[发明专利]实时调控的壁面共振超声金属凝固装置与方法

说明书

本发明公开了一种实时调控的壁面共振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、超声振动组件和止推杆；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、安装传感器组；四、设置振动参数初始值；五、铸模共振频率搜寻；六、母合金熔炼；七、熔体浇注；八、振动频率反馈控制下的壁面振动三维超声金属凝固；九、卸载铸件。本发明避免了变幅杆与熔体直接接触而过热失效的问题，解决了传递效率低和专用硬件开发的成本问题，解决了现有技术中共振点连续变化造成超声振动处理效果变差的问题，大大提高了搜寻最优振动频率的速度，实现了对凝固组织的有效调控。

技术领域

本发明属于先进材料制备及加工领域，具体涉及一种实时调控的壁面共振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，一般将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金属内部组织结构的变化，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)现有容器振动技术中，一般将振动变幅杆与铸模外壁采用焊接或者其他硬连接方式连接起来，形成的新的振动系统，但是新系统的共振频率与超声换能器原工作频率相比有较大偏移，导致超声传导效率下降或者无法工作。在此情况下，就需要专门针对不同的产品形状开发专用的整套振动系统，而无法使用通用型超声换能器，使得成本大大提高。

(3)熔体注入铸模后，铸模、变幅杆均有温度的升高，这会导致体系的共振频率发生偏移，并且随着熔体降温和逐步凝固，共振频率会连续变化，这会导致振幅的降低，超声振动处理效果变差。

(4)现有技术中，缺乏熔体中实际声压值探测，而铸模局部的振动情况无法真实反映出所有壁面振动在熔体内叠加的结果。这会造成无法判定或者搜寻最优的工艺参数，从而无法实现对凝固组织的有效调控。

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，提供一种实时调控的壁面共振超声金属凝固装置，其设计新颖合理，避免了变幅杆与熔体直接接触而过热失效的问题，解决了传递效率低和专用硬件开发的成本问题，解决了现有技术中共振点连续变化造成的振幅的降低、超声振动处理效果变差的问题，大大提高了搜寻最优振动频率的速度，实现了对凝固组织的有效调控。

为解决上述技术问题，本发明采用的技术方案是：一种实时调控的壁面共振超声金属凝固装置，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和压紧铸模外壁设置的超声振动组件，所述铸模的外壁上还设置有与超声振动组件形成对抗力以防止铸模发生移动的止推杆；所述铸模的上方设置有用于熔融合金固体原料并向铸模内浇注的熔炼坩埚；