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直接冷却铸造中的超声波处理：已发表试验的结果显示

sialon2014

2026年8月9日· 阅读时间11分钟

氢孔隙率、中心线偏析和微观组织不均匀性是直流铸造面临的三大难题。已发表的试点规模直流铸造试验表明，超声波处理可同时消除这三项问题——使坯料中心的晶粒尺寸减小50%，并抑制了生产坯料中羽毛状晶粒的形成。

简而言之

氢气孔隙率、中心线偏析以及微观组织不均匀性长期以来一直困扰着直接冷却（DC）铸造工艺。这些因素共同限制了铸锭尺寸、力学性能的一致性以及产品收率。传统的在线脱气方法（如旋转叶轮、气体注入）无法同时解决这三个问题——除非牺牲铸造速度或铸锭质量。

直接在直流铸造槽中进行超声处理可消除这些限制。空化驱动的气泡形成可在3分钟内去除溶解氢，而旋转法则需要10多分钟。与此同时，声流可细化晶粒结构并消除中心线偏析。 已发表的直流铸造中试试验证实了这些结果在生产坯料中的有效性：坯料中心晶粒尺寸减小50%，抑制了羽毛状晶粒的形成，且锭体横截面成分均匀。

NIMA 超声波发生器采用了自适应多频技术，该技术是与高功率超声波系统工程领域的专家——Aktive Arc Ultrasonics 公司合作开发的。配合高温Sialon 陶瓷换能器，该设备可在工业规模（400 多公斤的锭坯）下进行超声波处理，且无需载气，也无需承担旋转设备的维护负担。

了解直接冷却铸造：工艺及其挑战

直接冷却铸造是有色金属（铝、铜、镁）的基础半连续铸造方法。对凝固过程的精确控制直接决定了铸锭的微观组织和力学性能。其工作原理如下：

熔融金属被浇注到底部敞开的水冷模具中。随着锭坯成形，外层逐渐凝固，而中心部分仍保持液态，从而形成一条狭窄的凝固前沿。当锭坯从模具中取出时，水会直接喷洒在锭坯表面，从而实现由外向内的完全凝固。

这种可控凝固是一大优势——与露天铸造相比，它能有效限制宏观偏析。但紧凑的时间表和受限的几何形状，导致了三个相互关联的冶金问题，这些问题一直困扰着现代直接铸造作业：

1. 氢气孔隙率：溶解气体问题

氢是液态铝中的主要溶解气体。它通过熔融金属与大气中的水蒸气发生化学反应而进入液态铝，生成氧化铝和H₂气体。关键的不对称性在于：氢在液态铝中的溶解度远高于在固态铝中的溶解度。 在凝固过程中，当金属冷却至其溶出点以下时，氢会析出。如果冷却速度过慢，或氢浓度过高，气泡就会在固相内部成核。这会形成气孔——一种会降低疲劳强度、抗拉强度和铸件产率的缺陷。

传统的在线方法（氩气注入、旋转脱气）虽然能解决这一问题，但存在固有的取舍。氩气需要载气设备，且需进行环境处置。旋转叶轮会引入停留时间延迟（10分钟以上），从而延长铸造周期。

2. 中心线分相：锭体中心处的宏观分相

直接连续铸造（DC）所特有的窄范围、受控凝固过程会引发一个次要问题：铸锭中心区域的合金成分会偏离标称成分——即中心线宏观偏析。 多种机制共同导致了这一现象：凝固过程中的对流驱动质量传输、收缩诱导流动以及晶粒沉降。其结果是锭体中心与外围的性能存在显著差异，这不仅增加了后续加工（轧制、挤压）的难度，也限制了可铸造锭的尺寸和几何形状。

3. 微观组织控制：晶粒细化与等轴晶形成

具有粗大树枝状晶粒及粗大次生相的结构会使缺陷（气孔、夹杂物、偏析）沿晶界富集，从而降低机械性能和加工性能。具有等轴晶粒（即各方向尺寸相等）的非树枝状细晶粒组织是冶金学上的目标，因为它：

传统的晶粒细化工艺采用钛基母合金（Al-5Ti-1B），该合金可提供异质成核位点。但在大型锭坯中，这种方法的效果并不稳定，且所需晶粒细化剂的用量随锭坯尺寸的增大而增加——这会导致成分漂移并增加成本。

为什么传统脱气方法在直流铸造中效果不佳

在探讨超声波解决方案之前，有必要先了解为什么现有方法无法满足现代直流运营的需求：

旋转式（叶轮）脱气：

氩气或氮气注入：

减压铸造：

核心局限性在于：这些方法中没有一种能够同时消除氢、细化晶粒结构并消除中心线偏析——而这三者正是决定直流铸造中锭坯质量的关键因素。每种方法都仅能单独解决其中一个问题。

超声波处理在直流铸造槽中的工作原理

直接在铸件熔池中应用的超声处理技术，通过利用空化现象——即液态金属中声空泡的可控坍塌——克服了这些局限性。

空化机制

当超声波能量（通常频率为25 kHz）通过声导头（一种共振陶瓷探头）引入熔融金属中时，压缩波和膨胀波会在熔体中传播。这种声压会引发空化现象：在膨胀（负压）阶段会形成微观气泡，而在压缩阶段这些气泡会剧烈坍塌。

当空化气泡坍塌时，释放出的能量极为惊人——局部压力超过10,000个大气压，温度骤升至3,000 K以上。这会产生：

  1. 异质成核位点——气泡坍塌会产生局部高压区，新形成的固体晶体就在这些区域内生长，从而在整个熔体中提供成核模板。


  2. 空化辅助碎裂——气泡坍塌产生的冲击波会物理性地将生长中的树枝状晶体碎裂成更小的碎片，这些碎片进而成为独立的成核位点（晶粒增殖）。


  3. 声流——压力差会引发流体的整体运动，从而将溶解的氢和合金元素物理地输送到熔体各处。


  4. 微射流——从坍塌气泡中喷射出的高速射流会破坏夹杂物表面的保护性氧化膜，从而促进夹杂物的浮选和去除。


利用空化气泡去除氢气

溶解的氢气从熔融金属中扩散进入膨胀的空化气泡中。空化气泡巨大的表面积（1 × 10¹¹ 个气泡/m³）极大地增加了可用于氢转移的气体-金属界面面积。与旋转脱气（依赖于气泡的被动上升）不同，空化作用会持续产生新的气泡表面。随着气泡坍塌和重新形成，富含氢的气体被困住并上升至熔体表面，随后逸散到大气中。

结果：脱气效率比旋转式方法高20%，且耗时仅为后者的三分之一——3分钟，而传统系统则需10分钟以上。

解决中心线分离问题：多频处理

传统的单频超声波系统存在一个关键局限：它们会产生驻波——即声压节点聚集的区域，导致锭中心出现无法处理的“死区”。这违背了直流铸造中超声波处理的初衷，因为锭中心正是最易发生偏析的区域。

Sialon Ceramics 公司的NIMA 发生器凭借自适应多频技术克服了这一难题。通过在处理过程中调节超声频率，该系统可防止驻波形成，并确保空化现象在整个锭体内部均匀发生。这一功能使得在工业规模上消除中心线偏析成为可能——这在超声处理锭体领域尚属首次。

NIMA 与 Aktive Arc Ultrasonics：十年工程合作

在700°C以上的温度下使用超声波能量处理熔融金属，会带来极具挑战性的材料难题，这绝非任何一家公司能够单独解决。Sialon Ceramics与 Aktive Arc Ultrasonics——这两家专注于大功率超声波系统工程领域的企业——耗时十余年共同开发了NIMA系统这一集成解决方案：Sialon负责陶瓷换能器材料的科研开发，Aktive Arc则负责声学堆栈和发生器架构的设计。

最终形成的系统中，每个组件都经过精心设计，能够与其他所有组件完美配合——这并非简单地拼凑现成的部件，而是从传感器到陶瓷尖端的一体化工程解决方案。

NIMA 生成器：自适应多频架构

与Aktive Arc Ultrasonics联合开发的NIMA发生器，提供了使大锭直流铸造处理成为可能的核心创新：

正是这种架构，才使得在大容量直流铸造槽中能够实现均匀、全容积的处理——这是单频竞争对手无法解决的问题。

硅铝氧化物陶瓷超声换能器：实现这一切的关键接触点

声头是最难设计得当的部件——它必须高效地传递超声波能量，同时还能承受熔融金属的化学作用、热循环以及持续的空化应力。Sialon自主生产这些部件，使合作伙伴能够完全掌控系统中最关键的接口：

NIMA发生器的自适应频率控制与Sialon的陶瓷换能器相辅相成，共同构成了一套系统——其中任何一个组件若缺少另一个，都无法发挥最佳性能，而且每批产品都凝聚了双方十年来的共同研发成果。

已公布的DC选角试镜揭示了什么

超声波熔体处理技术现已远远超越实验室实验阶段，进入有据可查的中试规模和工业规模直流铸造试验阶段。布鲁内尔大学BCAST研究组发表的研究成果以及经同行评审的铸造文献，在坯料直径、合金体系和换能器配置等方面提供了连贯一致的证据。

直接连铸坯中的晶粒细化：直接实验证据

发表在《IOP会议系列：材料科学与工程》（Eskin 等，2023）上的一项研究指出，在铝坯的“直流铸造模具的集水池中”进行超声处理后，“成功实现了晶粒细化”——超声处理直接抑制了羽毛状晶粒的形成，并在坯体整个横截面上实现了可测量的晶粒结构细化。

一项发表于《JOM》（Springer，2020年）的平行研究，对直径为152毫米的坯料进行了试点规模的直流铸造，并在浇道中采用了超声波熔体处理（UST）。结果表明，UST“显著改善了坯料的铸态组织，为扩大生产规模铺平了道路”——且在与实际生产相关的坯料直径下，其细晶粒效果已得到证实。

经实验测量验证的数值建模（发表于《ScienceDirect》）量化了该效应在实际规模下的表现：经超声处理后，方坯中心的平均晶粒尺寸比未经处理时小50%——其中中心线处的效应最为显著，而这正是传统直流铸造中偏析和粗晶结构问题最突出的位置。

工业级先例：直流铸造流量高达1吨

德米特里·埃斯金教授关于超声波熔体处理的综述（布鲁内尔大学/BCAST）指出，目前已知的超声波熔体处理工业规模应用——包括“在大型锭坯直接冷却铸造过程中，熔体流量高达1吨”——均是通过磁致伸缩换能器同时或依次工作来实现的。这为在具有商业意义的规模下对大型锭坯进行直接冷却铸造处理确立了明确的工业先例。

这些试镜在DC选角过程中记录了什么

晶粒结构：

脱气：

隔离：

经济假设（基于已公布的数据）：

这些结果来自独立的第三方研究机构——布鲁内尔大学BCAST，并发表在经同行评审的期刊上。它们代表了直流铸造中超声波熔体处理在试点和工业规模下的公认性能范围。

冶金影响：从脱氢到改善铸造性能

在直流铸造中，超声波处理的累积效应不仅限于脱氢，还能够重塑铸锭的基本冶金特性：

微观结构转变

超声处理前：粗大的树枝状晶粒，呈柱状从锭坯外围向中心生长；次生树枝晶臂间距（SDAS）较大；合金元素集中在树枝晶间区域；偏析带与凝固前沿方向一致。

经超声波处理后：晶粒细小且等轴（各方向尺寸相等）；SDAS值降低；合金元素分布均匀；消除了锭芯处的偏析带。

这一转变至关重要，因为它：

表面处理与加工损耗的降低

超声波处理可减少表面缺陷（氧化物夹杂、气孔、点蚀），否则在轧制前需要进行昂贵的表面处理（削皮、化学清洗）。已发表的研究和空化物理学证实：

合金成分的一致性与力学性能的可预测性

超声处理的声流效应可使合金元素均匀分布。这在以下方面尤为重要：

为何这很重要：从实验室到生产车间

从旋转脱气或气体注入向超声波处理的转变，不仅仅意味着效率的提升。它标志着直流铸造基本制约条件的转变：

  1. 速度：3分钟的处理周期与10分钟以上的炉内停留时间相比，可实现更快的铸造速度，这对大批量生产至关重要


  2. 大规模质量控制： 对400公斤以上的锭进行超声处理——这一工艺过去因驻波干扰而受限——如今已成为可能。已发表的试验结果证实了该技术在试点和工业规模上的可行性，为大型锭开辟了新的市场领域，因为传统脱气工艺无法确保其性能的一致性。


  3. 环境责任：淘汰氩气/氮气载气并大幅减少炉渣，这与制造领域的可持续发展目标相一致


  4. 维护简便：与旋转叶轮相比，固定式陶瓷换能器（无旋转部件）减轻了设备的维护负担


  5. 工艺可靠性：多频自适应控制消除了单频系统所需的试错式调谐


对于服务于航空航天、汽车和高性能船舶等高要求行业的铸造作业而言，这些优势可直接转化为铸造良率的提升、新合金认证周期的缩短，以及机械性能一致性的提高。

试试硅铝氧化物陶瓷

Sialon Ceramics为直流铸造和连铸工艺提供完整的超声波脱气系统——从 NIMA 自适应多频发生器到能够承受工业生产环境的高温陶瓷换能器。凭借在超声波冶金领域 20 多年的经验，加上自主生产的陶瓷换能器，该公司具备将超声波处理技术从实验室试验推广到全面生产所需的综合专业知识。

如果您正在操作直流铸造设备，且遇到氢气孔、中心线偏析或晶粒结构不均匀等问题，超声波处理是一种值得考虑的有力方案。请直接联系 Sialon Ceramics，讨论您的铸造应用需求，并探讨适合您生产规模的定制处理系统。

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