鋁熔體中超聲空化區域分布及聲壓衰減系數

章 武, 李曉謙, 蔣日鵬

(中南大學 輕合金研究院，高性能復雜制造國家重點實驗室，長沙 410083)

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鋁熔體中超聲空化區域分布及聲壓衰減系數

章 武, 李曉謙, 蔣日鵬

(中南大學 輕合金研究院，高性能復雜制造國家重點實驗室，長沙 410083)

利用激光測距儀測得鑄造用超聲輻射桿端面全局振幅及頻率，基于FFT細化分析對所測振幅分析后得到輻射桿端面振幅整體分布特性，在鋁熔體中，將鈦板豎直置于超聲輻射桿正下方，啟動超聲振動系統運行20 h，通過分析鈦板空蝕區域探究超聲在鋁熔體中的空化區域，得出輻射桿的空化區域分布，空化區域為一橢球形且分界面明顯，空化域最遠可達變幅桿正下方68 mm，結合鋁熔體中超聲的空化閾值，推算出20 kHz鑄造用功率超聲在鋁熔體中傳播的衰減系數。

超聲振動系統；空化腐蝕；空化域；聲壓衰減系數

超聲鑄造是一種無污染、高效率且極具發展潛力的新型鑄造技術，目前的研究認為，超聲波在熔體中產生的空化效應能顯著細化晶粒，提高材料性能，在強超聲場正負聲壓的高頻交替作用下，形成空化泡，空化泡崩潰瞬間產生的高溫高壓以及高強度的微射流，促使鋁合金熔體中的初生晶被打碎，異質結晶核數目增多，結晶核與固相間的潤濕角被減小，實際結晶溫度降低，過冷度增大，從而使凝固組織得到明顯的細化[1-5]。由于金屬熔體的高溫，不可視以及金屬熔體內部難于檢測，目前尚無定量測量金屬熔體空化強度及空化區域的方法。國內外現有研究中主要通過水中空化實驗[6-9]或超聲作用后合金晶粒細化效果來間接研究空化作用，對高溫金屬內空化作用區域鮮有研究[3-6]。

本文通過2219鋁合金熔體中鈦板空蝕試驗，由鈦板空蝕區域探究鑄造用超聲輻射桿的空化作用區域，并推測出超聲波在鋁熔體中的衰減系數。

1 測試與試驗

1.1 試驗材料及裝置

試驗材料為0.5 mm厚度GB/T3621—2007鈦板，2219鋁合金，試驗使用設備為鑄造用超聲波電源，鑄造用超聲振動系統(包含PZT壓電陶瓷片，變幅桿，輻射桿)。其它輔助設備為井式加熱爐，微米級基恩士激光測距儀，高精度電子稱，石墨坩堝，熱電偶，游標卡尺。

1.2 端面振幅測量

超聲振動由壓電陶瓷的壓電效應產生，經階梯形變幅桿將振幅放大后傳遞至輻射桿，再將超聲能量傳輸至鋁熔體，實驗設備如圖2所示，測試以端面原點為圓心的同心圓為基準測量，半徑差為5 mm，最小半徑為0 mm，最大半徑為24.8 mm，每個同心圓取4平分點測量。測量時將超聲振動系統調節至諧振狀態，待振動穩定后將頻率鎖定在諧振點，移動激光探頭依次對端面及柱面各測量點進行振幅數據采集，采樣頻率為408 kHz；采樣點數為2 000 000，每個測量點測量三次，共測得21組數據，測量過程圖如圖1所示。

圖1 激光測距示意圖Fig.1 Schematic diagram of Laser ranging

1.3 鋁熔體中鈦板空化腐蝕試驗

根據石墨坩堝以及變幅桿尺寸，變幅桿插入深度，將0.5 mm鈦板裁剪成合適形狀，因在鋁熔體中溫度高，操作不便，防止變幅桿插入鋁熔體與鈦板貼合以及超聲振動導致鈦板不穩、傾斜，故在鈦板上設置夾持加固裝置，實驗前進行試裝試驗，調試好坩堝位置以后輻射桿高度與角度，以確保鈦板與變幅桿同軸貼合，將裝有2219鋁合金的石墨坩堝置于電阻爐中加熱，待鋁合金完全融化之后，持續加熱保溫至700℃穩定溫度，將鈦板和變幅桿清洗打磨干凈，為防止試驗鋁熔體溫度變化較大，且除去表面水分，鈦板和變幅桿應進行預熱，將鈦板置于石墨坩堝對稱位置，固定后插入變幅桿，變幅桿軸與坩堝中心軸以及鈦板對稱軸處于同一條直線上，變幅桿插入深度為50 mm，變幅桿端面與鈦板上沿貼合，啟動超聲波電源，調至諧振狀態同時計時，持續20 h后，取出鈦板，冷卻后用堿液將鈦板上的鋁清洗干凈,試驗示意圖如圖2所示。

圖2 鈦板空化腐蝕裝置示意圖Fig.2 Schematic diagram of Titanium cavitation corrosion

2 試驗結果與討論

2.1 輻射桿端面振動分析

經激光測距儀采集到的超聲振動信號為離散時間點信號，基于Matlab軟件將振動信號進行快速傅里葉變換 (FFT)后，進行頻譜分解[10]，對頻譜進行FFT細化分析之后，得出各點的振幅與頻率。頻率為20 050 Hz，振幅分布規律如圖3所示。

圖3 端面振幅分布Fig.3 Amplitude distribution of End face

分析可知，半徑相同時振幅差距不大，不同半徑上振幅，振幅差異較小，所以我們可以認為端面振幅基本一致，大小為13.5 μm。

2.2 鈦板空蝕特性及超聲空化區域

鈦板空化腐蝕前后形貌對比見圖4。

由圖4可知，在鋁熔體中，超聲場作用下，鈦板上形成較明顯的空蝕坑，表層材料部分脫落，形成較多麻點，靠近變幅桿一端空蝕效果更顯著，鈦板向內縮短約3 mm，且空蝕區域鈦板明顯變薄，強度變差，空蝕區域最下端距變幅桿端面距離為68 mm，側面離變幅桿距離為13 mm，空化域分布界面較明顯，空化域以外區域無空蝕現象。

(a)空蝕前鈦板 (b)空蝕后鈦板圖4 鈦板空蝕前后對比Fig.4 Comparison of Titanium before and after cavitation

空蝕破壞是由于近壁空泡潰滅的最后階段產生的壓力沖擊波造成的，熔體在負聲壓下被撕扯開形成空化泡，并長大，在隨后而來的正聲壓中瞬間破滅，空化泡破滅瞬間形成微射流，沖擊金屬壁面，如此反復，最終破壞金屬壁面結構[11-14]，并不是存在聲壓就能產生空化，在鋁熔體中只有聲壓超過一定幅值才能形成空化泡，在鋁熔體中，使鋁熔體產生空化所需的最低聲壓，稱為鋁熔體的聲空化閾值，已有研究表明，鋁熔體中超聲波空化閾值為1.1 MPa[15]，結合鈦板形成的空化區域，最下端距輻射桿端面距離為68 mm，分界面明顯，故我們可以推測出輻射桿端面正下方68 mm處聲壓幅值為1.1 MPa。

2.3 鋁熔體中鑄造用超聲波衰減系數

超聲波在介質中傳播時，隨著傳播距離的增加，其能量逐漸減弱，這種現象叫做超聲波的衰減，常用超聲波衰減系數來表示超聲波的衰減。超聲衰減分為吸收散射衰減與擴散衰減，前兩類衰減取決于媒介的特性，后一類衰減與聲源特性有關，而與媒介無關，對于吸收與散射衰減，常用衰減系數來表示，其衰減規律滿足式(1)[1-3]。

P1=P0e-ax

(1)

式中:P為初始聲壓；P1為傳播距離x后聲壓；a為衰減系數。

由于尚無有效方法測量鋁熔體中超聲波聲壓幅值，對鋁熔體中超聲波傳播衰減系數更是鮮有涉及。

考慮到試驗中輻射桿聲源端面為圓形，存在較明顯擴散衰減，基于前文測得端面振幅分布，分析采用微元積分疊加法法，分析原理見圖5。

圖5 聲場分析原理圖Fig.5 Diagram of Acoustic analysis

結合式(1)，面元ds在軸線上P點產生的聲壓為[1-2]

(2)

對式(2)積分得P點的總聲壓

(3)

e-ahcos(ωt-nh)]

(4)

分析式(4)可知P點振幅為

表1 計算所需參數值

由此可以推算出，鑄造用超聲波在2219鋁合金中衰減系數為0.011 03 mm-1。

3 結 論

(1) 鑄造用超聲振動系統端面振幅均勻，圓面上各點振幅基本一致。

(2) 超聲振動在鋁熔體中產生空化，空化腐蝕鈦板效果明顯，腐蝕區域分界處清晰，空化域最遠可達端面下方68 mm處。

(3) 700 ℃溫度下2219鋁合金熔體中的聲壓衰減系數約為0.011 03 mm-1。

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Ultrasonic caviation areal distribution in molten Aluminum and sound pressure attenuation coefficient

ZHANG Wu, LI Xiaoqian, JIANG Ripeng

(State Key Laboratory of High Performance Complex Manufacturing, School of Mechanical and Electrical Engineering, Central South University, Changsha 410083, China)

The global ultrasonic amplitude and frequency of an ultrasonic radiation rod’s end face was measured using a laser rangefinder, and the data obtained were analyzed by utilizing FFT zoom analysis technique to obtain the global amplitude distribution of the rod’s end face. A titanium plate was placed under the ultrasonic radiation rod in molten aluminum. An ultrasonic vibration system was activated for 20 h to find the ultrasonic cavitation area in molten aluminum by analyzing the cavitation corrosion area of the titanium plate, then the caviation area distribution of the ultrasonic radiation rod was obtained. It was shown that the cavitation area of the rod is an ellipsoid with obvious boundaries, and the longest distance between the boundaries and the ultrasonic radiation rod is 68 mm. Moreover, the sound pressure attenuation coefficient of 20 kHz ultrasound was calculated with the ultrasonic cavitation threshold in molten aluminum.

ultrasonic vibration system; cavitation corrosion; cavitation threshold; sound pressure attenuation coefficient

國家重點基礎研究發展規劃(973 計劃)(2010CB731706;2012CB619504)

2015-07-20 修改稿收到日期：2015-11-15

章武 男，碩士生，1990年2月生

李曉謙 男，教授，博士生導師，1958年2月生

TG249.9;TB559

A

10.13465/j.cnki.jvs.2016.21.023