[实用新型]压电超声波/高频电磁混合悬浮非接触熔炼和装置

说明书

技术领域

本实用新型涉及一种压电超声波/高频电磁混合悬浮非接触熔炼的装置，属于材料无接触熔炼技术领域。 

背景技术

随着凝聚态物理研究的不断深入，人们对实验环境的要求越来越高。空间环境便是这样的一种特殊环境，它的微重力和超高真空效应对研究材料非接触处理是非常理想的实验条件。20世纪70年代以来，航天技术的迅猛发展给人们提供了越来越多的空间实验机会。航天飞机中可以提供失重的环境，对各种材料进行非接触处理，可以得到高纯度的合金和对化学性质活泼的金属进行无污染处理。但航天飞机的使用成本太高，人们迄今所能利用的空间资源仍然十分有限。因此，模拟空间环境中各种效应的地面方法应运而生。包括自由落体方法和悬浮方法。自由落体方法只能获得短时间的失重状态，而悬浮方法可以获得持续的非接触状态。 

电磁悬浮技术是近些年发展起来的一种非接触熔炼技术。电磁悬浮利用高频交变电磁场在导电样品中产生感应涡流，该涡流反过来与电磁场相互作用而产生悬浮力。样品中的感应涡流同时也会转化为焦耳热，使悬浮与加热一起进行。电磁悬浮技术可以实现对具有磁性金属物体的悬浮，并且在悬浮的同时对物体进行加热，可以把金属加热到熔化状态，达到非接触熔炼的目的。但此时面临一个问题：金属合金加热到熔化状态后，关掉高频电源，金属合金停止被加热的同时也丧失了悬浮力，由于金属合金从熔融状态到固态需要一定的冷却时间，金属合金掉下时还来不及冷却到固态，在本身温度很高时与其它物体进行接触发生化学反应，金属合金的纯度受到影响，从而达不到非接触熔炼的理想效果。 

目前针对金属合金电磁悬浮加热后的冷却，主要措施有金属合金熔化后冲入冷却惰性气体、使用落管技术进行冷却和双频电磁悬浮熔炼技术。冲入惰性气体的方法，气体的流动带走部分热量，由于金属合金下落时间很短，冷却效果不明显；落管技术是使熔融的材料液滴在具有一定高度的落管管体中自由下落以完成快速凝固过程，无接触冷却效果比较好，但造价很高，申请号为03133621的专利描述了一个高19.9m的落管，美国的NASA有高达108m的落管(落塔)，造价极其昂贵；双频电磁悬浮熔炼技术采用较低的频率用于悬浮，较高的频率用于快速加热，设备复杂，成本极高，且较低频率悬浮时也伴随热量的产生，冷却效果也不明显。 

真空悬浮熔炼技术(即冷坩埚真空感应熔炼技术)于上世纪90年代问世，是当代最先进的材料制备技术。如专利CN00102937.1所描述的，在真空感应熔炼技术的基础上，真空悬浮熔炼技术用水冷铜坩埚代替耐火材料坩埚，并使电磁场在加热炉料的同时产生悬浮力，使熔体呈悬浮或半悬浮态。这种技术不仅消除了加热源和气氛的污染，还消除了坩埚材料的污染，能得到纯度很高的熔炼材料。这种技术同样也有缺点，熔炼结束后，熔融状态的熔炼材料将与水冷铜坩埚壁接触，尽管铜坩埚一直有水冷却，1000℃以上的熔融材料与铜坩埚接触时， 熔炼材料表面也会被铜坩埚污染。 

发明内容

为了解决材料无接触冷却的问题，本实用新型设计出一种压电超声波/高频电磁混合悬浮非接触熔炼的装置，利用高强度超声波悬浮技术来悬浮熔融状态的材料，解决无接触冷却的问题。超声波悬浮利用的是高强度超声驻波场产生的声辐射力。在线性声学中，声压随时间呈周期性变化，声压在一个周期的时间平均值为零，所以也不会产生声辐射力。在高强度条件下，声波的非线性效应变得越来越显著，会在声压中引入一个“直流项”，这一项的时间平均值具有固定的方向和大小，从而产生声辐射力。超声波产生的辐射力是惊人的，它可以使密度比空气大几百甚至几万倍的物体克服重力而悬浮在空气中，并且悬浮物体可以是任何材料。 

本实用新型设计出一种压电超声波/高频电磁混合悬浮非接触熔炼的装置，实现对金属合金材料的非接触熔炼。在金属合金颗粒由高频电磁悬浮加热到熔融状态时，关闭高频电源，此后由超声波悬浮方式对熔融状态的金属合金颗粒提供悬浮力，使其继续保持在悬浮状态，直到自然冷却到固态。 

本实用新型压电超声波/高频电磁混合悬浮非接触熔炼的装置包括底座、抽气充气设备、红外测温仪、非接触位置传感器、压力表、密封箱、调节锁紧机构、超声波换能器、超声波发生器、高频感应器、悬浮颗粒、高频电源、超声波反射端和调节装置。