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(duì)鋁合金細(xì)晶效果的影響

章武，李曉謙，彭浩，蔣日鵬

(中南大學(xué)輕合金研究院，高性能復(fù)雜制造國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，長(zhǎng)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(duì)熔池聲場(chǎng)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(chǎng)的分布，隨相位差增大，熔池空化域變?。徊煌l率下，相位差對(duì)熔池聲場(chǎng)的分布無(wú)影響。通過(guò)不同相位差雙源超聲鑄造試驗(yàn)發(fā)現(xiàn)，同頻率振動(dòng)下，相位差對(duì)雙源超聲鑄造邊部及超聲輻射區(qū)的晶粒細(xì)化效果影響很小，心部晶粒細(xì)化效果隨相位差變大效果變差；不同振動(dòng)頻率作用下，相位差對(duì)鑄錠細(xì)晶效果無(wú)影響，心部晶粒細(xì)化效果與同頻率相位差為90°時(shí)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(xì)化

超聲鑄造是一種無(wú)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(rèn)為，超聲波在熔體中產(chǎn)生的空化效應(yīng)能顯著細(xì)化晶粒，提高材料性能，在強(qiáng)超聲場(chǎng)正負(fù)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(qiáng)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(rùn)濕角被減小，實(shí)際結(jié)晶溫度降低，過(guò)冷度增大，從而使凝固組織得到明顯的細(xì)化[1?5]。由于鋁合金熔池的高溫，高腐蝕性，不可見(jiàn)及金屬屏蔽作用，鮮有有效的設(shè)備來(lái)檢測(cè)鋁熔體中的超聲波聲場(chǎng)分布，故采用數(shù)學(xué)模擬的方法對(duì)鋁熔體中超聲聲場(chǎng)的分布進(jìn)行研究。目前，對(duì)多源超聲鑄造的研究都是基于單個(gè)超聲源，不考慮多個(gè)超聲源之間的相位差，對(duì)多個(gè)超聲源之間的相互協(xié)同疊加作用鮮有涉及。對(duì)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(dǎo)入多個(gè)超聲源的方法，例如630 mm圓錠超聲鑄造導(dǎo)入兩個(gè)超聲波源[6?9]，多個(gè)超聲源產(chǎn)生的超聲波在鋁熔體中傳播時(shí)，波與波之間存在疊加效應(yīng)，波的疊加會(huì)影響到熔池中的聲場(chǎng)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(dòng)相位差相關(guān)[10?11]。目前的研究基本沒(méi)有涉及相位差對(duì)雙源超聲鑄造的影響。本文應(yīng)用fluent軟件對(duì)雙超聲波源的超聲鑄造聲場(chǎng)分布與振動(dòng)相位差的關(guān)系進(jìn)行了研究，并搭建試驗(yàn)平臺(tái)對(duì)模擬結(jié)果進(jìn)行驗(yàn)證，探討雙源超聲鑄造時(shí)相位差對(duì)鑄造效果的影響，為雙源超聲鑄造兩個(gè)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(chǎng)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(chǎng)圖，在630 mm鋁合金圓錠半連續(xù)鑄造中，對(duì)稱布置兩套波振動(dòng)系統(tǒng)，超聲波通過(guò)垂直浸入鋁液中的超聲輻射桿直接導(dǎo)入熔體中，實(shí)測(cè)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(duì)稱性，取1/2熔池為計(jì)算域，輻射桿端面振幅分布均勻[12]，利用fluent 動(dòng)網(wǎng)格技術(shù)通過(guò)超聲輻射桿端面導(dǎo)入超聲振動(dòng)，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(jì)算域原點(diǎn)，輻射桿端面中心坐標(biāo)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(wú)限遠(yuǎn)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(jì)算過(guò)程為瞬態(tài)，時(shí)間步長(zhǎng)為2.5×10?6s，計(jì)算20000步，模擬相位差對(duì)熔池聲場(chǎng)分布的影響。

1.2 模擬結(jié)果與分析

仿真過(guò)程中發(fā)現(xiàn)相位差對(duì)熔池聲場(chǎng)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(lái)分析。

1.2.1 相同頻率下相位差對(duì)聲場(chǎng)分布的影響

施振頻率為實(shí)驗(yàn)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(yīng)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(lái)分析，將一個(gè)振動(dòng)周期均分取四個(gè)時(shí)間點(diǎn)，熔池中心對(duì)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(shí)，兩個(gè)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(qiáng)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(dòng)稍有異步差，輻射桿之間仍存在疊加增強(qiáng)區(qū)域，空化域接連在一起，但其面積較相位差為0°時(shí)??；當(dāng)相位差為90°及135°時(shí)，則不能觀測(cè)到明顯的疊加增強(qiáng)區(qū)域；當(dāng)相位差為180°時(shí)，超聲振動(dòng)完全異步，一個(gè)振動(dòng)周期內(nèi)，一個(gè)輻射桿產(chǎn)生正聲壓時(shí)，則另一輻射桿產(chǎn)生負(fù)聲壓，各自產(chǎn)生空化時(shí)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?yàn)?，一輻射桿產(chǎn)生的負(fù)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(shí)，兩輻射桿產(chǎn)生的空化效果變?nèi)??？梢酝茰y(cè)，頻率相同時(shí)，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(xì)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(xì)化效果變差。

圖1 鋁合金雙源超聲鑄造熔池聲場(chǎng)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(shí)間歷程

1.2.2 不同頻率下相位差對(duì)聲場(chǎng)分布的影響

仿真選取19 kHz與20.5 kHz兩個(gè)鑄造常用頻率。在不同頻率下，由于難以觀測(cè)到空化域變化規(guī)律，故采用監(jiān)測(cè)點(diǎn)的方式，提取不同方位8個(gè)監(jiān)測(cè)點(diǎn)的聲壓隨時(shí)間變化的波形圖，發(fā)現(xiàn)各個(gè)點(diǎn)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(dāng)超聲頻率不同時(shí)，熔池內(nèi)某一點(diǎn)的聲壓幅值呈一波節(jié)的周期變化。對(duì)比圖3中(a)，(b)，(c)，(d)可知，隨相位差增大，熔池內(nèi)某點(diǎn)的聲壓宏觀曲線不發(fā)生變化，相位差只是改變?cè)擖c(diǎn)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(duì)雙源超聲鑄造熔池內(nèi)聲場(chǎng)分布無(wú)影響。可以推測(cè)，在不同頻率下，相位差對(duì)雙源超聲鑄造效果無(wú)影響。

2 雙源超聲波鑄造實(shí)驗(yàn)

2.1 實(shí)驗(yàn)材料與裝置

7050鋁合金，試驗(yàn)使用設(shè)備為鑄造用超聲波電源，鑄造用超聲振動(dòng)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(jí)基恩士激光測(cè)距儀，高精度電子稱，石墨坩堝，熱電偶，游標(biāo)卡尺。

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

超聲振動(dòng)系統(tǒng)驅(qū)動(dòng)源來(lái)自上部的壓電陶瓷組，壓電陶瓷的振動(dòng)相位與輸入的電壓相位一一對(duì)應(yīng)，所以可以通過(guò)改變超聲振動(dòng)系統(tǒng)輸入端的電壓相位來(lái)改變超聲振動(dòng)系統(tǒng)的振動(dòng)相位。圖4(a)中兩套相同的超聲振動(dòng)系統(tǒng)共用一個(gè)超聲波電源，故其振動(dòng)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(dòng)系統(tǒng)輸入端反接，則相對(duì)另一套超聲振動(dòng)系統(tǒng)，其輸入電壓相位差為180°，因而振動(dòng)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(dòng)系統(tǒng)裝置原理圖

在不同振動(dòng)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(duì)高頻微振動(dòng)，很難測(cè)得其初始振動(dòng)相位差，采用兩套超聲振動(dòng)系統(tǒng)時(shí)，相位差與超聲電源啟動(dòng)時(shí)間有關(guān)，因?yàn)槌暈楦哳l振動(dòng)，周期為5×10?5s，在如此短時(shí)間內(nèi)，很難控制超聲電源啟動(dòng)時(shí)間，故本文只做隨機(jī)相位實(shí)驗(yàn)。

2.2 實(shí)驗(yàn)過(guò)程及取樣部位

為保證試驗(yàn)時(shí)輻射桿端面振幅一致，鑄造實(shí)驗(yàn)前，用微米級(jí)基恩士激光測(cè)距儀對(duì)輻射桿端面振幅進(jìn)行測(cè)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(shí)驗(yàn)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(dòng)頻率相同時(shí)，選取兩套20 kHz超聲振動(dòng)系統(tǒng)，針對(duì)相位差為0°，86.3°及180°各做1組實(shí)驗(yàn)，而對(duì)不同振動(dòng)頻率，選取19.5 kHz及20.5 kHz兩套超聲振動(dòng)系統(tǒng)，隨機(jī)相位差做3組實(shí)驗(yàn)。

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(guò)金相顯微鏡觀測(cè)微觀組織，統(tǒng)計(jì)和計(jì)算出不同位置的晶粒尺寸。

2.3 實(shí)驗(yàn)結(jié)果與分析

圖6所示為在同頻率振動(dòng)，不同振動(dòng)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(xì)化，不同相位差時(shí)，心部細(xì)晶效果差異較大。相位差為0°時(shí)，鑄錠心部細(xì)晶效果顯著，心部晶粒平均尺寸為140 μm，晶粒均為細(xì)小等軸晶；相位差為86.3°時(shí)，心部晶粒尺寸為186 μm，部分晶粒粗大不規(guī)則；而當(dāng)相位差為180°時(shí)，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(shì)。相位差越小，中心區(qū)域晶粒細(xì)化效果越好，對(duì)邊部與超聲輻射區(qū)晶粒細(xì)化效果差別不大。從前面的模擬結(jié)果可知，當(dāng)相位差為0°時(shí)，由于超聲輻射桿聲壓疊加增強(qiáng)，無(wú)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(yīng)，所以心部細(xì)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(dǎo)致心部聲壓幅值反而降低，當(dāng)相位差為180°時(shí)，則完全異步，心部聲壓正負(fù)抵消，導(dǎo)致鑄錠心部超聲幅值很低，心部區(qū)域晶粒細(xì)化效果差。因超聲波在鋁熔體中傳播時(shí)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(duì)影響較小，其中一根輻射桿產(chǎn)生的超聲波起主導(dǎo)作用，故而相位差對(duì)邊部及超聲輻射區(qū)細(xì)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(dòng)頻率下隨機(jī)相位鑄錠不同位置晶粒細(xì)化效果，由圖可知，在不同頻率下，相位差不同時(shí)，鑄錠各位置細(xì)晶效果基本無(wú)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(shí)接近，較相位差為180°時(shí)細(xì)小。

同時(shí)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(dòng)系統(tǒng)，超聲振動(dòng)系統(tǒng)頻率不同，相位差與超聲電源啟動(dòng)時(shí)間有關(guān)，相位差隨機(jī)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(gè)位置細(xì)晶效果差別不大[9]。結(jié)合前面仿真結(jié)果，可推測(cè)在不同頻率雙源超聲鑄造中，鑄錠細(xì)晶效果與相位差無(wú)關(guān)。

從前面仿真結(jié)果可知，兩個(gè)輻射桿頻率不同時(shí)，相位差不影響熔池聲場(chǎng)分布。熔池中各點(diǎn)聲壓波形為一存在波結(jié)的周期波動(dòng)，在頻率不同時(shí)，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(dòng)的組合，在熔池心部存在聲壓疊加增強(qiáng)時(shí)刻，也存在相互抵消削弱時(shí)刻；而在同頻率超聲振動(dòng)相位差為0°時(shí)，心部聲壓始終增強(qiáng)，相位差為180°時(shí)聲壓始終削弱，故在不同頻率超聲作用下，心部晶粒細(xì)化效果較同頻率超聲振動(dòng)0°相位差時(shí)差，與同頻率超聲振動(dòng)相位差為90°時(shí)接近。相對(duì)目前雙源超聲鑄造常采用不同振動(dòng)頻率的超聲振動(dòng)系統(tǒng)而言，相同頻率，0°相位差的超聲振動(dòng)系統(tǒng)對(duì)心部晶粒細(xì)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(duì)雙源超聲鑄造熔池聲場(chǎng)分布的影響與頻率有關(guān)。頻率相同時(shí)，相位差顯著影響其聲場(chǎng)分布，相位差為0°時(shí)，熔池空化域最大，隨相位差增大，空化域減?。活l率不同時(shí)，相位差對(duì)熔池聲場(chǎng)分布無(wú)影響。

2) 同頻率振動(dòng)下，相位差對(duì)雙源超聲鑄造邊部及超聲輻射區(qū)晶粒細(xì)化效果的影響很小，心部晶粒細(xì)化效果隨相位差增大效果變差；不同振動(dòng)頻率作用下，相位差對(duì)鑄錠細(xì)晶效果無(wú)影響，心部晶粒細(xì)化效果與同頻率相位差為90°時(shí)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(duì)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(guó)家重點(diǎn)基礎(chǔ)研究發(fā)展規(guī)劃(973 計(jì)劃) 資助項(xiàng)目：航空航天用高性能輕合金大型復(fù)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(dǎo)，電話：0731-88877380；E-mail: meel@csu.edu.cn