CN101658921A - 一种金属悬浮液超声场强耦合悬浮驱动装置及其使用方法 - Google Patents

Abstract

一种金属悬浮液超声场强耦合悬浮驱动装置及其使用方法，装置包括上超声波发生器、上超声波换能器、上变幅杆、上耦合辐射块、铸模、保温炉、超声波发生器、下超声波换能器、下变幅杆和下耦合辐射块；上变幅杆和下变幅杆外分别套有上水冷套和下水冷套。使用方法为：将金属熔液置于铸模内，金属熔液的液面与上耦合辐射块的底端面位于同一水平面上；通过上耦合辐射块和下耦合辐射块将超声波能量耦合到金属熔液中；同时向上水冷套和下水冷套内通水。本发明可实现铝金属材料合金化和复合材料制备过程的一体化与连续化，是一种高效、节能、环保和低成本的高性能材料制备技术。

Description

一种金属悬浮液超声场强耦合悬浮驱动装置及其使用方法

技术领域

本发明涉及金属材料合金化和复合材料的制备装置及其使用方法，特别涉及一种金属悬浮液超声场强耦合悬浮驱动装置及其使用方法。

背景技术

虽然纯金属在工业上获得了一定的应用，但由于其性能的局限性，不能满足各种应用场合的要求，合金化是改善和提高其性能的主要途径；金属基复合材料综合了增强相高硬度、高弹性模量、优良的热稳定性和基体高韧性、塑性、良好的导热性与导电性，是一种非常重要的工程结构材料。

金属材料合金化的主要方法有：合金组元直接加入法、中间合金加入法、合金添加剂法、反应合成法。在合金组元直接加入法和中间合金的制备过程中，对于熔点较高的合金元素，存在合金化时间长，熔体烧损等问题，当合金组元的密度相对较小时，特别合金组元与金属液体润湿性差时，由于存在上浮和界面润湿等问题，使合金化过程难以进行，合金组元的收得率低，合金元素的含量不易控制；合金添加剂法是通过添加剂与金属液体的反应还原出合金元素的，故不可避免的存在其它的反应产物，造成金属液体污染，降低了合金质量。

金属基复合材料制备的主要方法有：铸造法和粉末冶金法，制备过程往往需要高温、高压条件，这些条件是制造成本较高的主要原因，同时，容易造成界面过度反应，产生界面脆性层，并存在增强体集聚和沉淀现象，降低了界面相容性和变形协调性，弱化了增强体的强化效应。

金属悬浮液是指金属液相与异相(固相和液相)物质的混合液体，它是金属材料液/液和液/固合成过程中一种常见的反应体系，该反应体系可用于金属材料的合金化和复合材料的制备过程。

在金属悬浮液反应体系中，存在液/液和液/固反应界面，根据反应的微观机制与动力学分析，界面润湿和物相传质是界面反应与界面更新的前提，是反应过程能持续进行的必要条件，更是金属材料制备过程中的本质问题。例如：在难熔元素C与Al的合金化过程中，受界面处物相传质的限制，存在制备温度高，反应时间长，过程难以控制和成本高等问题；而在复合材料的制备过程中，由于增强相与基体之间的物理、化学性能差别很大，且其尺寸细小具有较大的比表面能，以及普遍存在的增强相与基体金属熔液的润湿性与相容性问题，故易发生沉降和聚集现象，难于实现增强相与液相的界面结合与分散，因而弱化了增强相的强化效应，成为该种材料走向实用化的严重障碍。因此，在金属悬浮液反应体系中，如何提高界面润湿性，以及促进界面物质驱动效应，是这类材料制备过程必须解决的关键技术问题。

环境污染、能源与资源短缺已成为人类所共同面临的重大问题，现代科学技术的发展不仅对材料性能的要求越来越高，而且对其制备过程的环保要求也日趋严格，材料制备技术正朝着高效、环保的方向发展。基于上述发展思路，外场处理技术已成为材料制备过程和提高材料性能的重要工艺手段之一，并成为材料科学领域中的前沿技术。

当金属熔液耦合超声波场的能量时，其超声空化效应(acoustic cavitation)与超声声流(acoustic streaming)作用，能改变金属熔液的扩散和传质行为，并伴随有分散、除气、润湿、乳化和空蚀等物理化学现象；超声波在铝液中传播时其声能的吸收衰减较小，因而，超声波可用于铝金属材料的合金化过程和复合材料的制备过程，同时，超声处理对金属熔液具有净化、除气和组织细化作用。因此，利用超声场强耦合的能量，既可以实现界面润湿和物相驱动，有效提高材料制备的效率，还可以进一步提高材料性能，并具有无污染和环保的优点。

在金属材料的合金化和复合材料的制备过程，超声场耦合处理的主要机制是：空化效应、声流作用和非线性效应。超声空化过程的压力波动和热扰动，能改善金属熔液/第二相间的润湿性，提高反应活性，有利于金属熔液的异质形核，同时，声流作用使生长中的晶粒破碎成细小的晶粒组织，并能够有效地抑制枝晶的生长，使金属熔液凝固形成细小的等轴晶组织；而超声波的非线形效应，使悬浮相产生受声辐射力驱动，能更新反应界面，加速反应过程。因此，如何将高能超声场耦合到金属熔液中，产生较强的空化效应和声流作用，并在金属熔液中形成稳定声场，通过超声波的非线形效应，驱动反应物传质，这些问题是金属悬浮液超声场耦合方法的技术关键。

目前的金属悬浮液超声场耦合方法，通常采用超声波发生器和耦合辐射块，直接向金属液体耦合超声场波能量，通过发射板形成二次声波，并与一次声波叠加形成静态的驻波场，依靠声压差驱动悬浮相使其在静态的声压波节处聚集，但由于驻波场呈静止状态，存在反应界面更新强度低，面反应活性不高的问题，同时，也难于实现反应过程的连续化。

发明内容

针对以上技术问题，本发明提供一种金属悬浮液超声场强耦合悬浮驱动装置及其使用方法。

本发明的金属悬浮液超声场强耦合悬浮驱动装置包括上超声波发生器、上超声波换能器、上变幅杆、上耦合辐射块、下超声波发生器、下超声波换能器、下变幅杆、下耦合辐射块、铸模和保温炉；上超声波发生器通过导线连接上超声波换能器，上超声波换能器、上变幅杆和上耦合辐射块按顺讯依次装配在一起；下超声波发生器通过导线连接下超声波换能器，下超声波换能器、下变幅杆和下耦合辐射块按顺序依次装配在一起；上耦合辐射块位于铸模内部，铸模的底部设有底孔，下耦合辐射块位于铸模底部的底孔内部，且下耦合辐射块的顶面与铸模内底面处于同一水平面；保温炉套在铸模外；上变幅杆和下变幅杆外分别套有上水冷套和下水冷套。上耦合辐射块和下耦合辐射块之间的距离为λ/2的正整数倍，λ为上超声波发生器和下超声波发生器公称频率下所发射的超声波波长。

上超声波发生器和下超声波发生器均为他激式超声波发生器，谐振频率为16～100KHz。

上耦合辐射块和下耦合辐射块呈轴对称形状布置，且两者的对称轴与水平面垂直，上耦合辐射块和下耦合辐射块的轴线为同一轴线。

上述保温炉上设有气体入口。铸模内设有喂料管，喂料管将铸模内部和保温炉外部连通。

本发明的金属悬浮液超声场强耦合悬浮驱动装置的使用方法按以下步骤进行：

1、采用上述装置，将金属熔液置于铸模内，金属熔液的液面与上耦合辐射块的底端面位于同一水平面上。

2、制备金属复合材料或进行合金化反应时，通过上超声波发生器和下超声波发生器分别向上超声波换能器和下超声波换能器提供超声波电能，上超声波换能器和下超声波换能器分别向上变幅杆和下变幅杆发射超声波声能，超声波通过上变幅杆和下变幅杆进行振幅放大后，再通过上耦合辐射块和下耦合辐射块将超声波能量耦合到金属熔液中，变幅杆的变幅比为5～10∶1，通过上功率调节器和下功率调节器分别控制上耦合辐射块和下耦合辐射块的振动声强；同时向上水冷套和下水冷套内通水，控制上变幅杆和下变幅杆的表面温度为30～80℃；上超声波发生器和下超声波发生器(上耦合辐射块和下耦合辐射块)所发射的声波的频率差值Δf在0～0.1Hz之间，即0＜Δf＜0.1Hz。由上耦合辐射块产生的一次声波与下辐射块产生的二次声波叠加形成驻波，使金属熔液处于谐振状态，由上、下超声波发生器(上耦合辐射块和下耦合辐射块)发射的差频超声波在金属熔液中形成的移动驻波，使超声驻波节点位置在金属熔液中以速度u移动，并且u＝λΔf。上耦合辐射块和下耦合辐射块发射的声强在所处理的金属熔液空化时的声强阈值的150～200％条件下保持20～30min，然后将声强降低至所处理金属熔液空化时声强阈值的80～90％，保持20～30min。

本发明的装置及方法利用超声场强耦合下悬浮相的润湿与驱动现象，该现象与超声在金属悬浮液中的传播及干涉有关，如果悬浮相颗粒简化成为厚度为d，悬浮相的密度为ρ₁，声波在悬浮相内部的传输速度为c₁，液体介质的密度为ρ₂，声波在液体介质内的传输速度为c₂，特征阻抗为R₁＝ρ₁c₁的中间层介质(悬浮相)置于特征阻抗为R₂＝ρ₂c₂的液体介质中，一次声波由上方向下方发射，二次声波由下方向上方发射；并设一次声波和二次声波以平面波形式垂直入射到中间介质层(悬浮相)上，一次声波的声压为方程为：

式中：P_ia为一次声波声压振幅，x为距离原点的长度，ω为声波的角速度，t为声波传播的时间；上述的原点为声波与悬浮相开始接触时的点，此时x＝0，原点所在的与声波传播方向垂直的面为第一界面；x＝d时声波从悬浮相离开，声波从悬浮相离开时的点为d点，d点所在的与声波传播方向垂直的面为第二界面；则P_i经中间介质层上层反射后的声压方程为：

根据平面声波的声压与声速关系，以及第一界面、第二界面的声压连续条件，可以计算出透射波声压P_t在x＝d处(第一界面)的声压与一次声波在x＝0处(第二界面)的声压P_i之比为：

$\left|\frac{P_t}{P_i}\right|=2{[4{\cos }^2\left(\frac{2\mathrm{\π}}{{\mathrm{\λ}}_2}d\right)+{(R_{12}+R_{21})}^2{\sin }^2\left(\frac{2\mathrm{\π}}{{\mathrm{\λ}}_2}d\right)]}^{-1/2}---\left(3\right)$

式中：R₁₂＝R₂/R₁和R₂₁＝R₁/R₂；R₁为悬浮相的特征阻抗，R₂为液体介质的特征阻抗。

由于悬浮相颗粒的平均直径d通常小于250μm，对于频率为16KHz～100KHz的发生波在液体介质内传播时的波长λ₂为42mm～262mm，2πd/λ₂＝3.6×10-2～6.1×10-3＜＜1，所以，Pt≈Pi。

因此，在一次声波作用下，中间介质层上层、中间介质层下层处的声压差ΔP₁为：

同样，当二次声波，也会在第一界面和第二界面存在声压差ΔP₂。

因此，悬浮相在一次声波和二次声波场中，所受到的综合声压差为：

$\mathrm{\ΔP}={\mathrm{\ΔP}}_1-{\mathrm{\ΔP}}_2$

由于R₂＞R₁，所以，只要悬浮相不在声压波形的节点处或波腹处，在声压差ΔP的作用下，悬浮相受到指向波节的作用力，当超声辐射力能克服悬浮相颗粒由于密度差而引起的有效重力、金属熔液的粘滞阻力时，最终使悬浮相在声压波节处聚集。

如此可见，悬浮相的驱动效应产生于稳定的驻波场中，同时，还应该具有较强的声场强度，以便使悬浮相产生较大的声辐射力，然而，当声强较大时，悬浮液中的稳定驻波场受到破坏，其超声悬浮的驱动效应被打破，也不能在金属熔液中悬浮，表明悬浮相明显受超声功率的影响。这是因为悬浮是高能超声作用下的一种非线性效应，其基本原理是超声驻波与物体间的相互作用，物体受到指向波节(或波腹)的声辐射力作用，使物体稳定于超声波波节(或波腹)处，从而呈现一种声悬浮状态。所以，只有在金属熔液中形成稳定的驻波时，悬浮相才能出现悬浮现象，然而，当声强较大时，驻波的谐波分量降低，使悬浮相的悬浮稳定性降低，同时，强超声耦合的声流效应，使金属熔液出现环流现象，同样会影响悬浮相超声悬浮的稳定性。对此，给出了悬浮时声强的上限值为：金属熔液中产生空化效应的阈值声强，由于阈值声强受金属熔液温度、粘度、含气量等诸多因素的影响，对此，该值的获取采用合金性能检测的方法，即根据合金力学性能σb-声强曲线突变拐点所对应的声强值作为阈值。

差频的应用使悬浮相产生移动效应，对于密度小于金属熔液的悬浮相，当上耦合辐射块与下耦合辐射块的频率差Δf为正时，可以有效阻止悬浮相的上浮，而对于密度大于金属熔液的悬浮相，当上耦合辐射块与下耦合辐射块的频率差Δf为负时，可以有效阻止悬浮相的下沉。同时，差频的移动效应还会使悬浮相随波节或波腹的移动而移动，从而为连续加料进行合金反应提供条件。

为达到良好的润湿和驱动效应，并适宜工业上应用，超声场耦合工艺过程如下：首先采用强超声耦合，促进金属熔液有效润湿颗粒，并使悬浮相颗粒在金属熔液中均匀分布，然后调整工艺参数，在金属熔液中产生稳定的驻波声场，利用差频声波辐射力对悬浮相的驱动效应，使增强相颗粒偏聚到金属熔液中心部位，为反应的进行提供了有利的界面条件，增强了其反应活性，促进合金化反应，同时，利用超声的热扰动效应，能激活悬浮相粒子的形核活性，从而提高增强相粒子与基体金属的润湿性和界面相容性。

本发明的金属悬浮液超声场强耦合悬浮驱动装置及其方法运用声学、多相流体力学以及反应工程学的理论，突破传统的材料合成技术方法，提出了一种用于铝金属悬浮液的超声场强耦合装置，以及悬浮相的润湿与驱动方法，综合了超声空化、声流和非线性效应的优势，同时，差频耦合的应用，使悬浮相产生连续移动，能有效更新反应界面，提高反应活性，并可实现铝金属材料合金化和复合材料制备过程的一体化与连续化，本发明是一种高效、节能、环保和低成本的高性能材料制备技术。

附图说明

图1为本发明实施例1中的金属悬浮液超声场强耦合悬浮驱动装置结构示意图，图中1、上功率调节器，2、上超声波发生器，3、上超声波换能器，4、上水冷套，5、上变幅杆，6、气体入口，7、喂料管，8、上耦合辐射块，9、保温炉，10、合金溶液，11、铸模，12、下耦合辐射块，13、下变幅杆，14、下水冷套，15、下超声波换能器，16、下超声波发生器，17、下功率调节器。

图2为本发明的金属悬浮液超声场强耦合悬浮驱动方法原理示意图，图中a、波腹，b、中间介质，c、波节，d、中间介质的厚度，e、一次声波发射方向，f、二次声波发射方向，g、一次声波经第一界面反射后的声压，h、一次声波的声压，i、一次声波的透射声压，j、第一界面，k、第二界面，l、液体介质。

图3为本发明实施例1中制备的Al5Ti0.25C合金电子显微照片图，图中A为TiAl₃，B为碳粉末。

图4为无超声场强耦合处理，水冷铸模冷却制备的硅铝合金电子显微照片图，图中C为硅相，D为α(Al)。

图5为本发明实施例2中制备的Al-12Si近共晶合金电子显微照片图，图中E为α(Al)与硅润湿区。

具体实施方式

本发明实施例中采用的超声波发生器是他激式超声波发生器，末级采用功率模块开关电源式功率放大器，其前置控制采用模拟式PWM脉宽调制方式，频率和功率连续可调，最大电功率500W，系统的电声效率为75％，谐振频率为16～100KHz。

本发明实施例中采用的功率调节器采用电压调功方法，电功率调节范围为100～1000W。

本发明实施例中采用的超声波换能器谐振频率的公称值为20KHz，连续工作的电功率值为400W。

本发明实施例中采用的上、下耦合辐射块为圆柱形，直径Φ为100mm，高度为30mm。

本发明实施例中采用的铸模为圆筒状，内壁高度为200mm，内壁直径Φ为100mm，底部设有圆孔，圆孔与下耦合辐射块采用D8/d8间隙配合。

本发明实施例中采用的变幅杆的变幅比为为5∶1。

实施例1

金属悬浮液超声场强耦合悬浮驱动装置结构如图1所示，上功率调节器1与上超声波发生器2通过导线连接，上超声波发生器2与上超声波换能器3通过导线连接，上超声波换能器3与上变幅杆5装配在一起，上变幅杆5与上耦合辐射块8装配在一起；下功率调节器17与下超声波发生器16通过导线连接，下超声波发生器16与下超声波换能器15通过导线连接，下超声波换能器15与下变幅杆13装配在一起，下变幅杆13与下耦合辐射块12装配在一起；上变幅杆5的上端套有上水冷套4，下变幅杆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的下端分别连接上超声波换能器3和下超声波换能器15。

上耦合辐射块8位于铸模11内部，铸模11的底部设有圆形底孔，下耦合辐射块12位于铸模11底部的底孔内部，且下耦合辐射块12的顶面与铸模11内底面处于同一水平面，下耦合辐射块12的外径等于铸模11底孔的内径；保温炉9套在铸模外，保温炉9上部设有气体入口6，气体入口6与铸模11内部连通。铸模11内设有喂料管7，喂料管7将铸模11内部和保温炉9外部连通。

上耦合辐射块8和下耦合辐射块12为Ti-6Al-4V合金材质的圆柱体，且两者的对称轴与水平面垂直，上耦合辐射块和下耦合辐射块的轴线为同一轴线。

上超声波发生器和下超声波发生器所发射的超声波波长λ为210mm，上耦合辐射块和下耦合辐射块之间的距离为λ/2的正整数倍。

采用上述装置，通过铝热反应法制备Al-Ti合金熔液：在通入保护气体条件下将工业纯铝置于铸模中加热到760℃，加入K₂TiF₆并搅拌均匀，加入完成后保温20min，制备成Al-Ti合金熔液，其中保护气体的流量为2～2.5l/min，保护气体为氢气和氩气的混合气体，其中氢气和氩气的体积比为1∶5。合金溶液中Ti的重量含量为5％。并且合金熔液的液面与上耦合辐射块的底端面位于同一水平面上，同时上耦合辐射块和下耦合辐射块之间的距离为λ/2的正整数倍。

分别进行3次平行实验：将合金熔液升温到800～830℃；通过上超声波发生器和下超声波发生器分别向上超声波换能器和下超声波换能器提供超声波电能，上超声波换能器和下超声波换能器分别向上变幅杆和下变幅杆发射超声波声能，超声波通过上变幅杆和下变幅杆进行振幅放大后，分别通过上耦合辐射块和下耦合辐射块将超声波能量耦合到金属熔液中，通过上功率调节器和下功率调节器分别控制上耦合辐射块和下耦合辐射块的振动声强；同时向上水冷套和下水冷套内通水，控制上变幅杆和下变幅杆的表面温度为30～80℃；上超声波发生器所发射的声波的频率为20kHz，下超声波发生器发射的声波频率小于上超声波发生器的频率，两者的频率差值Δf为0.09kHz。由上耦合辐射块产生的一次声波与下辐射块产生的二次声波叠加形成驻波，使合金熔液处于谐振状态，由上、下超声波发生器发射的差频超声波在合金熔液中形成移动驻波，使超声驻波节点位置在合金熔液中以速度u移动，u＝λΔf＝10.5mm/s。上耦合辐射块和下耦合辐射块发射的超声波声强为Al-Ti合金熔液空化时声强阈值的150～200％，Al-Ti合金熔液空化时的声强阈值根据合金力学性能σb-声强曲线突变拐点所对应的声强值确定。

将碳粉在800℃条件下活化处理1h，然后通过喂料管加入到合金熔液中，加入量为合金溶液总重量的0.375％，保持超声耦合时间分别为20、25和30min，促进合金熔液有效润湿碳粉末，使碳粉末在合金熔液中均匀分布，并使TiAl₃溶解。将声强密度降低至所处理的金属熔液空化时声强阈值的80～90％，同时调节保护气体的流量为2～2.5l/min，并且保护气体中氢气和氩气的体积比为1∶9，分别保持20、25和30min。金属熔液中的稳定驻波使碳粉出现悬浮现象，并使溶解的Ti原子环绕在C粉周围，在碳粉界面上发生反应生成TiC，其反应式为：Ti+C＝TiC。其中碳粉的平均粒径为22μm。其工作原理如图2所示。

待反应完成后，将超声波电源关闭，停止发射超声波，同时吹Ar气冷却金属熔液，流量为50l/min，合金液体凝固后制成中间合金铸锭，即Al5Ti0.25C合金铸锭。

采用上述方法制备的Al5Ti0.25C合金电子显微照片如图3所示，由于C与Al液体的润湿性差，Al液体中C的溶解度极小，C粉末之间易产生氢键而聚集成团，Al液体很难深入C粉末团内部进行反应，而Al液体表面的氧化膜也阻碍了反应的进行。因此，C粉末与Al-Ti合金液体间几乎不能发生TiC合成反应。在超声场耦合下，在C粉末区域周围富集了大量的TiAl₃粒子，表明超声场耦合具有悬浮效应，不仅使C出现集聚，同时，使Al液体中的TiAl₃粒子也出现了集聚现象。这是由于在超声驻波场中的波节处为低压区，即Al-Ti合金液体中存在声压梯度，TiAl₃粒子两侧存在压力差，因为TiAl₃粒子与Al液体的声对比因子系数大于0，使TiAl₃粒子受到指向波节的声辐射力作用，从而，使TiAl₃粒子出现向C粉末区域集聚的现象，这种组织特征为TiC的形成提供了有利的界面条件。

实施例2

采用的金属悬浮液超声场强耦合悬浮驱动装置同实施例1。

采用Al-20Si中间合金进行制备高性能Al-12Si合金的3次平行实验：将Al-20Si合金置于铸模中，在通入保护气体条件下，加热至温度为760℃成为合金熔液，然后加入Al进行反应，反应时间分别为20、22和25min，Al的加入量为Al-20Si中间合金总重量的150％；保护气体的流量分别控制在2、2.4和2.5l/min，保护气体为氢气和氩气的混合物，氢气和氩气的体积比分贝为1∶5、1∶4和1∶6。

然后采用实施例1所述的方式对合金熔液发射超声波进行超声场耦合，上超声波发生器发射声波的频率为20kHz，下超声波发生器发射声波的频率小于上超声波发生器发射声波的频率，两者的频率差值Δf为0.01kHz。由上、下超声波发生器发射的差频超声波在合金熔液中形成移动驻波，使超声驻波节点位置在合金熔液中以速度u移动，u＝λΔf＝2.1mm/s。上耦合辐射块和下耦合辐射块发射的超声波声强为Al-20Si合金熔液空化时的声强阈值的150～200％，Al-20Si合金熔液空化时的声强阈值根据合金力学性能σb-声强曲线突变拐点所对应的声强值确定，超声波发射时间分别为20、28和30min；然后将声强密度降低至所处理的合金熔液空化时的声强阈值的80～90％，分别保持20、28和30min。反应完成后保持超声场耦合，从气体入口的保护气体为流量50l/min的氩气，将金属熔液凝固制备成铸锭，即具有良好组织性能的Al-12Si合金。

图4为无超声场耦合时，采用水冷铸模冷却的近共晶Al-12Si合金凝固组织，其组织特点是：由于冷却速度大，尽管α(Al)向球化方向发展，但是，Si相仍为针片状，并分布在α(Al)晶界区域，表明α(Al)没有与Si良好的润湿，该组织形态严重降低了合金的力学性能。图5为超声场耦合时的Al-12Si近共晶合金凝固组织，与图4组织存在明显差异，主要表现在：超声场耦合处理的Si相更加细小，同时，Si相分布在α(Al)晶粒内部，表明超声场耦合处理时，能有效细化Si相的同时，还能促进α(Al)与Si相的润湿与形核，从而有效提高了Si相与Al基体的界面相容相，使Al-12Si合金的力学性能明显提高。

在共晶转变时，具有小平面的相(如Si)往往都会领先长大，而具有非小平面特性的金属相(如铝)则会随着领先相生长，一般的凝固条件下领先相的长大范围取决于第二相沿领先相形核的难易程度，在无超声场耦合处理时，水冷铸模冷却的凝固组织，其组织特点是：Si相分布在α(Al)晶界区域，而在超声场耦合处理时，由于改善了Al液体对Si粒子相的润湿性，有利于α(Al)依附于Si相长大，故表现Si相主要分布在α(Al)晶粒内，并使α(Al)组织明显细化。

Claims (4)

1、一种金属悬浮液超声场强耦合悬浮驱动装置，包括上超声波发生器、上超声波换能器、上变幅杆、上耦合辐射块、铸模和保温炉；上超声波发生器通过导线连接上超声波换能器，上超声波换能器、上变幅杆和上耦合辐射块按顺序依次装配在一起；上耦合辐射块位于铸模内部；其特征在于该装置还包括下超声波发生器、下超声波换能器、下变幅杆和下耦合辐射块；下超声波发生器通过导线连接下超声波换能器，下超声波换能器、下变幅杆和下耦合辐射块按顺序依次装配在一起；铸模的底部设有底孔，下耦合辐射块位于铸模底部的底孔内部，且下耦合辐射块的顶面与铸模内底面处于同一水平面；保温炉套在铸模外；上变幅杆和下变幅杆外分别套有上水冷套和下水冷套；上耦合辐射块和下耦合辐射块之间的距离为λ/2的正整数倍，λ为上超声波发生器和下超声波发生器所发射的超声波波长。

2、根据权利要求1所述的一种金属悬浮液超声场强耦合悬浮驱动装置，其特征在于所述的上超声波发生器和下超声波发生器均为他激式超声波发生器，谐振频率为16～100KHz。

3、根据权利要求1所述的一种金属悬浮液超声场强耦合悬浮驱动装置，其特征在于所述的上耦合辐射块和下耦合辐射块呈轴对称形状装配，且两者的对称轴与水平面垂直，上耦合辐射块和下耦合辐射块的轴线为同一轴线。

4、一种权利要求1所述的装置的使用方法，其特征在于按以下步骤进行：(1)将金属熔液置于铸模内，金属熔液的液面与上耦合辐射块的底端面位于同一水平面上；(2)制备金属复合材料或进行合金化反应时，通过上超声波发生器和下超声波发生器分别向上超声波换能器和下超声波换能器提供超声波电能，上超声波换能器和下超声波换能器分别向上变幅杆和下变幅杆发射超声波声能，超声波通过上变幅杆和下变幅杆进行振幅放大后，再通过上耦合辐射块和下耦合辐射块将超声波能量耦合到金属熔液中；同时向上水冷套和下水冷套内通水，控制上变幅杆和下变幅杆的表面温度为30～80℃；上超声波发生器和下超声波发生器所发射的声波的频率差值Δf在0～0.1Hz之间，上耦合辐射块和下耦合辐射块发射的超声波的声强密度为所处理合金熔液空化时声强阈值的150～200％条件下保持20～30min，然后将声强密度降低至所处理的合金熔液空化时声强阈值的80～90％，保持20～30min。

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