[发明专利]一种真空下处理高温金属熔体的功率超声装置及方法

说明书

技术领域

本发明属于金属材料制备领域，特别涉及到一种高温下使用可以处理熔体金属的耐高温金属腐蚀的功率超声装置。

背景技术

功率超声是利用超声振动形式的能量使物质发生物理、化学和生物特性或状态发生改变，或者使这种改变的过程加快的一门技术手段。功率超声在金属加工领域有着广泛应用：对金属熔体进行功率超声处理，可以将粗大的柱状晶转变为细小的等轴晶，使凝固组织致密，抑制宏观偏析，并有很好的除气、除杂效果；在连铸过程中施加功率超声能改善铸坯质量。一方面，功率超声空化作用在合金液相线温度以上就可以促进熔体爆发生核，这些初生晶核被超声声流效应产生的强制对流传递到整个熔体，从而得到更细小的凝固组织；另一方面，由于超声场和电磁场引起的熔体的温度场和浓度场的起伏也有助于枝晶臂的断裂或枝晶根部的重熔，从而导致合金凝固组织大大细化。目前功率超声在冶金及材料加工领域得到了一定的研究及应用，为制备洁净、高性能合金提供了良好的基础和契机。

在使用功率超声处理合金过程中，超声工具头起到将超声波发射到液态金属中的作用。为有效将功率超声导入金属液，超声工具头要有很好的高温声学特性和热稳定性，工具头材料的选择是决定功率超声应用的关键。在目前的实验生产中，不锈钢是应用最为广泛的超声工具头，不锈钢具有良好的超声波传递效果和稳定性，且价格便宜，但在处理铝合金的过程中，超声工具头会受到高温铝液和超声波空化腐蚀的双重影响，高温下不锈钢易于铝液发生反应，另一方面，超声波的空化作用加速工具头端面原子活动，加速与铝液反应，会造成不锈钢工具头传递失效并污染铝液。而且使用不锈钢工具头不能处理与其熔点相似或更高的钢或铜熔体。

为了解决工具头的防腐蚀问题，杭州成功超声设备有限公司的陈元平设计了镀陶瓷层的合金钢工具头(专利号：CN201305623Y)和包覆热喷涂涂层的超声波工具头(专利号：CN2.1713563U)；辽宁工业大学的李文军使用直形氮化硅(Si₃N₄)材料制作工具头；前苏联的Sterritt A和O.V.Abramov分别使用镍基合金工具头和水冷钢工具头处理铝合金，以上实验均取得了很好的效果。但是由于成本、传递效率或者加工难度等原因，以上方法并没有得到广泛的应用。使用不锈钢工具头处理铝合金熔体，目前的方法大多是延缓工具头的腐蚀，而很少改变工具头材料以解决腐蚀问题。

本发明采用金属钽作为工具头材料。钽的熔点高达2996℃，在金属中其熔点仅次于钨、铼、锇，可以用来处理铝、钢、铜及其合金熔体。钽的质地十分坚硬，且富有延展性，声音在其中的传播速率为3400m/s，热膨胀系数很小，这些优良的物理性能使钽具有优秀的超声传导性。最为重要的是，钽有非常稳定的化学性质，具有极高的抗腐蚀性，在冷和热的条件下，对盐酸、浓硝酸及“王水”都不反应，钽是极少数不与铝反应的金属之一。

发明内容

本装置主要解决原有的不锈钢工具头在超声传导过程中被高温金属熔体腐蚀，导致工具头传递超声失效，污染金属液以及不能处理高温铜合金及钢熔体的技术问题；提供一种在高温金属熔体中使用不被腐蚀，保证超声波稳定传递，并可以持续在金属熔体中加载超声波的工具头。

本装置的上述技术问题是通过以下技术方案得以解决：

一种真空下处理高温金属熔体的功率超声装置，包括超声波换能器、变幅杆、不锈钢连接杆、工具头、超声电源、保温加热装置、真空罩、测温装置和真空控制器。其特征在，由超声波换能器、变幅杆、不锈钢连接杆、工具头和超声电源组成功率超声装置，不锈钢连接杆、工具头、变幅杆之间分段式连接，工具头本体与不锈钢连接杆之间，不锈钢连接杆与超声变幅杆之间均使用螺栓连接。使用不锈钢连接杆将钽工具头与变幅杆相连，一方面确保超声传导稳定，避免因导热过快、温度过高致使超声换能器中的压电陶瓷失效，另一方面减少钽的使用量，降低成本。

其中，真空罩内放置合金熔体及保温加热装置。作为一种改进，本发明将超声换能器、待处理合金以及保温装置置于真空装置中保护起来，一方面真空条件可以确保钽工具头高温下不被氧化变质，另一方面，真空条件有助于提高功率超声对金属熔体的除气效果。

本发明工具头可以采用纯度为99.98％的钽，使其在高温下不与活泼的铝或其他金属熔体发生反应，从而保证装置可以通过工具头将超声波稳定、持续的传导作用在铝、铜及钢等金属或合金熔体中。