[發(fā)明專利]一種處理高溫熔體的超聲波導入裝置

有效

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• 申請日: 2014-11-30
• 公開（公告）號: CN104384483A
• 公開（公告）日: 2015-03-04
• 發(fā)明（設計）人: 石琛;毛大恒;毛向輝
• 申請（專利權）人: 中南大學
• 主分類號: B22D27/20
• 分類號: B22D27/20;C22F3/02
• 代理公司: 中南大學專利中心 43200
• 代理人: 胡燕瑜

技術領域

本發(fā)明涉及高溫金屬熔體凝固成形領域，具體地說是一種大功率超聲波在高溫金屬熔體中的能量傳輸裝置，可用于超聲波鑄造的工業(yè)化生產。

背景技術

超聲波按其使用功能可分為檢驗超聲和功率超聲，在冶金過程中常使用的為低頻、高功率的超聲波，又被稱之為功率超聲，超聲波在金屬熔體中傳遞時，使金屬熔體內部產生交變振動，形成一定的空化效應和聲流效應，從而去除金屬熔體中的氧化夾雜物和有害氣體，細化晶粒，減小成分偏析等。

雖然國內外學者對鋁合金、鎂合金等低熔點金屬的超聲處理進行了較多的研究，但到目前為止尚未實現(xiàn)工程化應用，而對于熔化溫度更高的鋼鐵進行超聲處理則研究更少，僅個別學者在實驗室的小型平臺上從事了簡單的實驗研究，離工程化應用還有很大的差距。

目前，超聲波在金屬熔體凝固成形領域的工程化應用存在的主要瓶頸問題是如何有效且穩(wěn)定地將超聲波能量導入金屬熔體。在目前常用的直桿式導入裝置中，超聲波換能器、變幅桿與工具頭為同一軸線的直線連接，其能量密度最大面為與軸線垂直的端面，超聲波在金屬熔體中的作用面積有限，處理高溫金屬熔體時，高溫熔體會對其上方的超聲波換能器、變幅桿與工具頭產生很強的直接熱輻射，導致超聲波換能器在短時間內就無法工作，而且目前工具頭常用的材質為不銹鋼或者鈦合金，這兩種材質雖然傳導超聲的效率高，但其在高溫金屬熔體中極易與熔體形成合金而被熔蝕，在鋁熔體中可連續(xù)工作2—3小時，在鋼鐵中僅1—2分鐘，服役壽命短，從而滿足不了工程化應用的要求。

發(fā)明內容

本發(fā)明的目的在于解決超聲波導入桿在處理高溫金屬熔體時服役壽命短的問題，提供一種能實現(xiàn)對高溫金屬熔體進行超聲波連續(xù)處理的超聲波導入裝置。該超聲波導入裝置可用來處理溫度高達1600℃的金屬熔體，且服役壽命長。

一種處理高溫熔體的超聲波導入裝置，其特征在于由換能器、T形組合式變幅桿和直立式陶瓷工具頭組成。

T形組合式變幅桿由第一級水平方向變幅桿和第二級豎直方向變幅桿組成，第一級變幅桿為傳播縱向機械振動的直棒，第二級變幅桿為傳播橫向機械振動的雙頭直棒。

T形組合式變幅桿的第一級變幅桿為直徑50mm-55mm，長度260mm-?270mm的圓棒，第二級變幅桿為中間直徑60mm-65mm，兩端直徑50mm-?55mm，長度130mm-135mm的圓棒，第一級變幅桿與第二級變幅桿采用絲桿相連接。換能器與T形組合式變幅桿采用絲桿相連接。

超聲波導入裝置包括2個直立式陶瓷工具頭，工作時可交替變換使用，每個工具頭為直徑50mm-60mm，長度130mm-135mm的圓棒，陶瓷工具頭與T形組合式變幅桿采用絲桿相連接。

T形組合式變幅桿所用材料為TC4鈦合金，工具頭材料為氮化硅（Si3N4）陶瓷。

本發(fā)明具有如下特點：

1）本發(fā)明中一級、二級鈦合金變幅桿以T形組合而成，這可將縱向傳遞的正弦波變換成橫向傳遞的畸變波，使插入金屬熔體的工具頭在端面和圓柱面上都有強超聲波傳導出來，從而強化超聲波在熔體中的機械振動和聲流效應。此外，每一級變幅桿的尺寸以及陶瓷工具頭的尺寸設計符合超聲波在固體中傳播時的半波長設計要求，使得超聲波的輸出最大。

2）本發(fā)明中變幅桿由一級、二級鈦合金變幅桿以T形組合而成，使得工作時超聲波換能器不處于高溫金屬熔體的上方，可有效避免高溫熱流對換能器的直接熱輻射，從而延長超聲換能器的壽命，使得超聲波能量能源源不斷地輸入金屬熔體中。

3）本發(fā)明中變幅桿的輸出端同時連接2個陶瓷工具頭，工作時可交替使用，該工具頭采用氮化硅（Si3N4）陶瓷材料經過熱壓燒結而成，Si3N4的熔點高達1900℃，在1200℃以下不被氧化，在1200℃—1600℃間生成的保護膜可阻止進一步氧化；Si3N4的抗冷熱沖擊性好，在空氣中加熱到1000℃以上，急劇冷卻再急劇加熱，也不會碎裂；而且Si3N4不會與金屬熔體形成合金，使得Si3N4陶瓷工具頭能長期浸沒在高溫金屬熔體中，因而本發(fā)明所提供的超聲波導入裝置可實現(xiàn)對高溫金屬熔體進行長時間超聲波連續(xù)處理。

附圖說明

圖1為超聲波導入裝置的二維CAD圖；

圖2為超聲波導入裝置的實物照片。

具體實施方式

以下實施例旨在進一步說明本發(fā)明，這將有助于對本發(fā)明及其優(yōu)點的進一步理解，這些實例不作為對本發(fā)明的限定，本發(fā)明的保護范圍由權利要求書來決定。

實施例1：