主题：【分享】超声波对铝的细化的作用探究及其工业化应用

在液态铝液中引入超声波时，铝液受到声场的作用。产生空化泡或空穴。这些空化泡（a）功率0 W； （b）功率100 W； （c）功率200 W； （d）功率300 W超声处理不同功率纯铝的凝固组织Fig. 3 Microstructure under different ultrasonic power超声处理功率与晶粒度的关系Fig. 4 Relationship between grain size and ultrasonic power或空穴将以极高的速度闭合或崩溃。在空化泡崩溃过程中，铝溶液中将产生强烈的冲击波，这些冲击波使铝溶液在凝固过程中产生的凝固相受到一定程度的冲击，初生晶体和正在长大的晶体被冲击波击碎，成为破碎的晶体质点，抑制了晶体的长大，使晶粒得到细化的同时晶体也得到了均匀弥散。同时，空化泡的闭合和崩溃使溶液的局部瞬间产生温度的变化，也促使钢液凝固前期的枝晶熔断。工业试验在船型槽中施加不同功率的超声波，功率分别为100 W， 200 W， 300 W以及500 W.取样并测量计算各个凝固坯等轴晶晶粒的平均面积及柱状晶所占的比例，用s表示等轴晶面积，G表示柱状晶所占15第5期陈琳等：超声波对工业纯铝的组织细化研究和工业探索的比例。未施加超声波作用的柱状晶粒所占面积较大，枝晶的面积占铝锭面积的411 1%左右，晶粒平均面积达到561 65mm 2。经超声波不同功率处理的试样的低倍组织，其晶粒平均面积和柱状晶所在占的比例分别有不同程度的减小。在超声波的作用下，晶粒有一定的细化效果，分析主要原因可能是由于同样的超声波设备在工业试验时，其功率相对偏小，不能满足工业试验要求。随着超声波功率的增加，产生的强烈冲击波击P= 0 W， S= 56165 mm 2， G= 41. 1未经超声波处理的低倍组织（a） P= 100 W， S= 33. 38 mm 2， G= 361 6% ；（b） P= 200 W， S= 241 19mm 2， G= 35. 1% ；（c） P = 300 W， S= 561 45mm 2，G= 41. 9% ；（d） P= 500 W， S= 241 1mm 2， G= 28. 7%不同功率超声波作用对铝锭凝固坯组织的影响Fig. 6 Microstructure of aluminium ingot with different ultrasonic power碎正在长大的晶粒，使之成为破碎的晶体质点，弥散的分布在熔体中，提高了生核率。同时功率增加使超声波声压增加。声压与空化泡的临界半径存在以下关系：R 3 min + 2R P 0 - 32 27 R 3（ P m - P 0）= 0（1）式中， R min为定声压条件下能产生声空化的最小气泡半径； R为熔液的表面张力；P m为声压幅值；P 0为静压力。R、P 0均可以看为恒量。声压越大，空化泡的临界气泡半径越小，则熔体中空化泡越多。声压与声强的平方根成正比，声强越大，则声压也越大。所以纯铝随着导入熔体的超声功率的增加，产生的空化泡增多，获得热变形奥氏体，增加了晶内形变带等相变形核部位，再结合轧后的控制冷却，促进了铁素体晶粒的细化。低温压力容器用钢板16M nDR的最低工作温度一般在- 20 e以下，由于经过LF精炼处理，钢质比较纯净，钢板中的夹杂物以D类氧化物为主，另有少量A类硫化物和极少量B类氧化铝夹杂。正火后的金相组织为铁素体+珠光体，铁素体晶粒度8. 5级左右，这一级别的晶粒度比相同规格的16M nR高0. 5 1. 0级。正火处理后带状组织有所减轻，均匀化程度提高，连续的珠光体带变短或断开，从而可减轻钢的各向异性。在轧制过程中，为使晶粒细化和均匀化，必须在奥氏体再结晶温度区间进行多道次轧制，使钢进行充分再结晶，从而得到细小的奥氏体组织。板坯在加热炉内的加热时间一般为2 3 h，出炉温度为1 130 1 200 e ，尽量保持温度均匀。通过添加少量的铌、钒、钛合金元素，与控轧控冷技术有效结合，以细化晶粒。提高钢的强韧性等良好综合性能时，显微组织主要表现为铁素体+珠光体。钢中夹杂物的种类主要以A类硫化物和D类氧化物为主，只有极少量的B类氧化铝夹杂，且级别较低，同时硫化物夹杂也趋于球化，说明生产过程中的变性处理比较好。在声空化的作用下使晶粒被打碎，从而得到细化。以合适的超声波空化处理时间对熔融金属液处理时，才会得到最大的铸锭细化率和细小的等轴晶。随着超声波处理时间的延长，晶粒变得细小。超声波功率增加，晶粒变细，但功率继续增加时晶粒并不明显减小，而是有一最佳值。超声波能量对铝的晶粒的细化作用有一阈值，在实际工业中需要选用合适的功率以得到最细小的晶粒。