金屬熔體中聲空化行為及超聲細(xì)化作用機(jī)理研究.pdf

1、在金屬熔體中施加超聲處理是細(xì)化其凝固組織的有效方法，有著突出的優(yōu)勢(shì)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(duì)凝固過程的影響機(jī)理尚不明確，阻礙了超聲場(chǎng)作用下組織細(xì)化理論的發(fā)展與工業(yè)應(yīng)用。
　　本文以鋁合金為研究對(duì)象，以熔體超聲處理中的聲空化-誘發(fā)形核-組織細(xì)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(chǎng)數(shù)值模擬，理論結(jié)合實(shí)驗(yàn)研究了金屬熔體中的聲空化

2、行為及其對(duì)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(shí)驗(yàn)上對(duì)鋁合金熔體中的聲空化特征進(jìn)行統(tǒng)計(jì)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(duì)數(shù)-正態(tài)（log-normal）分布：（此處公式省略）
　　隨著輸入聲強(qiáng)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?jǐn)?shù)β與輸入聲強(qiáng)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(dòng)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(qiáng)度的首要因素為驅(qū)動(dòng)聲壓與初始聲空化泡尺寸，驅(qū)動(dòng)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(qiáng)度隨之增

4、強(qiáng)。聲空化過程中的“整流”擴(kuò)散同樣影響到其強(qiáng)度，隨聲空化泡在振動(dòng)“周期”中氣體含量逐漸增加，聲空化強(qiáng)度隨之增大。此外，超聲波的相位改變也是空化強(qiáng)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(shí)的聲強(qiáng)分布，并在此基礎(chǔ)上討論了聲空化泡的運(yùn)動(dòng)學(xué)行為，建立了預(yù)測(cè)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(qiáng)及聲空化泡含量及尺寸分布有關(guān)，輸

5、入聲強(qiáng)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(duì)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(chǎng)中受 Bjerknes力作用自高壓區(qū)向低壓區(qū)運(yùn)動(dòng)，在這一運(yùn)動(dòng)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(shí)釋放的壓力激波，并以此為基礎(chǔ)考慮壓力激波對(duì)形核功與原子擴(kuò)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(cè)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(shí)產(chǎn)生極強(qiáng)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(diǎn)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(tuán)簇快速的均質(zhì)形核，同時(shí)激波與微射流增強(qiáng)了熔體在其中雜質(zhì)表面凹槽或裂縫等處的潤(rùn)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(qiáng)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(shí)，聲空化誘發(fā)形核能力先隨聲強(qiáng)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(qiáng)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(xì)化程度，而在實(shí)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(diǎn)產(chǎn)生后在聲流場(chǎng)的作用下重分布。聲流場(chǎng)越強(qiáng)，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(diǎn)的再分布能力就越強(qiáng)，其分散性也越好，最終導(dǎo)致熔體凝固組織的細(xì)化程度提高。
　　利用同步輻射 SAXS技術(shù)在實(shí)驗(yàn)上對(duì)金屬熔體中的聲空化誘發(fā)形核予以了證實(shí)。熔體超聲處理后聲空化誘發(fā)的核心或質(zhì)點(diǎn)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)目上逐漸減小；同時(shí)表明鋁熔體中的聲空化誘發(fā)核心或質(zhì)點(diǎn)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(shí)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(jìn)一步研究了熔體超聲處理工藝與保溫時(shí)間對(duì)凝固組織的影響。結(jié)果表明隨著超聲處理時(shí)熔體溫度的降低、輸入聲強(qiáng)的增大，合金凝固組織的細(xì)化程度增加，當(dāng)熔體溫度逼近液相線溫度時(shí)該細(xì)化作用最為顯著。隨超聲處理后保溫時(shí)間的延長(zhǎng)，超聲對(duì)熔體凝固組織的細(xì)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(diǎn)具有一定時(shí)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(duì)最終凝固組織的細(xì)化作