[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

说明书

本发明公开了一种可控声场的浸入式三维超声金属凝固装置与方法，其装置包括金属凝固装置本体和金属凝固数据采集及控制器，金属凝固装置本体包括铸模和超声振动组件；金属凝固数据采集及控制器包括声信号采集电路、计算机、多路信号发生器、多路信号放大器和声压传感器组；其方法包括步骤：一、装合金原料；二、安装金属凝固装置本体；三、安装声压传感器；四、设置振动参数初始值；五、母合金熔炼；六、熔体浇注；七、振动频率、相位和振幅反馈控制下的壁面振动三维超声金属凝固；八、卸载铸件。本发明能够通过熔体中声信号反馈自动实现对输入目标声场的追踪，实现了大体积熔体的可控超声处理，实现了铸件性能的提高，便于铸造行业推广使用。

技术领域

本发明属于先进材料制备及加工领域，具体涉及一种可控声场的浸入式三维超声金属凝固装置与方法。

背景技术

铸造是重要的金属成型技术之一，应用领域十分广泛，如航空航天飞行器发动机部件、翼型支撑构件、汽车发动机气缸与变速箱体、汽车轮毂及许多机械装置的复杂零件。具体的材料涉及到铝合金、镁合金、铜合金、镍基高温合金等。不断改善提升铸件性能对各行业的发展都具有重要意义。

铸造过程是金属熔体在型腔内逐步凝固的过程。研究表明，在金属凝固过程中施加超声场，可以利用超声波在液相内产生的空化和声流等一系列非线性效应，显著影响金属熔体的形核、热量与溶质传输，可以消除气孔、抑制偏析、细化晶粒，提高力学性能。然而目前的超声铸造尚未真正进入工业铸造领域，其主要原因是现有技术中存在以下缺陷：

(1)现有技术中，超声发射端的变幅杆浸没在熔体中发射超声波，会受到熔体的传热而升温，导致其内部的传播声速和波长发生变化，从而使得变幅杆偏离驻波共振点而停止工作。甚至当升温更高时会导致变幅杆组织结构的变化，发生塑性变形或者出现裂纹，造成变幅杆的永久失效，因此无法适用于高温金属的超声凝固。

(2)现有技术中，将固定频率和振幅的一维超声波直接施加到金属熔体中，振动能量快速衰减、作用范围小，一般有效细化晶粒的长度距离只有4-5厘米。

(3)现有技术中，多采用顶部伸入超声变幅杆的一维超声振动，一维超声只能实现沿着超声发射方向的一维梯度场，而无法实现匀强场以及其它的分布场形式，超声场分布形式不可调控，无法对液固相变过程精细控制；如采用多方向伸入熔体中振动，又存在金属熔体易泄漏，或者变幅杆受到铸模壁的约束而无法工作的问题。

(4)现有技术一般只能调节超声波发射功率，而缺乏熔体中实际存在的声压及其分布的测定，无法精确给定有效的工艺参数，从而无法实现对凝固组织的有效调控。

综上所述，现有超声凝固技术，无法冷却保护超声振动发射的变幅杆，超声处理体积受限、缺乏熔体中的实际声压测定，无法精确调控声场形态。这些都是制约超声真正走进工业应用的瓶颈。

发明内容

本发明所要解决的技术问题在于针对上述现有技术中的不足，提供一种设计新颖合理，多个方向的超声变幅杆伸入铸模的外壁内，扩大了空化和声流效应的范围，解决了一维超声作用范围小的缺点，能够实现大尺寸金属样品的微观组织均匀化的可控声场的浸入式三维超声金属凝固装置。

为解决上述技术问题，本发明采用的技术方案是：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和设置在铸模外壁的多个方向上的超声振动组件，所述超声振动组件包括超声换能器、连接在超声换能器前端的变幅杆和连接在超声换能器上且用于带动超声换能器运动的位移控制器，所述变幅杆伸入铸模的外壁内，所述变幅杆上套装有与铸模和变幅杆均密封连接的冷却器，所述铸模的上方设置有用于加热熔融合金固体原料并向铸模内浇铸的母合金池；