[發明專利]多向耦合的壁面振動三維超聲金屬凝固裝置與方法

有效

• 申請號: 202110342358.2
• 申請日: 2021-03-30
• 公開（公告）號: CN113102733B
• 公開（公告）日: 2022-03-01
• 發明（設計）人: 王建元;翟薇;于洋;魏炳波
• 申請（專利權）人: 西北工業大學
• 主分類號: B22D27/08
• 分類號: B22D27/08;B22D46/00;B22D2/00
• 代理公司: 西安啟誠專利知識產權代理事務所(普通合伙) 61240
• 代理人: 李艷春

本發明公開了一種多向耦合的壁面振動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據采集及控制器，金屬凝固裝置本體包括鑄模組件、超聲振動組件和止推桿，金屬凝固數據采集及控制器包括聲信號采集電路、計算機、多路信號發生器、多路信號放大器和聲壓傳感器；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、設置振動參數初始值；五、母合金熔煉；六、熔體澆注；七、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。本發明設計新穎合理，提高了超聲傳遞效率，實現了大體積合金熔體中超聲場的有效控制，能夠改善金屬熔鑄條件，促進成分組織均勻化，提高材料性能。

技術領域

本發明屬于先進材料制備及加工領域，具體涉及一種多向耦合的壁面振動三維超聲金屬凝固裝置與方法。

背景技術

鑄造過程是金屬熔體在型腔內逐步凝固的過程。采用鑄造工藝制備的金屬零件廣泛應用于航空航天飛行器發動機部件、翼型支撐構件、汽車發動機氣缸與變速箱體、汽車輪轂及許多機械裝置的復雜零件。所采用的材料包括鋁合金、鎂合金、銅合金、鎳基高溫合金等絕大部分常用金屬材料。鑄件性能提升的關鍵是改善其內部的微觀組織結構。

在金屬或合金凝固過程中施加超聲振動，是改善其組織結構、提高性能的有效的方法之一。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產生的空化和聲流等一系列非線性效應，顯著影響金屬熔體的形核、熱量與溶質傳輸，可以消除氣孔、抑制偏析、細化晶粒，提高力學性能。然而目前的超聲鑄造尚未真正進入工業鑄造領域，其主要原因是現有技術中存在以下缺陷：

(1)現有技術中，大多采用將超聲變幅桿浸沒在熔體中發射超聲波，這種方式會導致變幅桿過熱，其內部的傳播聲速變化，從而使得變幅桿的共振特性發生變化而停止工作。當處理高溫合金(如Fe合金、Ni合金)時，變幅桿甚至會發生軟化、塑性變形或者出現裂紋，造成變幅桿的損壞。

(2)少量現有技術中，變幅桿剛性連接于鑄模外壁面，構成一個整體的異形結構，導致振動特性發生變化。并且由于鑄模整體質量較大，振動傳遞效率很低，同時會導致超聲系統振動負載過大，超聲電源無法承受而停止工作。

(3)現有技術中，多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，一般有效細化晶粒的長度距離只有幾厘米。

(4)現有技術中，一維超聲只能實現沿著超聲發射方向的一維梯度場，而無法實現勻強場以及其它的分布場形式，超聲場分布形式不可調控，無法對液固相變過程實時精細控制。

(5)現有技術一般只能調節超聲波發射功率，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，從而無法實現對凝固組織的有效調控。

鑒于現有先進材料制備及加工領域仍未解決高溫、大體積液態、半固態金屬熔體中超聲場的有效、可控施加問題，研發一種鑄模壁自由振動的三維超聲金屬熔體反饋調節處理裝置及方法成為當務之急。

發明內容

本發明所要解決的技術問題在于針對上述現有技術中的不足，提供一種多向耦合的壁面振動三維超聲金屬凝固裝置，其設計新穎合理，有效提高了超聲傳遞效率，能夠實現大體積合金熔體中超聲場的有效控制。

為解決上述技術問題，本發明采用的技術方案是：一種多向耦合的壁面振動三維超聲金屬凝固裝置，包括金屬凝固裝置本體和金屬凝固數據采集及控制器，所述金屬凝固裝置本體包括從頂部澆注的鑄模組件和設置在鑄模組件外壁的多個方向上的超聲振動組件，所述鑄模組件的外壁上設置有與超聲振動組件形成對抗力以防止鑄模組件發生移動的止推桿，所述超聲振動組件和止推桿均壓緊鑄模組件的外壁，所述鑄模組件的上方設置有用于加熱熔融合金固體原料并向內鑄模組件澆鑄的母合金池；