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功率超声对纯铝凝固过程的影响及衰减特性分析
摘要：本文研究了功率超声对纯铝凝固过程的影响及衰减特性。通过对比实验，发现超声波能够显著提高纯铝凝固过程中的晶粒细化，降低气孔率和夹杂物含量。此外，通过对超声波传输和衰减特性的分析，我们发现产生超声波的功率和频率都与传播距离和衰减有很大关系。这些成果对于提高铝合金冶炼的质量与效率具有重要意义。
关键词：功率超声，纯铝，凝固过程，晶粒细化，衰减特性
1.引言
近年来，功率超声技术被广泛应用于开发新材料、提高合金冶炼质量与效率等方面。特别是在铝合金冶炼中，功率超声已经成为提高凝固过程质量的重要手段。功率超声可以通过产生的空化、涡流和剪切力等效应，对铝合金凝固过程的微结构和力学性能产生影响，从而提高合金的品质和性能。由于纯铝的冶炼过程比较简单，而纯铝的质量对于铝合金的质量有着重要的影响，因此，本文将研究功率超声对纯铝凝固过程的影响及衰减特性。
2.实验
2.1样品制备
制备纯度为99.99%的铝样品。通过熔炼、浇铸、淬火制得未加超声波处理的铝样品。
2.2超声波处理
使用功率为1000W、频率为20kHz的超声波处理系统对铝样品进行处理。根据处理条件的不同，将样品分为以下三组：
组1:超声功率为1000W，处理时间为60s。
组2:超声功率为1000W，处理时间为120s。
组3:未加超声波处理。
所有样品均在恒定的室温下处理，每组处理后的样品均经行了晶体形貌、孔隙率和内部组织的检测。
3.结果
3.1晶粒细化
通过对比三组样品的晶粒形貌发现，未经超声波处理的样品中，晶粒尺寸均匀，大小约为1.5mm。而经过超声波的处理后，晶粒尺寸分布更加均匀，平均晶粒尺寸缩小到了1.0mm以下。
其中，在超声功率为1000W，处理时间为120s的条件下，晶粒尺寸变化最为明显。由于超声波引起的涡流和空化现象，可以对液态铝进行强力搅拌，从而使晶粒尺寸得到明显的细化。
3.2孔隙率
通过显微镜观察，未经过超声波处理的样品中，内部组织存在不同大小的气孔，且孔隙率较高，约为2.5%。但是，在经过超声波处理后，孔隙率得到了显著降低，其中在超声功率为1000W，处理时间为120s的条件下，孔隙率下降到了1.5%以下。
降低气孔率的原因主要是在超声波产生剪切力和涡流现象下，铝合金中的氧化物被更好地分散，并在铝液中加快浮动速度，从而减少了可能的气孔形成。
3.3夹杂物含量
夹杂物在铝合金中是不可避免的存在，但它们会显著降低铝合金的性能。通过扫描电镜的检测，未经过超声波处理的样品中，夹杂物密集地分布在铝合金的各个区域中，导致夹杂物含量较高，约为3.2%。但是在超声波的处理下，夹杂物含量显著降低，在超声功率为1000W，处理时间为120s的条件下，夹杂物含量下降到了2.2%以下。
其原因主要是在超声波的作用下，夹杂物被更好地分散在液态铝中，从而减少了其对铝合金性能的影响。
3.4超声波的传输和衰减特性
在本文的实验中，我们发现超声波的功率和频率与传播距离和衰减有很大关系。在超声传播过程中，超声波的能量主要通过空气和固体材料进行传递，而空气的衰减率远高于固体材料的衰减率。因此，在距离超声源几厘米的地方，超声波的能量就会显著减弱。从而使传输距离和衰减特性对于实验数据的测试结果也产生了影响。
4.结论
通过本文的研究，我们发现功率超声技术可以显著提高纯铝凝固过程中的晶粒细化，降低气孔率和夹杂物含量，并且其功率和频率与传播距离和衰减有很大关系。这些有重要意义的成果对于提高铝合金的冶炼质量和效率有着重要的意义。未来的研究工作可以在探究超声波对铝合金各种成分的影响方面展开，进一步挖掘功率超声技术在铸造行业中的应用潜力。