超声外场处理金属熔体是改善铸锭凝固组织,提高材料力学性能的一种有效方法,是当前国际研究的热点和未来铸造技术的一个新的发展方向。本文以铝合金超声铸造为切入点,主要研究了以下几方面内容:1、对整个超声振动装置进行了系统分析。首先,根据电-力-声类比原理,采用高精度的阻抗分析仪,测量超声振动系统在不同工况下的导纳圆。基于导纳圆,研究了振动系统谐振频率F_s与机械品质因数Q_m的具体变化规律。结果表明:F_s和Q_m均随负载温度的升高,负载粘度的增大以及工具杆工作深度的增加而降低;随负载横截面积的增大,一阶F_s提高,二阶F_s略有降低,而对Q_m的影响相对较小。以此为基础,确定振动系统与超声波发生器的最佳电端匹配。其次,基于对振动装置失谐现象的探讨,分析现有发生器的电路工作原理,并提出了适合超声铸造的电源改进思路。2、针对现有工具杆的端面为平面,超声波辐射范围小,作用区域小,不利于超声铸造的问题,根据Snell定律,并综合考虑半连铸时的金属液穴形状,声强度分布与声能利用率,对其端面进行了优化设计。利用有限元软件Marc对工具杆进行了模态分析验证,发现优化前后的工具杆纵向振动频率基本相同,可保证优化后的工具杆与原有振动系统匹配使用。3、详细描述了超声波处理金属熔体时的能量传递特性,超声细晶的两种主要作用机制(空化与声流)和超声波对晶体形核、成长过程的影响,为试验的开展及其结果的分析提供理论基础。4、探讨了在超声处理过程中,不同的超声功率、施振温度、冷却方式、施振深度和方式对铸锭凝固组织细化规律,并对超声作用距离及铸锭的力学性能进行了分析。试验结果表明:超声细晶存在一最佳超声功率170W和施振温度区间800～660℃;适当降低熔体的冷却强度有利于晶粒细化;施振深度不宜过大,否则振动强度降低,细晶效果减弱;当选取合理的施振时间与温度时,间歇施振能取得优于连续时的细化效果;超声作用距离与不同的铸造工况密切相关;经超声处理后,铸锭的力学性能获得了提高,组织成分也趋于均匀,有利于后续加工。通过上述研究,初步获得了一些振动系统振动性能的变化规律及超声铸造工艺参数匹配规律,这对功率超声应用于工业领域,有效处理金属熔体具有一定的指导价值。