鎂合金熔體超聲處理的物理場(chǎng).pdf

1、我國(guó)是鎂資源大國(guó)，但是我國(guó)的鎂合金加工材產(chǎn)量及質(zhì)量遠(yuǎn)落后于發(fā)達(dá)國(guó)家。制約我國(guó)鎂合金加工材發(fā)展的瓶頸問題之一就是錠坯的質(zhì)量。本課題是國(guó)家重點(diǎn)基礎(chǔ)研究發(fā)展規(guī)劃資助項(xiàng)目(973)“高性能鎂合金加工與制備中的關(guān)鍵基礎(chǔ)問題”和國(guó)家自然科學(xué)基金“聲-磁協(xié)同場(chǎng)作用下DC鑄造鎂合金全體積均勻凝固機(jī)理研究”的一部分，主要研究功率超聲在鎂合金熔體中的傳播規(guī)律和鎂合金熔體超聲處理對(duì)凝固組織與凈化行為的影響規(guī)律。同時(shí)，在深入探討超聲場(chǎng)和電磁場(chǎng)作用下鎂合金半連續(xù)

2、鑄造過程中的熔體流動(dòng)、熱量傳輸及凝固行為變化規(guī)律的基礎(chǔ)上，將功率超聲場(chǎng)與低頻電磁場(chǎng)組合，開發(fā)出超聲-電磁組合場(chǎng)作用下鎂合金半連續(xù)鑄造新技術(shù)。
　　本文首先采用有限元法數(shù)值模擬了超聲波在鎂合金熔體中的傳播情況，并分析了超聲功率和頻率對(duì)聲場(chǎng)分布的影響。結(jié)果表明:超聲頻率對(duì)鎂合金熔體中的聲場(chǎng)有顯著影響，通過調(diào)節(jié)超聲頻率可在特定幾何結(jié)構(gòu)的超聲熔體處理單元形成類似超聲駐波場(chǎng)的聲壓分布;而超聲功率對(duì)聲場(chǎng)影響較小，但平均聲壓幅值隨超聲功率增加而

3、增加。為進(jìn)一步探討鎂合金熔體超聲處理的機(jī)理，對(duì)鎂合金熔體中的空化行為進(jìn)行了研究。結(jié)果表明:較低的超聲頻率、較高的聲壓幅值以及接近于共振尺寸的空化泡初始平衡半徑有利于超聲空化效應(yīng)。為獲得更好的空化效果，超聲熔體細(xì)化處理時(shí)應(yīng)采用的超聲頻率范圍為20-22kHz，聲壓幅值范圍為0.5-2MPa，空化核尺寸范圍為0.3-12μm。
　　通過對(duì)AZ80鎂合金熔體超聲細(xì)化處理的聲場(chǎng)模擬及實(shí)驗(yàn)研究表明，熔體中的超聲聲壓幅值與凝固組織平均晶粒尺寸

4、有著對(duì)應(yīng)關(guān)系，隨著聲壓幅值的增加，晶粒尺寸相應(yīng)減小;改變超聲輸入聲強(qiáng)（對(duì)應(yīng)于超聲功率），是通過改變?nèi)垠w中的聲壓幅值而達(dá)到細(xì)化凝固組織效果的，這是由于隨著聲壓幅值的增加，熔體中的空化效應(yīng)會(huì)隨之增強(qiáng)，從而強(qiáng)化了超聲細(xì)化效果，減小了晶粒尺寸。
　　通過對(duì)AZ31和AZ80鎂合金熔體超聲凈化處理的聲場(chǎng)及夾雜物凝聚數(shù)值模擬及實(shí)驗(yàn)研究表明，形成超聲駐波場(chǎng)是鎂合金熔體超聲凝聚凈化的前提。鎂合金熔體深度對(duì)超聲駐波形成有顯著影響。對(duì)于上導(dǎo)入超聲，熔

5、體深度控制在(3/4)λ時(shí)可獲得近似駐波場(chǎng)。在本試驗(yàn)條件下，提高超聲功率，駐波場(chǎng)的聲輻射力隨之增強(qiáng)，可促進(jìn)凈化效果，且可縮短超聲凝聚凈化時(shí)間，但超聲功率過高，凈化效果將可能因空化效應(yīng)與聲流作用而削弱。對(duì)AZ31和AZ80鎂合金熔體較好的超聲凝聚凈化條件分別為35W×30s和80W×60s。
　　采用數(shù)值模擬和實(shí)驗(yàn)研究相結(jié)合的方法，研究了φ160mmAZ80鎂合金鑄坯傳統(tǒng)DC半連續(xù)鑄造、超聲半連續(xù)鑄造(UC)、低頻電磁半連續(xù)鑄造(L

6、FEC)和超聲-電磁組合場(chǎng)半連續(xù)鑄造(UC+LFEC)過程中的超聲場(chǎng)、電磁場(chǎng)、熔體流動(dòng)、熱量傳輸以及多物理場(chǎng)的相互作用，討論了超聲場(chǎng)、電磁場(chǎng)和超聲-電磁組合場(chǎng)對(duì)溫度場(chǎng)、流場(chǎng)和鑄錠的鑄念組織以及力學(xué)性能的影響。結(jié)果表明:超聲對(duì)流場(chǎng)與溫度場(chǎng)有所影響。在超盧聲流作用下，流場(chǎng)變化不大，但熔體流動(dòng)速度略有增加且高功率時(shí)更明顯，同時(shí)，超聲半連續(xù)鑄造有較淺的液穴，但提高功率液穴深度略有增加。另外，高超聲功率，熔體中有效空化區(qū)域大，從而提高超聲處理的效

7、果。與施加超聲不同，在鎂合金半連續(xù)鑄造過程中施加低頻電磁場(chǎng)顯著改變流場(chǎng)，電磁強(qiáng)制對(duì)流改變了熔體的流動(dòng)方向且顯著增加了熔體的流動(dòng)速度，液穴深度明顯減小。
　　通過對(duì)有超聲桿存在時(shí)LFEC鑄造過程中的電磁場(chǎng)研究表明，超聲工具桿材質(zhì)（相對(duì)磁導(dǎo)率不同）對(duì)電磁分布有顯著影響。在插入高磁導(dǎo)率工具桿時(shí)，在靠近工具桿區(qū)域出現(xiàn)了較強(qiáng)的磁感應(yīng)強(qiáng)度和Lorentz力，導(dǎo)致磁致強(qiáng)制對(duì)流由原來的一個(gè)“噴泉”式渦流變?yōu)閮蓚€(gè)渦流:一個(gè)靠近工具桿附近的“地漏”式

8、渦流和一個(gè)靠近結(jié)晶器附近的“噴泉”式渦流，同時(shí)液穴有所加深。在鎂合金LFEC鑄造過程中，插入普碳鋼超聲工具桿(相對(duì)磁導(dǎo)率約為100)時(shí)，降低電磁頻率，液穴變淺，但增加電磁場(chǎng)強(qiáng)度時(shí)，液穴深度先增加后減小，這與無超聲工具桿時(shí)明顯不同。在UC+LFEC組合場(chǎng)鑄造過程中，超聲場(chǎng)對(duì)流場(chǎng)與溫度場(chǎng)影響很小，且遠(yuǎn)小于電磁場(chǎng)的影響;超聲場(chǎng)對(duì)鎂合金LFEC半連續(xù)鑄造中宏觀物理場(chǎng)的影響主要是超聲工具桿的影響所致。
　　與常規(guī)DC鑄造相比，采用LFEC半

9、連續(xù)鑄造φ160mmAZ80鎂合金錠坯從邊部到中心的鑄態(tài)組織和力學(xué)性能均得到明顯改善。但是由于電磁場(chǎng)集膚效應(yīng)，鑄錠中心組織仍然比邊部粗大。采用UC半連續(xù)鑄造φ160mmAZ80鎂合金錠坯組織和性能也均有不同程度的改善，錠坯中心的組織細(xì)化顯著。但是由于超聲隨離工具桿距離的增加而迅速衰減，鑄錠邊部組織明顯要比中心組織粗大。利用超聲場(chǎng)和電磁場(chǎng)的各自特點(diǎn)，開發(fā)了鎂合金超聲-電磁組合場(chǎng)半連鑄新技術(shù)，該技術(shù)鑄造的φ160mmAZ80鎂合金鑄錠邊部、