我国是镁资源大国,但是我国的镁合金加工材产量及质量远落后于发达国家。制约我国镁合金加工材发展的瓶颈问题之一就是锭坯的质量。本课题是国家重点基础研究发展规划资助项目(973)“高性能镁合金加工与制备中的关键基础问题”和国家自然科学基金“声-磁协同场作用下DC铸造镁合金全体积均匀凝固机理研究”的一部分,主要研究功率超声在镁合金熔体中的传播规律和镁合金熔体超声处理对凝固组织与净化行为的影响规律。同时,在深入探讨超声场和电磁场作用下镁合金半连续铸造过程中的熔体流动、热量传输及凝固行为变化规律的基础上,将功率超声场与低频电磁场组合,开发出超声-电磁组合场作用下镁合金半连续铸造新技术。本文首先采用有限元法数值模拟了超声波在镁合金熔体中的传播情况,并分析了超声功率和频率对声场分布的影响。结果表明：超声频率对镁合金熔体中的声场有显著影响,通过调节超声频率可在特定几何结构的超声熔体处理单元形成类似超声驻波场的声压分布；而超声功率对声场影响较小,但平均声压幅值随超声功率增加而增加。为进一步探讨镁合金熔体超声处理的机理,对镁合金熔体中的空化行为进行了研究。结果表明：较低的超声频率、较高的声压幅值以及接近于共振尺寸的空化泡初始平衡半径有利于超声空化效应。为获得更好的空化效果,超声熔体细化处理时应采用的超声频率范围为20-22kHz,声压幅值范围为0.5-2MPa,空化核尺寸范围为0.3-12μm。通过对AZ80镁合金熔体超声细化处理的声场模拟及实验研究表明,熔体中的超声声压幅值与凝固组织平均晶粒尺寸有着对应关系,随着声压幅值的增加,晶粒尺寸相应减小；改变超声输入声强(对应于超声功率),是通过改变熔体中的声压幅值而达到细化凝固组织效果的,这是由于随着声压幅值的增加,熔体中的空化效应会随之增强,从而强化了超声细化效果,减小了晶粒尺寸。通过对AZ31和AZ80镁合金熔体超声净化处理的声场及夹杂物凝聚数值模拟及实验研究表明,形成超声驻波场是镁合金熔体超声凝聚净化的前提。镁合金熔体深度对超声驻波形成有显著影响。对于上导入超声,熔体深度控制在(3/4)λ时可获得近似驻波场。在本试验条件下,提高超声功率,驻波场的声辐射力随之增强,可促进净化效果,且可缩短超声凝聚净化时间,但超声功率过高,净化效果将可能因空化效应与声流作用而削弱。对AZ31和AZ80镁合金熔体较好的超声凝聚净化条件分别为35Wx30s和80Wx60s。采用数值模拟和实验研究相结合的方法,研究了φ160mmAZ80镁合金铸坯传统DC半连续铸造、超声半连续铸造(UC)、低频电磁半连续铸造(LFEC)和超声-电磁组合场半连续铸造(UC+LFEC)过程中的超声场、电磁场、熔体流动、热量传输以及多物理场的相互作用,讨论了超声场、电磁场和超声-电磁组合场对温度场、流场和铸锭的铸态组织以及力学性能的影响。结果表明：超声对流场与温度场有所影响。在超声声流作用下,流场变化不大,但熔体流动速度略有增加且高功率时更明显,同时,超声半连续铸造有较浅的液穴,但提高功率液穴深度略有增加。另外,高超声功率,熔体中有效空化区域大,从而提高超声处理的效果。与施加超声不同,在镁合金半连续铸造过程中施加低频电磁场显著改变流场,电磁强制对流改变了熔体的流动方向且显著增加了熔体的流动速度,液穴深度明显减小。通过对有超声杆存在时LFEC铸造过程中的电磁场研究表明,超声工具杆材质(相对磁导率不同)对电磁分布有显著影响。在插入高磁导率工具杆时,在靠近工具杆区域出现了较强的磁感应强度和Lorentz力,导致磁致强制对流由原来的一个“喷泉”式涡流变为两个涡流：一个靠近工具杆附近的“地漏”式涡流和一个靠近结晶器附近的“喷泉”式涡流,同时液穴有所加深。在镁合金LFEC铸造过程中,插入普碳钢超声工具杆(相对磁导率约为100)时,降低电磁频率,液穴变浅,但增加电磁场强度时,液穴深度先增加后减小,这与无超声工具杆时明显不同。在UC+LFEC组合场铸造过程中,超声场对流场与温度场影响很小,且远小于电磁场的影响；超声场对镁合金LFEC半连续铸造中宏观物理场的影响主要是超声工具杆的影响所致。与常规DC铸造相比,采用LFEC半连续铸造φ160mmAZ80镁合金锭坯从边部到中心的铸态组织和力学性能均得到明显改善。但是由于电磁场集肤效应,铸锭中心组织仍然比边部粗大。采用UC半连续铸造φ160mmAZ80镁合金锭坯组织和性能也均有不同程度的改善,锭坯中心的组织细化显著。但是由于超声随离工具杆距离的增加而迅速衰减,铸锭边部组织明显要比中心组织粗大。利用超声场和电磁场的各自特点,开发了镁合金超声-电磁组合场半连铸新技术,该技术铸造的φ160mmAZ80镁合金铸锭边部、R/2处和中心位置平均晶粒尺寸分别为262μms、267μm和259μm,抗拉强度则分别达到了188MPa、187MPa和189MPa。与常规DC铸造和施加单一外场铸造(UC和LFEC)时相比,整个铸锭的凝固组织变得更为细小和均匀,力学性能显著提高且差别明显减小。