超声波熔体处理（UST），促进了铝合金的晶粒细化。空化辅助晶粒细化已经研究了很多年，但它仍然没有在商业上有所应用。我们通过总结了在不同凝固阶段对各种合金体系，进行的实验工作结果。分析了UST参数和凝固条件对最终晶粒结构的影响。

  人们在之前早就确定，铸件中形成细小的等轴晶粒结构是可取的，因为它能改善机械性能，减少热撕裂，便于进料以消除收缩孔隙率，并使二次相分布更均匀。 最终，晶粒细化导致形成所谓的“非树枝状”晶粒结构。这种结构的一个显着特征是形成球状颗粒而不分割成枝晶臂。在这种情况下，晶粒尺寸将等同于给定冷却速率的典型次级枝晶臂间距。

  在超声波熔体处理（UST）期间，通过液态金属诱导压缩和膨胀波，其频率高于人类听觉，即17至18 kHz。如果声压超过一定值，这是特定液体的特征，则液体在声场的膨胀（拉伸或负压）部分产生空腔时会失效，因此称为“空化”。液体中的薄弱部位迅速生长，从而形成充满蒸汽和气体的空腔。

  用声音照射的液体中气泡的形成、生长和内爆坍塌称为“声空化”。弗林提出了两种类型的空化：（1）稳定的空化，当气泡围绕其平衡半径振荡几次时，偏移很小;（2）瞬态空化，其中气泡在几个声学周期内经历剧烈的体积变化并剧烈坍塌。两种类型的空化可能同时发生，经历稳定空化的气泡有几率会成为瞬态空腔。气泡将形成一个活跃的空化区域，称为空化区。

  气泡在声场的负压部分增长，直到声场压力变为正。由此产生的气泡惯性内爆可能非常剧烈，导致强烈的局部加热和高压，寿命非常短。在空化气泡云中，这些热点可能具有大约 5000 K 的等效温度，大约 1000 个大气压的压力，以及高于 10 的加热和冷却速率10K/s。

  近扩展的液固界面空化产生微射流和冲击波。在不对称空腔坍塌期间，膨胀气泡的势能转化为液体射流的动能，液体射流穿过气泡内部并穿透相反的气泡壁。这种效应导致产生速度高达每秒数百米的射流。

  另一种可能的影响是由腔体坍塌产生的冲击波的形成。微射流和冲击波对固体表面的冲击会产生局部侵蚀，导致超声波清洁和枝晶碎裂。其中一个共同效应是固体界面的诱导润湿。

  UST的效率受许多因素的影响，例如超声波处理和凝固条件的参数：振动的幅度和频率，处理温度，处理时间，冷却速率，合金成分，材料纯度等。众所周知，影响UST效率的重要的因素之一是超声强度，或者更准确地说，是处理液体中声空化的程度。反过来，空化强度与超声波振动的平方振幅直接相关。振幅越高，气蚀发展程度越高。目前的研究是在可用超声设备的最大振幅（超声波功率）下进行的。

  同时，空化强度与超声波频率成反比。随着超声波频率的增加，空化强度降低，因为空化气泡的尺寸较小，并且由此产生的内爆不那么剧烈。因此，UST应在妥协的条件下进行：较低的频率和较高的振动幅度。目前的研究是在17.5 kHz的频率下进行的。

  通过使用永久模具铸造各种模型合金。这些合金的成分与UST采用的技术和条件一起在中给出。在不同的实验中，UST在凝固的液体或半固体阶段或在涵盖两个阶段的温度范围内应用。一些实验是在液体或半固态的恒定温度下进行的。在相同的冷却条件下，使用浸入式空闲超声波喇叭生产不含UST的比较样品。

  合金首先在固定的电炉中熔化，然后倒入预热的石墨杯形坩埚中，在那里用超声波处理或在空闲超声波喇叭的存在下冷却。等温超声处理在另一个炉子中进行，在那里能控制和保持熔体温度。同一炉子用于保温时间实验。

  处理后，样品要么在石墨坩埚中固化，要么倒入铜模具中。石墨坩埚和铜模具，在超声波场和浸没式怠速喇叭下凝固时的冷却速率分别为0.9和2.1 K/s。在将喇叭浸入液态金属之前，超声波系统已打开。超声波喇叭的插入深度在液态金属表面以下 3 毫米。

  使用火花光谱分析仪在所有样品的中间横向横截面上测量合金的化学成分5次。报告平均值。当Zr浓度超过0.36wt pct（Spectromax中可测量的最高Zr浓度）时，通过X射线荧光分析进行成分测量。通过常规金相学（切割，用金刚石膏抛光至1 μm，并在20 pct HBF中在3 VDC下电解氧化）对铸造晶粒结构可以进行观察4水溶液），使用Neophot-31光学显微镜（由德国耶拿的卡尔蔡司制造）。使用随机线性截距技术在照片上的铸件样品中心测量晶粒尺寸。对结果进行统计分析。

  铝和铝-Cu合金的研究表明，在从液态到半固态的凝固过程中连续进行空化处理会导致显着的晶粒结构细化。在所有研究的案例中（99.7 wt pct 纯铝、Al-4 wt pct Cu 和 Al-11 wt pct Cu），它产生了具有细等轴晶粒的均匀微观结构，其他研究人员在很多材料中也观察到了类似的效果：基于铝和镁的铸造和锻造合金、纯锌、铁素体、奥氏体、碳和高硼钢、镍基高温合金和不锈钢等。

  这种效应能够最终靠主动熔体运动和通过空化引入超声波能量来解释，这创造了枝晶连续同时生长和破碎的条件，从而使固相在凝固范围内更均匀地形成。原位实验与蔗糖溶液中的冰声结晶表明，超声波流会导致枝晶碎裂。结构细化的另一个可能原因是在振动超声波喇叭的表面上形成凝固的外壳。

  如果制造喇叭的材料可以被熔体润湿，则由于超声波换能器的水冷，凝固的外壳将建在喇叭的前表面上。在UST期间，该壳体将被破碎成碎片并混合在整个熔体体积中，由此产生额外的凝固位点。喇叭的预热降低了效果，通过在熔体中引入声能进一步减轻了这种影响。UST总是伴随着熔体温度的升高，这是由于空化气泡在坍缩后积聚的声功率的释放。

  与温度范围内的空化处理相比，半固态的等温UST导致颗粒粗化，固体比例增加。在对Al-4质量的pct Cu合金在0.15固体馏分下做处理后，晶粒略微细化。然而，在0.25和0.5固体部分的处理导致晶粒粗化。

  可以建议，随着固体部分的增加，气蚀的发展将受到阻碍，糊状区的渗透性将降低，从而限制声流，进而影响流体流动模式和糊状区的溶质传输。固体部分越高，空化和流动（搅拌效应）越弱，随后枝晶破碎的影响越小。同时，超声波处理会将热量引入系统，促进枝晶臂的粗化。

  很明显，生长的枝晶的破碎能成为晶粒细化的有力手段。然而，这种晶粒细化方式是最不切实际的，因为它假设加工应在凝固温度范围内进行，即在糊状区域进行。只有当加工发生在铝的初级凝固范围之外，当合金仍然是流体时，才能进行技术的升级。因此，为了可以将UST应用于商业铸造技术（DC，熔模铸造），应在液态处理后实现晶粒细化。

  在液态下用纯铝和模型Al-Cu合金进行了几次实验，试图细化晶粒结构。然而，在液态下，在10秒内进行空化处理后，似乎很难改变晶粒的形貌并产生细的等轴晶粒结构。在纯铝中，这种处理效率不高，而在Al-11质量pct Cu合金中，晶粒尺寸从20米减小到195μ米，减少了160%。

  不溶性杂质对铝合金中UST效率影响的实验表明，铝合金中Al浓度越高2O3颗粒导致晶粒尺寸变小。混合氧化铝粉末在没有UST和气蚀下固化。这种效应可能是通过氧化物活化引起的空化诱导的异质成核的间接证据。氧化物通常不能被熔体润湿，因为其表面吸收了气相。根据空化辅助晶粒细化的理论之一，空化能够在一定程度上促进这些颗粒的润湿并将它们变成额外的凝固位点，进而导致晶粒细化。

  已有研究表明，合金化与Zr和UST的联合作用可以显着提高UST在铝合金中的效率，并导致非树枝晶粒结构的产生。然而，对高Zr铝合金气蚀处理影响的研究表明，单独使用Zr并不能提高UST的效率。只有当Zr与少量Ti一起添加时，晶粒尺寸才显着减小。

  进一步的研究表明，已经添加少量的Ti，即0.015质量的pct Ti，可以显着改变在超声场存在下凝固的Al-Zr合金的晶粒结构。晶粒尺寸随着Ti浓度的升高而减小。在大约0.05至0.06质量pct Ti时，晶粒尺寸的差异是未处理合金的3至4倍。

  为了研究振动幅值对UST效率的影响，在二元Al-4质量pct Cu合金的凝固过程中应用了超声。在20°C下以10μm的振幅进行700秒的超声处理，使晶粒尺寸从205 m减小到150μm。随着振动幅度的进一步增加，晶粒变小。10μ米的振幅足以引发液态铝的空化。然而，个人会使用二元Al-Cu合金的根据结果得出，10μm的振幅不足以促进有效的晶粒结构细化;在20 μ米或更高的振幅下，才观察到相当大的晶粒细化，这与发达的空化状态相对应。

  UST促进不同合金体系的晶粒细化。当应用于凝固范围时，它会导致所有研究的系统中的细晶粒结构。然而，在液体阶段处理时更难达到相同的结果。目前的研究表明，添加Zr和Ti可以在高于原铝地层温度的空化影响下细化晶粒。当在Al的初级凝固温度范围内来加工时，会发生晶粒细化3Zr. UST促进较小Al的形成3Zr颗粒，含有均匀分布的Ti。

  艾尔的精炼3Zr颗粒可能会引起成核基底的增殖，并且由于颗粒较小，因此更多的颗粒将参与凝固过程。Al（Zr，Ti）颗粒的成核电位增大。生长限制不太可能在观察到的晶粒细化中发挥作用。Ti在增加Al成核电位中的作用3Zr需要进一步研究。应该对其他过渡金属（例如V，Cr和Ta）组合的影响进行更多的研究。

  结果发现，UST的效率随着治疗时间的延长而增加。对于 0.18 千克（90 厘米）3）的Al-0.18质量pct Zr-0.07质量的pct Ti合金，7至10秒足以使结构相当精细。UST的效果很稳定：一样体积的UST和铸造之间的2分钟只会导致边缘颗粒粗化。