[发明专利]可控声场的浸入式三维超声金属凝固装置与方法

权利要求书

1.一种可控声场的浸入式三维超声金属凝固装置，其特征在于：包括金属凝固装置本体和金属凝固数据采集及控制器，所述金属凝固装置本体包括从顶部浇注的铸模(4)和设置在铸模(4)外壁的多个方向上的超声振动组件(5)，所述超声振动组件(5)包括超声换能器(5-2)、连接在超声换能器(5-2)前端的变幅杆(5-1)和连接在超声换能器(5-2)上且用于带动超声换能器(5-2)运动的位移控制器(6)，所述变幅杆(5-1)伸入铸模(4)的外壁内，所述变幅杆(5-1)上套装有与铸模(4)和变幅杆(5-1)均密封连接的冷却器(7)，所述铸模(4)的上方设置有用于加热熔融合金固体原料并向铸模(4)内浇铸的母合金池(2)；

所述金属凝固数据采集及控制器包括依次连接的声信号采集电路(10)、计算机(11)、多路信号发生器(12)和多路信号放大器(13)，以及设置在铸模(4)内的声压传感器组，所述声压传感器组包括设置在铸模(4)内的变幅杆(5-1)发射端附近测量振动声压的多个第一声压传感器(9)和布设在铸模(4)内且用于测量熔体内的声压分布的多个第二声压传感器(8)，所述第一声压传感器(9)和第二声压传感器(8)均与声信号采集电路(10)连接；所述超声换能器(5-2)与多路信号放大器(13)的输出端连接，所述多路信号放大器(13)与计算机(11)连接；

所述变幅杆(5-1)的长度L的取值在尽量小的情况下满足公式且满足公式L₁·η₁+L₂·η₂＞k_L·(T_L-T_c)；其中，L₁为变幅杆(5-1)套装有冷却器(7)部分的长度，L₂为变幅杆(5-1)裸露在冷却器(7)外部分的长度，m为倍数系数且m的取值为非0自然数，λ为变幅杆(5-1)内的超声波波长，k_L为变幅杆(5-1)的长度的取值安全系数，T_L为铸模(4)内熔体的最高温度，T_c为超声换能器(5-2)内部振动晶体的失效温度，η₁为变幅杆(5-1)套装有冷却器(7)部分的温降系数，η₂为变幅杆(5-1)裸露在冷却器(7)外部分的温降系数。

2.按照权利要求1所述的可控声场的浸入式三维超声金属凝固装置，其特征在于：所述铸模(4)为直四棱柱体形，所述超声振动组件(5)设置在铸模(4)外壁的三个正交方向上。

3.按照权利要求1所述的可控声场的浸入式三维超声金属凝固装置，其特征在于：所述位移控制器(6)包括丝杠底座(6-1)、连接在丝杠底座(6-1)上的丝杠(6-2)、螺纹连接在丝杠(6-2)上的丝杠螺母(6-3)和用于带动丝杠(6-2)转动的电机(6-4)，所述超声换能器(5-2)连接在丝杠螺母(6-3)上。

4.按照权利要求1所述的可控声场的浸入式三维超声金属凝固装置，其特征在于：所述冷却器(7)包括套装在变幅杆(5-1)上且内部含有冷却水道(7-11)的冷却套(7-1)，所述冷却套(7-1)的内壁与变幅杆(5-1)的外壁之间留有间隙且间隙内填充有金属导热剂(7-2)，所述冷却套(7-1)靠近铸模(4)的一侧设置有法兰且通过法兰与铸模(4)的外壁面连接，所述冷却套(7-1)与铸模(4)相接触的一侧设置有用于密封变幅杆(5-1)、铸模(4)和冷却套(7-1)三者的间隙的阻热密封垫(7-3)，所述冷却套(7-1)的另一侧设置有用于密封金属导热剂(7-2)的外密封垫(7-4)，所述冷却套(7-1)上固定连接有用于压紧外密封垫(7-4)的端盖(7-5)。

5.按照权利要求1所述的可控声场的浸入式三维超声金属凝固装置，其特征在于：所述母合金池(2)的底部流出孔处连接有连通到铸模(4)内的浇铸管道(3)，所述母合金池(2)内放置有能够塞住所述流出孔的塞杆(1)。

6.按照权利要求1所述的可控声场的浸入式三维超声金属凝固装置，其特征在于：所述变幅杆(5-1)伸入铸模(4)的外壁内的端面与铸模(4)的内壁面相平齐。