中文摘要：

超声是控制金属凝固过程的有效手段，但迄今为止还没有直接观察到液态金属中的声空化行为，长期以来在声空化"促进形核"与"破碎枝晶"的作用机制方面也存在很多争论，严重制约了超声细化方法的发展。本项目拟采用同步辐射X射线成像方法实时研究液态金属中声空化形成及枝晶破碎的动态过程，结合对超声波在液态金属中传播及声空化过程的多物理场数值模拟以及枝晶破碎动力学的分析，对同步辐射实验观察到的物理现象进行解释；并通过分子动力学模拟和实验研究，探讨声空化诱发的自发晶核的形成过程及稳定性，以及声空化对非自发核心/基体界面结构及其形核能力的影响。通过上述研究不仅有望在超声细化作用机制方面取得理论突破，还可为超声细化工艺的优化提供指导。

结论摘要：

声空化是超声波在液体中传播时产生的独特物理现象，但在金属熔体中声空化的行为及其对凝固过程的影响机理尚不明确。本项目以铝合金为研究对象，以熔体超声处理中的声空化-诱发形核-凝固组织细化为主线，利用基于第三代同步辐射光源的X射线成像、小角X射线散射等技术结合多物理场数值模拟，系统研究了金属熔体中的声空化特征及其对形核与最终凝固组织的影响。采用同步辐射X射线成像技术原位观察了超声作用下铝合金熔体中的声空化行为，获得了空化泡的尺寸、含量与分布规律。实验统计分析表明空化泡尺寸呈对数-正态分布，其体积分数与输入声强之间遵循双曲正切函数关系。随输入声压的增大，空化区渐趋扩展，在空化泡数目增多的同时声空化强度增大。以金属熔体中空化泡的含量、空间与尺寸分布定量研究为基础，建立了计算超声波在含空化泡熔体中传播时声强分布的有限元模型。进一步讨论了空化泡的运动学行为，发现空化泡在Bjerknes力作用下自高压区向低压区运动，其声空化能力随之削弱。综合声压分布和空化泡运动的影响，建立了声空化区在超声波传播方向的最大距离即空化深度的解析式。采用同步辐射小角X射线散射技术研究了AlCu合金熔体在超声处理后的结构变化。发现经过超声处理后，散射强度增大，表明熔体中新增了大量的散射体；定量分析表明散射体尺寸呈高斯分布，且随处理温度降低，散射体尺寸和体积含量增大，而在数目上逐渐减小，且表现出更低的分形维度。分析表明，施加超声处理后声空化诱发团簇的形核长大，或激活氧化物等杂质诱发异质形核，是导致散射强度增大的主要原因。实验结果还表明声空化诱发核心在过热熔体中具有一定的存活能力，为工业化应用提供了时间窗口。通过数值建模量化了空化泡溃灭时释放的压力激波，考虑压力激波对形核功与原子扩散激活能的影响，结合经典形核理论估算了声空化诱发形核能力，获得了输入声强与诱发形核核心数目的定量关系。发现随输入声强的增大，形核核心数目并非一直增加，而是在达到极值后逐渐减小。此外，通过弱耦合空化泡特征建立了预测铝熔体中声空化诱发形核区的数值模型。项目执行期间培养博士生2名，教育部新世纪人才1人。在Scripta Mater等国际期刊发表SCI论文6篇，国际会议报告3次，国内会议邀请报告2次。受到国内外同行的关注，英国研究团队评论我们的工作是“迄今为止还非常少见的关于空化与金属熔体相互作用的X射线在线实验研究”。