为何在熔融铝中使用Sialon声极进行超声脱气比石墨转子更有效

声学空化技术能够同时去除溶解氢并细化晶粒结构——无需氩气，无石墨污染，且采用的Sialon陶瓷换能器在钛材失效的环境中仍能正常工作。超声脱气用Sialon换能器是这一先进工艺的关键。

2026年7月26日 · 阅读时间9分钟

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简而言之

溶解氢是铝铸件产生气孔的主要原因；粗晶粒组织会加剧后续工艺中的各种机械性能缺陷。采用石墨转子的旋转脱气法虽能解决氢气问题，但会引入污染物、消耗氩气、产生渣滓，且晶粒细化仍需作为单独工序进行。 超声波脱气技术则能同时实现这两项功能——通过声学空化将氢气驱出，并利用相同的冲击波能量实现晶粒细化——无需载气、无污染，且处理速度比叶轮驱动系统快3倍。 限制因素一直在于换能器：钛在700°C以上会失效，石墨则会污染熔体。Sialon陶瓷解决了这两个问题——它对铝化学惰性，热稳定性强，并且专为将超声波传导至熔融金属而设计。该系统之所以特别有效，在于消除了驻波——这是一项关键的设计成就，能够使声场在整个熔体中均匀分布，具体说明请参见ultrasonicdegassing.com。

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每个铸造厂都清楚但很少进行量化分析的问题

750°C的液态铝每100克金属中约溶解0.65 cm³的氢气。一旦凝固，平衡溶解度便骤降至0.034 cm³/100g——降幅达94%。 无法继续溶解在金属中的氢气必须去往别处。如果铸件凝固得足够快，这些氢气就会形成气孔：这是结构件和耐压部件的头号大敌。

一吨液态铝中若含有1克溶解氢，就会导致成品铸件产生2%至3%的气孔率——这一数据源自简单的热力学计算，而非行业中的最坏情况假设。对于航空航天和汽车结构件而言，仅此一点就足以使其不合格。对于任何对疲劳寿命或压力完整性有要求的零件，气孔正是失效的起始点。

氢气来自大气中的水蒸气、潮湿的原料以及湿润的模具。在750°C和30%相对湿度的条件下，仅通过自然脱气——即保持熔体静置并等待——需要长达一小时才能使残余氢量接近0.1–0.2 cm³/100g的工业标准。在生产铸造车间中，没有人会这样做。

晶粒结构是第二个变量。直流铸造坯料中粗大的柱状晶粒会导致力学性能不均匀、变形响应各向异性，以及在凝固过程中更容易发生热裂纹。传统上，通过向熔液中添加钛硼母合金（TiBAl）来实现晶粒细化——这种方法虽然有效，但会增加一种消耗品，形成额外的物流链，且如果加料不当，还会带来额外的污染风险。

值得思考的问题是，为什么该行业仍然将这两者视为两个独立的问题，需要分别处理。

旋转脱气的工作原理——以及其局限性

标准方法：旋转脱气法

标准方法是采用旋转脱气装置：将石墨转子高速旋转并浸入熔体中，通过转子轴注入氩气（或氩-氯混合气），使其以细小气泡的形式分散到整个炉内。氢气根据西弗特定律从熔体中向氩气气泡中迁移，随后这些气泡将氢气带至表面。

这种方法行得通。几十年来一直行之有效。但其中存在一些结构性局限，在铸造车间工作的人对此再熟悉不过了。

石墨污染

转子发生侵蚀。石墨颗粒进入熔体。在铝合金中，这可能会形成碳化铝（Al₄C₃）相，该相质地脆，易受潮，且难以通过过滤去除。这种污染具有隐蔽性——颗粒足够微小，能够通过上游质量检查，仅在成品零件上表现为表面变色或机械异常。

转子磨损与失效

石墨具有脆性。转子失效——开裂或断裂——并不罕见，尤其是在因冷料加入或预热操作不当导致热冲击的情况下。转子失效意味着计划外停机，且该熔炉必须经过检查后才能继续生产。

氩物流

每公斤氩气的使用都需要经过采购、运输、储存和管理。氩氯混合物（在某些工艺中仍用于助熔剂脱气）增加了合规管理的复杂性。氯与铝反应会生成氯化铝（AlCl₃），虽然这是一种有效的助熔剂，但属于需要谨慎处理和处置的物质。

杂质生成

旋转脱气机的剧烈搅拌作用会破坏熔体表面的保护性氧化铝皮。氧化物被卷入熔体中，导致表面渣量大幅增加。渣量越多，金属损失越大，且各炉次之间的清理时间也越长。

熔体通道受限

安装在炉内或钢包中的旋转脱气机能有效处理转子周围的区域，但大型熔体中存在某些区域——如角落、偏远区域——这些地方的循环受限，导致脱氢不彻底。为此，需要设置多个插入点或采用复杂的喷枪运动来加以补偿。

真正的问题

这些都不是立即放弃旋转脱气法的理由；它们是每个铸造车间都已学会承担的运营成本。问题在于，这些成本是否真的必须承担。

声学空化：超声波脱气的物理原理

将超声波换能器放入液体中，当功率超过临界阈值时，液体就会自行破裂——这种破裂现象持续时间极短，且反复发生，同时在数百万个位置同时出现。这就是声空化现象，正是这一现象使得超声波脱气技术与任何依赖注入气体的脱气方法有着根本性的区别。

熔融铝中超声脱气的五个阶段

熔融铝中的这一过程分为五个阶段：

1. 成核

当超声波压力降至熔体饱和蒸汽压以下时，空化气泡会在现有的不均匀处（如氧化铝夹杂物、微气泡、晶界）上成核。这些就是空化成核点。

2. 校正扩散

在每个声学周期的低压阶段，气泡膨胀，其内部氢的分压降至低于局部熔体浓度。来自周围金属的原子氢向气泡内扩散。由于振荡的不对称性，膨胀期间进入的气泡内的氢比压缩期间逸出的氢更多——从而形成净积累。

3. 重组

在气泡内部，原子氢（H）重新结合成分子氢（H₂），而分子氢无法以相同的速度重新溶解回铝基体中。因此，气泡中积聚的H₂含量不断增加。

4. 聚合

比耶克内斯力（声辐射压力）和伯努利效应导致相邻的气泡相互吸引并合并成更大、浮力更强的结构。

5. 浮选与释放

声流——即由超声场诱导的体积流动——将聚合的气泡向上输送至熔体中。在表面，这些气泡破裂，氢气随之逸出。

关键参数：空化阈值

关键参数是空化阈值。在水中，很容易产生空化现象。而在700°C的液态铝中，该阈值要高得多——熔融铝的密度更大、粘度更高，且表面张力也比水大。用于熔融铝处理的发生器需要提供足够的高强度声波，以使整个处理区域（而不仅仅是换能器尖端）的声强均超过该阈值。 这是一个非同小可的工程难题，也是20世纪60年代和70年代早期的超声脱气系统——包括苏联的UZD-200系统（10千瓦，19.5千赫，处理能力250千克）——虽然验证了该原理，却难以实现经济规模化的原因。

作为免费福利的颗粒细化

那个驱除氢气的气蚀场还有另一项作用：它能细化晶粒结构。当气泡坍塌时，会释放出超过400 MPa的冲击波，并引发局部温度骤升至1000 K以上。这些冲击波会将现有的树枝晶碎裂，破坏柱状晶界，并为等轴晶粒的生长创造数千个新的成核点。 其结果是形成了更细密、更均匀的晶粒结构——且无需添加任何TiBAl。

在一项关于Al–Mg–Sc合金的文献研究中，在较低的铸造温度（700°C 对比 800°C）下进行超声处理，使平均晶粒尺寸从487 ± 20 µm 减小至 103 ± 2 µm，减小幅度达 78%。 即使不降低温度，渐进式处理每20秒也能使晶粒尺寸缩小约5.5%，且超过20秒后仍会继续缩小。这绝非微不足道的改进；这种微观结构变化，以往需要通过添加母合金并进行严格的工艺控制才能实现。

声极问题——以及为何Sialon陶瓷能解决这一问题

声极：长期存在的瓶颈

上述所有内容都取决于一个关键组件：声导头。该探头将换能器产生的声能耦合到熔体中。然而，几十年来，声导头一直是制约因素。

钛制超声波换能器

在水、聚合物和食品领域的超声波液体处理中，钛制换能器是标准选择。然而，在温度超过700°C的熔融铝中，钛会开始迅速溶解。因此，由此产生的钛污染不仅仅是一个冶金问题。 在铝合金中，过量的钛会干扰您试图促进的晶粒细化机制。因此，在大容量铝熔炉中使用的钛制换能器的使用寿命仅以小时计，而非数月。

铌与难熔金属

铌和难熔金属已经过测试。虽然它们的使用寿命更长，但价格昂贵，难以加工成复杂的声头几何形状，而且在空化区仍会受到侵蚀。

石墨

石墨在铝中化学性质相对稳定，但并不具备超声波传输所需的有用声学特性——其杨氏模量过低，无法在不造成过多损耗的情况下传输所需的声能。

Sialon陶瓷 ——即氧化氮化硅铝 ，这是Sialon Ceramics ApS公司历经40年研发的材料类别——兼具了声头应用所需的各项特性：

化学惰性。Sialon 不会被熔融铝润湿，也不会溶于其中。在长时间的处理周期内，Sialon 声波换能器尖端与熔体之间的界面在化学上保持稳定。不会产生钛吸附、碳污染，也不会形成次生相。

抗热冲击性。将声头插入700–800°C的熔体中，然后拔出，再重新插入。 大多数陶瓷在这种热循环作用下都会开裂。Sialon独特的Si₃N₄–Al₂O₃复合结构使其耐热冲击性能远高于氧化铝或氧化锆——正是这一特性，使得Sialon加热管和热电偶保护管在铸造车间环境中具有极佳的耐用性；而在该环境中，热循环导致的部件失效通常是传统陶瓷的常见失效模式。

声学传输的杨氏模量。要将声能高效耦合到熔体中，声头材料必须具备适合该频率范围（工业铝加工中通常为15–25 kHz）的杨氏模量。Sialon陶瓷具有所需的弹性模量，能够传输超声波振幅，同时避免声头本体本身吸收能量——能量直接传递到熔体中，即所需之处。

几何形状的灵活性。换能头的设计对声场分布至关重要。Sialon 陶瓷可实现±0.02 毫米的公差，从而能够精确控制换能头的几何形状以及由此在熔体中形成的声场分布。Sialon Ceramics 还生产长度达 3,000 毫米的碳化硅系列部件，这体现了其制造大尺寸换能头组件所需的制造能力。

这些数字实际上反映了什么

超声波脱气技术的性能优势已在同行评审文献中得到充分论证，并得到了布鲁内尔大学（BCAST）和橡树岭国家实验室 等机构独立研究的证实。针对Al–Si–Mg合金批次的主要测试结果如下：

| 指标 | 处理前 | 超声处理后 | 变化 | | — | — | — | — | | 氢含量 | 0.35 cm³/100g | 0.17 cm³/100g | -52% | | 密度 | 2.660 g/cm³ | 2.706 g/cm³ | +1.7% | | 孔隙率等级 | 4（分级） | 1-2 (分级) | 降低>50% | | 极限抗拉强度 | 200 MPa | 245 MPa | +22.5% | | 伸长率 | 3.8% | 5.1% | +34% |

延展性的提升尤为显著。延展性不仅受氧化膜含量（双膜指数）的影响，也受孔隙率的影响。延展性提高了34%——这一增幅超出了仅靠减氢所能解释的范围——这反映了空化冲击波在破碎和重新分布双膜氧化物夹杂物方面的作用；这些夹杂物在常规过滤过程中是无法被察觉的。

在工业流速为70–100 kg/min的连续直流铸造应用中，超声波处理使流动熔体中的氢浓度降低了1.5–2倍——这一结果仅需将单个换能器正确放置于浇道几何结构中即可实现。 在批量处理模式下，达到工业标准残留量（0.1–0.2 cm³/100g）所需的处理时间为5–10分钟——这与旋转脱气机相当，但无需消耗氩气，且能同时实现晶粒细化。

旋转式与超声波式：一次客观的对比

脱氢机制

旋转式系统依赖于氩气气泡扩散。相比之下，超声波系统则利用声空化现象。

载气

旋转脱气需要使用载气。可选载气包括氩气、氮气或氩氯混合气。相比之下，超声脱气则无需载气。

污染风险

石墨转子可能会引入碳元素。因此，这可能会形成碳化铝（Al₄C₃）。与此同时，Sialon超声换能器具有惰性，因此不会造成任何污染。

杂质生成

旋转搅拌会扰动熔体表面。因此，这会产生大量渣。另一方面，超声波处理产生的渣量约为其五分之一。

处理速度

旋转脱气法设定了基准速度。相比之下，超声波处理的速度大约快三倍。

晶粒细化

旋转式系统无法细化晶粒结构，而需要通过单独的工艺或添加剂来实现。相比之下，超声波系统则能在加工过程中同步细化晶粒，而且无需添加任何添加剂。

活动部件

旋转设备含有运动部件：转子、轴和密封件。然而，超声波系统在熔体中没有运动部件。

熔体质量（双层膜）

旋转脱气对双膜含量的改善作用有限。与此同时，超声空化作用能破坏双膜，从而提高熔体质量。

运营成本

旋转式设备的成本包括氩气供应和频繁更换转子。相比之下，超声波设备的成本主要仅限于超声波换能器的维护。

可扩展性

旋转系统在处理大熔体量方面已经过验证。同样，超声波系统通过采用多声头设计，也具有良好的可扩展性。

旋转脱气技术并未过时。对于熔体体积巨大且已建立氩气基础设施的铸造厂而言，更换设备的投资回报需要较长时间才能显现。但对于新建项目、正在评估氩气开支的铸造厂，以及任何长期受石墨污染困扰的铸造厂而言，从经济角度来看，超声波系统更具优势——特别是当将晶粒细化作为工艺步骤纳入考量时，否则该步骤将需要使用TiBAl母合金。

“超声波脱气产生的渣量比氩气旋转脱气法少5倍以上，同时其脱氢速率比叶轮驱动脱气法快3倍。”——布鲁内尔大学BCAST，超声波脱气技术发展概述

铸造车间的集成

超声波脱气设备并非一个整体系统。其配置取决于具体工艺：

批量处理（炉内或钢包处理）。

操作人员使用定位臂将换能器探头插入熔体中。对熔体进行5至10分钟的处理后，再将探头抽出。这种方法所需的首投资最少，且可与现有的熔炉基础设施配合使用。操作人员可将换能器探头移动至预设位置，以最大限度地覆盖大体积熔体的声学处理范围。现代生产设施中，该任务越来越多地采用机器人定位技术。

在线（管道或集水井处理）。

操作人员将超声换能器置于流动的熔液流中——既可以是位于熔炉与直流连铸机之间的导流槽，也可以直接置于连铸池中。在已有记录的工业安装案例中，该系统可对金属进行连续处理，处理流量最高可达100千克/分钟。Wagstaff和Bruno Presezzi的立式连铸线均采用这种配置。该配置能带来每吨最大的质量提升，且不会影响循环时间。

混合型（燃气+超声波）。

某些超声波换能器设计中包含一个用于气体注入的中央通道。该设计将氩气喷射与超声场相结合。这种结合使工厂既能保留现有的脱气基础设施，又能通过空化作用实现晶粒细化并减少渣的产生。对于那些已在气体供应系统上投入了大量资金的企业而言，这是一种合乎逻辑的转型路径。

发生器的技术要求非常明确。Aktive Arc Sarl——NIMA发生器系列背后的瑞士超声波工程公司——专门设计用于铝熔体处理的工业超声波系统，这些系统通常工作在19.7 kHz左右，具备自动调谐频率跟踪功能，功率范围为100 W至4,000 W（可根据要求定制更高功率）。 其“无驻波”设计理念使得处理大体积熔液时，能够避免早期设备中常见的声场不均匀问题。 Aktive Arc 与=”https://www.sialon.com”>Sialon Ceramics ApS 共同运营联合技术门户网站ultrasonicdegassing.com——两家公司在此展示将 NIMA 发生器与 Sialon 陶瓷换能器相结合的集成系统配置，作为完整的脱气解决方案。

试用该集成系统

要对熔融铝进行有效的超声脱气，需要两个条件同时满足：一是发振器能够提供高于液态金属空化阈值的足够声强；二是超声换能器能在熔融环境中正常工作且不污染熔体。这正是Sialon Ceramics ApS与Aktive Arc Sarl共同开发出的解决方案。

Sialon Ceramics ApS生产陶瓷超声换能器——这是一种硅铝氧氮化物组件，其杨氏模量为 345 GPa，在熔融铝中具有不润湿特性，且在数千次插入循环中仍能保持良好的耐热冲击性能。 凭借40年来为极端温度金属加工开发先进陶瓷的经验，Sialon的超声波换能器制造公差控制在±0.02毫米，可在直接接触熔液的条件下以1,400°C的温度进行连续运行。

Aktive Arc Sarl（瑞士纳沙泰尔）供应 NIMA 超声波发生器系统——该系统专为熔融金属处理而设计，具备自动调谐频率跟踪、可编程控制功能，并提供与批量或连续铸造产量相匹配的功率配置。Aktive Arc 成立于 2001 年，由马里奥·普拉森西亚（Mario Plasencia）领导，在超声波发生器领域拥有 25 年的大功率超声波工程经验。

两家公司共同在ultrasonicdegassing.com 网站上展示了集成系统配置方案。如果您所在的铸造车间正在评估超声波脱气技术——或者石墨污染、氩气消耗或 TiBAl 母合金成本已成为现实问题——那么该网站正是根据您的熔体容量和工艺配置来确定系统规格的起点。

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常见问题解答

超声波脱气是如何从熔融铝中去除氢气的？

超声波会产生声空化现象——即熔体中形成数百万个微小气泡，这些气泡会形成、振荡并坍缩。在每个振荡周期的低压阶段，溶解的原子氢会扩散进入气泡并重新结合成分子态的H₂。气泡相互融合并浮至表面，释放出氢气。 对于一批Al–Si–Mg合金，该工艺仅需一次处理，即可将氢含量从0.35 cm³/100g降低至0.17 cm³/100g（降低52%）。

什么是Bifilm指数？超声波治疗对其有何影响？

双膜指数用于测量铸件抛光横截面上的氧化膜（双膜）总长度。它是熔体质量的直接指标，也可用于预测机械失效。当熔体表面的氧化铝皮向内折叠时，就会形成双膜。这种现象通常发生在湍流浇注过程中。折叠的氧化膜会被困在金属内部。 超声空化可将这些氧化膜破碎。该过程利用超过400 MPa的冲击波，从而降低双层膜指数，并减少裂纹起始点数量。最终，成品铸件的伸长率会显著提高。

为什么使用硅铝氧化物陶瓷换能极，而不是钛或石墨？

在700°C以上的熔融铝中，钛制换能器会迅速发生侵蚀，导致钛颗粒污染熔体。石墨会溶解并引入碳元素，从而在铝合金中形成碳化物相。Sialon陶瓷对熔融铝具有化学惰性，在高达1,100°C的温度下保持热稳定性，能经受数千次热循环的冲击，且其杨氏模量适合高效传递超声波。 由此制成的超声波换能器使用寿命显著延长，且不会对熔体造成任何污染——这使其成为工业规模下唯一兼具冶金安全性与机械可行性的材料类别。

超声波脱气工艺能否集成到连续直流铸造生产线中？

是的。工程师们已经验证了在流速为70–100 kg/min的垂直直流（直接冷却）铸造中采用在线配置。这种配置可将流动熔体中的氢浓度降低1.5–2倍。操作人员可将超声波换能器放置在流槽或集液槽中。

批量处理也适用于铸造炉和浇包。设计中的关键考虑因素是声功率传递——超声波强度必须超过液态金属的空化阈值，而该阈值高于水。

超声波脱气是否需要氩气或其他载气？

不——这正是它相对于旋转脱气工艺的核心优势之一。旋转脱气系统需要氩气（或氮气，或氯-氩混合气）将氢气从熔体中带出。 超声空化完全是机械作用：声场会形成成核位点，并在无需任何载气的情况下将氢气驱出。这省去了气体采购、储存、输送基础设施以及相关的环境排放。同时，它还避免了氩气注入对保护性氧化铝皮层造成的破坏。