超聲波對(duì)金屬凝固特性及組織影響的研究.pdf

1、傳統(tǒng)導(dǎo)入方式的超聲波處理雖然能夠顯著改善金屬凝固組織和強(qiáng)化金屬材料性能，但是由于存在諸多缺點(diǎn)，比如容易卷入夾雜物、對(duì)于高溫合金的操作困難等，使得該技術(shù)在工業(yè)應(yīng)用上有很大的難度。本文采用自主研發(fā)的“自吸式變幅桿”超聲側(cè)部導(dǎo)入技術(shù)，解決了超聲波導(dǎo)入難題，并研究了該超聲處理技術(shù)對(duì)鋁基和鐵基合金凝固特性、組織和性能的影響，探討了其中的基礎(chǔ)理論問(wèn)題。 為了探索超聲波側(cè)部導(dǎo)入處理工藝的可行性，本文首先采用此技術(shù)處理了低熔點(diǎn)亞共晶Al-7.3

2、％Si合金，系統(tǒng)研究了此工藝對(duì)合金凝固特性和組織的影響。采用微分熱分析方法對(duì)合金的凝固初始溫度、共晶反應(yīng)溫度和時(shí)間進(jìn)行了分析。研究表明，200W超聲波處理對(duì)熔體的凝固初始溫度影響小，隨著輸入的超聲波功率進(jìn)一步提高到600W后，合金的凝固初始溫度發(fā)生大幅度降低，對(duì)應(yīng)于宏觀組織細(xì)化和初生α相形貌的顯著改善。超聲波功率從0 W變化到700W時(shí)，平均晶粒尺寸與輸入的超聲波功率呈負(fù)指數(shù)遞減規(guī)律。本文考察了超聲波處理對(duì)材料力學(xué)性能的影響，結(jié)果表明超

3、聲波處理提高了該合金的抗拉強(qiáng)度和延伸率。 為了探討超聲波處理對(duì)高熔點(diǎn)合金的影響，本文選用成分簡(jiǎn)單的二元鐵碳合金(T10鋼)為研究材料，結(jié)合超聲波側(cè)部導(dǎo)入工藝分析超聲波對(duì)高熔點(diǎn)合金凝固特性和組織的影響。微分熱分析結(jié)果表明，功率小于300W時(shí)，超聲波處理對(duì)凝固初始溫度基本沒(méi)有影響。隨著輸入功率的提高，凝固初始溫度逐漸降低。組織結(jié)果顯示，隨著超聲波功率的提高T10鋼晶粒細(xì)化程度越發(fā)明顯，分布更加均勻。力學(xué)性能測(cè)試結(jié)果顯示，超聲波處理后

4、試樣抗拉強(qiáng)度增大，延伸率提高。斷口掃描結(jié)果表明，超聲波處理使斷口的斷裂特征由典型的脆性斷裂逐漸轉(zhuǎn)變?yōu)闇?zhǔn)解理斷裂。 在上述研究基礎(chǔ)上，結(jié)合企業(yè)需求，深入研究了不同超聲波功率處理對(duì)1 Crl8Ni9Ti奧氏體不銹鋼凝固過(guò)程、組織及性能的影響。微分熱分析顯示，隨著超聲波處理功率的增大，熔體的凝固初始溫度逐漸降低，凝固時(shí)間縮短，包晶反應(yīng)溫度也隨著超聲波功率的提高而降低，而且包晶反應(yīng)前期近平衡凝固時(shí)間隨著功率的提高大大縮短。通過(guò)數(shù)學(xué)分析定

5、量的得到超聲波處理過(guò)程凝固初始溫度與功率的關(guān)系。隨后采用EBSD電子背散射衍射技術(shù)對(duì)晶界和晶粒內(nèi)部缺陷進(jìn)行分析。結(jié)果表明，超聲波處理增加了組織中的晶界、亞晶界面積和位錯(cuò)密度，并且隨著輸入功率的提高，凝固組織發(fā)生由柱狀晶向等軸晶的轉(zhuǎn)變。功率從0 W到700W，輸入功率與奧氏體相含量呈線性遞增關(guān)系，700W超聲波處理時(shí)組織近似為全奧氏體。分析了超聲波處理對(duì)奧氏體不銹鋼微觀組織的影響。結(jié)果顯示，隨著超聲波功率的提高發(fā)生了柱狀枝晶向等軸晶或球形

6、晶的轉(zhuǎn)變，相應(yīng)的二次枝晶臂間距變小。通過(guò)EDS能譜技術(shù)測(cè)試了不銹鋼中主要元素在不同位置的分布，結(jié)果表明施加超聲波加速了固/液界面前沿的溶質(zhì)擴(kuò)散，減小溶質(zhì)富集邊界層厚度，從而降低了合金元素偏析。力學(xué)性能測(cè)試結(jié)果表明，超聲波處理對(duì)不銹鋼試樣的延伸率影響不大，但能顯著提高合金抗拉強(qiáng)度。對(duì)合金抗拉強(qiáng)度沿著超聲波傳播距離上的衰減進(jìn)行分析，表明合金抗拉強(qiáng)度與傳播距離呈負(fù)指數(shù)遞減關(guān)系?？垢g性測(cè)試顯示超聲波處理提高了奧氏體不銹鋼的抗腐蝕性能。

7、 結(jié)合凝固理論和聲學(xué)理論，對(duì)超聲波處理細(xì)化機(jī)理進(jìn)行了系統(tǒng)分析。分析表明空化氣泡在膨脹過(guò)程導(dǎo)致微區(qū)過(guò)冷和氣泡閉合形成的高壓提高了合金形核速率，使組織細(xì)化。而氣泡閉合形成的強(qiáng)沖擊力造成的型壁晶粒剝落、超聲波處理后熔體內(nèi)熱起伏造成枝晶臂頸部熔斷也有效地促進(jìn)了凝固組織的進(jìn)一步細(xì)化。分析了超聲波作用對(duì)金屬理論結(jié)晶溫度的影響，推導(dǎo)出了超聲波處理下合金理論結(jié)晶溫度與超聲波功率的數(shù)學(xué)關(guān)系式，并根據(jù)實(shí)驗(yàn)所測(cè)的金屬凝固初始溫度，得到超聲波處理后合金過(guò)冷度增