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在金属熔体中施加超声处理是细化其凝固组织的有效方法，有着突出的优势与广阔的前景。声空化是熔体超声处理中最重要的特征，但非透明、高温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，阻碍了超声场作用下组织细化理论的发展与工业应用。 本文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-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，理论结合实验研究了金属熔体中的声空化行为及其对凝固组织的影响。 利用同步辐射 X射线成像技术原位观察了超声波作用下铝合金熔体中的声空化行为，在实验上对铝合金熔体中的声空化特征进行统计分析。声空化泡在同步辐射X射线成像照片的尺寸为其震荡过程中的最大值，呈对数-正态（log-normal）分布：（此处公式省略） 随着输入声强的增大，声空化泡尺寸分布均值R0、分布上、下限R2、R1逐渐增大，分布范围逐渐展宽。声空化泡集于超声探头近邻，其尺寸在分布空间上沿着超声探头声发射端面外法线方向逐渐减小。声空化泡的体积分数β与输入声强I之间遵循tanh函数关系：（此处公式省略） 理论上研究了铝熔体中声空化泡的形核及空化动力学特征，表明铝熔体中的初始声空化泡主要为汽-气混合核，在尺寸上以1μm为中心在±0.2μm范围内呈高斯分布：（此处公式省略） 影响声空化强度的首要因素为驱动声压与初始声空化泡尺寸，驱动声压与初始声空化泡尺寸越大，声空化过程中声空化泡的径向振幅越大，声空化强度随之增强。声空化过程中的“整流”扩散同样影响到其强度，随声空化泡在振动“周期”中气体含量逐渐增加，声空化强度随之增大。此外，超声波的相位改变也是空化强度的影响因素。 采用数值建模与有限元模拟研究了超声波在含声空化泡的熔体中传播时的声强分布，并在此基础上讨论了声空化泡的运动学行为，建立了预测声空化泡产生区的数值模型。结果表明超声处理在熔体中高声压区产生声空化泡形成“声空化泡产生区”，该区域大小与输入声强及声空化泡含量及尺寸分布有关，输入声强越大空化泡产生区中声空化泡数目与尺寸就越大，反过来声空化泡数目与其尺寸的增大又对超声波产生增大的阻尼作用，造成高压区紧缩，这二者的综合作用使得声空化泡的产生区局限于超声探头声发射端近临。声空化泡在声场中受 Bjerknes力作用自高压区向低压区运动，在这一运动过程中其声空化能力随之被削弱。 在声空化诱发形核方面，通过数值建模量化了声空化溃灭时释放的压力激波，并以此为基础考虑压力激波对形核功与原子扩散激活能的影响，结合均质形核理论估算了声空化诱发形核能力，并通过弱耦合声空化特征建立了预测铝熔体中“声空化诱发形核区”的数值模型。结果表明熔体超声处理过程中的声空化诱发形核源于声空化泡溃灭时产生极强的近似脉冲压力激波与高速微射流。激波造成其覆盖范围内的熔体平衡熔点迅速升高，由此产生的大过冷激发了熔体甚至基于原子团簇快速的均质形核，同时激波与微射流增强了熔体在其中杂质表面凹槽或裂缝等处的润湿性，造成杂质被“活化”而异质形核即声空化“活化”形核。声空化诱发形核能力是输入声强与熔体温度的函数，随熔体温度的降低单调增加。在熔体温度一定时，声空化诱发形核能力先随声强的增大而单调增大，至峰值后单调减小。声空化诱发形核在诱发形核区产生，属于声空化区的一部分。声空化诱发形核区可由一定声强输入条件下的数值模型量化，其大小决定了最终凝固组织的细化程度，而在实际中可由空化深度估算:（此处公式省略） 声空化诱发形核核心或质点产生后在声流场的作用下重分布。声流场越强，其在熔体中的环流效应越显著，延伸范围也越大，形核核心或质点的再分布能力就越强，其分散性也越好，最终导致熔体凝固组织的细化程度提高。 利用同步辐射 SAXS技术在实验上对金属熔体中的声空化诱发形核予以了证实。熔体超声处理后声空化诱发的核心或质点在尺寸上呈高斯分布，其体积含量随超声温度的降低而增加，而在数目上逐渐减小；同时表明铝熔体中的声空化诱发核心或质点在过热熔体中具有一定的存活能力，这为熔体超声处理在未来的工业化应用提供了时间窗口。 基于声空化行为与声空化诱发形核的研究，应用同步辐射 X射线成像技术进一步研究了熔体超声处理工艺与保温时间对凝固组织的影响。结果表明随着超声处理时熔体温度的降低、输入声强的增大，合金凝固组织的细化程度增加，当熔体温度逼近液相线温度时该细化作用最为显著。随超声处理后保温时间的延长，超声对熔体凝固组织的细化作用被削弱，然而由于声空化诱发产生的形核核心或质点具有一定时效性，在超声处理后与凝固前之间持续2 min左右的过热状态并不显著削弱超声处理对最终凝固组织的细化作用。