一种施加双向超声振动制备高温合金的凝固设备与方法

1.本发明涉及一种高温合金的凝固设备与方法，具体涉及一种施加双向超声振动制备高温合金的凝固设备与方法。属于金属精密铸造领域。


背景技术：

2.航空技术的发展要求发动机具有更高的推重比，也即要求其涡轮叶片材料能承受更高的温度和拥有更优异的力学及抗腐蚀性能。由于nb-si基、ti-al基等超高温合金具有高熔点、低密度以及较好的高温性能等特点，有望成为航天、航空技术中发动机材料的重要研究对象，具有巨大的应用前景和潜力。但以nb-si基高温合金为例，其较差的抗氧化性能和室温断裂韧性限制了这些合金在航空、航天领域的应用。目前，研究较为成熟的，通过合金化的方式来改善高温合金的抗氧化性和室温韧性。但倘若添加大量的合金化元素之后，会存在着组织粗大、偏析严重等突出问题。并且不易控制，这将极大的损害合金的性能。超声波处理技术作为一种高效、经济和环保的凝固控制技术可以很大程度的改善这种危害。
3.研究表明，通过运用超声波处理可以有效改变合金的凝固过程、改善合金组织、细化晶粒，改善晶粒形态并实现大幅度提升合金性能的目的，但目前研究的多为从底部或者从上部单一方向的施加超声波，虽然，这种方式也可以起到调控合金组织的效果，但随着超声波的衰减，超声波的声流效应和空化效应会减弱，并且在切开的铸锭切面组织中可以明显看到一条分界线，特别是对于圆柱形铸件来说，超声波所作用的区域不全。
4.综上所述，现有从底部或者从上部单一方向施加超声波熔铸的方式存在作用区域不全，进而导致合金力学性能在不同位置差异较大，进而导致合金性能差的问题。


技术实现要素：

5.本发明的目的是为了解决现有从底部或者从上部单一方向施加超声波熔铸的方式存在作用区域不全，进而导致合金性能差的问题，不能对合金铸锭的整体力学性能进行准确表示。进而提供一种施加双向超声振动制备高温合金的凝固设备与方法。
6.本发明的技术方案是：一种施加双向超声振动制备高温合金的凝固设备包括炉体、两组超声组件、支撑板、模壳、莫来石纤维层、保护模套和二级感应线圈组件；支撑板水平安装在炉体内的中部，模壳竖直安装在支撑板上，且支撑板的中部开设圆孔，合金铸锭安装在模壳内，莫来石纤维层和保护模套由内至外依次套装在模壳上，二级感应线圈组件套装在保护模套上为合金铸锭加热熔融；两组超声组件分别可升降安装在炉体的上下两端，且两组超声组件的超声侧分别同时对合金铸锭的上下两端施加超声波调控合金组织。
7.进一步地，每个超声组件均包括抽拉装置、抽拉伸缩杆、密封垫圈、超声装置和直线轴承，抽拉伸缩杆通过密封垫圈和直线轴承密封转动插装在炉体内，抽拉装置与抽拉伸缩杆位于炉体外侧的端部连接，并带动抽拉伸缩杆在炉体内伸缩，超声装置与抽拉伸缩杆位于炉体内侧的端部连接，用于对合金铸锭进行超声波合金组织调控。
8.进一步地，超声组件还包括导线和接线柱，接线柱安装在炉体上，导线的一端与接
线柱连接，导线的另一端与超声装置连接。
9.进一步地，二级感应线圈组件包括感应线圈电源、一级感应线圈、二级感应线圈、第一接管板、第二接管板、进水管和出水管，一级感应线圈套装在保护模套的外侧，二级感应线圈套装在一级感应线圈的外侧中部，感应线圈电源通过导线分别与一级感应线圈和二级感应线圈连接，进水管和出水管分别穿过第一接管板和第二接管板之后与一级感应线圈和二级感应线圈连接，实现对一级感应线圈和二级感应线圈的冷却，其中一级感应线圈和二级感应线圈的电流方向相反。
10.更进一步地，它还包括多个支撑杆，多个支撑杆安装在炉体的下端面上。
11.更进一步地，它还包括多个连接杆和多个螺母，支撑板通过多个连接杆水平安装在炉体内，每个连接杆的上端通过多个螺母与支撑板连接，每个连接杆的下端通过多个螺母安装在炉体上。
12.更进一步地，它还包括空气接口、氩气接口、压力表座和压力表，空气接口和氩气接口安装在炉体的下部侧端面上，并与炉体的内部连通，压力表通过压力表座安装在炉体的上端面上并对炉体内的压力进行检测。
13.更进一步地，它还包括上观察窗、上观察窗压盖、下观察窗和下观察窗压盖，上观察窗倾斜安装在炉体的上端面上，上观察窗压盖盖装在上观察窗上，下观察窗安装在炉体的侧壁上，下观察窗压盖盖装在下观察窗上。
14.本发明还提供了一种采用施加双向超声振动制备高温合金的凝固设备制备高温合金的方法，它包括以下步骤：
15.步骤一：首先从合金的母锭上切取一个圆棒型的合金铸锭，将其装入模壳之中并封好上盖，在保护模套与模壳之间填充莫来石纤维层；
16.步骤二：调整炉体的制备环境：
17.步骤二一：将炉体的炉盖关闭、打开循环水冷却装置，并观察炉体内是否有渗水的情况；
18.步骤二二：抽真空至-0.1mpa，利用分子泵抽真空，使得炉内气压达到3
×
10-3-6
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10-1
时，关闭空气接口，并打开氩气接口，并向炉体内通入氩气，其中，所通入的氩气压力为0.075mpa；
19.步骤三：对合金铸锭的上下两端施加超声波调控合金组织；
20.步骤三一：合上外部电源开关和控制面板的电源开关，并通过上观察窗和下观察窗，运用抽拉装置对上下两个超声装置离合金铸锭的距离进行调节；
21.步骤三二：将超声装置的工具头作用在模壳上；
22.步骤三三：当工具头调整到模壳上之后，通过超声控制柜对超声振动系统的功率进行调节，超声波的振动功率可调节范围为1500-2000w；
23.步骤三四：通过二级感应线圈组件对合金铸锭进行加热；
24.通过控制面板对一级感应线圈进行通电加热，加热时间可调节范围为4-8min，加热功率可调节范围为20-50kw，保温时间可调节范围为3-5min，保温功率为5-15kw，
25.二级感应线圈的加热功率可调节范围为0-4kw，且均连续可调，摁下启动按钮，启动整个设备，对合金铸锭进行加热熔炼，待离感应加热时间还剩下30s时，摁下超声装置启动按钮，使得在合金铸锭处于过热的状态中施加超声波的作用；
26.步骤四：待保温或加热完成后，通过抽拉装置将上部和下部的超声装置抽离模壳，防止高温对超声装置的破坏；
27.步骤五：通过上观察窗和下观察窗，观察炉体内的高温合金凝固后的状态，确保冷却凝固过程完成之后，打开炉盖，并取出高温合金成型铸锭，至此，完成了对高温合金的熔铸。
28.进一步地，合金铸锭的合金成分为nb-16si-20 zr-4cr。
29.本发明与现有技术相比具有以下效果：
30.1、本发明通过在高温合金熔化凝固的过程中，施加超声波振动，通过超声波声流和空化效应，使得合金在凝固的过程中，实现晶粒的重熔和细化效果。从而解决了高温合金在添加合金化元素之后易于出现的晶粒尺寸粗大与偏析严重等问题，大大增强了高温合金的力学性能。
31.2、本发明通过对熔化凝固的高温合金同时使用双向超声波振动的作用，对圆柱型试样的上方和下方同时施加超声波的作用，使得合金锭在熔化凝固的过程中的所有区域均受到超声波的作用，使得经过调整后的合金锭的组织更加均匀，同时当两列超声波对射时，会产生干涉作用，相同相位的超声波会在干涉位置相互加强，这将使得在干涉位置，空化效应被加强，进而使得超声波对合金铸锭组织调控性能更加优异，性能更好。由于超声机械效应和空化效应被加强，造成介质质点周期性压缩和拉伸的幅度变大，可以在介质质点间产生巨大的剪切力，导致介质的破坏，空化气泡在崩溃的瞬间，会在周围微小的空间内产生更多的热点，形成高温高压区，并伴有更强大的冲击波和射流，来破坏介质。
32.3、本发明运用高频感应加热代替电弧加热，能够对金属合金铸锭具有保温功能，来调控冷却速度，也能够实现对高温合金铸锭的热处理功能。
33.4、本发明运用氧化钇模壳来代替水冷铜坩埚，能够使超声波直接作用在陶瓷模壳上，无需透过铜坩埚和冷却水，来减少超声波的衰减，并且防止了水冷铜坩埚密封性不好导致水中的氧进入到合金之中，造成合金氧化。
34.5、本发明采用两级感应线圈，二级感应线圈在一级感应线圈中间外部，并且电流与一级感应线圈的电流相反，主要目的是如果一个感应线圈导致线圈中心部位的磁场过于强烈使得合金中心的温度最高，流动性最好，会渗进氧化钇膜壳之中，对合金造成污染。
附图说明
35.图1是本发明装置的示意图。
36.图2是高温合金铸锭、氧化钇模壳、保护套管、一级电磁感应线圈、二级电磁感应线圈的局部放大图。
37.图3是超声波发生装置放大图。
38.图4(a)是利用未施加超声振动的加热凝固装置熔炼的nbsi高温合金所拍摄的扫描电镜图片以显示合金的显微组织。
39.图4(b)是利用了施加双向超声振动的感应加热凝固装置熔炼的nbsi高温合金所拍摄的扫描电镜图片以显示合金的显微组织。
40.图5是nbsi高温合金在未使用超声振动装置和使用了施加双向超声凝固装置(施加超声振动时间120s)后室温压缩性能对比。
41.图6是nbsi高温合金在未使用超声振动装置和使用了施加双向超声凝固装置(施加超声振动时间120s)后室温断裂韧性的对比。
具体实施方式
42.具体实施方式一：结合图1至图3说明本实施方式，本实施方式的一种施加双向超声振动制备高温合金的凝固设备包括炉体1、两组超声组件a、支撑板19、模壳34、莫来石纤维层23、保护模套22和二级感应线圈组件；支撑板19水平安装在炉体1内的中部，模壳34竖直安装在支撑板19上，且支撑板19的中部开设圆孔，合金铸锭24安装在模壳34内，莫来石纤维层23和保护模套22由内至外依次套装在模壳34上，二级感应线圈组件套装在保护模套22上为合金铸锭24加热熔融；两组超声组件a分别可升降安装在炉体1的上下两端，且两组超声组件a的超声侧分别同时对合金铸锭24的上下两端施加超声波调控合金组织。
43.本实施方式的炉体外壳上有压力表通过压力表座与炉体内部相连，两个超声波发射装置分别从上方和下方贯穿进炉体的内部，并从上方和下方对准高温合金铸锭的中心，在炉体上，有上观察窗和下观察窗用来观察，用来观察超声波工具头与铸锭之间的距离。在炉体的外侧有空气阀与氩气阀，在炉体的后面有抽真空系统。炉体底部四个角的部位焊接四个支撑架，用以支撑柱炉体。
44.其中，上下两个超声波振动装置分别从上面和下面，通过密封橡圈和直线轴承插入进炉体的内部，并对准柱状高温合金的中心位置，用以在合金熔化凝固过程种从正上方和正下方两个位置施加超声波。超声振动装置可以通过上下两个抽拉装置来控制工作头与氧化钇陶瓷膜壳之间的距离。
45.具体实施方式二：结合图1说明本实施方式，本实施方式的每个超声组件a均包括抽拉装置4、抽拉伸缩杆5、密封垫圈6、超声装置13和直线轴承14，抽拉伸缩杆5通过密封垫圈6和直线轴承14密封转动插装在炉体1内，抽拉装置4与抽拉伸缩杆5位于炉体1外侧的端部连接，并带动抽拉伸缩杆5在炉体1内伸缩，超声装置13与抽拉伸缩杆5位于炉体1内侧的端部连接，用于对合金铸锭24进行超声波合金组织调控。
46.如此设置，便于灵活调整超声装置13的升降位置，进而实现对合金组织的准确调控。其它组成和连接关系与具体实施方式一相同。
47.结合图3说明，本实施方式的超声装置13包括抽拉架34、换能器30、变幅器31和工具头32，上下超声振动中的换能器中的电线接到接线柱上，且变幅器31内部存在冷却水通道33，换能器30安装在变幅器31的上端，抽拉架34安装在换能器30上，变幅器31的下端安装有工具头32，换能器30产生的超声通过工具头32作用于合金铸锭24。
48.本实施方式的超声装置的频率固定不变为20khz，输出功率为8kw，工作环境相对湿度≤85％，超声波换能器为压电陶瓷型，输出振幅为6-10μm。超声变幅器为铝合金，因考虑到高温合金熔化时温度过高的环境，所以超声工具头的材料选用t8钢制成。
49.具体实施方式三：结合图1说明本实施方式，本实施方式的超声组件a还包括导线和接线柱20，接线柱20安装在炉体1上，导线的一端与接线柱20连接，导线的另一端与超声装置13连接。如此设置，便于为超声装置提供电源。其它组成和连接关系与具体实施方式一或二相同。
50.具体实施方式四：结合图1和图3说明本实施方式，本实施方式的二级感应线圈组
件包括感应线圈电源9、一级感应线圈21、二级感应线圈25、第一接管板29、第二接管板28、进水管27和出水管26，一级感应线圈21套装在保护模套22的外侧，二级感应线圈25套装在一级感应线圈21的外侧中部，感应线圈电源9通过导线分别与一级感应线圈21和二级感应线圈25连接，进水管27和出水管26分别穿过第一接管板29和第二接管板28之后与一级感应线圈21和二级感应线圈25连接，实现对一级感应线圈21和二级感应线圈25的冷却，其中一级感应线圈21和二级感应线圈25的电流方向相反。如此设置，由于现有的一级感应线圈导致铸锭的中部位置温度相比于铸锭上下两端的温度要高，会造成对铸锭加热稳定不均匀，进而导致铸锭的合金组织不均匀，尤其是合金在冷却过程中，铸锭的上下两端先冷却，中部后冷却。本实施方式的一级感应线圈与二级感应线圈的电流相反，而且二级感应线圈是套装在一级感应线圈中部的，以此来降低一级感应线圈中部的温度，进而使得整个铸锭的温度均匀，保证合金熔铸质量。其它组成和连接关系与具体实施方式一、二或三相同。
51.针对不同的高温合金采取不同的陶瓷模壳材料，在氧化钇模壳的周围布满莫来石显微保护套管。在保护套管的周围3cm有7砸紫铜线圈作为一级电磁感应线圈，在一级电磁感应线圈的外部1.5cm有3砸紫铜线圈作为二级电磁感应线圈，线圈内部有冷却水槽，并且与进水管和出水管相连。高频感应线圈与高频感应线圈电源相连。
52.具体实施方式五：结合图1说明本实施方式，本实施方式的还包括多个支撑杆12，多个支撑杆12安装在炉体1的下端面上。如此设置，便于为炉体下部的超声组件a的升降提供足够的空间。其它组成和连接关系与具体实施方式一、二、三或四相同。
53.具体实施方式六：结合图1说明本实施方式，本实施方式的还包括多个连接杆16和多个螺母15，支撑板19通过多个连接杆16水平安装在炉体1内，每个连接杆16的上端通过多个螺母15与支撑板19连接，每个连接杆16的下端通过多个螺母15安装在炉体1上。如此设置，在保护套和高频感应线圈的下面有一个耐火支撑板，用以支撑氧化钇模壳和一级、二级高频感应线圈，支撑板的四周竖直通过螺母固定有4个连接杆，4个连接杆贯穿下面的炉体外壳，并通过螺母将支撑杆固定住。在支撑板的中间位置有一个孔洞，正对着下方的超声波发射装置。其它组成和连接关系与具体实施方式一、二、三、四或五相同。
54.具体实施方式七：结合图1说明本实施方式，本实施方式还包括空气接口16、氩气接口17、压力表座2和压力表3，空气接口16和氩气接口17安装在炉体1的下部侧端面上，并与炉体1的内部连通，压力表3通过压力表座2安装在炉体1的上端面上并对炉体1内的压力进行检测。如此设置，便于对炉体内通入空气和氩气，满足合金熔铸。其它组成和连接关系与具体实施方式一、二、三、四、五或六相同。
55.具体实施方式八：结合图1说明本实施方式，本实施方式的还包括上观察窗7、上观察窗压盖8、下观察窗10和下观察窗压盖11，上观察窗7倾斜安装在炉体1的上端面上，上观察窗压盖8盖装在上观察窗7上，下观察窗10安装在炉体1的侧壁上，下观察窗压盖11盖装在下观察窗10上。如此设置，便于随时观察合金熔铸过程。其它组成和连接关系与具体实施方式一、二、三、四、五、六或七相同。
56.具体实施方式九：结合图1至图3说明本实施方式，本实施方式的制备高温合金的方法，它包括以下步骤：
57.步骤一：首先从合金的母锭上切取一个圆棒型的合金铸锭24，将其装入模壳34之中并封好上盖，在保护模套22与模壳34之间填充莫来石纤维层23；
58.步骤二：调整炉体1的制备环境：
59.步骤二一：将炉体1的炉盖关闭、打开循环水冷却装置，并观察炉体1内是否有渗水的情况；
60.步骤二二：抽真空至-0.1mpa，利用分子泵抽真空，使得炉内气压达到3
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10-3-6
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时，关闭空气接口16，并打开氩气接口17，并向炉体1内通入氩气，其中，所通入的氩气压力为0.075mpa；
61.步骤三：对合金铸锭24的上下两端施加超声波调控合金组织；
62.步骤三一：合上外部电源开关和控制面板的电源开关，并通过上观察窗7和下观察窗10，运用抽拉装置4对上下两个超声装置13离合金铸锭24的距离进行调节；
63.步骤三二：将超声装置13的工具头32作用在模壳34上；
64.步骤三三：当工具头32调整到模壳34上之后，通过超声控制柜对超声振动系统的功率进行调节，超声波的振动功率可调节范围为1500-2000w；
65.步骤三四：通过二级感应线圈组件对合金铸锭24进行加热；
66.通过控制面板对一级感应线圈21进行通电加热，加热时间可调节范围为4-8min，加热功率可调节范围为20-50kw，保温时间可调节范围为3-5min，保温功率为5-15kw，
67.二级感应线圈25的加热功率可调节范围为0-4kw，且均连续可调，摁下启动按钮，启动整个设备，对合金铸锭24进行加热熔炼，待离感应加热时间还剩下30s时，摁下超声装置13启动按钮，使得在合金铸锭24处于过热的状态中施加超声波的作用；
68.步骤四：待保温或加热完成后，通过抽拉装置4将上部和下部的超声装置13抽离模壳34，防止高温对超声装置13的破坏；
69.步骤五：通过上观察窗7和下观察窗10，观察炉体1内的高温合金凝固后的状态，确保冷却凝固过程完成之后，打开炉盖，并取出高温合金成型铸锭，至此，完成了对高温合金的熔铸。
70.具体实施方式十：结合图1说明本实施方式，本实施方式的合金铸锭24的合金成分为nb-16si-20 zr-4cr。其它组成和连接关系与具体实施方式九相同。
71.本实施方式的炉体外壳上有压力表通过压力表座与炉体内部相连，以显示炉体内部气压，两个超声波发射装置分别从上方和下方贯穿进炉体的内部，并从上方和下方对准高温合金铸锭的中心，在炉体上，有上观察窗和下观察窗用来观察超声波工具头与铸锭之间的距离。在炉体的外侧有空气阀与氩气阀，在炉体的后面有抽真空系统。炉体底部四个角的部位焊接四个支撑架，用以支撑柱炉体。感应线圈外连感应线圈电源9。
72.本实施方式中，超声波的振动功率可调节范围为1500-2000w，通过控制面板对一级感应线圈21进行通电加热，加热时间可调节范围4-8min，加热功率可调节范围为20-50kw，保温时间可调节范围为3-5min，保温功率为5-15kw，二级线圈可调节范围0-4kw，且均连续可调，摁下启动按钮，启动整个设备，对合金进行加热熔炼，待离感应加热时间还剩下30s时，摁下超声波发生装置启动按钮，在合金处于过热的状态中施加超声波的作用。
73.本实施方式中高温合铸锭和模壳部位主要包含氧化钇模壳34，七砸紫铜高频电磁感应线圈21、保护模套22、莫来石纤维23、合金铸锭24、支撑板19、进水接板25、出水接板33，高频感应线圈进水管27，高频感应线圈出水管26。氧化钇模壳套住合金铸锭，并放置于保护模套之中，在氧化钇模壳和保护模套的四周填充莫来石纤维，并在保护套周围3cm的地方有
七砸紫铜线圈在一级高频感应线圈外面存在三砸二级感应线圈，通电时通入的电流与一级感应线圈的电流相反，并与进水管和出水管相连，并分别插入到进水接板和出水接板中，耐火材料支撑板主要起到对合金、保护套等起到支撑作用，下方的水冷装置也是防止高温破环支撑板，感应线圈通过电线与感应线圈电源相连。
74.上下两个抽拉伸缩杆5通过密封线圈6、直线轴承14插进炉体之中，并可以通过抽拉装置实现自由的伸缩。支撑板19的四周固定有四个支撑杆16用来支撑合金铸锭和保护套，并且四个支撑杆贯穿支撑板和炉体，且通过螺母15进行固定。
75.结合图3说明，抽拉架34通过螺丝固定在换能器30上，该换能器为压电陶瓷型，换能器的下方连接变幅杆，变幅杆负责将振幅放大，变幅杆采用的材料为铝合金，为防止高温对变幅杆产生损伤，内部具有进出水道33来对变幅杆进行冷却，变幅杆下端连接工具头，考虑到工具头的工作环境温度较高，工具头的材质为t8钢。
76.本发明高频电磁感应线圈和支撑板外壳均为紫铜t2材质。
77.本发明的凝固装置，其通过超声振动装置，通过超声波的声流和空化作用来改善合金的显微组织和性能，并且提高合金的高温力学性比如室温断裂韧性和室温压缩性能。
78.本发明通过对熔化的高温合金同时使用双向超声波振动的作用，在圆柱型试样的上方和下方同时施加超声波的作用，使得合金锭在熔化凝固的过程中的所有区域均受到超声波的作用，使得经过调整后的合金锭的组织更加均匀，同时当两列超声波对射时，会产生干涉作用，相同相位的超声波会在干涉位置相互加强，这将使得在干涉位置，空化效应被加强，进而使得超声波对合金铸锭组织调控性能更加优异，性能更好。
79.本发明通过运用高频感应加热代替电弧加热，可以实现对金属合金铸锭具有保温功能，来调控冷却速度，也可以实现对高温合金铸锭的热处理功能。用线圈感应加热，耗能少，更加环保。
80.本发明通过用氧化钇模壳来代替水冷铜坩埚，可以使超声波直接作用在氧化钇模壳上，无需透过铜坩埚和冷却水，来减少超声波的衰减，使得超声波的功率转换效率提高。
81.本发明的介质材料选择为能承受住高温且与金属间化学性质较为惰性的氧化钇模壳材料。
82.本实施方式通过在合金的熔化和凝固过程中施加不同功率和不同时间和不同距离下作用的超声波，来方便实现研究双向超声波作用对合金微观组织的调控。
83.本实施方式的合金体系涵盖所有高温合金，实例中举出的具体例子的合金成分为nb-16si-20 zr-4cr高温合金。
84.结合图4(a)与图4(b)进行说明，本实施方式的发明效果展示，未利用超声振动所制出的nb-16si-20zr-4cr高温合金的显微组织，结果表明其微观组织，晶粒粗大，且大小不均匀，其初生相nbss过于粗大，对合金的力学性能不利。当利用双向超声振动所制出的高温合金的组织，晶粒较为细小，分布均匀，共晶组织偏多，使得合金的力学性能更加优异。
85.结合图5和图6说明，由于施加双向超声波的作用，使得超声波的空化作用得以加强，并在超声波的调控下，晶粒分布更均匀细小，从而达到了细晶强化的作用，使得室温压缩性能得到了提高，并且性能提高了大约52％左右。并且室温断裂韧性也得到了提高，性能大约提高了大约69％左右。
86.虽然本发明已以较佳实施例揭露如上，然而并非用以限定本发明的，本领域技术
人员还可以在本发明精神内做其他变化，以及应用到本发明未提及的领域中，当然，这些依据本发明精神所做的变化都应包含在本发明所要求保护的范围内。