铝合金超声铸造过程中辐射杆空蚀机理与控制

The technology of aluminum alloy casting treated by ultrasonic has the advantages of grain refinement, melt purification, improving the segregation of solute , increasing the solubility of alloying elements, changing the distribution of the second phase, reducing the cracks and so on. The severe cavitation occurred in the surface of the radiation rod affects the stability of the transmission of ultrasonic waves , reduces the effect of ultrasound and restricts the effective life of radiation rod,which is one of the main obstacles to the promotion and application of the technology. To solve the problem, the project will focus on the process of aluminum alloy casting treated by ultrasonic , combined with numerical simulation of the casting process, theoretical analysis and experimental study will be carried out in a compound energy field to get .the influence of the material , micro structure and the surface morphology characteristic of the radiation rod on cavitation process, to reveal the mechanism of cavitation under a coupling compound energy field, to propose a solution to prevent cavitation and increase life expectancy of titanium radiation rod , eventually to advance engineering applications of the technology.

铝合金超声铸造技术具有细化晶粒、净化熔体、改善溶质元素偏析、增大合金元素固溶度、改变二次相分布、抑制裂纹发生等显著优点。铝合金超声铸造过程中，处于铝熔体中的辐射杆表面发生严重的空蚀，影响超声波的传送稳定性，降低了超声波作用效果，制约辐射杆的有效使用寿命，是目前超声铸造技术推广应用的主要障碍之一。针对于此，本项目将围绕铝合金超声铸造过程，对处于复合能场下的超声辐射杆的空蚀行为开展系统的理论分析和实验研究，结合超声铸造过程的数值模拟，获得辐射杆材质、微观组织结构、表面形貌等特征参数对空蚀进程的影响规律，揭示多能场耦合作用下辐射杆的空蚀机理，提出抑制辐射杆空蚀的对策，解决钛合金辐射杆使用寿命低的问题，推进超声熔体处理技术的工程化应用。

超声波处理熔体技术具有净化熔体、细化晶粒、改善偏析等冶金效果，而且超声波不会污染合金和环境，技术操作便捷、效率高，在金属铸造领域具有广阔的应用前景与市场价值。然而在合金铸造过程中，与熔体直接接触的超声波辐射杆表面会产生严重的空蚀，影响超声波能量的传输，弱化超声波作用效果，降低辐射杆使用寿命。本项目针对这一技术瓶颈问题开展研究，通过基础实验、数值模拟、工业实验、理论分析等研究手段，深入分析了不同类型辐射杆的空蚀规律，空化腐蚀的具体过程，空化腐蚀产物、空化机理及提高辐射杆抗空蚀能力的表面微弧氧化工艺。研究结果表明：1）石墨辐射杆疲劳强度不够，长波长钛合金辐射杆不仅抗腐蚀性强，疲劳强度高，而且传振性能好，可以长时间连续工作；2）空泡溃灭会使钛合金辐射杆表面产生麻点，使表面基体脱落，脱落物与铝熔体反应形成空蚀的主要产物脆硬颗粒状的Al3Ti；3）辐射杆端面空蚀最先出现在端面圆心处。圆心处空蚀坑随时间逐渐扩大且整个端面向内凹进，空蚀坑最终扩散至整个端面，直至端面材料全部剥落。结合微观组织特征与成分分析，将空蚀进程明确表征为四个典型阶段，空蚀较为明显的加速期与稳定期，孕育期与衰减期则不明显，普通钛合金辐射杆最佳连续工作时长约为15h；4）基于Fluent软件中VOF法对近壁面空化泡的溃灭进行了模拟，揭示空化泡溃灭产生的微射流对硬壁面的反复冲击是造成辐射杆的原因之一，利用超声波传导的聚焦原理解释了空蚀坑由V型向U型转变的机理；5）辐射杆表面经过微弧氧化可以提高超声辐射杆的抗空化腐蚀性能，辐射杆在前12小时内腐蚀速度都较慢，12h过后速度辐射速率有所加快，但仍然只有普通辐射杆的1/3左右。本项目在超声波辐射杆空蚀规律、空蚀机理及表面防护工艺开展的研究工作和获得的研究结论对高品质铝合金大规格铸锭的铸造及推动超声铸造技术在冶金工业的运用具有重要科学意义和工程实用价值。