鎂合金熔體超聲處理的物理場.pdf

1、我國是鎂資源大國，但是我國的鎂合金加工材產(chǎn)量及質(zhì)量遠落后于發(fā)達國家。制約我國鎂合金加工材發(fā)展的瓶頸問題之一就是錠坯的質(zhì)量。本課題是國家重點基礎研究發(fā)展規(guī)劃資助項目(973)“高性能鎂合金加工與制備中的關鍵基礎問題”和國家自然科學基金“聲-磁協(xié)同場作用下DC鑄造鎂合金全體積均勻凝固機理研究”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凝固組織與凈化行為的影響規(guī)律。同時，在深入探討超聲場和電磁場作用下鎂合金半連續(xù)

2、鑄造過程中的熔體流動、熱量傳輸及凝固行為變化規(guī)律的基礎上，將功率超聲場與低頻電磁場組合，開發(fā)出超聲-電磁組合場作用下鎂合金半連續(xù)鑄造新技術。
　　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聲場分布的影響。結果表明:超聲頻率對鎂合金熔體中的聲場有顯著影響，通過調(diào)節(jié)超聲頻率可在特定幾何結構的超聲熔體處理單元形成類似超聲駐波場的聲壓分布;而超聲功率對聲場影響較小，但平均聲壓幅值隨超聲功率增加而

3、增加。為進一步探討鎂合金熔體超聲處理的機理，對鎂合金熔體中的空化行為進行了研究。結果表明: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。為獲得更好的空化效果，超聲熔體細化處理時應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AZ80鎂合金熔體超聲細化處理的聲場模擬及實驗研究表明，熔體中的超聲聲壓幅值與凝固組織平均晶粒尺寸

4、有著對應關系，隨著聲壓幅值的增加，晶粒尺寸相應減小;改變超聲輸入聲強（對應于超聲功率），是通過改變?nèi)垠w中的聲壓幅值而達到細化凝固組織效果的，這是由于隨著聲壓幅值的增加，熔體中的空化效應會隨之增強，從而強化了超聲細化效果，減小了晶粒尺寸。
　　通過對AZ31和AZ80鎂合金熔體超聲凈化處理的聲場及夾雜物凝聚數(shù)值模擬及實驗研究表明，形成超聲駐波場是鎂合金熔體超聲凝聚凈化的前提。鎂合金熔體深度對超聲駐波形成有顯著影響。對于上導入超聲，熔

5、體深度控制在(3/4)λ時可獲得近似駐波場。在本試驗條件下，提高超聲功率，駐波場的聲輻射力隨之增強，可促進凈化效果，且可縮短超聲凝聚凈化時間，但超聲功率過高，凈化效果將可能因空化效應與聲流作用而削弱。對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)值模擬和實驗研究相結合的方法，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-電磁組合場半連續(xù)鑄造(UC+LFEC)過程中的超聲場、電磁場、熔體流動、熱量傳輸以及多物理場的相互作用，討論了超聲場、電磁場和超聲-電磁組合場對溫度場、流場和鑄錠的鑄念組織以及力學性能的影響。結果表明:超聲對流場與溫度場有所影響。在超盧聲流作用下，流場變化不大，但熔體流動速度略有增加且高功率時更明顯，同時，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顯著改變流場，電磁強制對流改變了熔體的流動方向且顯著增加了熔體的流動速度，液穴深度明顯減小。
　　通過對有超聲桿存在時LFEC鑄造過程中的電磁場研究表明，超聲工具桿材質(zhì)（相對磁導率不同）對電磁分布有顯著影響。在插入高磁導率工具桿時，在靠近工具桿區(qū)域出現(xiàn)了較強的磁感應強度和Lorentz力，導致磁致強制對流由原來的一個“噴泉”式渦流變?yōu)閮蓚€渦流:一個靠近工具桿附近的“地漏”式

8、渦流和一個靠近結晶器附近的“噴泉”式渦流，同時液穴有所加深。在鎂合金LFEC鑄造過程中，插入普碳鋼超聲工具桿(相對磁導率約為100)時，降低電磁頻率，液穴變淺，但增加電磁場強度時，液穴深度先增加后減小，這與無超聲工具桿時明顯不同。在UC+LFEC組合場鑄造過程中，超聲場對流場與溫度場影響很小，且遠小于電磁場的影響;超聲場對鎂合金LFEC半連續(xù)鑄造中宏觀物理場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)組織和力學性能均得到明顯改善。但是由于電磁場集膚效應，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。利用超聲場和電磁場的各自特點，開發(fā)了鎂合金超聲-電磁組合場半連鑄新技術，該技術鑄造的φ160mmAZ80鎂合金鑄錠邊部、