The effect of ultrasonic vibration during solidification was theoretically and experimentally investigated in order to identify the mechanism of grain refinement and of the supercooling reduction.
Experimental results showed that when liquid bismuth is solidified under ultrasonic vibration, grain refinement is due mainly to dendrite fragmentation. Contribution by increased nucleation rates was insignificant. Grain refinement occurred at low ultrasonic pressures even blow the minimum critical pressure to initiate cavitation. However, at relatively high ultrasonic pressures, supercooling was reduced by cavitation. At the threshold pressure of cavitation, grain enlargement occurs because of reduced supercooling. At high pressure above the threshold pressure grain sizes are reduced again because the ultrasonic vibration caused fragmentation of the dendrite arm.
Dynamic behaviors of gas bubbles in the liquid bismuth under ultrasonic vibration were analized numerically. In order to examine the cause of reduction of supercooling. The results show that the positive pressure wave generated by ultrasonic vibration can generate nucleation but the negative pressure wave is not sufficient for nucleation.
응고하는 액체금속에 초음파진동을 가하면 결정이 미세화하는 현상과 과냉온도가 감소하는 현상이 발생하게 된다. 결정미세화가 일어나는 것이 결정이 파괴되어 일어난다는 이론과 초음파진동에 의해서 핵생성이 증가해서 일어난다는 이론이 있는데 이 두가지 현상이 어떠한 비율로 일어나며 그 원인이 무엇인가를 알아보기 위해서 실험을 하였다.
99.99%의 비스므스가 응고할 때 초음파진동을 가하는 실험을 행하였는데 cavitation이 일어나는 초음파압력이 되면 비스므스의 결정이 커지게 되는데 이것은 cavitation이 일어나는 초음파 압력이 되면 초음파진동에 의해서 비스므스의 과냉온도가 감소하기 때문이다. 그러나 초음파압력이 더 증가하면 초음파진동에 의한 핵생성의 증가와 결정의 파괴에 의해서 다시 결정이 미세화하게 되는데 이 결정미세화의 원인은 주로 초음파진동에 의한 수지상조직 파괴현상에 의해서 일어나고 핵생성의 증가효과에 의한 결정미세화는 적음을 발견하였다. 수지상조직의 파괴는 초음파진동에 의한 액체의 운동 때문에 일어나는 것을 발견하였다.
초음파진동을 응고하는 액체금속에 가하는 경우 결정미세화 이외에 일어나는 또 하나의 현상은 과냉온도가 감소하는 현상인데 이 원인을 규명하기 위해서 과냉온도를 측정하는 실험과 sound level 을 측정하는 실험을 행하였다. 99.99%의 비스므스를 정지된 상태에서 응고시키면 과냉온도가 약 65℃ 정도까지 되는데 초음파진동을 가하면 감소하여 약 10℃ 정도로 된다. cavitation이 발생해서 들리는 sound level 이 갑자기 상승하는 초음파압력과 과냉온도가 갑자기 감소하는 초음파압력이 거의 일치 하여 cavitation이 과냉온도 감소의 원인이 될 가능성을 보여 주었다.
순수한 비스므스에 불순물을 가하는 경우 과냉온도의 변화가 어떻게 되는가를 알아보기 위해서 99.99%의 비스므스에 Fe powder를 첨가하고 과냉온도를 측정해 보았다. 정지된 상태에서의 과냉온도는 99.99%의 비스므스에 비하여 감소하였고 초음파를 가할 경우도 감소하였으나 초음파강도가 증가하면 과냉온도는 일정한 값을 가지고 어느 값 이하로 감소하지는 않았다. 이것은 cavitation에 의해서 발생하는 압력이 초음파강도가 커진다고 증가하는 것이 아니고 어느 값 이상으로 되지 않기 때문으로 생각되는데 확실한 원인은 불분명하다. 여기에 대해서는 더욱 연구가 요구된다.
약 99%의 주석에 대해서 초음파압력의 변화 에 따른 과냉온도의 의 변화를 측정해 보았다. 초음파를 가하지 않을 경우는 과냉온도가 약 7℃ ~ 8℃정도인데 초음파를 가하면 감소하여 초음파압력이 커지면 약 0.25℃정도로 되었다. 비스므스와 과냉온도의 변화를 비교해보면 변하는 모양이 비숫하나 비스므스에 비하여 서서히 감소하는 것이 다르다. 그러나 그 원인은 확실하지 않다. 실험에 사용된 주석은 순도가 낮은 것이어서 초음파진동에 의해서 과냉온도의 변화가 적기 때문에 cavitation에 의해서 핵이 생성되어 과냉온도가 감소하고 핵생성이 증가된다는 이론들을 검토하기에 충분치 못하고 더 순도가 높고 과냉온도가 큰 경우에 대한 실험이 요구된다.
초음파진동 시 발생하는 cavitation의 압력에 의해서 핵이 생성되어 과냉온도가 감소하고 핵생성이 증가된다는 이론들을 검토해 보기 위해서 해석을 해보았다. 먼저 cavitation에 의해서 발생하는 negative pressure 에서 융점온도가 상승하여 핵이 생성 된다는 이론을 검토하기 위해서 핵생성에 필요한 압력을 계산하였다. 융점온도의 변화는 Clapeyron equation 을 적분하면 된다.
99.99%의 비스므스에 초음파진동을 가할 때 과냉온도의 변화는 약 55℃ 정도까지 되는데 이와 같이 과냉온도를 변화 시키는 데에는 융점온도만을 고려하면 $-3.0 × 10^9 N/㎡$ 이상의 압력이 필요 하고 압력변화에 의한 등엔트로피가열(냉각) 을 고려하면 $-7.0 × 10^8 N/㎡$ 정도의 압력이 필요하다는 것을 알았다. 순수한 물의 경우 초음파진동에 의한 과냉온도의 변화가 39.5℃ 정도인데 압력의 변화에 따른 융점온도의 변화만을 고려하면 이와같은 과냉온도에 도달할 수 없고 등엔트로피가열 (냉각) 과 비가속가열 (냉각) 을 고려하면 $-1.2 × 10^9 N/㎡$ 정도의 압력이 필요함을 알았다.
Cavitation 에 의한 액체의 압력의 변화를 계산하기 위하여 액체 비스므스에 20KHz 의 초음파진동이 가해질 때 액체 비스므스속에 있는 기포의 운동을 해석해보았다. 액체 비스므스를 비압축성 액체라고 가정하고 기포속의 기체는 등온팽창과 수축을 한다는 가정에 액체의 점성을 고려하지 않은 경우의 기포의 운동방정식을 해석하였다. 액체 비스므스에는 여러가지 크기의 기포가 존재한다고 가정하고 기포의 반경을 단계적으로 변화시키며 각각의 기포반경에 대하여 운동방정식을 풀었다. 하나의 기포반경에 대하여 초음파압력의 진폭을 변화시키며 기포의 운동을 해석하여 cavitation이 발생할 때 기포벽의 압력과 운동속도를 계산해보았다. cavitation이 발생는 기포의 반경과 초음파압력의 진폭은 trial and error method 로 구하였다. cavitation이 일어나는 기포의 반경은 $4.0 × 10^{-6}m ~ 1.0 × 10^{-7}$ 사이 이었다.
기포의 운동을 해석해본 결과 하나의 기포반경에 대하여 초음파 압력의 진폭을 증가시키면 cavitation에 의한 압력은 증가 하다가 감소하게 된다. 따라서 cavitation 이 최대로 일어나는 초음파압력의 진폭이 있다. 이 초음파압력의 진폭은 기포의 반경이 감소할수록 증가한다. cavitation 에 의해서 발생하는 최대압력은 기포의 반경 이 감소하면 증가하다가 어느 기포반경 이상에서는 감소함을 보여준다. cavitation에 의해서 발생하는 액체 비스므스의 최대압력은 $2.45 × 10^{10} N/㎡$ 정도로 대단히 큰 값이었으나 음방향으로는 압력의 강하가 적어서 초음파압력의 진폭보다 강하 하지 않았다.
Cavitation에 의해서 액체비스므스에 걸리는 negative pressure는 과히 적은 값이 아니기 때문에 negative pressure에서 액체 비스므스의 융점을 변화해서 핵이 생성될 가능성은 없음을 보여 주었다. 그러나 positive pressure는 대단히 커서 비스므스가 고압에 존재하는 solid phase인 phase V에서 핵이 생성될 가능성을 보여 주었다. 그러나 이 이론을 정확히 고찰 하려면 압력의 변화에 따른 액체 비스므스의 온도상승을 정확히 계산할 필요가 있고 기포의 운동을 해석할 때 기포속의 기체의 온도변화의 고려 여부를 해석하고 기포의 운동방정식을 더 엄밀히 해석하여 Cavitation에 의해서 발생하는 압력을 정확히 구할 필요가 있다.
