一種金屬懸浮液超聲場強耦合懸浮驅動裝置及其使用方法

專利名稱：一種金屬懸浮液超聲場強耦合懸浮驅動裝置及其使用方法
技術領域：
本發明涉及金屬材料合金化和復合材料的制備裝置及其使用方法，特別涉及一種金屬懸 浮液超聲場強耦合懸浮驅動裝置及其使用方法。
背景技術：
雖然純金屬在工業上獲得了一定的應用，但由于其性能的局限性，不能滿足各種應用場 合的要求，合金化是改善和提高其性能的主要途徑；金屬基復合材料綜合了增'強相高硬度、 高彈性模量、優良的熱穩定性和基體高韌性、塑性、良好的導熱性與導電性，是一種非常重 要的工程結構材料。
金屬材料合金化的主要方法有合金組元直接加入法、中間合金加入法、合金添加劑法、 反應合成法。在合金組元直接加入法和中間合金的制備過程中，對于熔點較高的合金元素， 存在合金化時間長，熔體燒損等問題，當合金組元的密度相對較小時，特別合金組元與金屬 液體潤濕性差時，由于存在上浮和界面潤濕等問題，使合金化過程難以進行，合金組元的收 得率低，合金元素的含量不易控制；合金添加劑法是通過添加劑與金屬液體的反應還原出合 金元素的，故不可避免的存在其它的反應產物，造成金屬液體污染，降低了合金質量。
金屬基復合材料制備的主要方法有鑄造法和粉末冶金法，制備過程往往需要高溫、高 壓條件，這些條件是制造成本較高的主要原因，同時，容易造成界面過度反應，產生界面脆 性層，并存在增強體集聚和沉淀現象，降低了界面相容性和變形協調性，弱化了增強體的強 化效應。
金屬懸浮液是指金屬液相與異相(固相和液相)物質的混合液體，它是金屬材料液Z液和 液/固合成過程中一種常見的反應體系，該反應體系可用于金屬材料的合金化和復合材料的制 備過程。
在金屬懸浮液反應體系中，存在液/液和液/固反應界面，根據反應的微觀機制與動力學分 析，界面潤濕和物相傳質是界面反應與界面更新的前提，是反應過程能持續進行的必要條件， 更是金屬材料制備過程中的本質問題。例如在難熔元素C與A1的合金化過程中，受界面處 物相傳質的限制，存在制備溫度高，反應時間長，過程難以控制和成本高等問題；而在復合 材料的制備過程中，由于增強相與基體之間的物理、化學性能差別很大，且其尺寸細小具有 較大的比表面能，以及普遍存在的增強相與基體金屬熔液的潤濕性與相容性問題，故易發生 沉降和聚集現象，難于實現增強相與液相的界面結合與分散，因而弱化了增強相的強化效應， 成為該種材料走向實用化的嚴重障礙。因此，在金屬懸浮液反應體系中，如何提高界面潤濕性，以及促進界面物質驅動效應，是這類材料制備過程必須解決的關鍵技術問.題。
環境污染、能源與資源短缺已成為人類所共同面臨的重大問題，現代科學技術的發展不 僅對材料性能的要求越來越高，而且對其制備過程的環保要求也日趨嚴格，材料制備技術正 朝著高效、環保的方向發展。基于上述發展思路，外場處理技術已成為材料制備過程和提高 材料性能的重要工藝手段之一，并成為材料科學領域中的前沿技術。
當金屬熔液耦合超聲波場的能量時，其超聲空化效應(acoustic cavitation)與超聲聲流 (acoustic streaming)作用，能改變金屬熔液的擴散和傳質行為，并伴隨有分散、除氣、潤濕、 乳化和空蝕等物理化學現象；超聲波在鋁液中傳播時其聲能的吸收衰減較小，因而，超聲波 可用于鋁金屬材料的合金化過程和復合材料的制備過程，同時，超聲處理對金屬熔液具有凈 化、除氣和組織細化作用。因此，利用超聲場強耦合的能量，既可以實現界面潤濕和物相驅 動，有效提高材料制備的效率，還可以進一步提高材料性能，并具有無污染和環保的優點。
在金屬材料的合金化和復合材料的制備過程，超聲場耦合處理的主要機制是空化效應、 聲流作用和非線性效應。超聲空化過程的壓力波動和熱擾動，能改善金屬熔液/第二相間的潤 濕性，提高反應活性，有利于金屬熔液的異質形核，同時，聲流作用使生長中的晶粒破碎成 細小的晶粒組織，并能夠有效地抑制枝晶的生長，使金屬熔液凝固形成細小的等軸晶組織；
而超聲波的非線形效應，使懸浮相產生受聲輻射力驅動，能更新反應界面，加速反應過程。 因此，如何將高能超聲場耦合到金屬熔液中，產生較強的空化效應和聲流作用，并在金屬熔 液中形成穩定聲場，通過超聲波的非線形效應，驅動反應物傳質，這些問題是金屬懸浮液超 聲場耦合方法的技術關鍵。
目前的金屬懸浮液超聲場耦合方法，通常釆用超聲波發生器和耦合輻射塊，直接向金屬 液體耦合超聲場波能量，通過發射板形成二次聲波，并與一次聲波疊加形成靜態的駐波場， 依靠聲壓差驅動懸浮相使其在靜態的聲壓波節處聚集，但由于駐波場呈靜止狀態，存在反應 界面更新強度低，面反應活性不高的問題，同時，也難于實現反應過程的連續化。

發明內容
針對以上技術問題，本發明提供一種金屬懸浮液超聲場強耦合懸浮驅動裝置及其使用方法。
本發明的金屬懸浮液超聲場強耦合懸浮驅動裝置包括上超聲波發生器、上超聲波換能 器、上變幅桿、上耦合輻射塊、下超聲波發生器、下超聲波換能器、下變幅桿、下耦合輻射
塊、鑄模和保溫爐；上超聲波發生器通過導線連接上超聲波換能器，上超聲波換能器、上變 幅桿和上耦合輻射塊按順訊依次裝配在一起；下超聲波發生器通過導線連接下超聲波換能器，下超聲波換能器、下變幅桿和下耦合輻射塊按順序依次裝配在一起；上耦合輻射塊位于鑄模 內部，鑄模的底部設有底孔，下耦合輻射塊位于鑄模底部的底孔內部，且下耦合輻射塊的頂 面與鑄模內底面處于同一水平面；保溫爐套在鑄模外；上變幅桿和下變幅桿外分別套有上水 冷套和下水冷套。上耦合輻射塊和下耦合輻射塊之間的距離為V2的正整數倍，X為上超聲波 發生器和下超聲波發生器公稱頻率下所發射的超聲波波長。
上超聲波發生器和下超聲波發生器均為他激式超聲波發生器，諧振頻率為16 100KHz。 上耦合輻射塊和下耦合輻射塊呈軸對稱形狀布置，且兩者的對稱軸與水平面垂直，上耦 合輻射塊和下耦合輻射塊的軸線為同一軸線。
上述保溫爐上設有氣體入口 。鑄模內設有喂料管，喂料管將鑄模內部和保溫爐外部連通。 本發明的金屬懸浮液超聲場強耦合懸浮驅動裝置的使用方法按以下步驟進行
1、 采用上述裝置，將金屬熔液置于鑄模內，金屬熔液的液面與上耦合輻射塊的底端面 位于同一水平面上。
2、 制備金屬復合材料或進行合金化反應時，通過上超聲波發生器和下超聲波發生器分 別向上超聲波換能器和下超聲波換能器提供超聲波電能，上超聲波換能器和下超聲波換能器 分別向上變幅桿和下變幅桿發射超聲波聲能，超聲波通過上變幅桿和下變幅桿進行振幅放大 后，再通過上耦合輻射塊和下耦合輻射塊將超聲波能量耦合到金屬熔液中，變幅桿的變幅比 為5~10:1，通過上功率調節器和下功率調節器分別控制上耦合輻射塊和下耦合輻射塊的振 動聲強；同時向上水冷套和下水冷套內通水，控制上變幅桿和下變幅桿的表面溫度為30~80 'C;上超聲波發生器和下超聲波發生器(上耦合輻射塊和下耦合輻射塊)所發射的聲波的頻 率差值A/在0-0.1Hz之間，即(XA/〈0.1Hz。由上耦合輻射塊產生的一次聲波與下輻射塊 產生的二次聲波疊加形成駐波，使金屬熔液處于諧振狀態，由上、下超聲波發生器(上耦合 輻射塊和下耦合輻射塊)發射的差頻超聲波在金屬熔液中形成的移動駐波，使超聲駐波節點 位置在金屬熔液中以速度w移動，并且"= ^/。上耦合輻射塊和下耦合輻射塊發射的聲強在 所處理的金屬熔液空化時的聲強閾值的150~200%條件下保持20 30min，然后將聲強降低至 所處理金屬熔液空化時聲強閾值的80~90%，保持2(K30min。
本發明的裝置及方法利用超聲場強耦合下懸浮相的潤濕與驅動現象，該現象與超聲在金 屬懸浮液中的傳播及干涉有關，如果懸浮相顆粒簡化成為厚度為d，懸浮相的密度為p"聲波
在懸浮相內部的傳輸速度為。，液體介質的密度為"，聲波在液體介質內的傳輸速度為C2，特 征阻抗為及產^d的中間層介質(懸浮相)置于特征阻抗為i f/J2C2的液體介質中， 一次聲波由
上方向下方發射，二次聲波由下方向上方發射；并設一次聲波和二次聲波以平面波形式垂直入射到中間介質層(懸浮相)上， 一次聲波的聲壓為方程為 尸i-尸ia咖cK,力 (1)
式中Pia為一次聲波聲壓振幅，X為距離原點的長度，CO為聲波的角速度，f為聲波傳播 的時間；上述的原點為聲波與懸浮相開始接觸時的點，此時;c-0，原點所在的與聲波傳播方 向垂直的面為第一界面；c二rf時聲波從懸浮相離開，聲波從懸浮相離開時的點為d點，c/點所 在的與聲波傳播方向垂直的面為第二界面；則戶i經中間介質層上層反射后的聲壓方程為
^(絲)尸^o一 +吉) ("
根據平面聲波的聲壓與聲速關系，以及第一界面、第二界面的聲壓連續條件，可以計算 出透射波聲壓尸t在;c-J處(第一界面)的聲壓與一次聲波在;《:=0處(第二界面)的聲壓尸i之比 為
=2[W(^) + (i ,2 + i 2|)2sin2(|^)]""2 (3)
式中i !2二及^^和i :n二i !/i 2; A為懸浮相的特征阻抗，及2為液體介質的特征阻抗。
由于懸浮相顆粒的平均直徑d通常小于250nm，對于頻率為16KHz 100KHz的發生波在液 體介質內傳播時的波長X2為42mm 262mm， 27id/X2=3.6xl0—2 6.1xl0—3 < <1，所以，Pt -Pi。
因此，在一次聲波作用下，中間介質層上層、中間介質層下層處的聲壓差AA為 腳尸,=尸i(l^)cos ) (4)
同樣，當二次聲波，也會在第一界面和第二界面存在聲壓差A尸2。
因此，懸浮相在一次聲波和二次聲波場中，所受到的綜合聲壓差為 —A尸2
"i"(^4)si—+《) (5)
由于i 2〉A，所以，只要懸浮相不在聲壓波形的節點處或波腹處，在聲壓差A戶的作用下， 懸浮相受到指向波節的作用力，當超聲輻射力能克服懸浮相顆粒由于密度差而引起的有效重 力、金屬熔液的粘滯阻力時，最終使懸浮相在聲壓波節處聚集。
如此可見，懸浮相的驅動效應產生于穩定的駐波場中，同時，還應該具有較強的聲場強 度，以便使懸浮相產生較大的聲輻射力，然而，當聲強較大時，懸浮液中的穩定駐波場受到 破壞，其超聲懸浮的驅動效應被打破，也不能在金屬熔液中懸浮，表明懸浮相明顯受超聲功率的影響。這是因為懸浮是高能超聲作用下的一種非線性效應，其基本原理是超聲駐波與物 體間的相互作用，物體受到指向波節(或波腹)的聲輻射力作用，使物體穩定于超聲波波節 (或波腹)處，從而呈現一種聲懸浮狀態。所以，只有在金屬熔液中形成穩定的駐波時，懸 浮相才能出現懸浮現象，然而，當聲強較大時，駐波的諧波分量降低，使懸浮相的懸浮穩定 性降低，同時，強超聲耦合的聲流效應，使金屬熔液出現環流現象，同樣會影,懸浮相超聲 懸浮的穩定性。對此，給出了懸浮時聲強的上限值為金屬熔液中產生空化效應的閾值聲強， 由于閾值聲強受金屬熔液溫度、粘度、含氣量等諸多因素的影響，對此，該值的獲取采用合 金性能檢測的方法，即根據合金力學性能CJb —聲強曲線突變拐點所對應的聲強值作為閾值。
差頻的應用使懸浮相產生移動效應，對于密度小于金屬熔液的懸浮相，當上耦合輻射塊 與下耦合輻射塊的頻率差A/為正時，可以有效阻止懸浮相的上浮，而對于密度大于金屬烙液
的懸浮相，當上耦合輻射塊與下耦合輻射塊的頻率差A/為負時，可以有效阻止懸浮相的下沉。
同時，差頻的移動效應還會使懸浮相隨波節或波腹的移動而移動，從而為連續加料進行合金 反應提供條件。
為達到良好的潤濕和驅動效應，并適宜工業上應用，超聲場耦合工藝過程如下首先采 用強超聲耦合，促進金屬熔液有效潤濕顆粒，并使懸浮相顆粒在金屬熔液中均勻分布，然后 調整工藝參數，在金屬熔液中產生穩定的駐波聲場，利用差頻聲波輻射力對懸浮相的驅動效 應，使增強相顆粒偏聚到金屬熔液中心部位，為反應的進行提供了有利的界面條件，增強了 其反應活性，促進合金化反應，同時，利用超聲的熱擾動效應，能激活懸浮相粒子的形核活 性，從而提高增強相粒子與基體金屬的潤濕性和界面相容性。
本發明的金屬懸浮液超聲場強耦合懸浮驅動裝置及其方法運用聲學、多相流體力學以及 反應工程學的理論，突破傳統的材料合成技術方法，提出了一種用于鋁金屬懸浮液的超聲場 強耦合裝置，以及懸浮相的潤濕與驅動方法，綜合了超聲空化、聲流和非線性效應的優勢， 同時，差頻耦合的應用，使懸浮相產生連續移動，能有效更新反應界面，提高g應活性，并 可實現鋁金屬材料合金化和復合材料制備過程的一體化與連續化，本發明是一種高效、節能、 環保和低成本的高性能材料制備技術。


圖1為本發明實施例1中的金屬懸浮液超聲場強耦合懸浮驅動裝置結構示意圖，圖中1、
上功率調節器，2、上超聲波發生器，3、上超聲波換能器，4、上水冷套，5、上變幅桿，6、 氣體入口， 7、喂料管，8、上耦合輻射塊，9、保溫爐，10、合金溶液，11、鑄模，12、下耦 合輻射塊，13、下變幅桿，14、下水冷套，15、下超聲波換能器，16、下超聲波發生器，17、下功率調節器。
圖2為本發明的金屬懸浮液超聲場強耦合懸浮驅動方法原理示意圖，圖中a、波腹，b、 中間介質，c、波節，d、中間介質的厚度，e、 一次聲波發射方向，f、 二次聲波發射方向，g、 一次聲波經第一界面反射后的聲壓，h、 一次聲波的聲壓，i、 一次聲波的透射聲壓，j、第一 界面，k、第二界面，l、液體介質。
圖3為本發明實施例1中制備的A15Ti0.25C合金電子顯微照片圖，圖中A為TiAl3, B 為碳粉末。
圖4為無超聲場強耦合處理，水冷鑄模冷卻制備的硅鋁合金電子顯微照片圖，圖中C為 硅相，D為a(Al)。
圖5為本發明實施例2中制備的Al-12Si近共晶合金電子顯微照片圖，圖中E為a(Al) 與硅潤濕區。
具體實施例方式
本發明實施例中采用的超聲波發生器是他激式超聲波發生器，末級釆用功率模塊開關電 源式功率放大器，其前置控制采用模擬式PWM脈寬調制方式，頻率和功率連續可調，最大 電功率500W，系統的電聲效率為75%，諧振頻率為16~100KHz。
本發明實施例中釆用的功率調節器采用電壓調功方法，電功率調節范圍為100 1000W。 本發明實施例中采用的超聲波換能器諧振頻率的公稱值為20KHz，連續工作的電功率值 為400W。
本發明實施例中采用的上、下耦合輻射塊為圓柱形，直徑①為100mm，高度為30mm。 本發明實施例中采用的鑄模為圓筒狀，內壁高度為200mm,內壁直徑①為100mm，底部
設有圓孔，圓孔與下襯合輻射塊采用D8/d8間隙配合。 本發明實施例中采用的變幅桿的變幅比為為5 : 1。
實施例1
金屬懸浮液超聲場強耦合懸浮驅動裝置結構如圖1所示，上功率調節器1與上超聲波發 生器2通過導線連接，上超聲波發生器2與上超聲波換能器3通過導線連接，上超聲波換能 器3與上變幅桿5裝配在一起，上變幅桿5與上耦合輻射塊8裝配在一起下功率調節器17 與下超聲波發生器16通過導線連接，下超聲波發生器16與下超聲波換能器15通過導線連接， 下超聲波換能器15與下變幅桿13裝配在一起，下變幅桿13與下耦合輻射塊12裝配在一起； 上變幅桿5的上端套有上水冷套4,下變幅桿13的下端套有下水冷套14;上水冷套4的上端 和下水冷套14的下端'分別連接上超聲波換能器3和下超聲波換能器15。上耦合輻射塊8位于鑄模11內部，鑄模11的底部設有圓形底孔，下耦合輻射塊12位 于鑄模ll底部的底孔內部，且下耦合輻射塊12的頂面與鑄模11內底面處于同一水平面，下 耦合輻射塊12的外徑等于鑄模11底孔的內徑；保溫爐9套在鑄模外，保溫爐^上部設有氣 體入口 6，氣體入口 6與鑄模11內部連通。鑄模11內設有喂料管7，喂料管7將鑄模11內 部和保溫爐9外部連通。
上耦合輻射塊8和下耦合輻射塊12為Ti-6A1-4V合金材質的圓柱體，且兩者的對稱軸與 水平面垂直，上耦合輻射塊和下耦合輻射塊的軸線為同一軸線。
上超聲波發生器和下超聲波發生器所發射的超聲波波長X為210mm，上耦合輻射塊和下 耦合輻射塊之間的距離為的正整數倍。
采用上述裝置，通過鋁熱反應法制備Al-Ti合金熔液:在通入保護氣體條件下將工業純 鋁置于鑄模中加熱到76(TC，加入K2TiF6并攪拌均勻，加入完成后保溫20min，制備成Al-Ti 合金熔液，其中保護氣體的流量為2~2.51/min，保護氣體為氫氣和氬氣的混合氣體，其中氫氣 和氬氣的體積比為1 : 5。合金溶液中Ti的重量含量為5%。并且合金熔液的液面與上耦合輻 射塊的底端面位于同一水平面上，同時上耦合輻射塊和下耦合輻射塊之間的距離為X/2的正 整數倍。
分別進行3次平行實驗將合金熔液升溫到800-830 'C;通過上超聲波發生器和下超聲 波發生器分別向上超聲波換能器和下超聲波換能器提供超聲波電能，上超聲波換能器和下超 聲波換能器分別向上變幅桿和下變幅桿發射超聲波聲能，超聲波通過上變幅桿和下變幅桿進 行振幅放大后，分別通過上耦合輻射塊和下耦合輻射塊將超聲波能量耦合到金屬熔液中，通 過上功率調節器和下功率調節器分別控制上耦合輻射塊和下耦合輻射塊的振動聲強；同時向 上水冷套和下水冷套內通水，控制上變幅桿和下變幅桿的表面溫度為30 80'C;'上超聲波發 生器所發射的聲波的頻率為20kHz，下超聲波發生器發射的聲波頻率小于上超聲波發生器的 頻率，兩者的頻率差值厶/為0.09kHz。由上耦合輻射塊產生的一次聲波與下輻射塊產生的二 次聲波疊加形成駐波，使合金熔液處于諧振狀態，由上、下超聲波發生器發射的差頻超聲波 在合金熔液中形成移動駐波，使超聲駐波節點位置在合金熔液中以速度w移動，"=XA 戶10.5mm/s。上耦合輻射塊和下耦合輻射塊發射的超聲波聲強為Al-Ti合金熔液空化時聲強 閾值的150~200%， Al-Ti合金熔液空化時的聲強閾值根據合金力學性能crb—聲強曲線突變拐 點所對應的聲強值確^。
將碳粉在800'C條件下活化處理lh,然后通過喂料管加入到合金熔液中，加入量為合金 溶液總重量的0.375%，保持超聲耦合時間分別為20、 25和30min，促進合金熔液有效潤濕碳粉末，使碳粉末在合金熔液中均勻分布，并使TiAl3溶解。將聲強密度降低至所處理的金屬熔 液空化時聲強閾值的80~90%,同時調節保護氣體的流量為2 2.51/min，并且保護氣體中氫氣 和氬氣的體積比為1 : 9，分別保持20、 25和30min。金屬熔液中的穩定駐波使碳粉出現懸浮 現象，并使溶解的Ti原子環繞在C粉周圍，在碳粉界面上發生反應生成TiC，其反應式為 Ti + C=TiC。其中碳粉的平均粒徑為22pm。其工作原理如圖2所示。
待反應完成后，將超聲波電源關閉，停止發射超聲波，同時吹Ar氣冷卻金屬熔液，流 量為501/min，合金液體凝固后制成中間合金鑄錠，即A15Ti0.25C合金鑄錠。
采用上述方法制備的A15TiO,25C合金電子顯微照片如圖3所示，由于C與Al液體的潤 濕性差，A1液體中C的溶解度極小，C粉末之間易產生氫鍵而聚集成團，A1液體很難深入C 粉末團內部進行反應，而Al液體表面的氧化膜也阻礙了反應的進行。因此，C粉末與A1-Ti 合金液體間幾乎不能發生TiC合成反應。在超聲場耦合下，在C粉末區域周圍富集了大量的 TiAl3粒子，表明超聲場耦合具有懸浮效應，不僅使C出現集聚，同時，使Al液體中的TiAl3 粒子也出現了集聚現象。這是由于在超聲駐波場中的波節處為低壓區，即Al-Ti合金液體中 存在聲壓梯度，TiAl3粒子兩側存在壓力差，因為TiAl3粒子與Al液體的聲對比因子系數大于 0，使TiAl3粒子受到指向波節的聲輻射力作用，從而，使TiAl3粒子出現向C粉末區域集聚 的現象，這種組織特征為TiC的形成提供了有利的界面條件。 實施例2
采用的金屬懸浮液超聲場強耦合懸浮驅動裝置同實施例1。
采用Al-20Si中間合金進行制備高性能Al-12Si合金的3次平行實驗將Al-20Si合金置 于鑄模中，在通入保護氣體條件下，加熱至溫度為760'C成為合金熔液，然后加入A1進行反 應，反應時間分別為20、 22和25min， Al的加入量為Al-20Si中間合金總重量的150%;保 護氣體的流量分別控制在2、 2.4和2.5 1/min，保護氣體為氫氣和氬氣的混合物，氫氣和氬氣
的體積比分貝為i :5、 i :4和i :6。
然后采用實施例1所述的方式對合金熔液發射超聲波進行超聲場耦合，上超聲波發生器 發射聲波的頻率為20kHz，下超聲波發生器發射聲波的頻率小于上超聲波發生器發射聲波的 頻率，兩者的頻率差值A/為0.01 kHz。由上、下超聲波發生器發射的差頻超聲波在合金熔液 中形成移動駐波，使超聲駐波節點位置在合金熔液中以速度"移動，w4A戶2.1mm/s。上耦 合輻射塊和下耦合輻射塊發射的超聲波聲強為Al-20Si合金熔液空化時的聲強閾值的 150~200%， Al-20Si合金熔液空化時的聲強閾值根據合金力學性能crb—聲強曲線突變拐點所 對應的聲強值確定，超聲波發射時間分別為20、 28和30min;然后將聲強密度降低至所處理的合金熔液空化時的聲強閾值的80~90%，分別保持20、 28和30min。反應完成后保持超聲 場耦合，從氣體入口的保護氣體為流量50 1/min的氬氣，將金屬熔液凝固制備成鑄錠，即具 有良好組織性能的Al-12Si合金。
圖4為無超聲場耦合時，采用水冷鑄模冷卻的近共晶Al-12Si合金凝固組織，其組織特點 是由于冷卻速度大，盡管a(Al)向球化方向發展，但是，Si相仍為針片狀，并分布在a(Al)晶 界區域，表明a(Al)沒有與S浪好的潤濕，該組織形態嚴重降低了合金的力學性能。圖5為超聲 場耦合時的Al-12Si近共晶合金凝固組織，與圖4組織存在明顯差異，主要表現在超聲場耦 合處理的S湘更加細小，同時，S湘分布在a(Al)晶粒內部，表明超聲場耦合處理時，能有效 細化Si相的同時，還能促進a(Al)與Si相的潤濕與形核，從而有效提高了Si相與A!基體的界面 相容相，使Al-12Si合金的力學性能明顯提高。
在共晶轉變時，具有小平面的相(如Si)往往都會領先長大，而具有非小平面特性的金屬 相(如鋁)則會隨著領先相生長， 一般的凝固條件下領先相的長大范圍取決于第二相沿領先相 形核的難易程度，在無超聲場耦合處理時，水冷鑄模冷卻的凝固組織，其組織特點是Si相 分布在a(Al)晶界區域，而在超聲場耦合處理時，由于改善了 Al液體對Si粒子相的潤濕性， 有利于a(Al)依附于Si相長大，故表現Si相主要分布在cc(Al)晶粒內，并使a(Al)組織明顯細 化。
權利要求
1、一種金屬懸浮液超聲場強耦合懸浮驅動裝置，包括上超聲波發生器、上超聲波換能器、上變幅桿、上耦合輻射塊、鑄模和保溫爐；上超聲波發生器通過導線連接上超聲波換能器，上超聲波換能器、上變幅桿和上耦合輻射塊按順序依次裝配在一起；上耦合輻射塊位于鑄模內部；其特征在于該裝置還包括下超聲波發生器、下超聲波換能器、下變幅桿和下耦合輻射塊；下超聲波發生器通過導線連接下超聲波換能器，下超聲波換能器、下變幅桿和下耦合輻射塊按順序依次裝配在一起；鑄模的底部設有底孔，下耦合輻射塊位于鑄模底部的底孔內部，且下耦合輻射塊的頂面與鑄模內底面處于同一水平面；保溫爐套在鑄模外；上變幅桿和下變幅桿外分別套有上水冷套和下水冷套；上耦合輻射塊和下耦合輻射塊之間的距離為λ/2的正整數倍，λ為上超聲波發生器和下超聲波發生器所發射的超聲波波長。
2、 根據權利要求1所述的一種金屬懸浮液超聲場強耦合懸浮驅動裝置，其特征在于所 述的上超聲波發生器和下超聲波發生器均為他激式超聲波發生器，諧振頻率為16 100KHz。
3、 根據權利要求1所述的一種金屬懸浮液超聲場強耦合懸浮驅動裝置，其特征在于所 述的上耦合輻射塊和下耦合輻射塊呈軸對稱形狀裝配，且兩者的對稱軸與水平面垂直，上耦 合輻射塊和下耦合輻射塊的軸線為同一軸線。
4、 一種權利要求1所述的裝置的使用方法，其特征在于按以下步驟進行(1)將金屬 熔液置于鑄模內，金屬熔液的液面與上耦合輻射塊的底端面位于同一水平面上；(2)制備金 屬復合材料或進行合金化反應時，通過上超聲波發生器和下超聲波發生器分別向上超聲波換 能器和下超聲波換能器提供超聲波電能，上超聲波換能器和下超聲波換能器分別向上變幅桿 和下變幅桿發射超聲波聲能，超聲波通過上變幅桿和下變幅桿進行振幅放大后，再通過上耦 合輻射塊和下耦合輻射塊將超聲波能量耦合到金屬熔液中；同時向上水冷套和下水冷套內通 水，控制上變幅桿和下變幅桿的表面溫度為30~80°C;上超聲波發生器和下超聲波發生器所 發射的聲波的頻率差值A/在0-0.1Hz之間，上耦合輻射塊和下耦合輻射塊發射的超聲波的聲 強密度為所處理合金熔液空化時聲強閾值的150~200%條件下保持20 30min，然后將聲強密 度降低至所處理的合金熔液空化時聲強閾值的80~90%，保持20~30min。
全文摘要
一種金屬懸浮液超聲場強耦合懸浮驅動裝置及其使用方法，裝置包括上超聲波發生器、上超聲波換能器、上變幅桿、上耦合輻射塊、鑄模、保溫爐、超聲波發生器、下超聲波換能器、下變幅桿和下耦合輻射塊；上變幅桿和下變幅桿外分別套有上水冷套和下水冷套。使用方法為將金屬熔液置于鑄模內，金屬熔液的液面與上耦合輻射塊的底端面位于同一水平面上；通過上耦合輻射塊和下耦合輻射塊將超聲波能量耦合到金屬熔液中；同時向上水冷套和下水冷套內通水。本發明可實現鋁金屬材料合金化和復合材料制備過程的一體化與連續化，是一種高效、節能、環保和低成本的高性能材料制備技術。
文檔編號B22D27/00GK101658921SQ20091018758
公開日2010年3月3日 申請日期2009年9月24日 優先權日2009年9月24日
發明者曹富榮, 李英龍 申請人:東北大學