功率超声在液态金属成形方面作用及应用

　　超声波是弹性介质中的一种机械波,功率超声作为一种能量形式,可影响或改变媒质的性质.在其传播过程中,对介质的作用主要有三方面即温度升高、机械作用及空化作用.超声空化所引发的物理效应、机械效应、热效应、生物效应、化学效应等在工业上具有广阔的应用潜力.利用超声波在细化和均匀化组织、消除比重偏析以及改善金属液/陶瓷间润湿性等方面的显著作用,进行复合材料的制备.

　　1 功率超声在熔体中的作用原理

　　1.1 超声波的空化效应

　　超声空化是超声波在液体媒质中引起的一种特有的物理过程,可以把声场能量高度集中于极小的空化泡内,并在快速闭合(即崩塌)瞬间产生放电、发光、高温、高压、高能量密度、冲击波、微冲流、微聚变等物理和化学效应.据报道[1-6],空化气泡高速闭合瞬间泡内气体的温度可高达16000K(太阳表面的温度,大约也只有7000K).气泡中心处的压强约在几百到上万大气压之间.气泡闭合后在液体内产生的冲击波高达200MPa,相当于核爆炸有效杀伤范围.从能量放大的角度来看,超声波产生发光的能量放大近似于1.5X10¹⁰,一个中子引起同位素裂变能量放大能力仅为0.8X10¹⁰.此外,从降温速度看,气泡崩塌之后,泡内“热点”骤然冷却,冷却速度达108K/s.这相当于金属熔浆放人液氮的急剧冷却速率.

　　1.2 声流效应

　　超声在流体中的有限振幅衰减使液体内形成一定的声压梯度,从而形成一个流体的喷射.此喷射流直接离开超声变幅杆的端面并在整个流体中引起一个整体环流[7],高能超声在熔体中引起的声流加速度达重力加速度的1000倍[7-8],并使声流以较大的速度运动,可达流体对流速度的10~103倍[10].声流对于破坏边界层,加速传质、传热,促进微细颗粒的弥散及清洗表面杂质起到了关键作用.

　　2 功率超声对铸造合金组织和机械性能的影响

　　熔融金属在固化过程中进行超声处理会使晶粒变细,改变一些物理机械性质,如延伸率、冲击强度和变形特性等等.

　　2.1 晶粒细化

　　超声对结晶过程的影响有两方面:一是对过饱和溶液晶体生长的影响,二是在金属凝固过程中对晶粒结构的影响.强超声能加速有机和无机过饱和溶液核晶的形成,抑制晶体生长而得到更细更均匀的晶粒.其原因是由于空化使晶团、树枝状晶粒破碎和分散,使每一个晶体形成许多新的晶核[7].

　　1)形核率增加.空化产生的高压冲击波能够使局部熔体的熔点显著上升,有效过冷度亦随之大大增加,从而提高了形核率,最终使晶粒细化.实验结果表明[9]经超声波处理后的晶粒度为原晶粒度的1/30~1/40.