关于超声施振温度对ZL114A合金致密度影响的探索

超声波在金属熔体中传播时会引发空化、声流等诸多特殊效应，能够显著细化晶粒，提高材料性能，因此，功率超声振动逐步成为振动凝固研究的主要方向。研究的对象涉及黑色金属、有色金属、低熔点金属等；研究因素包括超声强度或功率、超声频率、处理时间、熔体温度、熔体或铸型尺寸、冷却方式、工具杆与熔体相对位置及超声导入方式等。但主要考虑超声功率和处理时间，而对于熔体温度作用的影响报道很少。因此本课题主要分析了不同的施振温度对金属型铸造ZL114A铝合金致密度影响的规律，以获得较佳的施振温度，为超声波应用于实际生产提供参考。

1  试验方法

    采用自行设计的超声振动装置进行金属型浇注试验，试样的外形尺寸为φ(6、9、12)mmX 100 mm。合金材质为ZL114A，金属型预热温度为250℃左右，因为超声波换能器最高承受温度为80℃左右，所以需采用铜管进行水冷，超声振动装置见图1。在施振温度680、700、720、740℃下，铸造制备了ZL114A铝合金试样。为了测量试样的致密度，将试样均匀切割成6段，见图2。采用排水法测量致密度：①在超声波清洗仪中用丙酮将切割后的圆块清洗干净并烘干；②用电子天平分别获得试样空气和蒸馏水中的质量，根据下式测得试样的密度。

式中，m1为试样在空气中的质量，g；m2为试样在水中的质量，g；P水为蒸馏水的密度，g/mm3，近似记作1g/mm3。将试样的实际密度与理论密度相比，得到其致密度。

2  试验结果及分析

2.1  ZL114A合金不同位置致密度

    图3为超声施振温度为680、700、720、740。C时，不同ZL114A铝合金试样不同位置的致密度。

    从图3可以看出，在相同超声施振温度下，不同直径的试样从1～6号位置致密度都是呈现下降的趋势，且直径越大的试样，在相同位置取样的致密度越大。

    按照引起声强减弱的不同原因，可把声波衰减分为3种：扩散衰减、散射衰减和吸收衰减。试验中，超声工具头近似平面声源，且试样长度为100 mm，因此不考虑扩散衰减。当超声波导人铝合金熔体后，随着凝固温度降低，先形核核心数量增多，熔体的粘滞系数变大，对超声波的散射和吸收增强，所以随着超声波在熔体中传播距离的增加。超声强度越来越低，从而导致在不同施振温度下，ZL114A铝合金的致密度沿着传播距离呈现衰减趋势。但由于直径增大，凝固温度降低比较缓慢，超声波作用的时间延长，有助于合金最大程度的细化，提高试样各个位置的致密度。

2.2超声施振温度对ZL114A合金致密度的影响

    图4为同一直径下，ZL114A铝合金试样同一位置上不同超声施振温度时的致密度。可以看出，φ6 mm试样致密度随着超声施振温度的升高时先减小后增大，当温度上升到720℃时，致密度达到峰值；φ9 mm试样致密度随超声施振温度的升高先增大后减小，超声施振温度上升到720。C时致密度最大；φ12 mm试样致密度的变化趋势与φ9 mm试样类似，但φ12 mm试样的致密度达到峰值的超声施振温度为700℃。

    一般认为超声波在熔体传播时所产生的空化效应和声流效应对铸锭凝固组织的细化起主要作用。空化泡在破裂瞬间将产生强烈的冲击波，造成熔体中巨大的能量起伏，而且气泡在破灭蒸发时会带走大量的热量，导致其附近的熔体迅速过冷，这样伴随空化过程的

进行，在熔体中形成了大量的晶核。

    对φ6 mm试样进行超声振动，由于超声空化造成过冷并诱发结晶需要一定时间，若超声施振温度过低，熔体还未生成晶核试样就迅速凝固，超声空化的作用并不是非常明显，但加速了φ6 mm试样的冷却速度，提高了过冷度，促使组织致密，因此φ6 mm试样在超声施振温度为680℃时的致密度比超声施振温度为700℃时的致密度要高些。随着直径的增加，试样不会迅速凝固，超声施振温度越高，超声作用时间越长，空化效果越好，因此对于φ9 mm和φ12 mm的试样，在超声施振温度为700℃时的致密度比超声施振温度为680℃时的致密度要高。此后随着超声施振温度的升高，试样的致密度先上升然后再下降。这是由于700℃的超声施振温度对于超声振动作用来说还是相对较低，当合金熔体温度较低时，重熔晶体的能力降低，这样晶体就能够快速长大；同时温度较低，熔体粘度增大，超声波的实际作用时间较短，声流效应减弱，对晶体的破碎作用也随之减弱，细晶能力得不到充分发挥。因此超声施振温度的升高有助于充分发挥超声振动的空化效应和声流效应。但超声施振温度过高，一方面超声作用时间太长，由于声吸收，则会使热效应更明显，凝固组织变得粗化；另一方面，由于温度升高，空化泡内的压力将增大，从而使空化强度减弱，使细化作用降低，降低了试样的致密度。不同超声施振温度下φ9 mm试样微观组织见图5。

    从图5可以看出，随着超声施振温度的升高，a-A1枝晶细化效果显著，分布更均匀，共晶组织由最初的片状逐渐变为针状。超声施振温度为720℃时效果最佳；当超声施振温度超过720 0C时，a-Al枝晶开始变得粗大。

    不同直径试样的致密度达到峰值时的超声施振温度也不同，φ6 mm和φ9 mm试样最佳超声施振温度为720℃，φ12 mm试样最佳超声施振温度为700。C，这是因为声12 mm试样直径更大，熔体冷却时间相对较长，超声施振温度过高，使超声空化泡内的压力增大，从而使空化强度减弱，导致枝晶得到充足的生长，枝晶变得粗大，致密度有所下降。

2.3超声施振温度对试样致密度和直径的影响

    在不同温度对ZL114A铝合金熔体进行超声振动，建立ZL114A铝合金致密度与超声施振温度和试样直径的关系见图6。对图6进行曲面拟合可以得出ZL114A铝合金致密度Z与超声施振温度T、直径D之间的关系式为：

    由图6和式(2)可以得到，ZL114A铝合金致密度与超声施振温度和直径之间存在一定的关系。当超声施振温度一定时，试样致密度与试样直径满足二项分布，随着试样直径的增加，试样的致密度也会随着增加；当试样直径一定时，试样致密度与超声施振温度呈指数复合函数关系。随着超声施振温度的增加，试样的致密度会达到一个峰值，然后再下降。当直径小于9 mm时，超声施振温度对铝合金的致密度影响较大；当直径大于9 mm时，直径对铝合金的致密度影响较大。因此，在试验或生产过程中，可根据不同的试样直径，通过拟合的关系选择理想的超声施振温度，从而获得较高的合金致密度。

3  结  论

    (l)金属型铸造ZL114A铝合金，在相同的超声施振温度下，随着直径的增大，铝合金的致密度增大；在试样直径小于9 mm时，超声施振温度对铝合金的致密度影响较大，随着超声施振温度升高，铝合金的致密度先下降再升高最后下降；在直径大于9 mm时，直径对铝合金的致密度影响较大。随着超声施振温度的升高，铝合金的致密度先升高后下降。

    (2)选取合适的超声施振温度会使试样的致密度达到最佳，当试样直径小于9 mm时，最佳超声施振温度为720℃；当试样直径大于9 mm时，最佳超声施振温度为700℃。

    (3)建立了ZL114A铝合金致密度Z与超声施振温度T、直径D之间的关系，即

4、摘要

通过测量和分析不同超声施振温度下ZL114A铝合金的致密度，研究超声施振温度对合金致密度的影响，并建立了致密度与超声施振温度和直径的关系。结果表明，在相同的超声施振温度下，随着直径的增大，铝合金的致密度增大；当直径小于9 mm时，超声施振温度对铝合金的致密度影响较大，随着超声施振温度升高，铝合金的致密度先下降再上升最后下降，最佳超声施振温度为720℃；当直径大于9 mm时，直径对铝合金的致密度影响较大。随着超声施振温度升高，铝合金的致密度先上升后下降，最佳超声施振温度为700℃。