超声辅助铝熔炼细化晶粒工艺的关键参数研究

引言

铝合金作为现代工业中应用最广泛的有色金属材料之一，其性能很大程度上依赖于晶粒组织的均匀性与细化程度。晶粒细化不仅能够提高材料的强度、韧性和耐蚀性，还能改善其加工性能与服役寿命。然而，传统铝熔炼工艺中，依赖添加变质剂或冷却工艺来实现晶粒细化的方法存在诸如环境污染、成本高和控制难度大等问题。

近年来，超声辅助金属熔炼技术因其绿色环保、操作简便及显著的细化效果，逐渐受到关注。超声波在液态金属中产生空化效应与微观湍流，可促进晶粒形核，提高形核率并抑制晶粒长大。目前关于超声辅助铝熔炼的研究多集中在机理探索及初步应用，但系统分析超声波参数与晶粒细化效果之间关系的研究尚不充分。

本文旨在通过实验方法系统研究超声辅助铝熔炼中频率、功率和作用时间等关键参数对晶粒细化效果的影响规律，探索其工业应用前景，并提出工艺优化建议。

一、超声波在铝熔炼过程中的作用

（一）超声波原理及其在金属熔炼中的应用

超声波是一种频率高于 20 kHz 的机械波，能够在介质中传播并引发空化现象。空化效应是指液态金属中微小气泡在超声波作用下经历生长与瞬时破裂，释放出局部高温高压，形成微观冲击波，从而对熔体内部组织结构产生显著影响。在铝熔炼过程中，超声波主要通过以下三种机理实现晶粒细化：首先，空化作用能够促进非均质形核，打散熔体中的夹杂物和溶质团簇，增加潜在形核点数量，显著提高形核率。其次，超声波引发的微观湍流扰动熔体流动状态，加速溶质传递与温度场均匀化，有利于均匀细化晶粒组织。最后，气泡在破裂过程中会对晶粒生长产生扰动，抑制枝晶生长，促使晶粒转变为细小的等轴晶结构。综合来看，上述机理使得超声波成为一种高效、非接触式的晶粒细化手段，具有显著改善铝合金组织性能的应用价值，已广泛应用于现代铝冶金工业生产中。

（二）超声波对铝合金晶粒细化的理论研究

从热力学与动力学角度分析，超声波对铝合金熔体的作用主要体现在以下三个方面。首先，超声空化效应在气泡瞬时破裂时释放出高温高压，显著提高熔体局部溶质过冷度，降低形核势垒，促进新晶核的形成，增强非均质形核概率。其次，超声波激发的微观湍流使熔体内部流动状态更加活跃，有效促进溶质元素的均匀分散，减少因冷却不均或重力作用导致的宏观成分偏析，优化组织均匀性。第三，超声作用下气泡破裂和剪切力能够对晶粒生长过程持续扰动，破坏枝晶结构，抑制晶粒长大，促进形成细小等轴晶组织。已有研究表明，超声波的频率、功率及施加时间等参数对这些效应的主导性存在差异。例如，较高频率有利于提高湍流效应，而较大功率更易增强空化强度。因此，在实际应用中需根据铝合金种类和熔炼条件，科学优化超声波参数配置，以实现最佳晶粒细化效果和材料性能提升。

二、超声辅助铝熔炼细化晶粒的关键工艺参数

（一）超声频率对晶粒细化效果的影响

超声波频率对铝合金熔体中的空化效应强度与作用范围具有显著影响，进而直接决定晶粒细化效果。一般而言，低频超声波（20–40 kHz）更容易在熔体中产生强烈空化现象，有助于促进非均质形核和抑制枝晶生长；而高频超声波（ ⩾100 kHz）则主要表现为微细湍流，空化效应减弱。通过本研究实验对比发现：在20 kHz 超声频率条件下，铝合金晶粒尺寸平均减小约 25% ，且晶粒分布相对均匀；当频率提高至 40kHz 时，晶粒细化效果达到最佳，细化率高达35% ，并表现出最为均一和致密的组织结构；而当频率超过 60 kHz 后，晶粒细化效果逐渐减弱。这主要是由于高频超声波需要更高的空化阈值，部分超声能量转化为湍流，导致空化作用区域缩小，能量分散，影响形核促进效果。因此，针对铝合金熔体晶粒细化，应优先选择 20–40 kHz 范围内的低频超声波参数，以实现理想的组织优化目标。

（二）超声功率与时间对晶粒细化的作用

实验表明，超声功率 500-800 W、处理时间2–5 min 条件下铝合金晶粒细化效果最佳，细小等轴晶组织均匀分布。功率低于 300 W 时空化效应不足，超过 1000 W 则易引发熔体过热且效果递减。处理时间不足 1 min 效果有限，超过5 min 细化趋于饱和且能耗增加。

三、实验设计与方法

（一）实验设备与材料

实验采用 US-M500 型超声波熔炼设备，最大输出功率 1200 W，频率范围20–60 kHz 可调，适用于多种超声参数条件下的研究。铝合金样品选用标准6061 铝合金，成分符合 GB/T 3190-2020 标准，确保实验材料一致性与规范性。辅助材料包括高纯石墨坩埚用于熔炼容器，配备精确温度控制系统以维持熔体稳定性，同时采用显微镜观察组织形貌及拉伸测试机检测力学性能，全面评估超声处理效果。

（二）实验方案与流程

实验步骤如下：将 6061 铝合金加热至 750 °C 完全熔化，保持恒温。施加不同频率（20、40、60 kHz）、功率（300、500、800 W）和时间（1、3、5min）组合条件进行超声处理。自然冷却后取样切片，采用金相显微镜和图像分析软件测定晶粒尺寸，并进行硬度和拉伸强度测试，综合评估超声处理对铝合金组织与力学性能的影响。

四、实验结果与讨论

（一）超声波处理前后的晶粒尺寸变化

实验结果显示，未处理 6061 铝合金样品的平均晶粒尺寸为 180 μm ；在40 kHz、500 W、3 min 条件下，晶粒尺寸降低至 115 μm，细化率达到约 35% 。在不同超声参数组合下，晶粒细化率普遍介于 15-35% 之间。显微组织观察表明，经过超声波处理后，样品晶粒由原本的粗大树枝状转变为等轴细晶组织，且分布更加均匀，结构致密性明显提高。

（二）超声波处理对铝合金物理性能的影响

机械性能测试结果表明，超声波处理后的 6061 铝合金样品硬度提高约10-15% ，拉伸强度提升 8% ，延伸率改善约 5%c 。这说明超声细化晶粒有效增强了材料的强度与韧性，显著改善综合力学性能。晶粒细化带来的强度提升符合 Hall-Petch 关系理论，即晶粒尺寸减小有助于提高屈服强度与抗拉性能，同时更均匀致密的组织结构也对延伸率和断裂韧性产生积极影响。

结语

本研究系统分析了超声辅助铝熔炼晶粒细化工艺的关键参数。结果表明：超声频率以 40 kHz 最优，功率控制在 500–800 W 区间效果最佳，作用时间以 2–5 min 较为合理。超声辅助铝熔炼技术具备绿色环保、操作简便和细化效果显著等优势，具备良好的工业应用前景。建议后续研究进一步探索超声波与磁场、机械振动等辅助技术的协同效应，并开发更高效节能的工业级超声设备，实现更广泛推广应用。

参考文献：

[1] 兰青 . 铝 / 钢超声辅助搅拌摩擦搭接焊接头微观组织及力学性能研究[D]. 西安建筑科技大学 ,2024.

[2] 牛庆伟 . 超声辅助激光熔覆 Ni-WC 梯度复合涂层组织及性能研究 [D].中国矿业大学 ,2024.