金屬熔體中聲空化行為及超聲細化作用機理研究.pdf

1、在金屬熔體中施加超聲處理是細化其凝固組織的有效方法，有著突出的優(yōu)勢與廣闊的前景。聲空化是熔體超聲處理中最重要的特征，但非透明、高溫金屬熔體中聲空化的行為及其對凝固過程的影響機理尚不明確，阻礙了超聲場作用下組織細化理論的發(fā)展與工業(yè)應(yīng)用。
　　本文以鋁合金為研究對象，以熔體超聲處理中的聲空化-誘發(fā)形核-組織細化為主線，利用基于第三代同步輻射光源的X射線成像、小角X射線散射等技術(shù)結(jié)合多物理場數(shù)值模擬，理論結(jié)合實驗研究了金屬熔體中的聲空化

2、行為及其對凝固組織的影響。
　　利用同步輻射 X射線成像技術(shù)原位觀察了超聲波作用下鋁合金熔體中的聲空化行為，在實驗上對鋁合金熔體中的聲空化特征進行統(tǒng)計分析。聲空化泡在同步輻射X射線成像照片的尺寸為其震蕩過程中的最大值，呈對數(shù)-正態(tài)（log-normal）分布：（此處公式省略）
　　隨著輸入聲強的增大，聲空化泡尺寸分布均值R0、分布上、下限R2、R1逐漸增大，分布范圍逐漸展寬。聲空化泡集于超聲探頭近鄰，其尺寸在分布空間上沿著超

3、聲探頭聲發(fā)射端面外法線方向逐漸減小。聲空化泡的體積分數(shù)β與輸入聲強I之間遵循tanh函數(shù)關(guān)系：（此處公式省略）
　　理論上研究了鋁熔體中聲空化泡的形核及空化動力學(xué)特征，表明鋁熔體中的初始聲空化泡主要為汽-氣混合核，在尺寸上以1μm為中心在±0.2μm范圍內(nèi)呈高斯分布：（此處公式省略）
　　影響聲空化強度的首要因素為驅(qū)動聲壓與初始聲空化泡尺寸，驅(qū)動聲壓與初始聲空化泡尺寸越大，聲空化過程中聲空化泡的徑向振幅越大，聲空化強度隨之增

4、強。聲空化過程中的“整流”擴散同樣影響到其強度，隨聲空化泡在振動“周期”中氣體含量逐漸增加，聲空化強度隨之增大。此外，超聲波的相位改變也是空化強度的影響因素。
　　采用數(shù)值建模與有限元模擬研究了超聲波在含聲空化泡的熔體中傳播時的聲強分布，并在此基礎(chǔ)上討論了聲空化泡的運動學(xué)行為，建立了預(yù)測聲空化泡產(chǎn)生區(qū)的數(shù)值模型。結(jié)果表明超聲處理在熔體中高聲壓區(qū)產(chǎn)生聲空化泡形成“聲空化泡產(chǎn)生區(qū)”，該區(qū)域大小與輸入聲強及聲空化泡含量及尺寸分布有關(guān)，輸

5、入聲強越大空化泡產(chǎn)生區(qū)中聲空化泡數(shù)目與尺寸就越大，反過來聲空化泡數(shù)目與其尺寸的增大又對超聲波產(chǎn)生增大的阻尼作用，造成高壓區(qū)緊縮，這二者的綜合作用使得聲空化泡的產(chǎn)生區(qū)局限于超聲探頭聲發(fā)射端近臨。聲空化泡在聲場中受 Bjerknes力作用自高壓區(qū)向低壓區(qū)運動，在這一運動過程中其聲空化能力隨之被削弱。
　　在聲空化誘發(fā)形核方面，通過數(shù)值建模量化了聲空化潰滅時釋放的壓力激波，并以此為基礎(chǔ)考慮壓力激波對形核功與原子擴散激活能的影響，結(jié)合均質(zhì)

6、形核理論估算了聲空化誘發(fā)形核能力，并通過弱耦合聲空化特征建立了預(yù)測鋁熔體中“聲空化誘發(fā)形核區(qū)”的數(shù)值模型。結(jié)果表明熔體超聲處理過程中的聲空化誘發(fā)形核源于聲空化泡潰滅時產(chǎn)生極強的近似脈沖壓力激波與高速微射流。激波造成其覆蓋范圍內(nèi)的熔體平衡熔點迅速升高，由此產(chǎn)生的大過冷激發(fā)了熔體甚至基于原子團簇快速的均質(zhì)形核，同時激波與微射流增強了熔體在其中雜質(zhì)表面凹槽或裂縫等處的潤濕性，造成雜質(zhì)被“活化”而異質(zhì)形核即聲空化“活化”形核。聲空化誘發(fā)形核能力

7、是輸入聲強與熔體溫度的函數(shù)，隨熔體溫度的降低單調(diào)增加。在熔體溫度一定時，聲空化誘發(fā)形核能力先隨聲強的增大而單調(diào)增大，至峰值后單調(diào)減小。聲空化誘發(fā)形核在誘發(fā)形核區(qū)產(chǎn)生，屬于聲空化區(qū)的一部分。聲空化誘發(fā)形核區(qū)可由一定聲強輸入條件下的數(shù)值模型量化，其大小決定了最終凝固組織的細化程度，而在實際中可由空化深度估算:（此處公式省略）
　　聲空化誘發(fā)形核核心或質(zhì)點產(chǎn)生后在聲流場的作用下重分布。聲流場越強，其在熔體中的環(huán)流效應(yīng)越顯著，延伸范圍也越

8、大，形核核心或質(zhì)點的再分布能力就越強，其分散性也越好，最終導(dǎo)致熔體凝固組織的細化程度提高。
　　利用同步輻射 SAXS技術(shù)在實驗上對金屬熔體中的聲空化誘發(fā)形核予以了證實。熔體超聲處理后聲空化誘發(fā)的核心或質(zhì)點在尺寸上呈高斯分布，其體積含量隨超聲溫度的降低而增加，而在數(shù)目上逐漸減??；同時表明鋁熔體中的聲空化誘發(fā)核心或質(zhì)點在過熱熔體中具有一定的存活能力，這為熔體超聲處理在未來的工業(yè)化應(yīng)用提供了時間窗口。
　　基于聲空化行為與聲空化

9、誘發(fā)形核的研究，應(yīng)用同步輻射 X射線成像技術(shù)進一步研究了熔體超聲處理工藝與保溫時間對凝固組織的影響。結(jié)果表明隨著超聲處理時熔體溫度的降低、輸入聲強的增大，合金凝固組織的細化程度增加，當(dāng)熔體溫度逼近液相線溫度時該細化作用最為顯著。隨超聲處理后保溫時間的延長，超聲對熔體凝固組織的細化作用被削弱，然而由于聲空化誘發(fā)產(chǎn)生的形核核心或質(zhì)點具有一定時效性，在超聲處理后與凝固前之間持續(xù)2 min左右的過熱狀態(tài)并不顯著削弱超聲處理對最終凝固組織的細化作