铝合金凝固组织的超声细化机制研究
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摘要
铸造铝合金具有低密度、高的耐磨性、高的抗腐蚀性、优良的铸造性能等优点,在汽车、航空航天等领域应用广泛,但常规Al-Si合金的组织中,存在针状的共晶硅和粗大的形状复杂的粗晶硅,降低了合金的综合性能,因此细化晶粒提高合金性能是亟待解决的问题。功率超声是超声技术的一个分支,主要利用超声振动形成的能量使物质的物理、化学特征或状态发生改变,或使其速率加快。通过在金属凝固过程中施加功率超声可以改变金属凝固过程特性,细化组织,减少成分偏析,提高力学性能等。
本文采用Al-5%Si合金作为实验材料,在熔体中施加超声振动。在不同的施振参数作用下,例如施振功率、施振时间、施振深度等,观察样品金相组织。实验结果表明,功率超声产生的空化效应和声流效应,使铝合金的晶粒得到细化,空化泡在闭合的瞬间会产生强烈冲击波,打碎金属液中粗大的晶粒,细化金属的凝固组织,并在声流作用下,使合金熔体成分更加均匀。
实验过程中发现工具头端部腐蚀严重,为了求证工具头中的Fe对晶粒细化是否有影响,本文设计了两种超声振动装置,在相同的施振参数作用下,对比样品的金相组织,通过EPMA面扫描分析Si、Fe元素在组织中的分布,并通过光谱分析Fe元素含量。实验结果发现Fe在熔体中对晶粒细化有一定影响。
With the development of manufacturing such as automobile, aviation and navigation industry, the needs of Al-Si alloys are increasing greatly because they have the characters of low density, low expansion coefficient, excellent wearing and corrosion resistance, and satisfied casting properties. But in the normal microstructures of casting Al-Si alloys, usually consist of coarse primary silicon and needle-like or lamellar eutectic silicon, which greatly aggravated the mechanical properties of these alloys. So the control the size of Si phase have became the most important and necessary processing for these alloys before using them. High intensity ultrasonic is a technology base on physics, mechanics, electronics, and materials etc. It is an applied technology that changes some aspects of objects or properties, or its speed is changed by ultrasonic energy. High intensity ultrasonic treatment is one of the effective ways to improve solidification structure and mechanical properties of metals in the process of metal solidification.
Application of power ultrasound in Al-5%Si alloy solidification with different parameters, such as ultrasonic power, duration and ultrasonic depth, then observe metallographic structure of sample, find out the best parameters. The results indicate that high intensity ultrasonic treatment can help refine the grains with cavitation and acoustic stream. The cavitation can form powerful shock wave with high temperature and pressure, then accelerates the nucleation and restrains grains growth. With the stirring of acoustic streaming, the melt become uniformity.
The probe of ultrasound apparatus has corrosion problem by the high temperature of alloys, Fe of stainless steel are fusing into melt have the effect on grain refinement, then compare two kinds of probe treatment the solidification of alloys. The results indicate that Fe play the heterogeneity nucleation role.
本文采用Al-5%Si合金作为实验材料,在熔体中施加超声振动。在不同的施振参数作用下,例如施振功率、施振时间、施振深度等,观察样品金相组织。实验结果表明,功率超声产生的空化效应和声流效应,使铝合金的晶粒得到细化,空化泡在闭合的瞬间会产生强烈冲击波,打碎金属液中粗大的晶粒,细化金属的凝固组织,并在声流作用下,使合金熔体成分更加均匀。
实验过程中发现工具头端部腐蚀严重,为了求证工具头中的Fe对晶粒细化是否有影响,本文设计了两种超声振动装置,在相同的施振参数作用下,对比样品的金相组织,通过EPMA面扫描分析Si、Fe元素在组织中的分布,并通过光谱分析Fe元素含量。实验结果发现Fe在熔体中对晶粒细化有一定影响。
With the development of manufacturing such as automobile, aviation and navigation industry, the needs of Al-Si alloys are increasing greatly because they have the characters of low density, low expansion coefficient, excellent wearing and corrosion resistance, and satisfied casting properties. But in the normal microstructures of casting Al-Si alloys, usually consist of coarse primary silicon and needle-like or lamellar eutectic silicon, which greatly aggravated the mechanical properties of these alloys. So the control the size of Si phase have became the most important and necessary processing for these alloys before using them. High intensity ultrasonic is a technology base on physics, mechanics, electronics, and materials etc. It is an applied technology that changes some aspects of objects or properties, or its speed is changed by ultrasonic energy. High intensity ultrasonic treatment is one of the effective ways to improve solidification structure and mechanical properties of metals in the process of metal solidification.
Application of power ultrasound in Al-5%Si alloy solidification with different parameters, such as ultrasonic power, duration and ultrasonic depth, then observe metallographic structure of sample, find out the best parameters. The results indicate that high intensity ultrasonic treatment can help refine the grains with cavitation and acoustic stream. The cavitation can form powerful shock wave with high temperature and pressure, then accelerates the nucleation and restrains grains growth. With the stirring of acoustic streaming, the melt become uniformity.
The probe of ultrasound apparatus has corrosion problem by the high temperature of alloys, Fe of stainless steel are fusing into melt have the effect on grain refinement, then compare two kinds of probe treatment the solidification of alloys. The results indicate that Fe play the heterogeneity nucleation role.
引文
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