張 明，李曉謙，黎正華，許顯華

(中南大學(xué)機(jī)電工程學(xué)院，長沙410083，E-mail:zhangmingcsu@163.com)

超聲鑄造工具桿端面對鋁合金顯微疏松的影響

張 明，李曉謙，黎正華，許顯華

(中南大學(xué)機(jī)電工程學(xué)院，長沙410083，E-mail:zhangmingcsu@163.com)

通過對工具桿端面的優(yōu)化，研究了3種不同端面的工具桿在不同功率下對7050鋁合金鑄錠中顯微疏松形成的影響。實驗結(jié)果表明：球端面工具桿的作用范圍和強(qiáng)度都比較大，距鑄錠表面60 mm處顯微疏松百分比減少了52.7%;雖然圓錐端面工具桿的作用范圍最大，但其聲強(qiáng)效果最弱，衰減最快，抑制顯微疏松形成的效果最差;平端面工具桿的軸向聲強(qiáng)最大，且有明顯的聲流現(xiàn)象，抑制中心顯微疏松形成的效果最好，中心顯微疏松的百分比減小了63.5%.超聲振動能夠同時促進(jìn)液體補(bǔ)縮和降低氫含量，從而可以根本上減少顯微疏松的形成.此外，工具桿下方的"聲流效應(yīng)"顯著，其對促進(jìn)液體補(bǔ)縮抑制中心疏松的形成起了積極作用.

顯微疏松;工具桿;超聲振動;除氣;補(bǔ)縮

顯微疏松形成主要有兩個原因:液體凝固收縮和熔體中的氫含量，其會降低鑄錠的機(jī)械性能，尤其對鑄件的疲勞壽命和抗拉強(qiáng)度有較大影響［1－4］.Lee在對鋁合金研究中發(fā)現(xiàn)隨著顯微疏松的增加，疲勞極限會明顯降低［1］.盡管鋁合金鑄錠通過后續(xù)處理，顯微疏松缺陷能得到一定程度愈合，但對于高強(qiáng)度鋁合金來說，這種愈合程度仍難以滿足要求.一般方法主要是吹入惰性氣體減少氫氣含量，使用添加劑細(xì)化晶粒，然而這些方法都只是單方面考慮，難以從根本上消除顯微疏松.目前，國內(nèi)外通過加入外場同時促進(jìn)液體補(bǔ)縮和減少氫含量來減少顯微疏松的形成的研究還很少，并且國內(nèi)超聲波鑄造研究中［5－6］，工具桿端面主要是平端面，而平端面工具桿聲波輻射范圍小，作用區(qū)域小，不利于超聲鑄造［7］.

本文首先對實驗工藝進(jìn)行了優(yōu)化，采用高功率超聲波輸出，利用了3種不同端面的工具桿對7050鋁合金熔體進(jìn)行超聲振動處理.隨后對實驗結(jié)果進(jìn)行了分析討論，研究了超聲波這一非常規(guī)方法來減少凝固過程中顯微疏松形成的機(jī)制.

1 實驗

1.1 實驗設(shè)備

1)超聲波發(fā)生器:它激型，頻率為15 kHz，輸出功率五檔可調(diào) (1000、1400、1800、2200、2600 W).

2)超聲振動系統(tǒng):PZT壓電陶瓷換能器;鈦合金工具桿(平端面，錐端面，平端面).

3)輔助設(shè)備:在線測氫裝置(ALSCAN)，圖像觀察分析儀.

1.2 實驗方案

1)不施加超聲振動，然后讓坩堝中的金熔體自然冷卻直至凝固.

2)在不同的超聲功率下，分別導(dǎo)入3種不同端面的工具桿對熔體進(jìn)行超聲振動處理.為避免施振時高溫鋁熔體粘附在冷工具桿上而導(dǎo)致超聲振動系統(tǒng)過載失諧，在施振前，應(yīng)先啟動振動，對傳振工具桿進(jìn)行預(yù)熱處理.施振方式為將工具桿從鋁熔體中心頂部導(dǎo)入，工具桿插入熔體深度為20 mm.當(dāng)熔體溫度下降到750℃時導(dǎo)入超聲波，將ALSCAN測氫儀的熱電偶和測氫探頭置入熔體中，測量熔體中氫氣含量，當(dāng)溫度在650℃時停止施振，移走振動系統(tǒng).

鑄錠的尺寸為Φ 180 mm×220 mm，分別沿鑄錠的徑向和縱向取樣分析，具體操作如下:沿鑄錠中心對距工具桿端面30 mm位置處進(jìn)行取樣，然后，在距工具桿端面90 mm處從距鑄錠表面60 mm位置處取樣，將所取樣品進(jìn)行編號，研磨，拋光，腐蝕處理，沖洗干凈，通過設(shè)定顯微鏡的灰度閥值，可以對樣品中的顯微疏松進(jìn)行觀察分析.

2 結(jié)果與分析

2.1 不同端面工具桿的超聲水模擬實驗

圖3展示了采用3種不同工具桿端面施振在功率為2600 W時的水模擬實驗.可以看出:在相同的功率下，錐形端面工具桿其作用范圍最大，但其強(qiáng)度比較弱，作用強(qiáng)度隨著距離的增大迅速地減小，產(chǎn)生的氣泡較少;平端面工具桿下端超聲強(qiáng)度較高，軸向作用距離和強(qiáng)度都較大，但作用范圍較小;球形端面工具桿作用范圍略微減小，但軸向作用距離增大，作用強(qiáng)度也較大，且有較明顯的“空化”和“聲流”現(xiàn)象.當(dāng)保持工具桿不變，逐步增加發(fā)生器的輸出功率，3種工具桿端面附近的超聲振動效果均增強(qiáng)，且形成的氣泡增多.

圖1 超聲振動的水模擬實驗

2.2 超聲振動對鑄錠徑向位置處顯微疏松形成的影響

圖2展示了采用不同工具桿端面施振后離鑄錠表面60 mm處顯微疏松百分比的變化情況.實驗結(jié)果表明，當(dāng)未加超聲時，鑄錠該位置處顯微疏松百分比為0.55%;而導(dǎo)入不同端面的工具桿對熔體施振后，顯微疏松百分比比未加超聲的鑄錠有明顯的降低，同時隨著施振功率的增加，抑制顯微疏松作用越明顯.從圖2中可知，當(dāng)功率為2600 W時，導(dǎo)入球端面工具桿施振時，抑制顯微疏松形成的效果最好，該位置處顯微疏松的百分比減小了52.7%;當(dāng)導(dǎo)入平端面工具桿時，顯微疏松的百分比減小了43.6%;而采用圓錐端面工具桿時，鑄錠該位置處顯微疏松百分比只減少了25.5%，抑制顯微疏松的效果最差.圖3展示了由在線測氫儀(ALSCAN)測量的在各種工況下熔體中的氫濃度變化情況.當(dāng)熔體未加超聲時，熔體初始?xì)浜繛?.66 cm3/100 g;當(dāng)采用球端面工具施振時，超聲除氣效果最好，熔體中的氫濃度下降到了0.28 cm3/ 100 g，除氣率為57.6%;而采用錐形端面工具施振時，超聲除氣效果最差，熔體中的氫濃度只下降到0.49 cm3/100 g，除氣率為26.9%.

首先，當(dāng)凝固收縮引起微小縮孔時，縮孔壁面就會依附大量的微小氣泡，其會阻礙液體的補(bǔ)縮.當(dāng)熔體經(jīng)超聲處理時，依附于枝晶表面的氣泡在超聲振動的作用下會與枝晶脫離進(jìn)入到液體中，這就減少了微孔中氣體的含量，使得微孔外界的液體更容易滲透到微孔中，從而促進(jìn)了液體補(bǔ)縮.

其次，超聲空化效應(yīng)產(chǎn)生大量空化泡，空化泡的長大過程是一種持續(xù)的膨脹與收縮的脈動擴(kuò)散運(yùn)動過程.在膨脹階段，空化泡表面積變大，相應(yīng)地熔體中的氣體通過氣泡壁面擴(kuò)散到空化泡中的氣體量就變大;在壓縮階段，氣泡表面積變小，相應(yīng)地空化泡中的氣體通過氣泡壁面擴(kuò)散到熔體中的氣體量小于膨脹階段進(jìn)入空化氣泡的氣體，這就形成了“表面效應(yīng)”［8］.另外，空化泡的壁面周圍存在一定厚度的液體擴(kuò)散層，其直接影響到氣體的擴(kuò)散運(yùn)動.當(dāng)空化泡收縮時，擴(kuò)散層厚度變大，擴(kuò)散層中的氣體濃度變小，空化泡內(nèi)與熔體之間的氣體濃度梯度減小，從而減少了氣體從空化泡進(jìn)入熔體的驅(qū)動力;當(dāng)空化泡膨脹時，擴(kuò)散層厚度變小，擴(kuò)散層中的氣體濃度變大，當(dāng)擴(kuò)散層厚度達(dá)到最小值時，急劇變化的濃度梯度大大促進(jìn)了氣體從熔體中進(jìn)入空化泡的氣體流動速率，形成了“殼層效應(yīng)”［8］.“表面效應(yīng)”和“殼層效應(yīng)”使得空化泡在長大過程中從熔體中吸入大量的氫氣，根據(jù)Eskin的研究［9－10］，當(dāng)熔體處于較大聲壓作用下，空化泡的長大異?；钴S，氣泡的脈動強(qiáng)烈，結(jié)果導(dǎo)致氣泡之間的結(jié)合和長大，受熔體浮力作用浮出表面，熔體中氣體含量就顯著下降，從而抑制了顯微疏松的形成.

圖2 不同超聲功率下鑄錠處顯微疏松百分比的情況

圖3 不同超聲功率下除氣效果的變化情況

此外，氣泡在長大和崩潰蒸發(fā)過程中，空化泡會從其周圍的熔體吸收大量熱量，形成局部深度過冷，因而在空化泡附近形成了大量晶核，增加了形核率，提高了組織致密度，從而抑制了顯微疏松的形成.同時，學(xué)者R.C.Y.Chow等認(rèn)為空化泡的崩潰，能產(chǎn)生高溫、高壓沖擊波［11］，強(qiáng)烈沖擊波會擊斷或熔斷正在長大的枝晶，這也有利于液體補(bǔ)縮，減少顯微疏松的形成.從水模擬實驗結(jié)果可知，采用球端面工具桿施振時“空化效應(yīng)”和“聲流效應(yīng)”都比較明顯，并且作用范圍較廣，鑄造實驗結(jié)果也驗證了采用球端面工具桿施振時抑制顯微疏松的效果最佳.圖4展示了導(dǎo)入不同端面的工具桿，輸出功率為2600 W時，距鑄錠表面60 mm處顯微疏松的形態(tài)變化.

圖4 3種不同端面工具桿作用后鑄錠徑向位置處顯微疏松形態(tài)變化對比

2.3 超聲振動對鑄錠中心位置處顯微疏松形成的影響

圖5展示了采用不同工具桿端面施振離工具桿端面30 mm的鑄錠中心處顯微疏松百分比的變化情況.當(dāng)未加超聲時，鑄錠中顯微疏松百分比為1.15%，而導(dǎo)入不同端面的工具桿對熔體施振后，顯微疏松百分比比未加超聲的鑄錠有明顯的降低.當(dāng)輸入功率為2600 W時，導(dǎo)入圓錐端面工具桿時抑制顯微疏松的效果較差，鑄錠中橫截面處顯微疏松百分比減少了36.5%;而采用平端工具桿時，抑制顯微疏松的效果最為明顯，降低了63.5%.從圖1可知，平端面工具桿正下方的“聲流效應(yīng)”最為顯著，在聲流沖擊下，工具桿端面下方的枝晶互相搭接形成的骨架容易被聲流沖擊波沖破，此時，枝晶骨架所封閉的小“熔池”就能較容易連接上熔池外的液體，這就為液體補(bǔ)縮創(chuàng)造了條件.同時較強(qiáng)的聲流也較容易除氣，這就使得顯微疏松的形成顯著降低.圖6展示了輸出功率為2600 W時，導(dǎo)入不同端面的工具桿施振后，距工具桿端面30 mm處鑄錠中心顯微疏松的形態(tài)變化.

圖5 不同超聲功率下鑄錠中心顯微疏松百分比的情況

3 結(jié)論

1)3種不同的工具桿中，球端面工具桿對距鑄錠表面60 mm處顯微疏松的抑制效果最好，顯微疏松百分比減少了52.7%.而平端面工具桿對鑄錠中心處顯微疏松的抑制效果最好，中心顯微疏松百分比減少了63.5%.

2)3種不同的工具桿中，球端面工具桿除氣效果最佳，除氣率達(dá)到了57.6%.而錐形端面工具桿除氣效率最低，只有26.9%.

3)球端面和平端面工具桿端面下方聲流效應(yīng)顯著，其對抑制鑄錠中心顯微疏松的形成起了積極作用.

圖6 3種不同端面工具桿施振后中心顯微疏松形態(tài)變化對比

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Effect of rod end face of ultrasonic casting on micro-porosity in Al alloy

ZHANG Ming，LI Xiao-qian，LI Zheng-hua，XU Xian-hua
(School of Mechanical and Electrical Engineering;Central South University，Changsha 410083，China，E-mail:zhangmingcsu@163.com)

The influence of three optimized tool rod end faces on the micro-porosity of 7050 aluminum at different ultrasonic power during ultrasonic casting was studied.The experimental results showed that the effect zone of spherical tool rod end face and its intensity was large，and the micro-porosity percentage was reduced by 43.6%at 60 mm from the ingot surface.The effect zone of conical tool rod end face was also large，but the sound wave radiated in a small intensity and its attenuation was the fastest，the inhibited effect was the worst.Axial sound intensity of the flat tool rod end face was the largest and large-scale acoustic streaming was formed under the radiator＇s face.The effect of inhabiting the formation of micro-porosity was the best and the central micro-porosity percentage reduced by 63.5%.Ultrasonic vibration can reduce radically the formation of microporosity by improving liquid feed and reduce hydrogen concentration.In addition，the large-scale acoustic streaming formed under the radiator＇s face can also contribute to improve liquid feed and restrain the formation of central micro-porosity.

micro-porosity;tool rod;ultrasonic vibration;degassing;feed

TB559;TG249.9 文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A 文章編號：1005－0299(2011)05－0102－04

2010－11－25.

國家重點基礎(chǔ)研究發(fā)展計劃資助項目(2010CB731700).

張 明(1984－)，男，碩士研究生;

李曉謙(1958－)，男，教授，博士生導(dǎo)師.

(編輯 程利冬)