[发明专利]一种单声源多向功率超声金属凝固装置与方法

说明书

本发明公开了一种单声源多向功率超声金属凝固装置及方法，其装置包括金属凝固装置本体，金属凝固装置本体包括铸模、导波环和多根变幅杆，其中一根变幅杆为主动变幅杆且连接有超声换能器；其方法包括步骤：一、装合金原料；二、安装金属凝固装置本体；三、安装声压传感器；四、母合金熔炼；五、熔体浇注；六、单声源多向功率超声金属凝固；七、卸载铸件。本发明能够使得铸模各个方位产生较为均匀的振动，解决了现有技术中多路振动相位差随机变化、熔体中波的叠加效果不稳定的问题，以及无法保证振动源到熔体中的振动传递效果的问题。

技术领域

本发明属于先进材料制备及加工领域，具体涉及一种单声源多向功率超声金属凝固装置及方法。

背景技术

铸造是金属熔体在型腔内逐步凝固的过程,是重要的金属成型技术之一，广泛应用于航空航天飞行器发动机部件、翼型支撑构件、汽车发动机气缸与变速箱体、汽车轮毂及许多机械装置的复杂零件。具体的材料涉及到铝合金、镁合金、铜合金、镍基高温合金等。不断改善提升铸件性能对各行业的发展都具有重要意义。

研究表明，在金属凝固过程中施加超声场，可以利用超声波在液相内产生的空化和声流等一系列非线性效应，显著影响金属熔体的形核、热量与溶质传输，可以消除气孔、抑制偏析、细化晶粒，提高力学性能。然而目前的超声铸造尚未真正进入工业铸造领域，其主要原因是现有技术中存在以下缺陷：

(1)现有技术中，一般将超声发射端的变幅杆浸没在熔体中发射超声波，会受到熔体的传热而升温，导致其内部的传播声速和波长发生变化，从而使得变幅杆偏离驻波共振点而停止工作。甚至当升温更高时会导致金属内部组织结构的变化，发生塑性变形或者出现裂纹，造成变幅杆的永久失效，因此无法适用于高温金属的超声凝固。

(2)现有容器振动技术中，采用单一振源直接振动铸模，造成铸模内熔体内声场的均匀性很差，特别是对于组合式铸模，振动难以传导到各个半模上，难以实现大体积熔体均匀化处理。

(3)现有技术中，缺乏熔体中实际声压值探测，无法实时搜寻最优的工艺参数，从而无法实现对凝固组织的有效调控。

发明内容

本发明所要解决的技术问题在于针对上述现有技术中的不足，提供一种单声源多向功率超声金属凝固装置，其设计新颖合理，能够使得铸模各个方位产生较为均匀的振动，解决了现有技术中多路振动相位差随机变化、熔体中波的叠加效果不稳定的问题，以及无法保证振动源到熔体中的振动传递效果的问题。

为解决上述技术问题，本发明采用的技术方案是：一种单声源多向功率超声金属凝固装置，其特征在于：包括金属凝固装置本体，所述金属凝固装置本体包括从顶部浇注的铸模、套装在铸模外围的导波环和连接在导波环上且从多个方向上压紧铸模的外壁的多根变幅杆，其中一根变幅杆为主动变幅杆且连接有超声换能器，相邻两根变幅杆在导波环上的连接点之间的距离为超声换能器振动的半波长的整数倍，所述铸模的上方设置有用于加热熔融合金固体原料并向铸模内浇铸的母合金池。

上述的一种单声源多向功率超声金属凝固装置，其特征在于：还包括金属凝固数据采集及控制器，所述金属凝固数据采集及控制器包括依次连接的声信号采集电路、计算机和超声波电源，以及布设在铸模内且分别靠近多根变幅杆的端头设置的多个声压传感器，所述声压传感器与声信号采集电路连接；所述超声换能器与超声波电源的输出端连接。

上述的一种单声源多向功率超声金属凝固装置，其特征在于：所述变幅杆螺纹连接在导波环上，未连接超声换能器的变幅杆上连接有用于带动变幅杆转动的变幅杆电机，所述超声换能器上连接有用于带动超声换能器和变幅杆整体转动的超声换能器电机，所述计算机上连接有电机驱动器，所述变幅杆电机和超声换能器电机均与电机驱动器的输出端连接。

上述的一种单声源多向功率超声金属凝固装置，其特征在于：所述导波环为圆形导波环，所述铸模为直四棱柱形，所述变幅杆的数量为四根且均匀布设在导波环上，四根变幅杆分别压紧在铸模的四个外壁面上。