雙源超聲輔助鑄造相位差對鋁合金細晶效果的影響

章武，李曉謙，彭浩，蔣日鵬

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雙源超聲輔助鑄造相位差對鋁合金細晶效果的影響

章武，李曉謙，彭浩，蔣日鵬

(中南大學輕合金研究院，高性能復雜制造國家重點實驗室，長沙 410083)

建立雙源超聲鋁合金鑄造熔池模型，利用fluent軟件模擬相同頻率與不同頻率下相位差對熔池聲場的影響。仿真結(jié)果顯示，相同頻率下，相位差顯著影響熔池聲場的分布，隨相位差增大，熔池空化域變?。徊煌l率下，相位差對熔池聲場的分布無影響。通過不同相位差雙源超聲鑄造試驗發(fā)現(xiàn)，同頻率振動下，相位差對雙源超聲鑄造邊部及超聲輻射區(qū)的晶粒細化效果影響很小，心部晶粒細化效果隨相位差變大效果變差；不同振動頻率作用下，相位差對鑄錠細晶效果無影響，心部晶粒細化效果與同頻率相位差為90°時接近。同頻率相位差0°超聲作用下，鑄錠心部晶粒尺寸較常規(guī)不同頻率雙源超聲作用下心部晶粒尺寸大幅減小。

鋁合金；雙源超聲鑄造；相位差；空化域；晶粒細化

超聲鑄造是一種無污染、高效率且極具發(fā)展?jié)摿Φ男滦丸T造技術(shù)。目前的研究認為，超聲波在熔體中產(chǎn)生的空化效應能顯著細化晶粒，提高材料性能，在強超聲場正負聲壓的高頻交替作用下，形成空化泡，空化泡崩潰瞬間產(chǎn)生的高溫高壓以及高強度的微射流，促使鋁合金熔體中的初生晶被打碎，異質(zhì)結(jié)晶核數(shù)目增多，結(jié)晶核與固相間的潤濕角被減小，實際結(jié)晶溫度降低，過冷度增大，從而使凝固組織得到明顯的細化[1?5]。由于鋁合金熔池的高溫，高腐蝕性，不可見及金屬屏蔽作用，鮮有有效的設(shè)備來檢測鋁熔體中的超聲波聲場分布，故采用數(shù)學模擬的方法對鋁熔體中超聲聲場的分布進行研究。目前，對多源超聲鑄造的研究都是基于單個超聲源，不考慮多個超聲源之間的相位差，對多個超聲源之間的相互協(xié)同疊加作用鮮有涉及。對于大規(guī)格鑄錠的超聲鑄造，由于鑄錠半徑增大，為改善大鑄錠整體材料性能，一般采用導入多個超聲源的方法，例如630 mm圓錠超聲鑄造導入兩個超聲波源[6?9]，多個超聲源產(chǎn)生的超聲波在鋁熔體中傳播時，波與波之間存在疊加效應，波的疊加會影響到熔池中的聲場分布，影響超聲空化域分布，從而影響超聲鑄造鑄錠的鑄造效果，而波與波的疊加與振動相位差相關(guān)[10?11]。目前的研究基本沒有涉及相位差對雙源超聲鑄造的影響。本文應用fluent軟件對雙超聲波源的超聲鑄造聲場分布與振動相位差的關(guān)系進行了研究，并搭建試驗平臺對模擬結(jié)果進行驗證，探討雙源超聲鑄造時相位差對鑄造效果的影響，為雙源超聲鑄造兩個超聲源之間的工藝參數(shù)匹配提供理論依據(jù)。

1 雙源超聲熔池聲場數(shù)值模擬

1.1 模型與參數(shù)

圖1(a)所示為鋁合金圓錠鑄造現(xiàn)場圖，在630 mm鋁合金圓錠半連續(xù)鑄造中，對稱布置兩套波振動系統(tǒng)，超聲波通過垂直浸入鋁液中的超聲輻射桿直接導入熔體中，實測得熔池深度為450 mm，輻射桿間中心距離為180 mm。

圖1(b)所示為仿真模型，考慮到鑄造工藝條件的對稱性，取1/2熔池為計算域，輻射桿端面振幅分布均勻[12]，利用fluent 動網(wǎng)格技術(shù)通過超聲輻射桿端面導入超聲振動，采用vof模型模擬鋁液與空氣分界處的自由面，以熔池液面中心為計算域原點，輻射桿端面中心坐標分別為(?90，0，240)和(90，0，240)，底面及側(cè)面邊界為剛性硬壁面，熔池上與空氣接觸液面為自由液面，空氣層上表面為壓力無限遠程邊界，熔池溫度為720℃，輻射桿振幅為12 μm，施振頻率采用目前超聲鑄造常用頻率，分別為19，20和20.5 kHz，采用六面體結(jié)構(gòu)單位劃分網(wǎng)格，計算過程為瞬態(tài)，時間步長為2.5×10?6s，計算20000步，模擬相位差對熔池聲場分布的影響。

1.2 模擬結(jié)果與分析

仿真過程中發(fā)現(xiàn)相位差對熔池聲場的影響與頻率是否相同有關(guān)，故仿真結(jié)果按相同頻率與不同頻率來分析。

1.2.1 相同頻率下相位差對聲場分布的影響

施振頻率為實驗常用的20 kHZ，相位差分別為0°，45°，90°，135°，180°。已有研究表明鋁熔體中發(fā)生超聲空化效應的必要條件是聲壓幅值大于空化閾值1.1 MPa[13]，所以模擬結(jié)果選取聲壓大于1.1 MPa的空化域來分析，將一個振動周期均分取四個時間點，熔池中心對稱面上空化域變化與相位差的關(guān)系如圖2所示。

由圖2可知，同頻率下，在相位差為0°時，兩個輻射桿超聲的空化域同步增大，輻射桿之間存在明顯的超聲疊加增強作用，空化域接連在一起，明顯增大，中心區(qū)域存在明顯的空化區(qū)域；隨相位差增大至45°，輻射桿振動稍有異步差，輻射桿之間仍存在疊加增強區(qū)域，空化域接連在一起，但其面積較相位差為0°時??；當相位差為90°及135°時，則不能觀測到明顯的疊加增強區(qū)域；當相位差為180°時，超聲振動完全異步，一個振動周期內(nèi)，一個輻射桿產(chǎn)生正聲壓時，則另一輻射桿產(chǎn)生負聲壓，各自產(chǎn)生空化時間異步，空化域向熔池外側(cè)偏移，靠近熔池中心線側(cè)空化域減小。這是因為，一輻射桿產(chǎn)生的負聲壓與另一輻射桿產(chǎn)生的正聲壓抵消，使得總聲壓減弱，因此相位差為180°時，兩輻射桿產(chǎn)生的空化效果變?nèi)??？梢酝茰y，頻率相同時，0°相位差的空化域最大，超聲鑄造效果最好，鑄錠心部晶粒細化效果好，隨相位差增大，空化域減小，鑄造效果變差，鑄錠心部晶粒細化效果變差。

圖1 鋁合金雙源超聲鑄造熔池聲場模擬模型

圖2 同頻率不同相位差雙源超聲鑄造熔池空化域變化的時間歷程

1.2.2 不同頻率下相位差對聲場分布的影響

仿真選取19 kHz與20.5 kHz兩個鑄造常用頻率。在不同頻率下，由于難以觀測到空化域變化規(guī)律，故采用監(jiān)測點的方式，提取不同方位8個監(jiān)測點的聲壓隨時間變化的波形圖，發(fā)現(xiàn)各個點的聲壓幅值不恒定，幅值的包絡(luò)線為一有固定波結(jié)的周期變化曲線，以熔池中心線上距輻射桿端面下方5cm處為例。圖3 所示為不同頻率雙源超聲鑄造心部聲壓波形與相位差的關(guān)系，由圖3可知，當超聲頻率不同時，熔池內(nèi)某一點的聲壓幅值呈一波節(jié)的周期變化。對比圖3中(a)，(b)，(c)，(d)可知，隨相位差增大，熔池內(nèi)某點的聲壓宏觀曲線不發(fā)生變化，相位差只是改變該點聲壓的初始值，不影響整體聲壓變化，在不同頻率下，相位差對雙源超聲鑄造熔池內(nèi)聲場分布無影響?？梢酝茰y，在不同頻率下，相位差對雙源超聲鑄造效果無影響。

2 雙源超聲波鑄造實驗

2.1 實驗材料與裝置

7050鋁合金，試驗使用設(shè)備為鑄造用超聲波電源，鑄造用超聲振動系統(tǒng)(包含PZT壓電陶瓷片，變幅桿，輻射桿)。其它輔助設(shè)備為井式加熱爐，微米級基恩士激光測距儀，高精度電子稱，石墨坩堝，熱電偶，游標卡尺。

在同振動頻率下，為達到控制振動相位差的目的，選取了兩套同批次超聲振動系統(tǒng)，并設(shè)計了如圖4所示的電路。

超聲振動系統(tǒng)驅(qū)動源來自上部的壓電陶瓷組，壓電陶瓷的振動相位與輸入的電壓相位一一對應，所以可以通過改變超聲振動系統(tǒng)輸入端的電壓相位來改變超聲振動系統(tǒng)的振動相位。圖4(a)中兩套相同的超聲振動系統(tǒng)共用一個超聲波電源，故其振動同步，相位差為0o；圖4(b)中采用RC移相電路，RC移相電路能改變電壓相位差，依式Δ=?tan?1()[14]，選取6 μF/ 450 V電容，20 Ω/100 W電阻，則相位差為86.3°；圖4(c)中一套超聲振動系統(tǒng)輸入端反接，則相對另一套超聲振動系統(tǒng)，其輸入電壓相位差為180°，因而振動相位差也為180°。

圖3 不同頻率雙源超聲鑄造心部聲壓波形與相位差的關(guān)系

圖4 同頻率不同相位差超聲振動系統(tǒng)裝置原理圖

在不同振動頻率下，必須采用兩套超聲波電源，輸入端相位差不可控，目前對高頻微振動，很難測得其初始振動相位差，采用兩套超聲振動系統(tǒng)時，相位差與超聲電源啟動時間有關(guān)，因為超聲為高頻振動，周期為5×10?5s，在如此短時間內(nèi)，很難控制超聲電源啟動時間，故本文只做隨機相位實驗。

2.2 實驗過程及取樣部位

為保證試驗時輻射桿端面振幅一致，鑄造實驗前，用微米級基恩士激光測距儀對輻射桿端面振幅進行測試，調(diào)節(jié)超聲波電源輸出功率，使得輻射桿端面振幅保持在12 μm。鑄造實驗示意圖如圖5(a)所示，石墨坩堝尺寸為25cm，輻射桿距離中心10 cm。振動頻率相同時，選取兩套20 kHz超聲振動系統(tǒng)，針對相位差為0°，86.3°及180°各做1組實驗，而對不同振動頻率，選取19.5 kHz及20.5 kHz兩套超聲振動系統(tǒng)，隨機相位差做3組實驗。

鑄造結(jié)束后，在輻射桿端面下方5 cm處，按圖5(b)取一條形樣，從距離鑄錠端部20 mm處開始，以20 mm為間距截取金相試樣，通過金相顯微鏡觀測微觀組織，統(tǒng)計和計算出不同位置的晶粒尺寸。

2.3 實驗結(jié)果與分析

圖6所示為在同頻率振動，不同振動相位差超聲作用下，鑄錠不同位置的微觀組織。由圖可知，超聲鑄造后，鑄錠所有區(qū)域晶粒明顯細化，不同相位差時，心部細晶效果差異較大。相位差為0°時，鑄錠心部細晶效果顯著，心部晶粒平均尺寸為140 μm，晶粒均為細小等軸晶；相位差為86.3°時，心部晶粒尺寸為186 μm，部分晶粒粗大不規(guī)則；而當相位差為180°時，心部晶粒平均尺寸為241 μm，且晶粒不規(guī)則，有發(fā)展成枝狀晶的趨勢。相位差越小，中心區(qū)域晶粒細化效果越好，對邊部與超聲輻射區(qū)晶粒細化效果差別不大。從前面的模擬結(jié)果可知，當相位差為0°時，由于超聲輻射桿聲壓疊加增強，無論聲壓輻射區(qū)還是鑄錠心部聲壓幅值較大，均出現(xiàn)空化效應，所以心部細化效果好；而隨相位差增大，由于超聲輻射桿產(chǎn)生的超聲傳至心部區(qū)域不同步，導致心部聲壓幅值反而降低，當相位差為180°時，則完全異步，心部聲壓正負抵消，導致鑄錠心部超聲幅值很低，心部區(qū)域晶粒細化效果差。因超聲波在鋁熔體中傳播時存在衰減[15]，在邊部及超聲輻射區(qū)，一根超聲輻射桿產(chǎn)生的超聲波與另一輻射桿產(chǎn)生的超聲波疊加后相對影響較小，其中一根輻射桿產(chǎn)生的超聲波起主導作用，故而相位差對邊部及超聲輻射區(qū)細晶效果的影響較小。

圖5 雙源超聲波鑄造示意圖

圖6 同頻率不同相位差雙源超聲鑄造鑄錠的微觀組織

圖7所示為不同振動頻率下隨機相位鑄錠不同位置晶粒細化效果，由圖可知，在不同頻率下，相位差不同時，鑄錠各位置細晶效果基本無差別，邊部與超聲輻射區(qū)的晶粒尺寸與同頻率下邊部和超聲輻射區(qū)的晶粒尺寸基本相同，心部晶粒尺寸為197 μm，與同頻率超聲作用下相位差為86.3°時接近，較相位差為180°時細小。

同時在數(shù)十次630 mm圓錠雙源超聲鑄造中，都是采用兩套超聲電源，各自控制一套超聲振動系統(tǒng)，超聲振動系統(tǒng)頻率不同，相位差與超聲電源啟動時間有關(guān)，相位差隨機變化，在數(shù)十次雙源超聲630 mm圓錠鑄造后，觀察圓錠微觀組織，發(fā)現(xiàn)各個位置細晶效果差別不大[9]。結(jié)合前面仿真結(jié)果，可推測在不同頻率雙源超聲鑄造中，鑄錠細晶效果與相位差無關(guān)。

從前面仿真結(jié)果可知，兩個輻射桿頻率不同時，相位差不影響熔池聲場分布。熔池中各點聲壓波形為一存在波結(jié)的周期波動，在頻率不同時，熔池中空化域變化可以近似看成一系列相位差在不停變化的同頻率振動的組合，在熔池心部存在聲壓疊加增強時刻，也存在相互抵消削弱時刻；而在同頻率超聲振動相位差為0°時，心部聲壓始終增強，相位差為180°時聲壓始終削弱，故在不同頻率超聲作用下，心部晶粒細化效果較同頻率超聲振動0°相位差時差，與同頻率超聲振動相位差為90°時接近。相對目前雙源超聲鑄造常采用不同振動頻率的超聲振動系統(tǒng)而言，相同頻率，0°相位差的超聲振動系統(tǒng)對心部晶粒細化效果更好。

圖7 不同頻率雙源超聲鑄造鑄錠的微觀組織

3 結(jié)論

1) 相位差對雙源超聲鑄造熔池聲場分布的影響與頻率有關(guān)。頻率相同時，相位差顯著影響其聲場分布，相位差為0°時，熔池空化域最大，隨相位差增大，空化域減小；頻率不同時，相位差對熔池聲場分布無影響。

2) 同頻率振動下，相位差對雙源超聲鑄造邊部及超聲輻射區(qū)晶粒細化效果的影響很小，心部晶粒細化效果隨相位差增大效果變差；不同振動頻率作用下，相位差對鑄錠細晶效果無影響，心部晶粒細化效果與同頻率相位差為90°時接近。

3) 同頻率0°相位差超聲作用下，鑄錠心部晶粒尺寸相對常規(guī)不同頻率雙源超聲作用下心部晶粒尺寸大大減小。

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(編輯 高海燕)

Effect of phase-difference on grain refinement of the dual-source ultrasonic casting aluminum alloy

ZHANG Wu, LI Xiaoqian, PENG Hao, JIANG Ripeng

(College of Light Alloy, State Key Laboratory of High Performance Complex Manufacturing,Central South University, Changsha 410083, China)

The model of aluminum alloy dual-source ultrasonic casting bath was established, and the effects of different phase-differences on the bath sound field under the same and different frequencies were simulated with fluent software. The results of simulation show that under the same frequency, the distribution of sound field is significantly affected by phase-differences, and the cavitation domain decreases with increasing phase-difference; while phase-differences have no effect on the sound field distribution under difference frequencies. The dual-source casting conducted with different phase-differences under the same frequency shows little effects on the refinement of grains in the edge and ultrasound irradiation fields, and the refinement of grains in the center part deteriorates with increasing phase-difference. While under the condition of different frequencies, the phase-differences show no effect on the refinement of grains, and the refinement of grains in the center part is similar to that under the conditions of dual-source ultrasound with the same frequency and a phase-difference of 90°. Under the conditions of dual-source ultrasound with the same frequency and a phase-difference of 0°, the grain size decreases much compared to that conducted with dual-source ultrasound with different frequencies.

aluminum alloy; dual-source ultrasonic casting; phase difference; cavitation domain; grain refinement

TG249.7; TB559

A

1673?0224(2016)04?596?07

國家重點基礎(chǔ)研究發(fā)展規(guī)劃(973 計劃) 資助項目：航空航天用高性能輕合金大型復雜結(jié)構(gòu)件制造的基礎(chǔ)研究(2010CB731706)；航空高性能輕合金材料的基礎(chǔ)研究(2012CB619504)

2015?08?24；

2015?10?09

李曉謙，教授，博導，電話：0731-88877380；E-mail: meel@csu.edu.cn