[实用新型]超声波控制定向凝固液固界面的装置

说明书

技术领域  

本实用新型涉及定向凝固材料制备领域，具体是一种超声波控制定向凝固液固界面的装置。

背景技术                                                                                         

定向凝固是指在凝固过程中应用技术手段，在液固界面处建立起特定方向的温度梯度，从而使熔体沿着与热流相反的方向凝固，最终得到定向组织、甚至单晶。定向凝固技术消除了在结晶过程中生成的横向晶界，提高了合金的高温力学性能。但是，单晶的定向凝固过程中易出现偏析、杂晶和雀斑等缺陷，这些缺陷大大降低了铸件的力学性能和产品合格率，增加能源消耗及制造成本。

铸件的凝固组织决定其力学等性能，凝固组织及缺陷与凝固过程中的液固界面形态密切相关。上凸或下凹的液固界面会使雀斑形成几率增大，加大枝晶干偏离铸件几何中心的程度。当合金以平界面方式凝固时，熔体热量从垂直于固液平界面的方向导出，可以减小或消除上述缺陷。

本实用新型利用超声波在液固界面附近处理合金熔体，使固液界面前方小尺度范围内径向溶质和温度分布均匀，减小或消除径向温度和浓度梯度，从而获得平直液固界面，达到消除雀斑、偏析等缺陷，提高铸件力学性能的目的。

实用新型内容

本实用新型的目的是提供一种超声波控制定向凝固固液界面的装置，在定向凝固过程中控制液固界面，避免凝固过程出现杂晶、雀斑等缺陷。

本实用新型的技术构思是：在结晶器外围、液固界面附近安装一组超声波发射探头，探头可绕坩埚旋转并互成一定角度。超声波以一定功率和频率传入合金熔体，超声在合金熔体中有限振幅的衰减使熔体内形成一定的声压梯度，从而形成一个流体的喷流，即声流。当声流的速度达到或超过热对流和溶质对流速度时，液相区域内溶质和温度进行重新分布，在一定大小的频率和功率下能够使凝固界面前沿温度和浓度分布均匀，从而实现平界面生长。

为达到在不影响纵向温度梯度和不产生超声空化的条件下，消除径向温差和浓度差，采取以下方法：

      （1）  通过在坩埚外围安装一组超声波发射探头，将超声波导入合金熔体并产生超声声流，实现超声搅拌的目的。

      （2）  通过调节超声波功率和频率大小，实现对超声波声流搅拌强度的控制。

      （3）  通过调节超声波功率和频率大小，控制超声波在熔体中的声压幅值，实现不发生超声空化的控制。

      （4）  旋转坩埚外围的超声波发射探头，控制超声波均匀搅拌液相，使液固界面前沿温度场和浓度场更加均匀。

      （5）  调节超声波发射探头的频率，使各个探头在不同频率下搅拌液相，达到使界面前沿温度场耦合更加均匀的目的。

根据以上构思，本实用新型采用下述技术方案：

一种使用超声波控制定向凝固液固界面的装置，包括一个筒形电阻加热体，外围包裹着一个保温层，其特征在于有一个隔热层结构体位于所述保温层下面，刚玉坩埚滑配穿过所述隔热层结构体的中心孔后，伸入盛有液态Ga-In冷却剂的冷却缸体中，刚玉坩埚底部与一个抽拉系统相连并置于冷却缸体之中，一个水冷系统套在所述冷却缸体外面；有多个超声波发射探头周向均匀安装在所述隔热层结构体之中，与超声信号源相连，而探头对准刚玉坩埚内液相试样与固相试样之间的界面。

本实用新型与现有技术相比较，具有以下显著的实质性特点和优点：

本实用新型是在结晶器外围液固界面附近安装一组以一定速度旋转、互成一定角度的超声波发射探头。发射的超声波在液相中传播形成具有搅拌作用的声流，控制超声声流的强度，使液固界面径向温度和溶质重新分布均匀，确保凝固材料以平界面方式生长，避免杂晶、雀斑等缺陷的产生，提高定向凝固铸件力学性能及生产效率。

附图说明

图1是本实用新型控制液固界面的定向凝固装置结构示意图。

图2是图1核心部分结构示意图。

图3是超声波探头安装方式示意图。

具体实施方式

本实用新型优选实施方式如下：

实施例一：