李 紅，李 燦，栗卓新

(北京工業(yè)大學(xué) 材料科學(xué)與工程學(xué)院，北京100124)

功率超聲在金屬熔體成形中的作用效應(yīng)及其可視化研究進(jìn)展

李 紅，李 燦，栗卓新

(北京工業(yè)大學(xué) 材料科學(xué)與工程學(xué)院，北京100124)

主要介紹功率超聲在金屬熔體成形領(lǐng)域中的作用，詳述了超聲在鑄造成形、輔助焊接成形中細(xì)化晶粒、除氣除雜、強(qiáng)化焊縫、減小殘余應(yīng)力、促進(jìn)界面潤濕等方面的應(yīng)用和作用機(jī)理。針對超聲空化氣泡的高速攝影及金屬熔體中晶體生長的同步輻射X射線成像觀察的研究進(jìn)展，提出將高速攝影與同步輻射X射線成像結(jié)合起來，通過原位觀察方法研究超聲波與液態(tài)金屬媒質(zhì)的相互作用機(jī)理，為進(jìn)一步促進(jìn)超聲在金屬熔體成形中的應(yīng)用提供理論指導(dǎo)。

功率超聲；金屬熔體；超聲空化；可視化；同步輻射X射線成像

功率超聲技術(shù)是一門先進(jìn)的“綠色環(huán)?！奔夹g(shù)。功率超聲的振動頻率介于20kHz到1MHz之間，其作為一種能量形式，可與傳聲媒質(zhì)相互作用，改變材料的某些狀態(tài)，在金屬熔體成形，如金屬液態(tài)成形、金屬焊接成形等領(lǐng)域應(yīng)用廣泛。

由于超聲具有耗能少、效率高的優(yōu)勢，對材料本身和環(huán)境無污染，并且相關(guān)物理材料電子等領(lǐng)域科學(xué)技術(shù)的飛速發(fā)展使得大功率超聲設(shè)備的生產(chǎn)成為可能，功率超聲振動應(yīng)用于金屬材料成形前景越來越廣闊，然而功率超聲在金屬材料成形中的作用及機(jī)理方面較不清晰[1-3]。

本文主要介紹國內(nèi)外關(guān)于功率超聲對金屬熔體成形領(lǐng)域作用機(jī)制的研究，如超聲輔助鑄造成形、超聲輔助焊接成形等方面；并介紹了水及透明合金中氣泡在超聲作用下的空化行為的高速攝影觀察技術(shù)，以及超聲場作用下金屬熔體中晶體生長的同步輻射成像技術(shù)進(jìn)展，為金屬熔體與超聲場的相互作用機(jī)制的研究提供了更為直觀的信息。

1 功率超聲在金屬熔體成形中的作用機(jī)制

1.1 在鑄造成形中的作用機(jī)制研究

功率超聲在金屬凝固領(lǐng)域的研究開始于20世紀(jì) 30 年代，冶金工作者把超聲波作為一種外場導(dǎo)入到金屬液中，通過調(diào)整澆注溫度、功率超聲處理時間、功率大小等工藝參數(shù)，利用超聲波在液態(tài)金屬中產(chǎn)生空化作用和聲流作用等，達(dá)到細(xì)化凝固組織、防止中心偏析、去除夾雜和氣體等作用，如表1所示。

表1 超聲在鑄造成形中的效應(yīng)及作用機(jī)理Table 1 Effect and functional mechanism of ultrasound on casting forming

Moussa等[4]研究表明，經(jīng)超聲處理后，過共晶Mg-Si合金中初生Mg2Si從粗糙且尺寸大小不一的樹枝狀轉(zhuǎn)變?yōu)榫Я３叽缑黠@變小且均勻一致的多面體狀，認(rèn)為是空化效應(yīng)增強(qiáng)異質(zhì)形核和空化效應(yīng)誘導(dǎo)樹枝晶破碎，二者共同作用引起微觀組織改變。Khalifa等[5]在ADC12合金壓鑄過程中施加超聲，發(fā)現(xiàn)含鐵金屬間化合物相從長約200μm的長板狀變?yōu)樾∮?5μm細(xì)小多面/球狀形態(tài)，且超聲處理后初始凝固的形核過冷度從2.9℃減小到0.4℃，說明形核率明顯增加。Moraru[6]對超聲場下鋁合金的凝固動力學(xué)進(jìn)行分析，結(jié)果表明分布在超聲場中的細(xì)小空化泡增大了熔體內(nèi)質(zhì)點(diǎn)的熱傳遞系數(shù)，導(dǎo)致熔體熱傳導(dǎo)率增大。同時，超聲場效應(yīng)還導(dǎo)致了熔體密度增大，細(xì)化了合金凝固組織。Aghayani等[7]研究表明超聲處理會促進(jìn)α-Mg樹枝晶細(xì)化和球化，對金屬間化合物相的尺寸大小、連續(xù)性、球化和分布情況產(chǎn)生明顯的影響，分析認(rèn)為一方面空化效應(yīng)在熔體中產(chǎn)生臨時局部高壓點(diǎn)，增加了大多數(shù)合金的熔點(diǎn)，呈現(xiàn)大量局部過冷，導(dǎo)致大量形核，同時空化對難潤濕顆粒進(jìn)行了表面清潔，從而促進(jìn)異相成核；另一方面空泡潰滅時，沖擊波破碎大晶粒和樹突柱狀晶，在聲流下分布，增加了有效成核基底。與此同時，熔體中局部溫度的提高，使得樹枝狀等初始晶粒局部熔化，促進(jìn)等軸晶形成或晶粒直接球化。

Feng等[8]采用超聲處理過共晶鋁硅合金后，初晶Si得到細(xì)化，初生α-Al相由樹枝晶變?yōu)榈容S晶，并且初生α-Al相的枝晶臂尺寸得到明顯減小。Lin等[9]研究了超聲振動對高鐵含量過共晶鋁硅合金中富鐵相的影響，發(fā)現(xiàn)超聲處理后，Al-17Si-xFe合金中富鐵相得到細(xì)化，主要以晶粒尺寸在26～37μm之間的塊狀δ-Al4FeSi2相形式存在，并外加少量針狀β-Al5FeSi相；分析認(rèn)為是超聲振動的聲流作用和空化效應(yīng)使得溫度場和溶質(zhì)場更均勻，并提高了塊狀δ-Al4FeSi2相的初始凝固溫度，因而促進(jìn)了δ-Al4FeSi2相的細(xì)化。

蔣日鵬等和黎正華等[10-12]研究表明經(jīng)超聲外場處理的純鋁及7050鋁合金熔體的凝固組織明顯細(xì)化，組織形貌由枝狀晶變?yōu)榧?xì)小等軸晶，分析認(rèn)為超聲空化時空化氣泡潰滅蒸發(fā)導(dǎo)致局部過冷，局部的高溫高壓促進(jìn)二次形核，沖擊波破碎枝晶，使得形核率增加，進(jìn)而在聲流效應(yīng)下彌散分布，使得晶粒細(xì)化。

Huang等[13]通過實(shí)驗(yàn)和熔體中聲場和流場的數(shù)值模擬，發(fā)現(xiàn)經(jīng)超聲處理后在聲發(fā)射端前沿產(chǎn)生錐形有效細(xì)化區(qū)，內(nèi)部晶與壁面晶大量出現(xiàn)，它們開始于空化活化的氧化物或是空化誘導(dǎo)的核心，共同影響組織的細(xì)化。

此外，經(jīng)超聲波振動處理，可以方便、髙效地除氣除雜。研究表明，超聲空化效應(yīng)產(chǎn)生空化氣泡。由于氫分壓的原因，在一個超聲波振動周期內(nèi)，氫源源不斷進(jìn)入空化氣泡內(nèi)，進(jìn)而膨脹溢出液面，達(dá)到除氣的效果。

Eskin等[14]在超聲處理的熔體中不僅除去了氫，而且熔體中的固體非金屬夾雜物也相應(yīng)減少。同時發(fā)現(xiàn)熔體中的夾雜物嚴(yán)重影響著其中的氫初始含量，夾雜物越高，氫越容易溶解；隨后Maslan和Levi也證實(shí)超聲波在除氣的同時，除去了其中的非金屬固體夾雜物，并提出了以非金屬夾雜物作為空化核的除氣機(jī)制。Meidani等[15]在考慮表面張力、熱擴(kuò)散和流體動力黏度因素下，建立了空化氣泡的動力方程，在水和Al-Cu合金溶體中模擬了單個氣泡的動力學(xué)過程和氫的傳質(zhì)特性。Haghayeghi等[16]研究表明超聲頻率、施加時的熔體溫度對超聲除氣效率有很大影響，而超聲頻率影響很小，分析認(rèn)為超聲波除氣的關(guān)鍵問題是超聲誘導(dǎo)空化氣泡的生成和空化氣泡的生存。

國內(nèi)學(xué)者在功率超聲除氣方面的應(yīng)用研究起步較晚，李曉謙等[17,18]認(rèn)為超聲空化效應(yīng)對產(chǎn)生大量的空化泡起著關(guān)鍵作用，空化氣泡的“表面效應(yīng)”和“殼層效應(yīng)”在超聲除氣過程中起著決定作用。馬倩倩等[19]對A356液相線溫度(615℃)以下20℃以內(nèi)的半固態(tài)漿料施加超聲振動，除氣率為15%左右。分析認(rèn)為超聲振動除氣效應(yīng)是超聲空化效應(yīng)和聲流效應(yīng)共同作用的結(jié)果。鋁熔體中的氫氣一方面促進(jìn)空化泡形核，一方面使空化泡膨脹聚集、合并長大。在半固態(tài)溫度區(qū)間，聲流效應(yīng)引起的對流有助于空化泡的溢出，達(dá)到除氣效果。

在鑄造過程施加適當(dāng)?shù)某晥?，有效地?xì)化組織、除氣除雜，獲得具有良好組織和力學(xué)性能的鑄錠，是一種控制金屬凝固過程的有效手段。

1.2 在超聲輔助焊接成形中作用機(jī)制的研究

鑒于超聲在金屬凝固中的作用，越來越多的學(xué)者將超聲振動引入到焊接中，如超聲輔助電弧焊、超聲輔助釬焊、超聲輔助攪拌摩擦焊等，在細(xì)化晶粒、強(qiáng)化焊縫、減小殘余應(yīng)力等方面取得了顯著的成績。

1.2.1 超聲在電弧焊中的作用機(jī)制

將功率超聲應(yīng)用于電弧焊中，利用聲流和空化作用使剛長大的晶枝脫離基體，形成新的形核質(zhì)點(diǎn)，從而細(xì)化晶粒，合金成分偏析也得到改善。而超聲在電弧焊過程中的施加方式主要分為工件、焊絲和電弧三種形式。

Dai[20]在7075-T6鋁合金的TIG焊接過程中，在板材側(cè)壁加入超聲，發(fā)現(xiàn)在焊接過程中加入超聲后，過熱區(qū)和熱影響區(qū)部分的晶粒尺寸減小，試樣的熔深增加了45%左右。分析認(rèn)為由于超聲能量在熔池中的傳播過程中被黏度較大的液態(tài)金屬吸收后轉(zhuǎn)化為熱量。同時，聲流效應(yīng)帶來的傳熱方向性可以使熱量迅速向下傳播，使得熔深顯著增加。

然而，傳統(tǒng)的超聲耦合方法存在諸多缺陷，在焊接中的實(shí)際應(yīng)用較為困難。對此，學(xué)者在焊接過程中對電弧直接施加超聲，方式主要有兩種:一種是吳敏生等[21,22]在TIG焊接回路中施加調(diào)制信號，利用電弧的變阻性負(fù)載特性激勵出電弧超聲，對于改善焊縫接頭組織的綜合性能有明顯的作用，隨后，雷玉成等[23]也通過外加激勵源方式對TIG焊電弧進(jìn)行高頻調(diào)制從而激發(fā)出超聲電弧，發(fā)現(xiàn)超聲電弧能夠減少氣孔，將焊縫中粗大晶粒擊碎，生成細(xì)小的等軸晶組織；另一種是孫清潔等提出的超聲-TIG復(fù)合焊接方法[24]。在焊槍上改造添加超聲變幅桿，在焊接過程中對電弧施加超聲，超聲直接作用熔池上方，使得超聲場中的TIG電弧出現(xiàn)明顯收縮，電弧亮度提高，熔深增加，深寬比增大，焊縫性能提高[25]。同時，楊春利還提出了超聲-GMAW復(fù)合焊接方法[26]，在純Ar保護(hù)氣下，超聲對電弧依然存在壓縮作用,且熔滴過渡頻率增加，熔滴過渡由傳統(tǒng)GMAW時球狀拉長成橢球，分析認(rèn)為是由于超聲輻射力的作用造成的[27]。

在電弧焊中輔以超聲波，有效地促進(jìn)了液態(tài)焊縫金屬中氣體逸出，減少焊接氣孔，焊縫金屬晶粒明顯細(xì)化。

1.2.2 超聲在超聲輔助釬焊中的作用機(jī)制

利用超聲波在液體中傳播時的聲空化效應(yīng)和聲流效應(yīng)，去除合金表面氧化膜，可以輔助進(jìn)行釬焊，以實(shí)現(xiàn)新材料特別是異種金屬、金屬和非金屬材料的連接。

Nagaoka等[28]將超聲波作用直接施加于母材工件上，采用Sn-Zn釬料實(shí)現(xiàn)了超細(xì)晶強(qiáng)化1070鋁合金釬焊，連接溫度控制在300℃以下，避免晶粒長大而喪失強(qiáng)化效果，接頭抗拉強(qiáng)度可達(dá)150MPa。Elrefaey等[29]采用Al基釬料實(shí)現(xiàn)了大氣條件下Ti/Ti以及Ti/SS(不銹鋼)的釬焊連接。超聲波作用6s即可獲得無缺陷的接頭，界面由金屬間化合物Ti3Al構(gòu)成。

目前，大多數(shù)研究者都認(rèn)同超聲波可以部分去除氧化膜，并通過空化效應(yīng)等實(shí)現(xiàn)釬料在基材表面的潤濕、鋪展和填縫，從而在非真空和無釬劑條件下實(shí)現(xiàn)同種或異種材料的連接。

耿圓月和Li等[30,31]認(rèn)為超聲波在固/液界面?zhèn)鬟f時，一方面，促進(jìn)了機(jī)體表面粗糙度增大，增加了釬料/母材的接觸面積，導(dǎo)致固/液界面張力降低。另一方面，超聲能量作用在液/固界面上產(chǎn)生空化效應(yīng)，在熱能和射流動能的聯(lián)合作用下，表面的氧化膜被破碎，產(chǎn)生更多新生、高活性的金屬表面，加速了熔融態(tài)釬料在母材上的潤濕和鋪展。

針對超聲去除氧化膜，許志武等[32,33]進(jìn)行了較多的研究，提出兩種鋁基復(fù)合材料表面氧化膜的去除機(jī)制：潛流輔助破除機(jī)制和直接破除機(jī)制。前者認(rèn)為液態(tài)釬料沿鋁基母材與氧化膜的界面對基體進(jìn)行溶解，形成皮下潛流層，使氧化膜懸浮于液態(tài)釬料中，并在超聲波作用下破碎；后者無潛流現(xiàn)象，而是液態(tài)釬料直接通過氧化膜上的破裂通道對母材溶解，弱化氧化膜與母材的結(jié)合，并在超聲波振動作用下去除。

由此可見，在釬焊過程中施加超聲波，促進(jìn)了釬料合金與母材的潤濕，實(shí)現(xiàn)了常規(guī)條件下非潤濕或難潤濕的受迫潤濕現(xiàn)象。

1.2.3 超聲在超聲輔助攪拌摩擦焊中的作用機(jī)制

在超聲輔助攪拌摩擦焊接研究中，認(rèn)為將超聲振動的能量導(dǎo)入到焊縫深層，能夠降低焊接流變的抵抗力，減小殘余應(yīng)力，以達(dá)到改善焊縫組織，提高焊縫強(qiáng)度的目的，同時超聲的加入還可以起到細(xì)化晶粒、改善金屬宏觀和微觀偏析的效果。

賀地求等[34]和馬慧坤等[35]將攪拌頭與超聲的換能器變幅桿連為一體，對攪拌頭施加軸向(縱向)的超聲振動，研究了超聲復(fù)合攪拌摩擦焊接頭的組織與性能。Park[36]通過一對滾動軸承將超聲振動施加于攪拌頭側(cè)面，使攪拌頭具有橫向的超聲振動，并研究了攪拌頭橫向超聲振動對鋁合金和鋼的攪拌摩擦焊接的影響。Liu等[37]提出了超聲振動強(qiáng)化攪拌摩擦焊工藝(UVe-FSW)，初步揭示了超聲振動對攪拌摩擦焊過程的影響機(jī)制。

然而，超聲振動對焊縫金屬塑性流動行為的影響研究尚不深入，超聲振動和焊接應(yīng)力與變形機(jī)制的相互作用機(jī)理較為欠缺。

2 超聲場中空化氣泡動態(tài)過程及其作用的可視化研究

關(guān)于超聲場中空化氣泡的研究方法，首先通過高速攝影機(jī)直接觀察水及水溶液中空化氣泡的運(yùn)動、成長及各種邊界處潰滅過程，進(jìn)而研究空化氣泡的動態(tài)過程對媒質(zhì)傳熱、晶體生長等行為的作用。

早在20世紀(jì)60年代末期，學(xué)者開始利用電離、火花、激光等來做空泡潰滅的實(shí)驗(yàn)。Ashokkumar等[38]研究了超聲場中氣泡的運(yùn)動，分析了超聲空化泡的生長、聚合及溶解行為；Brujan等[39]采用YAG激光產(chǎn)生空泡，觀察了空化氣泡動態(tài)過程及沖擊波的產(chǎn)生。

近幾年，超聲空化研究專注于近壁單個空化氣泡及“空化云”的不對稱性潰滅及其對剛性表面的沖擊作用等。Brujan等[40,41]觀察了超聲場中剛性邊界附近半球狀“空化云”潰滅的最終過程，發(fā)現(xiàn)空泡潰滅時存在兩種不同的二次沖擊波產(chǎn)生方式；并分析了空化氣泡之間的相互作用，認(rèn)為其取決于空化氣泡和邊界的距離大小。Tzanakis等[42,43]采用高速攝影觀察不同類型空化氣泡的內(nèi)爆機(jī)制，發(fā)現(xiàn)空化氣泡潰滅過程中微射流的存在，速率在200～700m/s，并通過空蝕區(qū)域的幾何特性，分析出水中近壁空化氣泡的沖擊壓力大約為0.4～1GPa。白立新等[44,45]用高速攝影記錄了近壁空化氣泡的形成、長大、潰滅的全過程；并研究了超聲場中硬壁凹坑的空化空蝕特性等。同時，Liu等[46,47]研究了單加熱板附近及雙平行加熱板之間空化氣泡的生長和潰滅過程，分析了其對熱傳遞的影響。

同時，為進(jìn)一步研究超聲在材料成形中的作用，近年來，部分學(xué)者研究了超聲場下空化效應(yīng)對透明合金結(jié)晶過程的影響。Shu等[48]運(yùn)用高速攝影研究了超聲場下透明合金丁二腈-莰酮中空化氣泡的動態(tài)行為和其對樹枝晶生長的影響，發(fā)現(xiàn)空化氣泡崩潰時產(chǎn)生局部的沖擊波，將樹枝晶破碎成小塊晶粒，進(jìn)而生成豐富的形核質(zhì)點(diǎn)，有效促進(jìn)晶粒細(xì)化，如圖1所示。

然而，透明合金與金屬材料在一些重要的物理化學(xué)性能參數(shù)上有明顯差別，不能完全依據(jù)透明有機(jī)物凝固的實(shí)驗(yàn)觀察結(jié)果推理金屬合金的凝固微觀組織形成過程。

近年來，隨著高能量、高亮度、高分辨率及單色性好的同步輻射X射線成像技術(shù)發(fā)展，可滿足枝晶生長的實(shí)時成像要求，已成為目前最適合對金屬合金枝晶生長等行為及外場作用的原位實(shí)時成像實(shí)驗(yàn)方法。

Mathiesen等[49]利用歐洲同步輻射裝置(ESRF)觀察到了近共晶成分的Al-30%Cu合金在定向凝固條件下的生長過程。Bogno等[50]觀察了等溫條件下Al-10%Cu合金的等軸晶生長。Wang等[51,52]利用北京同步輻射光源，揭示了Sn-Pb合金等軸/柱狀晶生長行為與形貌演變等一系列凝固微觀動力學(xué)現(xiàn)象，發(fā)現(xiàn)由于根部溶質(zhì)富集嚴(yán)重，造成枝晶根部重熔斷裂，也就是俗稱的“縮頸”現(xiàn)象。

此外，同步輻射X射線成像技術(shù)在外場作用下鑄造成形及焊接成形中晶粒生長行為等方面有廣泛的運(yùn)用。Liotti等[53]觀察了外加電磁場作用下Al-15Cu合金熔體成形過程中樹枝晶破碎行為，Wang等[54]實(shí)時觀察了電流作用下Sn-Bi合金凝固過程中枝晶形貌演變行為，發(fā)現(xiàn)了電流致枝晶尖端分裂現(xiàn)象。

Qu等和Zhou等[55,56]實(shí)時觀察釬焊過程中Sn/Cu界面金屬間化合物Cu6Sn5生長行為,第一次直接觀察到了金屬間化合物的吞并行為,并發(fā)現(xiàn)在添加稀土元素后，直流電場下的金屬間化合物Cu6Sn5變得更均勻和細(xì)小。

圖1 樹枝晶尖端穩(wěn)態(tài)空化氣泡破碎二次枝晶臂的過程(a)t=0ms, 開始;(b)t=11.59ms,232次周期后;(c)t=13.93ms,279次周期后;(d)t=15.77ms,315次周期后Fig.1 Process of fracturing a secondary dendrite arm by a quasi-steady cavitation bubble pulsing on the tip of a dendrite(a)t=0ms,the start;(b)t=11.59ms, after wave 232periods;(c)t=13.93ms,after 279 periods;(d)t=15.77ms,after 315 periods

Lee等[57]使用X射線相襯成像技術(shù)，第一次觀察到低熔點(diǎn)Sn-Bi液態(tài)金屬中穩(wěn)態(tài)超聲空化氣泡的動態(tài)過程。Huang等[58]運(yùn)用同步輻射成像技術(shù)，成功捕捉到超聲場下Al-Cu合金熔體中的瞬態(tài)空化氣泡，如圖2所示。隨后，Huang等[59]運(yùn)用一種小角X射線散射方法原位觀察超聲處理后的Al-Cu合金熔體的散射結(jié)構(gòu)的變化，發(fā)現(xiàn)了在金屬熔體中持續(xù)施加超聲波，導(dǎo)致了空化誘導(dǎo)形核，而這種晶粒細(xì)化能力在保溫階段的過熱熔體中得以保存，最終獲得細(xì)化的凝固組織，進(jìn)而充分證實(shí)空化誘導(dǎo)形核理論的假設(shè)，如圖3所示。

圖2 Al-10%Cu合金空化氣泡的同步輻射成像Fig.2 X-ray imaged cavitation bubbles in Al-10%Cu alloy

Xu等[60]運(yùn)用同步輻射裝置原位觀察到超聲場下熔融Al-Cu合金中的空化氣泡的形成、潰滅和運(yùn)動過程，圖像分析結(jié)果表明，Al-Cu合金中的空化氣泡平均尺寸為(16±0.5)μm，如圖4所示。隨后，Tzanakis等[61]觀察到伴隨著空化氣泡的生成與潰滅，金屬熔體通過槽型通道的再填充現(xiàn)象，證明具有高表面張力和高密度的金屬熔體在狹窄空間會產(chǎn)生超聲毛細(xì)管效應(yīng)的假設(shè)，認(rèn)為與超聲空化氣泡潰滅時產(chǎn)生的微射流有密切關(guān)系。

綜上所述，通過高速攝影以水或透明合金為媒質(zhì)的超聲空化研究，成功觀察到空化氣泡的動態(tài)運(yùn)動過程以及其與晶體生長、傳熱等的相互作用,但存在一定的局限性；同步輻射X射線實(shí)時成像技術(shù)的出現(xiàn)，實(shí)現(xiàn)了金屬合金高溫固態(tài)相變過程晶體生長、釬焊過程中金屬間化合物生長等行為及超聲場下金屬熔體空化氣泡的原位可視化觀察，取得一定進(jìn)展，為對超聲場下合金凝固過程晶體生長行為、超聲空化氣泡的演變過程，以及超聲輔助焊接成形中去除氧化膜等的可視化研究提供了可能和借鑒。然而，同步輻射X射線成像效果與觀察樣品厚度、成分關(guān)系密切，且拍攝速率受制于樣品的分析與響應(yīng)時間，時間分辨率較低(僅幾十幀每秒)，完整觀察空化氣泡在液態(tài)金屬中的生長過程仍存在一定困難。

圖4 超聲場下空化氣泡的典型行為 (a)超聲處理開始78ms后;(b)在0.5s時超聲處理停止;(c)周期的末尾(1s); (d)圖(a)和圖(b)的圖像差異;(e)圖(b)和圖(c)的圖像差異;(f)超聲處理新周期開始78ms后Fig.4 Typical behaviour of cavitation bubbles under present sonication conditions (a)78ms after the start of sonication;(b)sonication stops at 0.5s;(c)the end of a cycle (1s);(d)image difference by subtracting frame (b) from (a);(e)image difference by subtracting frame (c)from (b);(f)78ms after the start of a new cycle of sonication

3 結(jié)束語

(1)在金屬熔體成形(鑄造)中引入超聲場，伴隨著聲空化和聲流等多種作用和相關(guān)反應(yīng)，使得晶粒細(xì)化、組織均勻化、除氣除雜，獲得最佳組織和良好性能；在焊接成形過程中施加超聲，可以細(xì)化焊縫金屬晶粒，去除焊縫氣孔，強(qiáng)化焊縫，減弱殘余應(yīng)力。

(2)超聲和合金熔體相互作用物理機(jī)制缺乏實(shí)質(zhì)的理論支持。由于一般金屬合金熔體的不透明性，大多是以焊接效果來推斷超聲作用效應(yīng)，或者將水及其他透明溶液中空化行為反推到金屬中，取得一定的研究成果，但不確定性較強(qiáng)，超聲場對金屬熔體成形中晶體生長、動態(tài)再結(jié)晶及促進(jìn)界面潤濕的影響機(jī)制的研究待深入。

(3)同步輻射成像技術(shù)廣泛應(yīng)用于原位實(shí)時觀察金屬凝固組織的演變過程。本文設(shè)想可將同步輻射X射線實(shí)時成像技術(shù)與高速攝影結(jié)合起來，對超聲波在液態(tài)金屬中的空化氣泡行為以及它們在破碎枝晶、除氣除雜，促進(jìn)界面潤濕等方面的作用過程實(shí)時成像，為超聲與金屬熔體相互作用機(jī)制的研究提供直觀的數(shù)據(jù)。

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(本文責(zé)編：楊 雪)

Progress in Power Ultrasound Effect on Molten Metal Shaping and Its Visualization

LI Hong,LI Can,LI Zhuo-xin

(College of Materials Science and Engineering, Beijing University of Technology,Beijing 100124，China)

The effect of power ultrasound in molten metal shaping was summarized. The application and mechanism of ultrasonic treatment in the grain refinement, degassing and impurity removal in casting process, as well as strengthening of weld seam by reducing residual stress and promoting interfacial wetting in welding process were reviewed in details. The progress in high-speed photography of ultrasonic cavitation bubbles and synchrotron radiation X-ray imaging of crystal growth in molten metal was reviewed and discussed. It was proposed to adoptin-situinvestigation of mechanism of ultrasound in liquid metal medium by combining high-speed photography and synchrotron radiation X-ray imaging. It aims to provide theoretical guidance for further applications of ultrasound in the molten metal shaping.

power ultrasound;molten metal;ultrasonic cavitation;visualization;synchrotron radiation X-ray imaging

國家自然科學(xué)基金資助項(xiàng)目(51275008,51475007)

2015-12-19；

2016-11-13

李紅(1977-)，女，副教授，博士，主要研究輕金屬精密釬焊技術(shù)、異種材料擴(kuò)散連接工藝和理論等，聯(lián)系地址：北京市朝陽區(qū)平樂園100號北京工業(yè)大學(xué)材料科學(xué)與工程學(xué)院(100124)，E-mail：hongli@bjut.edu.cn

10.11868/j.issn.1001-4381.2015.001525

TG454

A

1001-4381(2017)05-0118-09