝合金熔液进行声强在7~20w/cm²的超声振动处理,发现碳钢迅速熔化.即便采用Cr18Ti9不锈钢变幅杆,寿命也仅为1~2min[7].从大量的文献报导来看,钛制变幅杆是相对比较合适的.直到20世纪80年代,Abramov研制了水冷变幅杆[8],并成功用于处理铝合金熔液.