[发明专利]一种超声预处理致金属熔体结构变化的在线检测装置

说明书

技术领域

本发明属于材料科学技术领域，具体涉及一种超声预处理致金属熔体结构变化的在线检测装置。

背景技术

控制凝固行为的关键是控制金属熔体的形核过程。一切可以提高形核率的方法均可以实现凝固组织的细化。熔体预处理可以改变熔体结构，提高形核率，因此是实现铸态组织细化的常用方法。金属熔体的外场预处理细化是促进均质形核实现细化的工艺方法，其机理之一是通过改变熔体结构的动态起伏平衡状态以提高形核率，也就是说，外场的施加改变了金属熔体的近程有序结构，从而实现细化。

对于熔体预处理工艺的细化效果的考察，一般通过建立预处理工艺参数与凝固组织之间的关系来优化预处理工艺方法与技术参数范围。其存在的问题是对预处理效果考察存在滞后性和不连续性，即试验周期长，且无法对预处理过程进行全程考察。另外，如前所述，熔体预处理细化效果在本质上是与熔体结构变化导致的形核率变化有关，而不同的熔体预处理工艺却可能导致相同的凝固细化效果，即预处理工艺条件与熔体结构不见得是单值关系，而在冷却条件一致时，熔体结构与形核率和凝固细化效果却有单值对应关系。因此，如果能够对熔体结构的变化进行实时考察，从而建立熔体结构与细化效果之间的关系，那么只要考察预处理条件所获得的熔体结构变化行程，即可预测相应的细化效果。这样不仅可以缩短工艺优化试验周期，而且可使工艺优化更精细化。然而，金属熔体大多处于高温状态，对高温金属熔体的实验研究与检测十分困难，致使人们对金属熔体的认知较肤浅，因此，对熔体结构进行定量描述的表征方法及其检测方法是研究的热点之一。

对于金属熔体结构的检测，主要有直接和间接测试方法。直接检测是采用X射线衍射、中子衍射、同步光源辐射、扩展X射线精细结构吸收等技术直接对金属熔体进行检测，根据衍射强度可以得到液态金属的结构参数信息，其中最主要的是获得原子分布函数的径向分布函数，从而计算得到金属的熔体结构，但是，采用光谱衍射直接检测在实验技术上却存在诸多困难，造成难以获得精确可靠、可重复性高的检测数据。其主要困难是金属熔体在光谱衍射竖直方向存在难以避免的厚度为几十微米的薄膜，同时还须把样品室在真空或充气环境中与空气隔离，射线通过样品室的窗口进入。对于易氧化或者蒸气压较高的金属熔体样品，衍射结果很难排除氧化膜和衍射窗口上沉积物的影响，因此，检测数据可重复性差。更重要的是，射线直接衍射检测不仅设备复杂，而且其谱线须经过繁琐的数据处理，因此难以实现连续实时检测。

从统计热力学角度看，熔体微观结构的变化必然导致宏观热力学性质的变化，也必然引起金属熔体的物理性质的变化，即金属熔体的物理性质与熔体的结构因子密切相关。电阻是熔体结构的敏感物理量，也是熔体物性中最容易检测的物理量。根据Ziman电阻理论，金属熔体的电阻率是结构因子的函数。电阻测量可以从电子层次间接推测研究金属熔体的结构变化，同时与其他方法相比，电阻法能够提供更多的有关短程有序方面的信息。因此，通过研究外加物理场处理金属熔体导致的电阻变化，将可表征外加物理场导致的熔体结构变化，进而建立金属熔体的电阻变化与凝固细化效果之间的关系。尽管有关液体金属通过电阻测量实验来研究熔体结构已经取得了许多进展，但相关研究主要集中在熔体状态与组成变化对熔体结构的影响，鲜有外加物理场对金属熔体结构影响的电阻表征方法与检测方法的研究。

由于超声波在液体介质传播时，会产生空化效应、声流效应和热效应，这些非线性效应会导致液体介质产生一系列物理或化学变化。大量研究已表明，在金属或合金熔融状态或凝固过程中施加超声场可以显著细化其凝固组织，是提高金属材料机械性能的最有效方法之一。提出可以准确表征超声致金属熔体结构变化的导电参数并实现其方便准确测量，对金属熔体超声预处理工艺优化及其对细化机理的研究均具有十分重要的意义。

金属熔体电阻测量方法主要有旋转磁场法（间接法）及其改进方法，和直流四电极法或改进四电极法（直接方法）。前者是利用线圈产生交变磁场在熔体中产生的涡流，涡流产生反向磁场使线圈有效阻抗发生变化。这种变化完整且唯一反应了熔体阻抗的变化。但由于检测用交变磁场与超声及其机构的相互干扰，间接法无法实现超声致金属熔体电阻变化的准确检测，而金属熔体中超声的导入往往采用金属超声杆，因此，普通直流四电极法也无法排除超声杆导电所造成的干扰。

发明内容