7xxx铝合金熔体中的超声空化数值模拟与实验研究

摘要

超声波金属熔体处理技术是一项无污染、绿色的冶金技术，在金属凝固过程中施加超声振动可以细化晶粒、改善组织、减少铸造缺陷和提高材料性能等，是目前铸造领域的热点和未来铸造技术的一个发展方向。本文主要对超声波作用于铝合金熔体产生的空化效应进行仿真模拟。主要的研究工作和研究结论如下:
　　 1、从金属结晶热力学和动力学两方面，探讨了超声振动在铝合金熔体中引起的空化泡共振机制，分析了空化效应对铝合金铸造凝固过程中能量的传递及晶核振动频率的影响，结果表明:超声振动能显著提高晶核的振动频率与振动能量。
　　 2、通过位移传感器以及ALSCAN测氢仪分别测量不同功率下超声波变幅杆端面振幅和7050铝合金熔体中的氢含量，获取空化仿真所需数据。通过流体力学软件Fluent中的UDF，将超声工作参数添加至模型中，使用Singhal空化模型进行模拟计算，模拟结果表明:在较低功率超声作用下，变幅杆端面附近出现稳态空化，空化强度较弱;而在较高功率超声作用下，其空化强度与空化区域都较大提高。对三种不同端面变幅杆作用下的空化仿真结果表明:圆锥面变幅杆作用下空化区域最大，但是空化强度及端面空泡分布均匀性最差，且端面正中心下方空化效应很弱;而在平端面变幅杆作用下，空化区域最小，而其强度最高;在球冠面变幅杆作用下，其产生的空化强度与空化区域居于其他两种之间，但是空化泡分布均匀性最好。
　　 3、进行不同变幅杆超声系统作用下的水模拟试验，观察其空化现象，试验结果在不同工具杆下的作用效果方面与仿真结果有较好的吻合，可以间接反映其作用于铝合金熔体中的空化特性。不同变幅杆作用下的坩埚铸造结果表明:平端面作用效果最好，晶粒尺寸最小，晶粒分布最均匀，其次是球冠面，圆锥端面变幅杆作用效果最差。

目录

声明

摘要

第一章 绪论

1．1 引言

1．2 功率超声场应用于金属熔体处理

1．2．1 超声金属熔体处理技术的发展状况

1．2．2 超声对金属熔体的作用效果的研究

1．2．3 超声对凝固组织的作用机制

1．3 超声空化及空化模拟的研究进展

1．3．1 超声空化简述

1．3．2 空化理论的研究进展

1．3．3 空化数值模拟的研究进展

1．4 课题来源、研究意义及论文内容

1．4．1 课题背景与来源

1．4．2 研究内容与意义

第二章 铝合金熔体中的超声空化

2．1 引言

2．2 超声波的特征量

2．3 超声空化及其效应

2．3．1 空化类型及超声空化

2．3．2 空化核

2．3．3 空化阈值

2．3．4 瞬态空化与稳态空化

2．4 超声对金属熔体的作用机理

2．4．1 铝合金熔体中的空化现象

2．4．2 超声空化细晶机理研究

2．5 本章小结

第三章 铝合金超声空化仿真模型的建立与求解

3．1 引言

3．2 计算流体力学与Fluent软件

3．2．1 计算流体力学

3．2．2 Fluent软件介绍

3．2．3 空化模型

3．3 空化仿真模型的建立

3．3．1 模拟条件假设和模型边界条件

3．3．2 模拟控制方程

3．3．3 材料物性参数及控制参数的设置

3．3．4 变幅杆端面振幅的测定

3．4 模型求解

3．5 本章小结

第四章 铝合金超声空化仿真结果分析

4．1 引言

4．2 加入空化模型的仿真结果

4．3 不同功率超声对空化的影响

4．4 不同变幅杆端面的空化仿真结果

4．4．1 球冠面变幅杆头作用下的空化模拟结果

4．4．2 圆锥面变幅杆头作用下的空化模拟结果

4．4．3 不同变幅杆端面下的空化发生特性分析

4．5 本章小结

第五章 超声水模拟实验与超声铸造实验

5．1 不同变幅杆的超声系统水模拟实验

5．2 铝合金超声坩埚铸造实验

5．3 本章小结

第六章 全文总结与展望

6．1 主要研究工作与结论

6．2 研究中存在的问题及展望

参考文献

附录

致谢

硕士期间参与的科研项目及发表的论文