题目
超声波A380凝固行实验研究
摘
传统导入方式超声波处理然够显著改善金属凝固组织强化金属材料性存诸缺点容易卷入夹杂物高温合金操作困难等该技术工业应难度文采研发吸式变幅杆超声侧部导入技术解决超声波导入难题研究该超声处理技术铝基铁基合金凝固特性组织性影响探讨中基础理问题探索超声波侧部导入处理工艺行性文通实验分析超声波A380凝固行
关键词：超声波A380凝固
ABSTRACT
Traditional ways of introducing ultrasonic treatment although can significantly improve the solidification structure of metals and metal materials to strengthen performance but due to the existence of many shortcomings such as easy to get caught up in inclusion difficult operation to hightemperature alloy and so on making the technique has great difficult in industrial applications In this paper the independent research and development of self suction horn ultrasonic side of import technology to solve the ultrasonic import problem and to study the effect of the ultrasonic treatment technology of aluminum matrix and ironbased alloy solidification characteristics microstructure and properties of discusses the basic theoretical problems In order to explore the feasibility of ultrasonic treatment technology In this paper the solidification behavior of A380 is analyzed by experiment
KEY WORDS ultrasonic A380 solidification
目录
摘 I
ABSTRACT II
引言 1
1相关概述 1
11超声波处理技术 1
12超声波中金属熔体凝固 2
121超声波处理工艺 2
122超声波低温合金凝固程中应 3
123超声波中温合金凝固程中应 4
2实验准备 6
21实验设备 6
211超声波处理设备 7
212超声波衰减测量设备 8
22分梳试仪器 9
3超声波凝固特性组织影响 12
31实验材料实验方案 12
311实验材料 12
312实验方案 13
32超声波处理力学性影响 14
321超声波处理抗拉强度延伸率影响 14
322超声波处理断口形貌影响 17
4总结 19
参考文献 20
致谢 21
引言
现代科学技术发展仅材料性求越越高环保求日趋严格材料环境协调性促绿色材料加工技术飞速发展传统冶金化学手段细化凝固组织工艺受环境理念质疑挑战凝固技术正着高效环保方发展污染环境材料前提实现金属凝固程凝固组织控制冶金材料工作者长期追求奋斗目标
1相关概述
基述发展思路凝固程中施加物理场处理技术成提高材料性重工艺手段外加物理场处理技术金属凝固前凝固程中金属熔体施加物理场利金属物理场相互作改善凝固程组织种技术该技术具环境友操作简便等优点外场种类该领域研究热点集中三方面：
1)金属熔体凝固程进行超声波处理2)金属熔体磁场中凝固磁场处理3)电流通金属熔体电流处理
进入21世纪物理材料电子等领域科学技术飞速发展功率超声波磁场电流等物理手段产生成20世纪90年代起物理场凝固细晶技术成材料领域研究热点十年种物理场材料凝固程组织影响研究受特关注尤功率超声波独特声学效应金属凝固程具十分显著影响材料领域研究应次成热点
课题研究功率超声波处理金属凝固程影响系统考察超声波功率处理金属凝固行揭示超声波处理金属凝固行影响机制建立超声波熔体中传播衰减模型超声波熔体中传播效传播距离工艺参数选择工业应提供理
11超声波处理技术
超声波通常指频率高2X1扩Hz声波途分包括检测超声功率超声医学超声功率超声处理通超声量物质作改变加速改变物质物理化学生物特性状态技术功率超声学涉容包括功率高声强超声波产生(包括功率超声换器变幅杆变幅器振动方变换器处理工具等)声物质作机理种超声处理技术应中声量物质作机制功率超声较独特问题继续深入研究课题文采特定导入设备功率超声波施加液态金属凝固程中通功率超声波凝固金属中形成种效应综合作改变金属凝固程终改善控制金属材料凝固行获优良组织性材料
早期超声波处理工艺发展非常缓慢许问题困扰超声波处理应中突出功率超声波产生设备研制问题着超声波处理研究断深入物理材料电子等领域科学技术飞速发展逐渐找解决方案尤功率晶体出现包括vMOsIGBT制造断取进展功率合成系统断完善功率超声发生器输出功率达十千瓦满足工业应需求报道美国ETREMA PRODUCTS公司TerfenolD磁致伸缩合金设计制造25kW超声源结合形状记忆合金(CuAIMe)作变幅杆具较高疲劳寿命抗空化腐蚀性超声波产生设备突破促超声波处理技术广泛应
12超声波中金属熔体凝固
121超声波处理工艺
传统超声波导入方法顶端导入底端导入两种方式图16示优点操作简单两种导入方式足处底端导入说振荡器盛放金属熔液模子相粘接部分超声振动避免模子吸收特金属液浇入铸模首先底部开始凝固导致振动效率降低部金属熔液超声处理效果差尤重偏析严重金属需顶端导入高出振动强度取相效果顶端导入效率说较高变幅杆浸入液面超声波合金液呈剧烈振动状态时合金液面连续氧化膜遭破坏破碎氧化膜振动合金液表面卷入熔液部形成夹杂时处理高温金属时变幅杆材质会造成严重高温腐蚀
文传统超声波导入工艺进行改进采吸式侧部导入方式工艺示意图图16 特征利特殊设计变幅杆吸力增锅紧密接触超声波侧部导入柑涡金属熔液中工艺改传统顶部底部导入法直接接触金属熔液避免变幅杆高温金属液相浸触造成腐蚀损耗会造成表面氧化物杂卷入金属液部避免外夹杂物着试块处理部位需灵活改变超声源位置提高处理效果
图16传统超声波导入方式
图17侧部导入超声波装置示意图
122超声波低温合金凝固程中应
20世纪30年代D Loomis W WoodS Danilov等学者分研究超声振动金属机物凝固程影响S Sokolov T Teumin P Alekseev G EskinO Abramov等分超声场金属凝固规律进行探索[[6769]0
O Abramov G EskinF Gurevich20kHz超声波处理具点阵结构纯金属中包括Bi Zn Sn换器传递量100250W[70}7i]实验表明换器输出功率1 OOW时Sn晶粒开始细化换器输出功率提高250W时Bi Zn晶粒开始细化实验结果揭示超声处理具点阵金属晶粒细化金属熔点较低晶粒形貌变化着材料熔化温度增加细化效果减弱
GN Kozhemyakin研究功率超声波振动InSb晶体凝固程生长影响结果表明超声波振动影响InSb晶体生长方择优晶粒取利提高晶体胜
图18超声波处理锡锑合金微观组织影响[[73]种合金研究结果表明超声波处理显著细化合金微观组织改变刀相形貌尖锐棱角立方体刀相破碎均匀细粒状棱角钝化趋势消重偏析
图18 SnSb合金微观组织
123超声波中温合金凝固程中应
低温金属研究表明超声波处理细化晶粒方面非常效果增加种处理工艺工业应适性研究集中工业常铝合金镁合金
Abramo选纯铝研究材料合金凝固程中施加超声振动发现整试块晶粒细部分分布工具头部位说明位空化区域强声流区域熔体具强结晶性超声波工具头压入熔体中时空化气泡形成液压波非常效破碎已凝固合金超声波产生声流作破碎固体颗粒均匀分布超声波处理区域凝固组织发生变化包括晶粒细化抑止柱状晶生长提高晶粒性减低偏析图19采顶部超声波处理工艺纯铝未处理超声波处理微观组织凝固组织柱状晶等轴晶转变非常明显力学性测试结果发现超声波处理材料抗拉强度52MPa提高72MPa增长幅度达35硬度HB 172增长HB 197
C K JenH Soda研究超声振动具微观组织(胞状树枝状面体)二元AlCu BiCd合金凝固程作[}}s}前领域研究仅限定具树枝状结构低熔点合金实验中选具成分微观组织材料进行研究深化前领域研究实验采顶端导入温度高液相线10 0C时导入20kHz超声振动温度低固相线10℃时停止导入实验结果表明合金重熔凝固组织明显细化然合金重熔否具超声波影响问题尚存争议
图19纯铝未处理(a)超声波处理((b)微观组织
文实验研究方面采发研制超声波侧部导入装置超声波衰减测量装置分析试样采种分析测试手段进行凝固特性组织力学性系统分析
2实验准备
21实验设备
文采超声波处理实验设备包括超声波产生系统熔炼系统温度采集系统超声波熔体处理实验设备示意图实物图分图21图22文实验设备进行详细介绍
图21实验设备示意图
图22实验实物装置图
211超声波处理设备
2111超声波产生系统
(1)超声波发生器换器
超声波发生器换器振动系统整实验研究系统重设备担负着凝固实验提供超声源务超声波发生器产生超声频电信号功率源供换器工作时必需超声频电功率换器电功率转换超声量生成超声振动实验中选择磁致伸缩换器发生器参数输出功率01000W连续调输出阻抗约50欧姆频率范围1723kHz电源电压220V频率SOHz电源消耗约2000伏安磁化电流7安培承受电功率1000W o
(2)超声波变幅杆
超声振动导入金属液中超声波金属凝固中应前提里涉变幅杆材质导入方式两问题超声技术中变幅杆振动系统中重部分超声变幅杆称超声变速杆超声聚器作机械振动质点位移速度放者超声量集中较面积聚作实验中超声波处理金属熔液金属固液混合物需加静压力选简单阶梯形变幅杆
关变幅杆材料选择般求工作频率范围材料损耗疲劳强度高声阻抗率易机械加工实验中选#45钢作变幅杆材料具较声学特性延展性耐较高温度材料价格较低济等优点较理想变幅杆材料
(3)超声波侧部导入装置
超声波侧部导入装置课题组制实验设备吸式变幅杆变压器线圈冷装置组成设备示意图参图17
2112熔炼系统
铝硅合金采3kW钳锅电阻炉进行熔炼钢熔炼采中频感应电炉额定功率SOkW工作频率2000Hz中频电流1600A直流电流1 OOA高工作温度1900 0C炉头线圈尺寸}＇ 160mmX25mm熔化锈钢时选镁砂结炉衬熔化铸铁时选石英砂结炉衬炉膛尺寸约径} 70mmx 180mm约熔化Skg炉料
2113温度采集系统
温度采集系统包括K型B型热电偶红外测温仪AD VANTECH610工业控制计算机ADAM4018+采温模块OP07高精度低漂移运算放器滤波模块热电偶补偿导线实时显示温度时间曲线测温程序等铝合金凝固时温度采镍铬镍硅(K型)热电偶测量测试高温熔液时采双铂锗热电偶热电偶外部石英进行保护
212超声波衰减测量设备
超声波衰减测量设备原位加热系统冷系统超声波发射接收装置位置调节系统温度采集系统组成中加热系统3kW加热电阻丝炉膛塔祸组成文超声波发射接收装置选超声波发射频率2SMHz温度采集系统超声波处理装置测温系统相图23实验设备示意图该实验设备利单探头超声发射接收器加循环冷装置导杆间接超声波导入金属熔体超声波导杆进入金属熔体金属柑锅底面发生反射样路径回探头超声波导杆中衰减量界面处反射系数透射系数等物性参数知根回波超声波金属熔体中衰减值
图23超声波衰减测量设备示意图
22分梳试仪器
文试样凝固组织力学性进行观测测试采测试仪器包括
(1)微观组织分析仪器
电子背散射衍射(Electron Back Scattering Diffraction简称EBSD)20世纪80年代发展起金属材料进行组织分析结晶学分析新技术利EBSD技术实验样品中获方面信息中包括试样晶粒形貌晶结构晶体生长取取差试样相组成相占例等等传统晶粒尺寸测量赖微观组织中晶界观察某特殊晶界角晶界孪晶界常规腐蚀方法难显示严重孪晶微观组织晶粒尺寸测量相困难应EBSD技术精确勾画出角晶界孪晶界获完整晶粒取图(Crystal Orientation Mapping简称COM ) fsss9}电子探针分析中某化学成分相似氧化物碳化物难区分EBSD技术相结晶学关系容易加区分目前EBSD7晶系意称性样品进行动取测量标定结合EDS谱微区成分分析EBSD应未知物相鉴定
文中采EBSD测试技术1Cr18Ni9Ti奥氏体锈钢试样做方面分析研究
( a ) 1 Cr 18Ni9Ti铸态组织中晶界亚晶界位错分析传统晶粒观察显微镜成方法晶粒部缺陷反映出1 Crl 8Ni9Ti种抗腐蚀性锈钢完整腐蚀晶界定难度更说观察角晶界位错分布研究超声波处理晶粒部影响采EBSD技术试样做更深入分析
(b)研究超声波功率处理1 Crl 8Ni9Ti凝固时晶粒生长方分析超声波1 Cr18Ni9Ti凝固程热流影响
(c)分析1 Crl 8Ni9Ti铸态组织中铁素体相奥氏体相分布相占例研究超声波1Cr18Ni9Ti凝固组织中相含量影响
具体实验程
(a)未处理超声波功率处理试块距离超声源1 Smm位置切出块尺寸8mmX8mmX5~试样
(b)切割试样采电解抛光进行处理电解抛光工艺参数
电解液15高氯酸+85酒精
电压15V
电流密度02Acm2
处理时间SOs
(c) EBSDHITACHI 5570进行实验电压20kV选步长20smicron终数通TSL软件分析选择晶界角度范围1501800亚晶界角度范围20150
(2)谱分析仪
分析奥氏体锈钢元素含量变化具体操作
(a)超声功率处理试块取距离工具头5~处试样试样尺寸
8mmX8mmX8mm
(b)试样研磨抛光
(c)FeCl3 ( I Sg ) + HCl ( SOmI ) + H20 (1 OOmI )腐蚀剂抛光试样进行腐蚀
(d)腐蚀试样JSM6700E进行元素测定分部位Fe Cr
Ni三元素含量
(3)力学性测试装置
力学性实验室温进行设备ZWICKZ20万实验机
亚晶AlSi合金试块中心截取组织观察力学试样图24示
T10钢1 Crl 8Ni9Ti奥氏体锈钢距离超声源导入侧面Smm位置
着超声波传播方切出五片厚度2mm片状力学试样进行分析侧面5mm位置开始测量试样力学性消工具头试块壁冷作
取试样位置示意图图25示根国家标准GB22887金属拉伸实验方
法GB639786金属拉伸实验试样结合试快尺寸确定拉伸片状试样尺寸图26示[[92]拉断力学试样HITACHI S570进行断口扫描分
析
3超声波凝固特性组织影响
铁基合金凝固程中温度较高采传统超声波处理工艺会严重破坏工具头等相连接设备寿命采功率超声波处理铁基合金熔体报道较少然铁基材料工业应非常广泛尤钢铁材料工业应代导作时年超细钢需求更提升钢细化工艺行性研究迫切性
克服传统超声波处理工艺缺陷更研究超声波处理工艺铁基合金中凝固组织特性影响章采侧部导入超声波处理工艺简单二元铁碳合金T10钢凝固阶段进行处理探讨超声波处理高熔点合金凝固程作规律
31实验材料实验方案
311实验材料
熔体凝固程中熔体冷速率凝固时间直接影响着超声波处理效时阳处理效果铝合金钢液密度钢液温度铝液高发生超声波效应(声流效应空化效应等)较困难前期探索性工作中含碳量005Q235钢进行超声波处理结果图41示结果表明铝相超声波处理Q235钢晶粒尺寸改变十分明显分析认钢熔点高凝固时间太短超声波处理效果没体现
更明显观察超声波处理直观效果需提高超声波处理效时间时工业应考虑选材料实价值章选择常普碳钢T10钢实验材料T10钢种碳素工具钢生产成低冷热加工性具较耐磨性常制作切削条件较差耐磨性求较高受突然剧烈击振动种工具车刀刨刀钻头等作受较击耐磨零件生产具广泛应种材料然足够硬度耐磨性强度韧性均理想想获理想力学性首先需细化晶粒时改善碳化物形态数量分布实验T10钢化学成分表41示
图41未处理(a)700W (b)超声波处理Q235钢微观组织影响
表41实验T10钢化学成分
312实验方案
考虑超声波设备超声波功率范围确定试样尺寸64mmX60mmX 140mm 采水玻璃砂铸型水玻璃加入量35起模铸型放进烘箱烘干预热铸型烘干程先调节温度3000C烘烤砂型2时然温度调节5000C预热砂型40分钟
直径40mmT10钢棒放入中频感应炉中加热熔化热1600℃时静置进行气渣处理熔体浇注砂型中盖保温盖降低试块外界换热时采双铂锗热电偶实时测量熔体温度通温度采集模块温度处理软件绘制冷曲线通温度曲线信息高液相线温度50 0C时导入功率超声波金属熔体处理处理程中需总体估计声场量作效果输出超声波功率非常重工艺参数全面衡量强度超声波高熔点合金处理效果选超声波功率次100W 200W 300W 400W SOOW 600W700W 凝固结束停止超声波导入试块空冷室温相外界条件浇注组没超声波处理试块
图42热电偶放置位置示意图
图42T10钢凝固程中热电偶放置位置示意图确保实验准确实验数性次浇注程热电偶固定砂型位置实验中热电偶前端距离型壁表面距离20mm钢液浇入砂型启动温度测量系统计算机实时记录熔体冷程温度值
32超声波处理力学性影响
321超声波处理抗拉强度延伸率影响
力学试样切取部位尺寸图2526示研究试块部位T10钢抗拉强度着超声波传播方切取5片片状力学试样取超声源试样1号试样距离超声源距离7mm远离5号试样距离超声源距离1 5mm图49超声波功率处理T10钢抗拉强度观察图49中实验数知超声波处理试块抗拉强度提高应1号试样未处理时抗拉强度6759MPa100W超声波处理100W1号试样抗拉强度基没改变200W超声波处理200W1号试样抗拉强度709MPa未处理试样增长49说明超声源试样力学性稍提高超声波功率提高300W300W1号试样抗拉强度提高非常明显未处理1号试样提高约15尤功率达700W时700W1试样抗拉强度870MPa未处理试样提高约30远离超声源5号试样未处理超声波功率300W抗拉强度基相说明超声波传播距离15mm部位功率300W时抗拉强度基没变化说超声波作效果明显直超声波功率达400W400W5号试样抗拉强度逐渐提高
图49超声波功率处理T10钢抗拉强度
图410传播距离T10钢抗拉强度未处理试样1号试样5号试样抗拉强度变化100W处理试样抗拉强度基没变化着功率提高200W处理直700W超声波处理着超声波传播方1号试样5号试样抗拉强度逐渐递减中700W超声波处理1号试样5号试样抗拉强度差75MPa说明超声波部位试样造成处理效果分析认超声波介质中传播时产生衰减现象造成试块端受超声波处理影响较尤凝固中期超声源处熔体形成骨架相固体远离变幅杆熔体没受超声波作
图410传播距离T10钢抗拉强度
图411 (a)(b)分超声波功率处理T10钢延伸率传播距离T10钢延伸率图411 (a)示超声源1号试样超声波功率200W时延伸率提高增加量着超声波功率增加加功率700W时700W1号试样延伸率未处理89增加167增长幅度高达88图411 (b)代表传播距离试样延伸率衰减情况明显延伸性着传播距离加减弱
图411超声波功率处理T10钢延伸率(a)传播距离T10钢延伸率(b)
超声波处理显著细化铸态凝固组织着超声波功率增T10钢晶粒细化效果越明显材料学知晶体金属材料发生塑性变形时位错源施密特子晶粒开动定晶面产生滑移增值滑移晶界面前位错晶界阻挡样晶粒塑性变形法直接传相邻晶粒中造成塑变晶粒位错塞积晶界位错塞积产生应力场相邻位错源开动驱动力塞积位错应力场强度塞积位错数目外力关塞积位错数目正晶粒尺寸材料晶粒细时塞积位错数量减少开动相邻晶粒位错加外力研究说超声波T10钢晶粒细化T10钢强度提局
322超声波处理断口形貌影响
超声波功率处理1号力学试样断口形貌进行扫描结果图412示断口形貌表明未处理情况断面典型解理断裂图412 (a)显示量解理断裂痕迹解理台阶形成明显河流状花样1 OOW超声波处理断口形貌未明显变化然典型解理断裂图412 (b)示超声波功率提高200W时然保持典型解理断裂特征解理面分布着许细韧窝图412 (c)示试样受力方判断拉力行方韧窝发生断裂时形成塑性变形提高材料延伸性200W超声波处理试样抗拉强度延伸率未处理100W超声波处理试样高300W超声波处理断口解理面量韧窝形成时形成鱼骨状韧窝超声波处理功率400WSOOW时发现断裂情况发生明显变化图412(e)(f)显示解理台阶解理面消失取代突起解理面分布着量韧窝说明超声波处理材料塑性提高非常明显功率提高600W700W时试样断口形貌呈现出韧脆混合断裂特征存许等凹陷微坑韧窝形状变整断面700W超声波处理时断面形貌跌宕起伏说明试样拉断前瞬间许微区域然连接着加拉应力试样拉断
图412超声波功率处理T10钢断口形貌
4总结
文采超声波侧部导入工艺亚晶铝硅合金T10钢奥氏体锈钢凝固程进行超声波功率处理超声波处理条件合金凝固特性组织力学性进行分析探讨超声波处理凝固细晶机理超声波凝固金属中衰减程结
(1)合金热分析表明超声波处理降低合金凝固初始温度缩短凝固时间通三种合金实验测试结果实验条件凝固初始温度超声波功率定量函数关系式
(2)超声波处理明显细化亚晶A173Si合金组织实验条件均晶粒尺寸未处理3SOO}m降低700W309}m均晶粒尺寸超声波输入功率呈负指数关系未处理试样初生a ( Al)次枝晶臂特发达长柱状树枝晶树枝晶杂乱交错200W超声波处理次枝晶干缩短枝晶干二次臂生长趋致功率提高400 W柱状枝晶等轴化着功率提高700W树枝晶消失形成球状等轴晶
(3)超声波处理高温合金组织细化效果明显T10钢研究表明着功率提高T10钢晶粒明显细化均晶粒尺寸未处理820}m降低700W处理315m减幅度达611 Cr18Ni9Ti奥氏体锈钢EBSD结果显示超声波处理晶粒形态发生柱状晶斗柱状等轴晶井等轴晶转变晶界亚晶界面积增位错增殖晶粒生长方未处理垂直模壁生长逐渐变晶粒择优取发散形生长未处理情况基体铁素体相弥散分布含量占5超声波处理铁素体相含量逐渐减少700W超声波处理铁素体相基消失形成全奥氏体组织锈钢微观组织转变存着柱状枝晶井柱状等轴混合枝晶功等轴晶球状晶转变程二次枝晶间距减
参考文献
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[3] 张振杰 奥氏体锈钢应力腐蚀破裂探讨[J] 石油化工腐蚀防护 2006(02)
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[6] 戚飞鹏张海波高守雷翟启杰 Microstructure Refinement of SnSb Peritectic Alloy under HighIntensity Ultrasound Treatment[J] Journal of Shanghai University 2005(01)
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[8] 张寿禄 电子背散射衍射技术应[J] 电子显微学报 2002(05)
[9] 李荣德孙玉霞白彦华海朋黄忠 凝固参数ZA27合金二次枝晶间距抗拉强度影响[J] 材料科学工艺 2001(02)
[10] 李廷举金俊泽 材料电磁加工现状未展[J] 材料导报 2000(12)
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题目
超声波A380凝固行实验研究
摘
传统导入方式超声波处理然够显著改善金属凝固组织强化金属材料性存诸缺点容易卷入夹杂物高温合金操作困难等该技术工业应难度文采研发吸式变幅杆超声侧部导入技术解决超声波导入难题研究该超声处理技术铝基铁基合金凝固特性组织性影响探讨中基础理问题探索超声波侧部导入处理工艺行性文通实验分析超声波A380凝固行
关键词：超声波A380凝固
ABSTRACT
Traditional ways of introducing ultrasonic treatment although can significantly improve the solidification structure of metals and metal materials to strengthen performance but due to the existence of many shortcomings such as easy to get caught up in inclusion difficult operation to hightemperature alloy and so on making the technique has great difficult in industrial applications In this paper the independent research and development of self suction horn ultrasonic side of import technology to solve the ultrasonic import problem and to study the effect of the ultrasonic treatment technology of aluminum matrix and ironbased alloy solidification characteristics microstructure and properties of discusses the basic theoretical problems In order to explore the feasibility of ultrasonic treatment technology In this paper the solidification behavior of A380 is analyzed by experiment
KEY WORDS ultrasonic A380 solidification
目录
摘 I
ABSTRACT II
引言 1
1相关概述 1
11超声波处理技术 1
12超声波中金属熔体凝固 2
121超声波处理工艺 2
122超声波低温合金凝固程中应 3
123超声波中温合金凝固程中应 4
2实验准备 6
21实验设备 6
211超声波处理设备 7
212超声波衰减测量设备 8
22分梳试仪器 9
3超声波凝固特性组织影响 12
31实验材料实验方案 12
311实验材料 12
312实验方案 13
32超声波处理力学性影响 14
321超声波处理抗拉强度延伸率影响 14
322超声波处理断口形貌影响 17
4总结 19
参考文献 20
致谢 21
引言
现代科学技术发展仅材料性求越越高环保求日趋严格材料环境协调性促绿色材料加工技术飞速发展传统冶金化学手段细化凝固组织工艺受环境理念质疑挑战凝固技术正着高效环保方发展污染环境材料前提实现金属凝固程凝固组织控制冶金材料工作者长期追求奋斗目标
1相关概述
基述发展思路凝固程中施加物理场处理技术成提高材料性重工艺手段外加物理场处理技术金属凝固前凝固程中金属熔体施加物理场利金属物理场相互作改善凝固程组织种技术该技术具环境友操作简便等优点外场种类该领域研究热点集中三方面：
1)金属熔体凝固程进行超声波处理2)金属熔体磁场中凝固磁场处理3)电流通金属熔体电流处理
进入21世纪物理材料电子等领域科学技术飞速发展功率超声波磁场电流等物理手段产生成20世纪90年代起物理场凝固细晶技术成材料领域研究热点十年种物理场材料凝固程组织影响研究受特关注尤功率超声波独特声学效应金属凝固程具十分显著影响材料领域研究应次成热点
课题研究功率超声波处理金属凝固程影响系统考察超声波功率处理金属凝固行揭示超声波处理金属凝固行影响机制建立超声波熔体中传播衰减模型超声波熔体中传播效传播距离工艺参数选择工业应提供理
11超声波处理技术
超声波通常指频率高2X1扩Hz声波途分包括检测超声功率超声医学超声功率超声处理通超声量物质作改变加速改变物质物理化学生物特性状态技术功率超声学涉容包括功率高声强超声波产生(包括功率超声换器变幅杆变幅器振动方变换器处理工具等)声物质作机理种超声处理技术应中声量物质作机制功率超声较独特问题继续深入研究课题文采特定导入设备功率超声波施加液态金属凝固程中通功率超声波凝固金属中形成种效应综合作改变金属凝固程终改善控制金属材料凝固行获优良组织性材料
早期超声波处理工艺发展非常缓慢许问题困扰超声波处理应中突出功率超声波产生设备研制问题着超声波处理研究断深入物理材料电子等领域科学技术飞速发展逐渐找解决方案尤功率晶体出现包括vMOsIGBT制造断取进展功率合成系统断完善功率超声发生器输出功率达十千瓦满足工业应需求报道美国ETREMA PRODUCTS公司TerfenolD磁致伸缩合金设计制造25kW超声源结合形状记忆合金(CuAIMe)作变幅杆具较高疲劳寿命抗空化腐蚀性超声波产生设备突破促超声波处理技术广泛应
12超声波中金属熔体凝固
121超声波处理工艺
传统超声波导入方法顶端导入底端导入两种方式图16示优点操作简单两种导入方式足处底端导入说振荡器盛放金属熔液模子相粘接部分超声振动避免模子吸收特金属液浇入铸模首先底部开始凝固导致振动效率降低部金属熔液超声处理效果差尤重偏析严重金属需顶端导入高出振动强度取相效果顶端导入效率说较高变幅杆浸入液面超声波合金液呈剧烈振动状态时合金液面连续氧化膜遭破坏破碎氧化膜振动合金液表面卷入熔液部形成夹杂时处理高温金属时变幅杆材质会造成严重高温腐蚀
文传统超声波导入工艺进行改进采吸式侧部导入方式工艺示意图图16 特征利特殊设计变幅杆吸力增锅紧密接触超声波侧部导入柑涡金属熔液中工艺改传统顶部底部导入法直接接触金属熔液避免变幅杆高温金属液相浸触造成腐蚀损耗会造成表面氧化物杂卷入金属液部避免外夹杂物着试块处理部位需灵活改变超声源位置提高处理效果
图16传统超声波导入方式
图17侧部导入超声波装置示意图
122超声波低温合金凝固程中应
20世纪30年代D Loomis W WoodS Danilov等学者分研究超声振动金属机物凝固程影响S Sokolov T Teumin P Alekseev G EskinO Abramov等分超声场金属凝固规律进行探索[[6769]0
O Abramov G EskinF Gurevich20kHz超声波处理具点阵结构纯金属中包括Bi Zn Sn换器传递量100250W[70}7i]实验表明换器输出功率1 OOW时Sn晶粒开始细化换器输出功率提高250W时Bi Zn晶粒开始细化实验结果揭示超声处理具点阵金属晶粒细化金属熔点较低晶粒形貌变化着材料熔化温度增加细化效果减弱
GN Kozhemyakin研究功率超声波振动InSb晶体凝固程生长影响结果表明超声波振动影响InSb晶体生长方择优晶粒取利提高晶体胜
图18超声波处理锡锑合金微观组织影响[[73]种合金研究结果表明超声波处理显著细化合金微观组织改变刀相形貌尖锐棱角立方体刀相破碎均匀细粒状棱角钝化趋势消重偏析
图18 SnSb合金微观组织
123超声波中温合金凝固程中应
低温金属研究表明超声波处理细化晶粒方面非常效果增加种处理工艺工业应适性研究集中工业常铝合金镁合金
Abramo选纯铝研究材料合金凝固程中施加超声振动发现整试块晶粒细部分分布工具头部位说明位空化区域强声流区域熔体具强结晶性超声波工具头压入熔体中时空化气泡形成液压波非常效破碎已凝固合金超声波产生声流作破碎固体颗粒均匀分布超声波处理区域凝固组织发生变化包括晶粒细化抑止柱状晶生长提高晶粒性减低偏析图19采顶部超声波处理工艺纯铝未处理超声波处理微观组织凝固组织柱状晶等轴晶转变非常明显力学性测试结果发现超声波处理材料抗拉强度52MPa提高72MPa增长幅度达35硬度HB 172增长HB 197
C K JenH Soda研究超声振动具微观组织(胞状树枝状面体)二元AlCu BiCd合金凝固程作[}}s}前领域研究仅限定具树枝状结构低熔点合金实验中选具成分微观组织材料进行研究深化前领域研究实验采顶端导入温度高液相线10 0C时导入20kHz超声振动温度低固相线10℃时停止导入实验结果表明合金重熔凝固组织明显细化然合金重熔否具超声波影响问题尚存争议
图19纯铝未处理(a)超声波处理((b)微观组织
文实验研究方面采发研制超声波侧部导入装置超声波衰减测量装置分析试样采种分析测试手段进行凝固特性组织力学性系统分析
2实验准备
21实验设备
文采超声波处理实验设备包括超声波产生系统熔炼系统温度采集系统超声波熔体处理实验设备示意图实物图分图21图22文实验设备进行详细介绍
图21实验设备示意图
图22实验实物装置图
211超声波处理设备
2111超声波产生系统
(1)超声波发生器换器
超声波发生器换器振动系统整实验研究系统重设备担负着凝固实验提供超声源务超声波发生器产生超声频电信号功率源供换器工作时必需超声频电功率换器电功率转换超声量生成超声振动实验中选择磁致伸缩换器发生器参数输出功率01000W连续调输出阻抗约50欧姆频率范围1723kHz电源电压220V频率SOHz电源消耗约2000伏安磁化电流7安培承受电功率1000W o
(2)超声波变幅杆
超声振动导入金属液中超声波金属凝固中应前提里涉变幅杆材质导入方式两问题超声技术中变幅杆振动系统中重部分超声变幅杆称超声变速杆超声聚器作机械振动质点位移速度放者超声量集中较面积聚作实验中超声波处理金属熔液金属固液混合物需加静压力选简单阶梯形变幅杆
关变幅杆材料选择般求工作频率范围材料损耗疲劳强度高声阻抗率易机械加工实验中选#45钢作变幅杆材料具较声学特性延展性耐较高温度材料价格较低济等优点较理想变幅杆材料
(3)超声波侧部导入装置
超声波侧部导入装置课题组制实验设备吸式变幅杆变压器线圈冷装置组成设备示意图参图17
2112熔炼系统
铝硅合金采3kW钳锅电阻炉进行熔炼钢熔炼采中频感应电炉额定功率SOkW工作频率2000Hz中频电流1600A直流电流1 OOA高工作温度1900 0C炉头线圈尺寸}＇ 160mmX25mm熔化锈钢时选镁砂结炉衬熔化铸铁时选石英砂结炉衬炉膛尺寸约径} 70mmx 180mm约熔化Skg炉料
2113温度采集系统
温度采集系统包括K型B型热电偶红外测温仪AD VANTECH610工业控制计算机ADAM4018+采温模块OP07高精度低漂移运算放器滤波模块热电偶补偿导线实时显示温度时间曲线测温程序等铝合金凝固时温度采镍铬镍硅(K型)热电偶测量测试高温熔液时采双铂锗热电偶热电偶外部石英进行保护
212超声波衰减测量设备
超声波衰减测量设备原位加热系统冷系统超声波发射接收装置位置调节系统温度采集系统组成中加热系统3kW加热电阻丝炉膛塔祸组成文超声波发射接收装置选超声波发射频率2SMHz温度采集系统超声波处理装置测温系统相图23实验设备示意图该实验设备利单探头超声发射接收器加循环冷装置导杆间接超声波导入金属熔体超声波导杆进入金属熔体金属柑锅底面发生反射样路径回探头超声波导杆中衰减量界面处反射系数透射系数等物性参数知根回波超声波金属熔体中衰减值
图23超声波衰减测量设备示意图
22分梳试仪器
文试样凝固组织力学性进行观测测试采测试仪器包括
(1)微观组织分析仪器
电子背散射衍射(Electron Back Scattering Diffraction简称EBSD)20世纪80年代发展起金属材料进行组织分析结晶学分析新技术利EBSD技术实验样品中获方面信息中包括试样晶粒形貌晶结构晶体生长取取差试样相组成相占例等等传统晶粒尺寸测量赖微观组织中晶界观察某特殊晶界角晶界孪晶界常规腐蚀方法难显示严重孪晶微观组织晶粒尺寸测量相困难应EBSD技术精确勾画出角晶界孪晶界获完整晶粒取图(Crystal Orientation Mapping简称COM ) fsss9}电子探针分析中某化学成分相似氧化物碳化物难区分EBSD技术相结晶学关系容易加区分目前EBSD7晶系意称性样品进行动取测量标定结合EDS谱微区成分分析EBSD应未知物相鉴定
文中采EBSD测试技术1Cr18Ni9Ti奥氏体锈钢试样做方面分析研究
( a ) 1 Cr 18Ni9Ti铸态组织中晶界亚晶界位错分析传统晶粒观察显微镜成方法晶粒部缺陷反映出1 Crl 8Ni9Ti种抗腐蚀性锈钢完整腐蚀晶界定难度更说观察角晶界位错分布研究超声波处理晶粒部影响采EBSD技术试样做更深入分析
(b)研究超声波功率处理1 Crl 8Ni9Ti凝固时晶粒生长方分析超声波1 Cr18Ni9Ti凝固程热流影响
(c)分析1 Crl 8Ni9Ti铸态组织中铁素体相奥氏体相分布相占例研究超声波1Cr18Ni9Ti凝固组织中相含量影响
具体实验程
(a)未处理超声波功率处理试块距离超声源1 Smm位置切出块尺寸8mmX8mmX5~试样
(b)切割试样采电解抛光进行处理电解抛光工艺参数
电解液15高氯酸+85酒精
电压15V
电流密度02Acm2
处理时间SOs
(c) EBSDHITACHI 5570进行实验电压20kV选步长20smicron终数通TSL软件分析选择晶界角度范围1501800亚晶界角度范围20150
(2)谱分析仪
分析奥氏体锈钢元素含量变化具体操作
(a)超声功率处理试块取距离工具头5~处试样试样尺寸
8mmX8mmX8mm
(b)试样研磨抛光
(c)FeCl3 ( I Sg ) + HCl ( SOmI ) + H20 (1 OOmI )腐蚀剂抛光试样进行腐蚀
(d)腐蚀试样JSM6700E进行元素测定分部位Fe Cr
Ni三元素含量
(3)力学性测试装置
力学性实验室温进行设备ZWICKZ20万实验机
亚晶AlSi合金试块中心截取组织观察力学试样图24示
T10钢1 Crl 8Ni9Ti奥氏体锈钢距离超声源导入侧面Smm位置
着超声波传播方切出五片厚度2mm片状力学试样进行分析侧面5mm位置开始测量试样力学性消工具头试块壁冷作
取试样位置示意图图25示根国家标准GB22887金属拉伸实验方
法GB639786金属拉伸实验试样结合试快尺寸确定拉伸片状试样尺寸图26示[[92]拉断力学试样HITACHI S570进行断口扫描分
析
3超声波凝固特性组织影响
铁基合金凝固程中温度较高采传统超声波处理工艺会严重破坏工具头等相连接设备寿命采功率超声波处理铁基合金熔体报道较少然铁基材料工业应非常广泛尤钢铁材料工业应代导作时年超细钢需求更提升钢细化工艺行性研究迫切性
克服传统超声波处理工艺缺陷更研究超声波处理工艺铁基合金中凝固组织特性影响章采侧部导入超声波处理工艺简单二元铁碳合金T10钢凝固阶段进行处理探讨超声波处理高熔点合金凝固程作规律
31实验材料实验方案
311实验材料
熔体凝固程中熔体冷速率凝固时间直接影响着超声波处理效时阳处理效果铝合金钢液密度钢液温度铝液高发生超声波效应(声流效应空化效应等)较困难前期探索性工作中含碳量005Q235钢进行超声波处理结果图41示结果表明铝相超声波处理Q235钢晶粒尺寸改变十分明显分析认钢熔点高凝固时间太短超声波处理效果没体现
更明显观察超声波处理直观效果需提高超声波处理效时间时工业应考虑选材料实价值章选择常普碳钢T10钢实验材料T10钢种碳素工具钢生产成低冷热加工性具较耐磨性常制作切削条件较差耐磨性求较高受突然剧烈击振动种工具车刀刨刀钻头等作受较击耐磨零件生产具广泛应种材料然足够硬度耐磨性强度韧性均理想想获理想力学性首先需细化晶粒时改善碳化物形态数量分布实验T10钢化学成分表41示
图41未处理(a)700W (b)超声波处理Q235钢微观组织影响
表41实验T10钢化学成分
312实验方案
考虑超声波设备超声波功率范围确定试样尺寸64mmX60mmX 140mm 采水玻璃砂铸型水玻璃加入量35起模铸型放进烘箱烘干预热铸型烘干程先调节温度3000C烘烤砂型2时然温度调节5000C预热砂型40分钟
直径40mmT10钢棒放入中频感应炉中加热熔化热1600℃时静置进行气渣处理熔体浇注砂型中盖保温盖降低试块外界换热时采双铂锗热电偶实时测量熔体温度通温度采集模块温度处理软件绘制冷曲线通温度曲线信息高液相线温度50 0C时导入功率超声波金属熔体处理处理程中需总体估计声场量作效果输出超声波功率非常重工艺参数全面衡量强度超声波高熔点合金处理效果选超声波功率次100W 200W 300W 400W SOOW 600W700W 凝固结束停止超声波导入试块空冷室温相外界条件浇注组没超声波处理试块
图42热电偶放置位置示意图
图42T10钢凝固程中热电偶放置位置示意图确保实验准确实验数性次浇注程热电偶固定砂型位置实验中热电偶前端距离型壁表面距离20mm钢液浇入砂型启动温度测量系统计算机实时记录熔体冷程温度值
32超声波处理力学性影响
321超声波处理抗拉强度延伸率影响
力学试样切取部位尺寸图2526示研究试块部位T10钢抗拉强度着超声波传播方切取5片片状力学试样取超声源试样1号试样距离超声源距离7mm远离5号试样距离超声源距离1 5mm图49超声波功率处理T10钢抗拉强度观察图49中实验数知超声波处理试块抗拉强度提高应1号试样未处理时抗拉强度6759MPa100W超声波处理100W1号试样抗拉强度基没改变200W超声波处理200W1号试样抗拉强度709MPa未处理试样增长49说明超声源试样力学性稍提高超声波功率提高300W300W1号试样抗拉强度提高非常明显未处理1号试样提高约15尤功率达700W时700W1试样抗拉强度870MPa未处理试样提高约30远离超声源5号试样未处理超声波功率300W抗拉强度基相说明超声波传播距离15mm部位功率300W时抗拉强度基没变化说超声波作效果明显直超声波功率达400W400W5号试样抗拉强度逐渐提高
图49超声波功率处理T10钢抗拉强度
图410传播距离T10钢抗拉强度未处理试样1号试样5号试样抗拉强度变化100W处理试样抗拉强度基没变化着功率提高200W处理直700W超声波处理着超声波传播方1号试样5号试样抗拉强度逐渐递减中700W超声波处理1号试样5号试样抗拉强度差75MPa说明超声波部位试样造成处理效果分析认超声波介质中传播时产生衰减现象造成试块端受超声波处理影响较尤凝固中期超声源处熔体形成骨架相固体远离变幅杆熔体没受超声波作
图410传播距离T10钢抗拉强度
图411 (a)(b)分超声波功率处理T10钢延伸率传播距离T10钢延伸率图411 (a)示超声源1号试样超声波功率200W时延伸率提高增加量着超声波功率增加加功率700W时700W1号试样延伸率未处理89增加167增长幅度高达88图411 (b)代表传播距离试样延伸率衰减情况明显延伸性着传播距离加减弱
图411超声波功率处理T10钢延伸率(a)传播距离T10钢延伸率(b)
超声波处理显著细化铸态凝固组织着超声波功率增T10钢晶粒细化效果越明显材料学知晶体金属材料发生塑性变形时位错源施密特子晶粒开动定晶面产生滑移增值滑移晶界面前位错晶界阻挡样晶粒塑性变形法直接传相邻晶粒中造成塑变晶粒位错塞积晶界位错塞积产生应力场相邻位错源开动驱动力塞积位错应力场强度塞积位错数目外力关塞积位错数目正晶粒尺寸材料晶粒细时塞积位错数量减少开动相邻晶粒位错加外力研究说超声波T10钢晶粒细化T10钢强度提局
322超声波处理断口形貌影响
超声波功率处理1号力学试样断口形貌进行扫描结果图412示断口形貌表明未处理情况断面典型解理断裂图412 (a)显示量解理断裂痕迹解理台阶形成明显河流状花样1 OOW超声波处理断口形貌未明显变化然典型解理断裂图412 (b)示超声波功率提高200W时然保持典型解理断裂特征解理面分布着许细韧窝图412 (c)示试样受力方判断拉力行方韧窝发生断裂时形成塑性变形提高材料延伸性200W超声波处理试样抗拉强度延伸率未处理100W超声波处理试样高300W超声波处理断口解理面量韧窝形成时形成鱼骨状韧窝超声波处理功率400WSOOW时发现断裂情况发生明显变化图412(e)(f)显示解理台阶解理面消失取代突起解理面分布着量韧窝说明超声波处理材料塑性提高非常明显功率提高600W700W时试样断口形貌呈现出韧脆混合断裂特征存许等凹陷微坑韧窝形状变整断面700W超声波处理时断面形貌跌宕起伏说明试样拉断前瞬间许微区域然连接着加拉应力试样拉断
图412超声波功率处理T10钢断口形貌
4总结
文采超声波侧部导入工艺亚晶铝硅合金T10钢奥氏体锈钢凝固程进行超声波功率处理超声波处理条件合金凝固特性组织力学性进行分析探讨超声波处理凝固细晶机理超声波凝固金属中衰减程结
(1)合金热分析表明超声波处理降低合金凝固初始温度缩短凝固时间通三种合金实验测试结果实验条件凝固初始温度超声波功率定量函数关系式
(2)超声波处理明显细化亚晶A173Si合金组织实验条件均晶粒尺寸未处理3SOO}m降低700W309}m均晶粒尺寸超声波输入功率呈负指数关系未处理试样初生a ( Al)次枝晶臂特发达长柱状树枝晶树枝晶杂乱交错200W超声波处理次枝晶干缩短枝晶干二次臂生长趋致功率提高400 W柱状枝晶等轴化着功率提高700W树枝晶消失形成球状等轴晶
(3)超声波处理高温合金组织细化效果明显T10钢研究表明着功率提高T10钢晶粒明显细化均晶粒尺寸未处理820}m降低700W处理315m减幅度达611 Cr18Ni9Ti奥氏体锈钢EBSD结果显示超声波处理晶粒形态发生柱状晶斗柱状等轴晶井等轴晶转变晶界亚晶界面积增位错增殖晶粒生长方未处理垂直模壁生长逐渐变晶粒择优取发散形生长未处理情况基体铁素体相弥散分布含量占5超声波处理铁素体相含量逐渐减少700W超声波处理铁素体相基消失形成全奥氏体组织锈钢微观组织转变存着柱状枝晶井柱状等轴混合枝晶功等轴晶球状晶转变程二次枝晶间距减
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