張立華，朱 彪

（中南大學(xué)機(jī)電工程學(xué)院，高性能復(fù)雜制造國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，長(zhǎng)沙410083）

0 引 言

7050鋁合金是目前航空制造業(yè)廣泛采用的一種結(jié)構(gòu)材料，其大規(guī)格鑄錠內(nèi)部組織經(jīng)常會(huì)不均勻，且晶粒尺寸也不易控制。如何細(xì)化晶粒、獲得細(xì)小均勻的等軸晶組織，減少各種鑄造缺陷一直是國(guó)內(nèi)外學(xué)者關(guān)注的問題。研究表明，通過引入超聲場(chǎng)調(diào)控鑄錠凝固過程，可以有效細(xì)化晶粒、改善凝固組織［1］，超聲在金屬熔體中的空化效應(yīng)是促進(jìn)形核及晶粒細(xì)化的主要原因。超聲空化是指在強(qiáng)超聲波作用下，熔體中的微小氣泡核在聲的稀疏相和壓縮相交替作用下經(jīng)歷膨脹、壓縮、振蕩繼而最終崩潰，瞬間在極有限的體積內(nèi)產(chǎn)生很大的溫度梯度和壓力梯度。目前超聲鑄造的研究工作大多集中在理論分析以及試驗(yàn)研究上，而對(duì)超聲作用于金屬熔體產(chǎn)生宏觀空化效應(yīng)的數(shù)值模擬卻鮮有報(bào)道。

在金屬熔體中，由于高溫、內(nèi)部不可視以及高強(qiáng)度的化學(xué)變化，目前還沒有有效定量測(cè)試超聲空化強(qiáng)度和范圍的方法，導(dǎo)致模擬研究與理論分析很難取得理想的效果。為此，作者采用流體力學(xué)軟件Fluent及其中的動(dòng)網(wǎng)格技術(shù)模擬了鋁合金熔體中超聲空化的發(fā)生、發(fā)展以及對(duì)其凝固過程的影響，并結(jié)合超聲鑄造試驗(yàn)分析了其細(xì)晶機(jī)理。

1 超聲空化的模擬

1.1 計(jì)算模型及邊界條件

模擬對(duì)象為石墨坩堝中700℃的7050鋁合金熔體。插入超聲變幅桿后坩堝內(nèi)鋁合金熔體模型網(wǎng)格如圖1所示，坩堝壁面及變幅桿端面均采用無(wú)滑移邊界條件，在近壁區(qū)采用標(biāo)準(zhǔn)壁面函數(shù)；自由液面為壓力入口，變幅桿端面為動(dòng)邊界。根據(jù)超聲波發(fā)生器的工作參數(shù)，設(shè)置動(dòng)邊界的位移x方程：

求導(dǎo)可得速度v方程：

式中：α為超聲變幅桿端面的振幅；f為變幅桿振動(dòng)的頻率，f＝20kHz；t為超聲振動(dòng)的時(shí)間。

將式（2）結(jié)合超聲參數(shù)通過編寫UDF程序加入到Fluent動(dòng)網(wǎng)格設(shè)置選項(xiàng)中，加入空化模型并采用Mixture多相流模型，F(xiàn)luent所采用的空化模型為Singhal等所發(fā)展的“完全空化模型”［2］。仿真模擬加入超聲4個(gè)周期（2.0×10－4s）內(nèi)，熔體內(nèi)空化的發(fā)生、發(fā)展。迭代時(shí)間步為1.0×10－6s，材料物性參數(shù)：7050鋁合金熔體的密度為2 450kg·m－3，表面張力為0.6N·m－1，700℃下鋁液的動(dòng)力黏度系數(shù)為1.1×10－3Pa·s，汽化壓力為0Pa；根據(jù)HYSCANⅡ型測(cè)氫儀測(cè)出7050鋁熔體中氫氣的含量為6mL·kg－1，換算出其中氫氣的質(zhì)量分?jǐn)?shù)為5.4×10－7，添加至不可冷凝氣體選項(xiàng)。

圖1 模型的幾何結(jié)構(gòu)Fig.1 Geometry for the model

由圖2可見，利用激光測(cè)振儀測(cè)得在超聲功率為550，850，1 000W時(shí)，超聲變幅桿端面的振幅分別為10，15，18μm。

1.2 數(shù)值模擬結(jié)果

在變幅桿端面中心附近取O點(diǎn)，以便于觀察壓力與氣泡體積分?jǐn)?shù)隨時(shí)間的變化，該點(diǎn)與中心軸和變幅桿端面的垂直距離均為1mm，如圖1所示。

由圖3（a）可見，O點(diǎn)在不同功率超聲作用下的平均氣泡體積分?jǐn)?shù)隨時(shí)間的變化類似正弦波波動(dòng)。熔體中氫氣的初始體積分?jǐn)?shù)為0.18%，在第12時(shí)間步（1.2×10－5s）附近，三條曲線有共同的交點(diǎn)，該點(diǎn)氫氣的體積分?jǐn)?shù)正好為0.18%，表明在第12時(shí)間步前，由于正壓作用，熔體中沒有發(fā)生空化；在第12時(shí)間步后O點(diǎn)由于負(fù)壓作用開始發(fā)生空化，其氣泡體積分?jǐn)?shù)開始急劇增大。從不同超聲功率下氣泡體積分?jǐn)?shù)的變化趨勢(shì)來(lái)看，可知在同一時(shí)間步時(shí)，較大功率下具有較高的氣泡體積分?jǐn)?shù)，因而具有較高的空化強(qiáng)度。從相鄰兩周期氣泡體積變化情況來(lái)看，在功率為850，1 000W的超聲作用下，后一周期氣泡體積分?jǐn)?shù)比前一周期的有所增大，這表明氣泡在振蕩過程中逐漸長(zhǎng)大。結(jié)合圖3（b）壓力變化曲線可知，在功率為500W時(shí)，由于每個(gè)周期都受正負(fù)壓的交替作用，氣泡體積分?jǐn)?shù)在多個(gè)聲波周期內(nèi)持續(xù)振蕩，呈穩(wěn)態(tài)空化狀態(tài)。

由圖4可見，隨超聲施振時(shí)間的延長(zhǎng)，熔體中空化區(qū)域不斷變大，而且逐步向變幅桿端面中心集中，空化強(qiáng)度相差不大。

由圖5可以看出，不同超聲功率作用下熔體中的空化區(qū)域相差不大，越靠近變幅桿端面氣泡的體積分?jǐn)?shù)越大，這與聲波在流體傳播過程中的衰減有關(guān)［3］；在功率為550，850，1 000W 的超聲作用下，熔體中氣泡體積分?jǐn)?shù)的最大值分別為0.7%，1.86%，3.52%，其空化強(qiáng)度相差較大，且超聲功率越大空化強(qiáng)度越高。

由圖6可見，迭代第125步（1.25×10－4s）時(shí)不同超聲功率下熔體的壓力分布大致以變幅桿為中心向周圍熔體中輻射，呈球形。結(jié)合圖5可以發(fā)現(xiàn)，低壓高氣泡體積分?jǐn)?shù)基本都分布在變幅桿端面正下方的一定區(qū)域內(nèi)。對(duì)比圖6明顯可以看出壓力分布有較大的不同，圖6（a）的壓力分布表現(xiàn)出明顯的類似周期性變化，而圖6（b），（c）則呈現(xiàn)出由負(fù)壓到正壓、由低壓到高壓的單向變化。這是由于在較低功率的超聲作用下，熔體中產(chǎn)生了較弱的空化強(qiáng)度和較小的空化區(qū)域，因而聲壓相對(duì)衰減較?。环粗?，在較高功率的超聲作用下，變幅桿端面下出現(xiàn)了較大范圍的空化區(qū)域，空化泡的膨脹、壓縮、振蕩及對(duì)超聲的散射等吸收了較多的能量。

2 施加超聲鑄造試驗(yàn)

2.1 試樣制備與試驗(yàn)方法

試驗(yàn)材料為7050鋁合金，其化學(xué)成分如表l所示。

將盛有7050鋁合金塊的石墨坩堝置入電阻絲爐中進(jìn)行熔煉，待鋁塊完全融化后，充分?jǐn)嚢枞垠w，并持續(xù)加熱至700℃，保溫約30min后向鋁合金熔體中導(dǎo)入超聲波；超聲波通過變幅桿施加到熔體中，施加位置為坩堝截面中心深25mm處；待超聲振動(dòng)30min后關(guān)閉電阻絲加熱爐電源，將變幅桿移出熔體，坩堝繼續(xù)置于爐內(nèi)冷卻直至凝固。共做4組試驗(yàn)，超聲的輸出功率分別為0，550，850，1 000W。超聲鑄造試驗(yàn)裝置如圖7所示。

在坩堝中心處取試樣進(jìn)行研磨后用化學(xué)拋光液拋光研磨表面，最后用酸液（由1mLHNO3、1mLHCl，2mLHF和96mL水組成）腐蝕，用Leica型臺(tái)式光學(xué)顯微鏡觀察凝固組織形貌。

表1 試驗(yàn)用7050鋁合金的化學(xué)成分（質(zhì)量分?jǐn)?shù)）Tab.1 Chemical composition of tested 7050aluminum alloy（mass）%

圖7 超聲鑄造試驗(yàn)裝置示意Fig.7 Schematic diagram of experiment apparatus for ultrasonic casting

2.2 顯微組織

由圖8可見，未施加超聲時(shí)，鑄態(tài)7050鋁合金主要呈片狀，且組織不均勻，晶粒比較粗大；施加超聲后的組織均有所細(xì)化，且形核率明顯增大；隨著超聲功率的增大，晶粒尺寸逐漸減小，晶核數(shù)量逐漸增多；而且在超聲波的振動(dòng)下，組織更為均勻，晶粒更接近于等軸晶。

3 超聲細(xì)晶機(jī)理

超聲波在鋁合金熔體中傳播時(shí)，熔體分子受到交變的聲壓作用。首先，負(fù)相聲壓抽拉液體形成空化泡或空穴，接著正相聲壓壓縮氣泡、氣穴，使之以極高的速度閉合、崩潰，氣泡崩潰時(shí)形成了很多微氣泡，再次溶解于熔體中，并繼續(xù)長(zhǎng)大、崩潰，從而保證空化現(xiàn)象的持續(xù)進(jìn)行。氣泡的破滅蒸發(fā)從其周圍帶走了大量的熱，因而使氣泡附近的熔體產(chǎn)生瞬時(shí)過冷，且過冷度比正常結(jié)晶情況下大很多，這樣就在鋁合金熔體中形成了大量晶核，顯著提高了形核率；同時(shí)，氣泡的崩潰產(chǎn)生了高達(dá)104K和104MPa的瞬時(shí)高溫、高壓沖擊波［1］，使初生的粗大晶體和正在長(zhǎng)大的枝晶破碎，其中一部分將繼續(xù)重熔，而其余的則能夠成為有效的形核質(zhì)點(diǎn)，在聲流的攪拌作用下，它們被均勻地彌散于熔體中，增加了外來(lái)質(zhì)點(diǎn)，提高了形核率。此外，在超聲空化沖擊波和聲流的攪拌作用下，質(zhì)點(diǎn)的擴(kuò)散速率增大，從而使熔體凝固均勻化，結(jié)晶前沿成分過冷度減小。由于熔體的液相線溫度隨其成分變化，小的成分過冷會(huì)使熔體的液相線溫度上升，凝固溫度升高，所以熔體的有效過冷度會(huì)隨之增加，提高了形核率。

隨超聲功率增大，鑄錠的晶粒尺寸明顯減小，組織更為均勻。這是由于超聲功率較小時(shí)，空化效應(yīng)不是很強(qiáng)烈，一些區(qū)域還存在未完全打斷的二次枝晶，故形成的等軸晶粒仍比較粗大；隨著超聲功率的增大，晶粒進(jìn)一步細(xì)化，這主要是因?yàn)槁晧旱脑龃笫箍栈菖R界半徑Rmin減小，空化現(xiàn)象易于發(fā)生，空化效應(yīng)明顯；而且聲壓增大，在鋁合金熔體中形成的聲壓梯度也隨之增大，聲流效應(yīng)強(qiáng)烈［4］。

4 結(jié) 論

（1）采用流體力學(xué)軟件可進(jìn)行超聲場(chǎng)作用下坩堝內(nèi)7050鋁合金熔體壓力場(chǎng)、氣泡體積分?jǐn)?shù)分布的模擬；隨超聲施加時(shí)間的延長(zhǎng)，熔體中空化區(qū)域不斷變大，且逐步向變幅桿端面中心集中；施加的超聲功率越大其空化強(qiáng)度越高，且越靠近變幅桿端面，其空化效應(yīng)越明顯。

（2）隨著超聲功率增大，熔體的形核率增加，鑄錠的晶粒尺寸顯著減??；摸擬結(jié)果得到了試驗(yàn)驗(yàn)證。

［1］ESKIN G I.Ultrasonic treatment of light alloy melts［M］.Moscow：Gordon and Breach Science Pubulishers，1998.

［2］SINGHAL A K，ATHAVALE A M，LI Hui－ying，et al.Mathematical basis and validation of the full cavitation model［J］.Journal of Fluids Engineering，2002，9：1－8.

［3］馮若.超聲手冊(cè)［M］.南京：南京大學(xué)出版社，1999.

［4］謝恩華，李曉謙.超聲波熔體處理過程中的聲流現(xiàn)象［J］.北京科技大學(xué)學(xué)報(bào)，2009，31（11）：1425－1429.