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超聲波在金屬熔體中傳播時會引發(fā)空化、聲流等諸多特殊效應(yīng)，能夠顯著細化晶粒，提高材料性能，因此，功率超聲振動逐步成為振動凝固研究的主要方向。研究的對象涉及黑色金屬、有色金屬、低熔點金屬等；研究因素包括超聲強度或功率、超聲頻率、處理時間、熔體溫度、熔體或鑄型尺寸、冷卻方式、工具桿與熔體相對位置及超聲導(dǎo)入方式等。但主要考慮超聲功率和處理時間，而對于熔體溫度作用的影響報道很少。因此本課題主要分析了不同的施振溫度對金屬型鑄造ZL114A鋁合金致密度影響的規(guī)律，以獲得較佳的施振溫度，為超聲波應(yīng)用于實際生產(chǎn)提供參考。

1  試驗方法

    采用自行設(shè)計的超聲振動裝置進行金屬型澆注試驗，試樣的外形尺寸為φ(6、9、12)mmX 100 mm。合金材質(zhì)為ZL114A，金屬型預(yù)熱溫度為250℃左右，因為超聲波換能器最高承受溫度為80℃左右，所以需采用銅管進行水冷，超聲振動裝置見圖1。在施振溫度680、700、720、740℃下，鑄造制備了ZL114A鋁合金試樣。為了測量試樣的致密度，將試樣均勻切割成6段，見圖2。采用排水法測量致密度：①在超聲波清洗儀中用丙酮將切割后的圓塊清洗干凈并烘干；②用電子天平分別獲得試樣空氣和蒸餾水中的質(zhì)量，根據(jù)下式測得試樣的密度。

式中，m1為試樣在空氣中的質(zhì)量，g；m2為試樣在水中的質(zhì)量，g；P水為蒸餾水的密度，g/mm3，近似記作1g/mm3。將試樣的實際密度與理論密度相比，得到其致密度。

2  試驗結(jié)果及分析

2.1  ZL114A合金不同位置致密度

    圖3為超聲施振溫度為680、700、720、740。C時，不同ZL114A鋁合金試樣不同位置的致密度。

    從圖3可以看出，在相同超聲施振溫度下，不同直徑的試樣從1～6號位置致密度都是呈現(xiàn)下降的趨勢，且直徑越大的試樣，在相同位置取樣的致密度越大。

    按照引起聲強減弱的不同原因，可把聲波衰減分為3種：擴散衰減、散射衰減和吸收衰減。試驗中，超聲工具頭近似平面聲源，且試樣長度為100 mm，因此不考慮擴散衰減。當(dāng)超聲波導(dǎo)人鋁合金熔體后，隨著凝固溫度降低，先形核核心數(shù)量增多，熔體的粘滯系數(shù)變大，對超聲波的散射和吸收增強，所以隨著超聲波在熔體中傳播距離的增加。超聲強度越來越低，從而導(dǎo)致在不同施振溫度下，ZL114A鋁合金的致密度沿著傳播距離呈現(xiàn)衰減趨勢。但由于直徑增大，凝固溫度降低比較緩慢，超聲波作用的時間延長，有助于合金最大程度的細化，提高試樣各個位置的致密度。

2.2超聲施振溫度對ZL114A合金致密度的影響

    圖4為同一直徑下，ZL114A鋁合金試樣同一位置上不同超聲施振溫度時的致密度�？梢钥闯�，φ6 mm試樣致密度隨著超聲施振溫度的升高時先減小后增大，當(dāng)溫度上升到720℃時，致密度達到峰值；φ9 mm試樣致密度隨超聲施振溫度的升高先增大后減小，超聲施振溫度上升到720。C時致密度最大；φ12 mm試樣致密度的變化趨勢與φ9 mm試樣類似，但φ12 mm試樣的致密度達到峰值的超聲施振溫度為700℃。

    一般認為超聲波在熔體傳播時所產(chǎn)生的空化效應(yīng)和聲流效應(yīng)對鑄錠凝固組織的細化起主要作用�？栈�泡在破裂瞬間將產(chǎn)生強烈的沖擊波，造成熔體中巨大的能量起伏，而且氣泡在破滅蒸發(fā)時會帶走大量的熱量，導(dǎo)致其附近的熔體迅速過冷，這樣伴隨空化過程的

進行，在熔體中形成了大量的晶核。

    對φ6 mm試樣進行超聲振動，由于超聲空化造成過冷并誘發(fā)結(jié)晶需要一定時間，若超聲施振溫度過低，熔體還未生成晶核試樣就迅速凝固，超聲空化的作用并不是非常明顯，但加速了φ6 mm試樣的冷卻速度，提高了過冷度，促使組織致密，因此φ6 mm試樣在超聲施振溫度為680℃時的致密度比超聲施振溫度為700℃時的致密度要高些。隨著直徑的增加，試樣不會迅速凝固，超聲施振溫度越高，超聲作用時間越長，空化效果越好，因此對于φ9 mm和φ12 mm的試樣，在超聲施振溫度為700℃時的致密度比超聲施振溫度為680℃時的致密度要高。此后隨著超聲施振溫度的升高，試樣的致密度先上升然后再下降。這是由于700℃的超聲施振溫度對于超聲振動作用來說還是相對較低，當(dāng)合金熔體溫度較低時，重熔晶體的能力降低，這樣晶體就能夠快速長大；同時溫度較低，熔體粘度增大，超聲波的實際作用時間較短，聲流效應(yīng)減弱，對晶體的破碎作用也隨之減弱，細晶能力得不到充分發(fā)揮。因此超聲施振溫度的升高有助于充分發(fā)揮超聲振動的空化效應(yīng)和聲流效應(yīng)。但超聲施振溫度過高，一方面超聲作用時間太長，由于聲吸收，則會使熱效應(yīng)更明顯，凝固組織變得粗化；另一方面，由于溫度升高，空化泡內(nèi)的壓力將增大，從而使空化強度減弱，使細化作用降低，降低了試樣的致密度。不同超聲施振溫度下φ9 mm試樣微觀組織見圖5。

    從圖5可以看出，隨著超聲施振溫度的升高，a-A1枝晶細化效果顯著，分布更均勻，共晶組織由最初的片狀逐漸變?yōu)獒槧�。超聲施振溫度�?20℃時效果最佳；當(dāng)超聲施振溫度超過720 0C時，a-Al枝晶開始變得粗大。

    不同直徑試樣的致密度達到峰值時的超聲施振溫度也不同，φ6 mm和φ9 mm試樣最佳超聲施振溫度為720℃，φ12 mm試樣最佳超聲施振溫度為700。C，這是因為聲12 mm試樣直徑更大，熔體冷卻時間相對較長，超聲施振溫度過高，使超聲空化泡內(nèi)的壓力增大，從而使空化強度減弱，導(dǎo)致枝晶得到充足的生長，枝晶變得粗大，致密度有所下降。

2.3超聲施振溫度對試樣致密度和直徑的影響

    在不同溫度對ZL114A鋁合金熔體進行超聲振動，建立ZL114A鋁合金致密度與超聲施振溫度和試樣直徑的關(guān)系見圖6。對圖6進行曲面擬合可以得出ZL114A鋁合金致密度Z與超聲施振溫度T、直徑D之間的關(guān)系式為：

    由圖6和式(2)可以得到，ZL114A鋁合金致密度與超聲施振溫度和直徑之間存在一定的關(guān)系。當(dāng)超聲施振溫度一定時，試樣致密度與試樣直徑滿足二項分布，隨著試樣直徑的增加，試樣的致密度也會隨著增加；當(dāng)試樣直徑一定時，試樣致密度與超聲施振溫度呈指數(shù)復(fù)合函數(shù)關(guān)系。隨著超聲施振溫度的增加，試樣的致密度會達到一個峰值，然后再下降。當(dāng)直徑小于9 mm時，超聲施振溫度對鋁合金的致密度影響較大；當(dāng)直徑大于9 mm時，直徑對鋁合金的致密度影響較大。因此，在試驗或生產(chǎn)過程中，可根據(jù)不同的試樣直徑，通過擬合的關(guān)系選擇理想的超聲施振溫度，從而獲得較高的合金致密度。

3  結(jié)  論

    (l)金屬型鑄造ZL114A鋁合金，在相同的超聲施振溫度下，隨著直徑的增大，鋁合金的致密度增大；在試樣直徑小于9 mm時，超聲施振溫度對鋁合金的致密度影響較大，隨著超聲施振溫度升高，鋁合金的致密度先下降再升高最后下降；在直徑大于9 mm時，直徑對鋁合金的致密度影響較大。隨著超聲施振溫度的升高，鋁合金的致密度先升高后下降。

    (2)選取合適的超聲施振溫度會使試樣的致密度達到最佳，當(dāng)試樣直徑小于9 mm時，最佳超聲施振溫度為720℃；當(dāng)試樣直徑大于9 mm時，最佳超聲施振溫度為700℃。

    (3)建立了ZL114A鋁合金致密度Z與超聲施振溫度T、直徑D之間的關(guān)系，即

4、摘要

通過測量和分析不同超聲施振溫度下ZL114A鋁合金的致密度，研究超聲施振溫度對合金致密度的影響，并建立了致密度與超聲施振溫度和直徑的關(guān)系。結(jié)果表明，在相同的超聲施振溫度下，隨著直徑的增大，鋁合金的致密度增大；當(dāng)直徑小于9 mm時，超聲施振溫度對鋁合金的致密度影響較大，隨著超聲施振溫度升高，鋁合金的致密度先下降再上升最后下降，最佳超聲施振溫度為720℃；當(dāng)直徑大于9 mm時，直徑對鋁合金的致密度影響較大。隨著超聲施振溫度升高，鋁合金的致密度先上升后下降，最佳超聲施振溫度為700℃。