超声波金属熔体

　　大功率超声波改善

　　高温金属熔体性能的机理与应用

　　超声波处理技术概述

　　大功率超声波技术作为一种先进的"绿色环保"技术，在高温金属液体处理领域展现出显著的应用潜力。其通过多种

物理机制，能够有效改善材料的微观结构，减少缺陷，并显著提升材料性能。特别是在铝、镁及其合金的熔融状态下，

超声波处理对于提升铸件质量和拓展材料应用范围具有重要意义。超声波处理技术通过多重机制协同作用，能够有效改

善金属熔体的微观结构，减少缺陷，并显著提升材料性能，为高端金属材料的制备提供了新思路。

　　空化效应

　　高频压力波动引发气泡形成与崩溃，释放高达1000MPa的局部高压和瞬时超过5000K的高温，有效除气并细化晶粒。

　　声流效应

　　产生强烈对流，形成均匀的温度场和成分场，抑制元素偏析，促进夹杂物上浮，实现成分均匀化。

　　机械振动

　　降低形核势垒，增加异质形核点，促进晶粒细化，提高材料强度和延展性，显著提升综合性能。

　　空化效应

　　大功率超声波在高温熔融金属中引发高频压力波动，导致微小气泡(空化泡)的形成、膨胀及崩溃。气泡崩溃时

会释放出高达1000MPa的局部高压和瞬时超过5000K的高温，并产生高速冲击波和微射流。

　　除气作用

　　1.空化冲击能够有效破碎熔体中的氢气泡(特别是铝熔体易吸氢)2.显著减少铸件中的气孔缺陷。

　　3.气泡持续吸收氢气并膨胀上浮，实现高效除气。

　　破碎枝晶与细化晶粒

　　1.空化作用产生的冲击波能够打碎初生枝晶。

　　2.破碎的枝晶臂可作为新的形核点，促进等轴晶形成。3.铝合金的晶粒尺寸可因此减少50%以上。4.清洁

熔体中异质形核颗粒的表面，提高其润湿性。空化效应通过物理冲击和热力学作用，双重改善金属熔体质

量:一方面通过高压冲击波破碎枝晶，另一方面通过高温高压条件促进形核，实现晶粒细化和组织均匀化。

　　声流效应

　　声流效应是指超声波在熔融金属中产生强烈的对流运动，形成均匀的温度场和成分场。这种效应对于合

金的微观结构和性能具有重要影响，主要体现在成分均匀化和加速扩散两个方面。

　　成分均匀化

　　声流效应能够抑制合金元素(如铝镁合金中Mg元素)的偏析，使合金成分分布更加均匀，例如AI-Mg合

金中B-Mg,A1,相的分布会更均匀。这对于解决镁元素易偏析问题特别有效。

　　加速扩散与夹杂物去除

　　声流作用促进熔体中夹杂物(如ALO;)的上浮或均匀分散，从而净化熔体。声流还能加速传质传热，有助于

破坏边界层，促进微细颗粒的弥散。在铝镁合金(如AI-5Mg)熔体处理中，声流效应促进Mg元素的均匀分布，

有效抑制了宏观偏析的发生。凝固后的铝镁合金具有更均匀的组织结构，耐蚀性也得到显著提升。

　　振动辅助形核

　　超声振动通过降低形核势垒和增加异质形核点来促进晶粒细化，显著提升材料性能。

　　增加形核率

　　超声振动产生的局部高压和局部过冷能够显著提高形核率。当声压超过一定阈值时，空化核形成并膨胀，

气泡崩溃时释放的高压和高温会增加局部熔体的凝固温度，从而增加有效过冷度，促进形核。

　　晶粒细化

　　在铝合金(如A356)凝固过程中，超声振动能够显著增加α-AI晶粒的数量，从而提升材料的力学性能，

例如抗拉强度可提高10-20%。超声波的空化与声流效应协同作用，抑制晶体生长，使晶粒更加细小均匀。

超声振动辅助形核技术通过降低形核势垒和增加异质形核点，实现晶粒细化和材料性能提升。与空化效应

和声流效应协同作用，形成更均匀更细小的晶粒结构，显著提高材料的综合性能。

　　工业应用秦例

　　01汽车轻量化

　　大功率超声处理技术在汽车轻量化领域展现出显著优势。通过对A356铝合金轮毂的处理，实现了减

重与性能的双重提升，为汽车工业提供了更轻、更强的零部件选择。

　　减重效果

　　通过超声处理，A356铝合金轮毂实现了15%的减重，同时保持了结构完整性为汽车减负提供了新方案。

　　燃油效率

　　轮毂减重直接降低了汽车的簧下质量，有助于提高燃油经济性，降低碳排放满足环保要求。

　　强度提升

　　超声处理显著提升了轮毂的疲劳强度，改善了材料微观结构，使轮毂在减重的同时保持或提升了承载能力。

　　安全性提升

　　超声处理改善了轮毂的机械性能和耐久性，在减重的同时提高了安全性能，延长了使用寿命。

　　02航空航天与电子散热

　　超声波处理技术在航空航天和电子散热领域的应用，分别通过降低气孔率和提升热导率，显著提高了

材料性能和产品可靠性，为高端应用提供了质量保障

　　航空航天应用--镁合金机匣件除气针对ZK60镁合金机匣件制造;超声除气技术降低熔体气孔率;确保

机匣件结构完整性和可靠性;满足航空航天部件严苛标准

　　电子散热应用--高导热铝镁合金铸件AI-Mg-Si高导热合金铸件生产;通过晶粒细化提升热导率;

　　高性能电子设备散热性能显著提升;提高产品稳定性和延长使用寿命;

　　总结与展望

　　大功率超声波在高温金属熔体处理中展现出显著优势，其核心作用可归纳为三大关键方面。通过精确

优化工艺参数，超声处理技术能够有效提升金属材料的性能和应用范围。

　　净化熔体

　　有效去除熔体中的气体(特别是氢气泡)促进夹杂物，上浮或均匀分散;显著减少铸件中的气孔和夹杂缺陷;

　　细化组织

　　破碎初生枝晶，促进等轴晶形成;细化晶粒(如铝合金晶粒尺寸可减少50%以上);均匀化成分分布，抑制元素偏析;

　　提升性能

　　提高材料强度和延展性(抗拉强度可提高10-20%);提升耐腐蚀性能和疲劳寿命改善电子设备的散热性能

(热导率提高10%);

　　工艺参数优化的重要性

　　根据合金成分、熔体温度和预期目标精确优化超声参数，不同合金需要特定的频率、功率密度和作用时间;结

合保护措施避免材料氧化或工具损耗;确保处理效果的稳定性和工艺的长期稳定性;

　　大功率超声波处理技术通过净化熔体、细化组织和提升性能三大作用机制，为高端金属材料的制备提供了新

思路。未来，通过复合场辅助和高温在线监测等技术，超声处理工艺将获得更广泛应用，推动金属材料性能的持续提升。