[发明专利]用于金属及合金凝固的高声强超声处理装置及其处理方法

说明书

技术领域

本发明涉及一种高声强超声处理装置及其处理方法，尤其涉及在金属及合金凝固时可实现晶粒细化、除气及成分均匀化的高声强超声处理装置及其处理方法。 

背景技术

在金属及合金凝固时，如何有效地实现晶粒的不断细化、除气更彻底且成分更均匀，一直是人们研究的热点课题。这是因为，对于各种金属及合金的凝固而言，尽管分别有各自适用的晶粒细化剂及各自的除气方法和成分均匀化方法，但是仍然不同程度地存在细化效果不够理想、除气不彻底、成分不均匀等问题。 

例如，对铝及铝合金而言，尽管目前有像铝钛硼这样的商用中间合金晶粒细化剂，但至少还存在如下两方面的问题，一是这些中间合金晶粒细化剂不能用于高纯铝的晶粒细化，二是这些中间合金晶粒细化剂不能完全有效地抑制一些合金的凝固偏析。 

再如，对镁及镁合金而言，人们一直没有找到一种效果显著又没有各种局限性的中间合金来适应各种凝固晶粒的细化要求。例如，有些镁合金凝固晶粒细化时对成分有严格的要求，因而使一些中间合金晶粒细化剂的应用受到限制(如含钙或锶的镁铝系合金)；有些镁合金(如镁锰系合金)本来就不能使用或没有中间合金来细化凝固晶粒；有些镁合金(如镁锌系合金)，虽然存在有效的中间合金细化方法，但成本较高。 

因此，寻求使用中间合金晶粒细化剂以外的方法来有效或显著地细化金属及合金的凝固晶粒，就显得尤为迫切与重要。 

同样，对这些合金的除气或成分均匀化问题而言，也有必要寻求传统技术以外的手段加以一并解决。 

在现有技术中，针对上述问题，国内外采取的主要对策是运用物理场来细化凝固晶粒和均匀化成分。这里的物理场主要是指电场、磁场和 超声场。但是电、磁场细化法投资相对较大，操作复杂，灵活性欠佳，效果有限。另外，在熔体中的作用面积或范围也有相对局限性。超声场作为一种新型的物理手段，可以细化金属及合金的凝固晶粒，进行除气及均匀化合金成分，但是利用这种技术对金属及合金进行处理的研究还不十分发达。究其原因，主要是由于工业生产实际中长时间的连续凝固模式与实验室里的短时间凝固模式有较大差别。当超声耦合头长时间处于高温熔体中时，其共振频率会发生显著的漂移，进而导致阻抗与频率不匹配，最后使得超声处理效果较差。 

发明内容

本发明是为了解决上述问题而提出的，其目的在于提供一种在金属及合金凝固时可实现晶粒细化、除气及成分均匀化的高声强超声处理装置及其处理方法。 

本发明提供的一种高声强超声处理装置，用于金属及合金高温熔体凝固场合时的晶粒细化、除气及成分均匀化，其包括超声波发生器、换能器、变幅杆和耦合头，其中，所述超声波发生器包括频率锁相跟踪模块，对所述超声波发生器的工作频率自动进行跟踪、检测及调节匹配频率，实现所述超声波发生器与换能器系统的高频共振。 

本发明提供的一种高声强超声处理方法，利用上述的高声强超声处理装置对金属及合金进行凝固时的晶粒细化、除气及成分均匀化，其中，所述超声波发生器的有效输出功率为1000W以下。 

根据本发明的构成，通过采用频率锁相跟踪模块，解决了频率下降漂移问题，即使在不同的高温熔体中，也能获得与在额定频率处开机时相同的超声效果，从而实现金属及合金凝固时的晶粒细化、除气及成分均匀化。 

附图说明

图1是表示利用本发明涉及的高声强超声处理装置处理凝固熔体时的工作状态的示意图。 

图2a、2b是表示在本发明涉及的高声强超声处理装置中使用的直线型耦合头和弯曲型耦合头的结构的示意图。 

 图3是表示在本发明涉及的高声强超声处理装置中使用的具有水冷或气冷结构的耦合头的结构的示意图。 

图4a、4b是表示利用本发明涉及的高声强超声处理装置对A356合金进行细化处理前和处理后的合金凝固晶粒大小的显微对比图。 

图5a、5b是表示利用本发明涉及的高声强超声处理装置对AZ31合金进行细化处理前和处理后的合金凝固晶粒大小的显微对比图。 

图6a～6f是表示利用本发明涉及的高声强超声处理装置对几种铝合金进行除气处理前(图6a、6c、6d)和处理后(图6b、6d、6f)的合金宏观形貌对比图。 

图7a～7d是表示利用本发明涉及的高声强超声处理装置对Al-14Si合金进行均匀化处理前(图7a、7c)和处理后(图7b、7d)的合金显微组织对比图。 

具体实施方式