不锈钢铸件广泛应用于水电、火电和核电等装备,是当前国家重大工程项目建设的瓶颈之一。非金属夹杂物是导致铸件裂纹和影响铸件性能的主要因素之一。本项目将研究超声波作用下铸造不锈钢熔体内非金属夹杂物的碎化和弥散行为及其对铸件性能的影响。一方面是实验研究,研究熔体温度、夹杂物种类和初始尺寸、超声波频率和功率、超声波处理时间对夹杂物碎化弥散效果的影响规律,探讨夹杂物碎化到纳米级尺寸的处理条件,得出夹杂物的形态、尺寸、弥散程度和铸件性能的对应关系。另一方面,建立多尺度声-流-固耦合数值分析模型,研究超声处理时夹杂物的碎化和弥散机制,模拟分析上述各因素对夹杂物碎化弥散的影响。该课题将为揭示超声波作用下夹杂物的碎化和弥散机制、纳米级夹杂物与铸件材料性能之间的关系提供理论基础,为夹杂物控制和提高铸件性能提供新思路,也将具有重要的工程应用价值。
stainless steel melt;nonmetallic inclusions;ultrasonic treatment;microstructure;sonic-fluid-solid modeling and
超声处理高熔点的钢熔体传统方法采用将超声工具头浸入钢熔体中,该方法对工具头要求很高,难度大,因此超声处理钢液的研究较少。在本项目中我们创造性地提出将待处理金属和超声波工具杆做成一体的方法,将待处理金属连接在工具杆的端部,实验时将超声波工具杆倒立竖直,使待处理金属端朝上,采用感应熔炼的方法将待处理金属熔化,超声波工具杆振动,带动熔融金属振动,从而将超声波作用于金属熔体进行处理。导入过程超声波的能量无损失,避免了间接导入法中超声波的衰减,同时解决了超声波工具杆浸入金属熔体后超声波工具杆腐蚀的问题。该发明已申请了国家发明专利,并已公开。应用该一体化方法有效实现了超声在304奥氏体不锈钢熔体中的导入,实验使用中频感应线圈加热变幅杆顶部,使变幅杆顶部金属部分熔化,熔化高度为36mm。在金属熔化后,保温5min,分别在凝固过程进行不加超声波、加入功率为150W、200W、300W的超声波处理,直至金属完全凝固。研究不同超声功率从0W、150W、200W、300W对夹杂物和凝固组织的影响。实验得到了初步的夹杂物碎化效果,内生夹杂物尺寸由5.4mm降低到3.5mm,并且晶粒明显细化,随着作用于不锈钢液中的超声波功率的提高,不锈钢的凝固组织出现如下变化粗大树枝晶、短树枝晶、大等轴晶、细小等轴晶。在超声功率为150W,200W,300W时,晶粒分别细化到160μm,120μm,100μm。超声作用下奥氏体不锈钢的弹性模量和屈服强度显著提高,当超声波功率达到300W时,材料的屈服强度由不处理时的224MPa提高到345MPa。在声流固耦合数值模拟方面,建立了强超声在熔体中传播和颗粒破碎的声-流-固模型,其中耦合了紊流流动和空化方程,将空化泡近似为炸药,当空化泡溃灭时,会产生高压,形成冲击波,对空化泡附着处的夹杂物表面形成冲击力,当冲击力达到夹杂物的强度极限时,夹杂物将会破碎。集成了Fluent和LS-DYNA软件的模拟结果发现当空化泡溃灭时,夹杂物表面在冲击力的作用下破碎,对夹杂物表面的破坏深度和空化泡溃灭产生的能量和与空化泡的距离有关。模拟结果还发现空化泡的阻隔现象当空化泡所受浮力与超声波冲击力平衡时,空化泡将悬浮于工具杆端部附近,导致空化阻隔。研究了不同空化核体积分数下空化阻隔情况,空化核体积分数越大,即气体含量越大,空化泡团聚越明显,空化泡团聚层离工具杆端部越近。