[發(fā)明專利]可控聲場的浸入式三維超聲金屬凝固裝置與方法

有效

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• 申請日: 2021-03-30
• 公開（公告）號: CN113102735B
• 公開（公告）日: 2022-03-25
• 發(fā)明（設(shè)計）人: 翟薇;王建元;于洋;魏炳波
• 申請（專利權(quán)）人: 西北工業(yè)大學(xué)
• 主分類號: B22D27/20
• 分類號: B22D27/20
• 代理公司: 西安啟誠專利知識產(chǎn)權(quán)代理事務(wù)所(普通合伙) 61240
• 代理人: 李艷春

本發(fā)明公開了一種可控聲場的浸入式三維超聲金屬凝固裝置與方法，其裝置包括金屬凝固裝置本體和金屬凝固數(shù)據(jù)采集及控制器，金屬凝固裝置本體包括鑄模和超聲振動組件；金屬凝固數(shù)據(jù)采集及控制器包括聲信號采集電路、計算機、多路信號發(fā)生器、多路信號放大器和聲壓傳感器組；其方法包括步驟：一、裝合金原料；二、安裝金屬凝固裝置本體；三、安裝聲壓傳感器；四、設(shè)置振動參數(shù)初始值；五、母合金熔煉；六、熔體澆注；七、振動頻率、相位和振幅反饋控制下的壁面振動三維超聲金屬凝固；八、卸載鑄件。本發(fā)明能夠通過熔體中聲信號反饋自動實現(xiàn)對輸入目標(biāo)聲場的追蹤，實現(xiàn)了大體積熔體的可控超聲處理，實現(xiàn)了鑄件性能的提高，便于鑄造行業(yè)推廣使用。

技術(shù)領(lǐng)域

本發(fā)明屬于先進(jìn)材料制備及加工領(lǐng)域，具體涉及一種可控聲場的浸入式三維超聲金屬凝固裝置與方法。

背景技術(shù)

鑄造是重要的金屬成型技術(shù)之一，應(yīng)用領(lǐng)域十分廣泛，如航空航天飛行器發(fā)動機部件、翼型支撐構(gòu)件、汽車發(fā)動機氣缸與變速箱體、汽車輪轂及許多機械裝置的復(fù)雜零件。具體的材料涉及到鋁合金、鎂合金、銅合金、鎳基高溫合金等。不斷改善提升鑄件性能對各行業(yè)的發(fā)展都具有重要意義。

鑄造過程是金屬熔體在型腔內(nèi)逐步凝固的過程。研究表明，在金屬凝固過程中施加超聲場，可以利用超聲波在液相內(nèi)產(chǎn)生的空化和聲流等一系列非線性效應(yīng)，顯著影響金屬熔體的形核、熱量與溶質(zhì)傳輸，可以消除氣孔、抑制偏析、細(xì)化晶粒，提高力學(xué)性能。然而目前的超聲鑄造尚未真正進(jìn)入工業(yè)鑄造領(lǐng)域，其主要原因是現(xiàn)有技術(shù)中存在以下缺陷：

(1)現(xiàn)有技術(shù)中，超聲發(fā)射端的變幅桿浸沒在熔體中發(fā)射超聲波，會受到熔體的傳熱而升溫，導(dǎo)致其內(nèi)部的傳播聲速和波長發(fā)生變化，從而使得變幅桿偏離駐波共振點而停止工作。甚至當(dāng)升溫更高時會導(dǎo)致變幅桿組織結(jié)構(gòu)的變化，發(fā)生塑性變形或者出現(xiàn)裂紋，造成變幅桿的永久失效，因此無法適用于高溫金屬的超聲凝固。

(2)現(xiàn)有技術(shù)中，將固定頻率和振幅的一維超聲波直接施加到金屬熔體中，振動能量快速衰減、作用范圍小，一般有效細(xì)化晶粒的長度距離只有4-5厘米。

(3)現(xiàn)有技術(shù)中，多采用頂部伸入超聲變幅桿的一維超聲振動，一維超聲只能實現(xiàn)沿著超聲發(fā)射方向的一維梯度場，而無法實現(xiàn)勻強場以及其它的分布場形式，超聲場分布形式不可調(diào)控，無法對液固相變過程精細(xì)控制；如采用多方向伸入熔體中振動，又存在金屬熔體易泄漏，或者變幅桿受到鑄模壁的約束而無法工作的問題。

(4)現(xiàn)有技術(shù)一般只能調(diào)節(jié)超聲波發(fā)射功率，而缺乏熔體中實際存在的聲壓及其分布的測定，無法精確給定有效的工藝參數(shù)，從而無法實現(xiàn)對凝固組織的有效調(diào)控。

綜上所述，現(xiàn)有超聲凝固技術(shù)，無法冷卻保護(hù)超聲振動發(fā)射的變幅桿，超聲處理體積受限、缺乏熔體中的實際聲壓測定，無法精確調(diào)控聲場形態(tài)。這些都是制約超聲真正走進(jìn)工業(yè)應(yīng)用的瓶頸。

發(fā)明內(nèi)容

本發(fā)明所要解決的技術(shù)問題在于針對上述現(xiàn)有技術(shù)中的不足，提供一種設(shè)計新穎合理，多個方向的超聲變幅桿伸入鑄模的外壁內(nèi)，擴(kuò)大了空化和聲流效應(yīng)的范圍，解決了一維超聲作用范圍小的缺點，能夠?qū)崿F(xiàn)大尺寸金屬樣品的微觀組織均勻化的可控聲場的浸入式三維超聲金屬凝固裝置。

為解決上述技術(shù)問題，本發(fā)明采用的技術(shù)方案是：一種可控聲場的浸入式三維超聲金屬凝固裝置，其特征在于：包括金屬凝固裝置本體和金屬凝固數(shù)據(jù)采集及控制器，所述金屬凝固裝置本體包括從頂部澆注的鑄模和設(shè)置在鑄模外壁的多個方向上的超聲振動組件，所述超聲振動組件包括超聲換能器、連接在超聲換能器前端的變幅桿和連接在超聲換能器上且用于帶動超聲換能器運動的位移控制器，所述變幅桿伸入鑄模的外壁內(nèi)，所述變幅桿上套裝有與鑄模和變幅桿均密封連接的冷卻器，所述鑄模的上方設(shè)置有用于加熱熔融合金固體原料并向鑄模內(nèi)澆鑄的母合金池；