[发明专利]多向耦合的壁面振动三维超声金属凝固装置与方法

说明书

本发明公开了一种多向耦合的壁面振动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组件、超声振动组件和止推杆，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；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、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。本发明设计新颖合理，提高了超声传递效率，实现了大体积合金熔体中超声场的有效控制，能够改善金属熔铸条件，促进成分组织均匀化，提高材料性能。

技术领域

本发明属于先进材料制备及加工领域，具体涉及一种多向耦合的壁面振动三维超声金属凝固装置与方法。

背景技术

铸造过程是金属熔体在型腔内逐步凝固的过程。采用铸造工艺制备的金属零件广泛应用于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。所采用的材料包括铝合金、镁合金、铜合金、镍基高温合金等绝大部分常用金属材料。铸件性能提升的关键是改善其内部的微观组织结构。

在金属或合金凝固过程中施加超声振动，是改善其组织结构、提高性能的有效的方法之一。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，大多采用将超声变幅杆浸没在熔体中发射超声波，这种方式会导致变幅杆过热，其内部的传播声速变化，从而使得变幅杆的共振特性发生变化而停止工作。当处理高温合金(如Fe合金、Ni合金)时，变幅杆甚至会发生软化、塑性变形或者出现裂纹，造成变幅杆的损坏。

(2)少量现有技术中，变幅杆刚性连接于铸模外壁面，构成一个整体的异形结构，导致振动特性发生变化。并且由于铸模整体质量较大，振动传递效率很低，同时会导致超声系统振动负载过大，超声电源无法承受而停止工作。

(3)现有技术中，多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几厘米。

(4)现有技术中，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实时精细控制。

(5)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。

鉴于现有先进材料制备及加工领域仍未解决高温、大体积液态、半固态金属熔体中超声场的有效、可控施加问题，研发一种铸模壁自由振动的三维超声金属熔体反馈调节处理装置及方法成为当务之急。

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，提供一种多向耦合的壁面振动三维超声金属凝固装置，其设计新颖合理，有效提高了超声传递效率，能够实现大体积合金熔体中超声场的有效控制。

为解决上述技术问题，本发明采用的技术方案是：一种多向耦合的壁面振动三维超声金属凝固装置，包括金属凝固装置本体和金属凝固数据采集及控制器，所述金属凝固装置本体包括从顶部浇注的铸模组件和设置在铸模组件外壁的多个方向上的超声振动组件，所述铸模组件的外壁上设置有与超声振动组件形成对抗力以防止铸模组件发生移动的止推杆，所述超声振动组件和止推杆均压紧铸模组件的外壁，所述铸模组件的上方设置有用于加热熔融合金固体原料并向内铸模组件浇铸的母合金池；