CN111172381A - 一种利用强空化改变金属材料性能的方法及装置 - Google Patents

Abstract

本发明提供一种利用强空化改变金属材料性能的方法及装置，该方法包括如下步骤：制备介质溶液并将其注入加压舱；将金属材料放置于工装中，并将工装放入加压舱中，关闭加压舱；通过加压系统对加压舱内进行加压，调整静水压力，加压完毕后，调整工装的位置使金属材料位于超声换能器的焦点位置；根据金属材料所要改变区域的大小选择扫描方式，并设置扫描时间；启动超声换能器对金属材料进行超声空化，同时通过高速摄像实时观测超声对金属材料作用的情况，并调整超声换能器的工作频率和驱动功率，使空化达到最好状态。本发明利用超声换能器产生的强空化来改变金属材料性能，是一种以形变诱导相变的方式实现改变金属材料性能的新方法。

Description

一种利用强空化改变金属材料性能的方法及装置

技术领域

本发明涉及金属材料性能改变技术领域，特别是涉及一种利用强空化改变金属材料性能的方法及装置。

背景技术

提升金属材料的性能一直是金属材料领域研究的热点。金属材料的力学性能包括屈服强度、硬度、抗拉强度、拉伸强度、疲劳强度，不同的力学性能对应不同的应用场景。晶粒大小与金属材料的力学性能相关，因此目前研究人员通常利用细化剂诱导相变、应变诱导相变等方法实现改变金属材料的力学性能的目的。细化剂诱导相变是在金属材料的熔炼过程中，通过添加细化剂，实现晶粒细化，进而改变材料的性能；而应变诱导相变是对材料施加压力和温度等，使材料产生塑性形变，进而达到改变材料力学性能的目的。

超声空化效应是在超声波的作用下，空泡生长、压缩、振荡和溃灭的过程，而在空泡溃灭时伴随高温、高压、冲击波和微射流等极端现象。特别是在近固壁处空泡溃灭产生的极端现象，将会作用于材料壁面，如微射流的高速高压冲击、冲击波的冲击、高温作用等，这些极端现象会对材料的力学性能产生影响。因此，在金属制备等方面，超声空化效应可以作为一种形变诱导相变的方法，实现金属材料力学性能的改变。超声空化的产生与空化阈值有关，较之水力空化，超声空化易于控制，通过改变超声声强、超声频率等实现对空泡生长的控制，而空泡溃灭时产生的高温、高压、和微射流速度都与超声的驱动功率和频率有关。利用超声波的可控性，控制空化泡的生长、压缩、振荡和溃灭，实现对上述极端物理现象的控制，从而控制这些极端现象对材料力学性能的改变。因此，利用超声空化泡溃灭产生的极端物理现象改变材料力学性能将是一种有效的方法。

发明内容

鉴于以上所述现有技术的缺点，本发明的目的在于提供一种利用强空化改变金属材料性能的方法及装置，利用超声换能器产生的强空化，以形变诱导相变的方式实现对金属材料性能的改变。

为实现上述目的及其他相关目的，本发明第一方面提供一种利用强空化改变金属材料性能的方法，包括如下步骤：

(1)制备介质溶液并将其注入加压舱，除去超声换能器表面残余的气泡；

(2)将金属材料放置于工装中，并将工装放入加压舱中，关闭加压舱，并注满介质溶液；

(3)通过加压系统对加压舱内进行加压，调整静水压力，加压完毕后，调整工装的位置使金属材料位于超声换能器的焦点位置；

(4)根据金属材料所要改变区域的大小选择扫描方式为点扫描或线扫描，并设置扫描时间；

(5)启动超声换能器输出超声，使焦点位置所产生的空化作用于金属材料，同时通过高速摄像实时观测超声空化对金属材料作用的情况，并根据高速摄像观测到的情况来调整超声换能器的工作频率和驱动功率，使空化达到最好状态。可选地，所述金属材料为块状、丝状或粉末状。

可选地，块状金属材料的厚度为0.5-5mm，优选为1-2mm；丝状金属材料的直径≤5mm，优选为≤1mm；粉末状金属材料的粒度为≤100μm，优选为≤10μm。

可选地，所述焦点的大小为1-3mm，当金属材料所需要改变区域大于或等于焦点时，扫描方式选择线扫描；当金属材料所需要改变区域小于焦点时，扫描方式选择点扫描。聚焦超声焦点较小，可以只在局部小范围作用于金属材料。

可选地，所述金属材料选自钨、金、银、铜、镍、钼、钛、锡、铝、不锈钢或者其合金中的至少一种。

可选地，步骤(3)中，所述超声换能器的静水压力为0.1-10MPa，优选为6-10MPa。

可选地，步骤(4)中，扫描时间为0.1-600s；优选地，当金属材料为块状时，扫描时间为0.1-30s，当金属材料为丝状时，扫描时间为0.1-1s；当金属材料为粉末状时，扫描时间为200-600s。

可选地，步骤(5)中，所述超声换能器的工作频率为20kHz-1MHz，优选为0.6-1MHz；所述超声换能器的驱动功率为500-4000W，优选为1000-4000W。

可选地，所述超声换能器为聚焦超声换能器。

可选地，所述超声换能器聚焦的方式选自透镜式聚焦、壳式聚焦、相控阵聚焦或球形聚焦中的一种；优选地，所述超声换能器聚焦的方式为球形聚焦。

可选地，所述介质溶液为脱气去离子水或其他介质溶液，其他介质溶液可以根据需求自行选择所用溶液，如硅油。

本发明第二方面提供一种采用上述方法改变金属材料性能的装置，包括三维运动单元、加压系统、超声换能器、驱动单元、实时观测单元以及用于固定或盛放金属材料的工装；所述三维运动单元与工装相连接，用于将工装上的金属材料移动至焦点位置；所述加压系统包括加压泵和加压舱，所述加压泵用于对加压舱内进行加压并控制加压舱内的压力值，所述工装和超声换能器设置于加压舱中；所述驱动单元与超声换能器相连接，所述驱动单元为超声波信号的激励装置，用于改变超声波的频率和功率；所述实时观测单元包括高速摄像机和计算机，所述高速摄像机对加压舱中产生的空化泡进行实时监测，所述计算机用于采集高速摄像机监测的空化泡图像。

进一步，所述三维运动单元包括三维丝杆、步进电机和上位机控制机构，所述上位机控制机构用于驱动步进电机，所述步进电机的输出端与三维丝杆相连接，用于驱动三维丝杆运动。

可选地，所述超声换能器为聚焦超声换能器。

进一步，所述工装分为用于固定块状和丝状金属材料的工装和用于盛放粉末状金属材料的工装，所述用于固定块状和丝状金属材料的工装包括两个相对设置的固定架和一个支撑架，支撑架位于两固定架之间，支撑架的两端分别与两固定架相连接，两固定架上均设有两个螺纹孔，螺纹孔中插设有一螺钉，螺钉上套设有一个金属固定片；所述用于盛放粉末状金属材料的工装包括容器及与容器相配合的盖子，所述盖子上设有可与所述三维运动单元相连接的连接杆。本方案中，当金属材料为块状时，采用激光在块状金属材料的四角打孔，然后用金属丝(如钨丝)穿过孔，将金属丝的两端都放在金属固定片下，拧紧螺钉，让金属固定片压住金属丝的端部，块状金属材料的四角通过金属丝拉紧，从而固定在工装上；固定丝状金属材料时，将丝状金属材料的两端分别压在金属固定片下，拧紧螺钉，压住端部，即可将丝状金属材料固定在工装上；当金属材料为粉末状时，将粉末状金属材料放入容器中，然后加入溶液介质(如脱气去离子水)，再将盖子盖在容器上，通过连接杆将工装与三维丝杠相连接。

可选地，所述容器的开口端内壁设有外螺纹，所述盖子的端部设有与外螺纹相配合的内螺纹。

可选地，所述固定架和支撑架均采用金属材料制成，所述金属材料优选为不锈钢材料。

可选地，所述容器和盖子均采用塑料制成，所述塑料优选为聚四氟乙烯。聚四氟乙烯对声场的影响较小，不会破坏声场。

可选地，所述容器的壁厚为0.1-0.2mm，以减小对声场的影响。

如上所述，本发明的利用强空化改变金属材料性能的方法及装置，具有以下有益效果：

本发明利用聚焦超声换能器产生的强空化实现对块状、丝状或粉末状等金属材料性能的改变，通过超声换能器聚焦方式、工作频率、静水压力、驱动功率的选择可以实现空化范围及强度的控制，将不同强度的超声空化效应所产生的微射流、高温和高压等极端物理现象作用于金属材料，实现对金属材料力学性能的可控性改变，为金属材料力学性能的改变提供了一种新方法。

附图说明

图1显示为本发明实施例中使用的装置的结构示意图。

图2显示为本发明实施例中用于固定块状及丝状金属材料的工装的正视图(即高速摄像机观察到的视图方向)。

图3显示为本发明实施例中用于盛放粉末状金属材料的容器的纵向剖视图。

图4显示为本发明实施例1中空化后的块状铜材料表面的扫描电镜图。

图5显示为本发明实施例3中空化后的钨粉的SEM图。

具体实施方式

以下通过特定的具体实例说明本发明的实施方式，本领域技术人员可由本说明书所揭露的内容轻易地了解本发明的其他优点与功效。本发明还可以通过另外不同的具体实施方式加以实施或应用，本说明书中的各项细节也可以基于不同观点与应用，在没有背离本发明的精神下进行各种修饰或改变。

附图标记说明：

运动控制单元1、加压泵2、加压舱3、工装4、换能器焦点5、超声换能器6、驱动单元7、高速摄像机8、计算机9、块状金属材料10、固定架11、支撑架12、钨丝13、螺钉14、金属固定片15、容器16、盖子17、连接杆18。

本发明提供了一种利用强空化改变金属材料性能的方法，具体包括如下步骤：

(1)制备介质溶液(如脱气去离子水或硅油)，并将其注入加压舱3，除去超声换能器6表面残余的气泡。

(2)将金属材料放置于工装4中，并将工装4放入加压舱3中，关闭加压舱3，并注满介质溶液。

(3)通过加压系统对加压舱3内进行加压，调整静水压力(0.1-10MPa)，加压完毕后，调整工装4的位置使金属材料位于超声换能器6的焦点位置。

(4)根据金属材料所要改变区域的大小选择扫描方式为点扫描或线扫描，并设置扫描时间(0.1-600s)。焦点的大小为1-3mm。聚焦超声焦点较小，可以只在局部小范围作用于金属材料，根据金属材料所需要改变的范围大小选择扫描方式，当金属材料所需要改变区域的范围大于或等于焦点时，扫描方式选择线扫描；当金属材料所需要改变区域的范围小于焦点时，扫描方式选择点扫描。

(5)启动超声换能器6输出超声，使焦点位置所产生的空化作用于金属材料，超声输出的同时，给出一个触发信号，对高速摄像进行同步触发，通过高速摄像实时观测超声对金属材料作用的情况，并根据高速摄像观测到的情况来调整超声换能器6的工作频率(20kHz-1MHz)和驱动功率(500-4000W)，使空化达到最好状态。

为了增大超声空化强度，本方法采用改变作用静水压力和提高超声驱动功率的方法。改变静水压力是采用加压系统对加压舱加压的方式来提高空化泡的环境压力，从而提高空化阈值，产生较常压状态更强的强空化，试验时可以根据需求自行选择压力值；提高超声驱动功率可通过调节超声换能器的输出电压来实现，这些方式都可以实现为增大空化强度。

本方法适用于块状、丝状或粉末状的金属材料。金属材料可选自钨、金、银、铜、镍、钼、钛、锡、铝、不锈钢或者其合金中的至少一种。具体的，块状金属材料的大小体积要求(如长宽高的范围)，金属材料的厚度为0.5-5mm，丝状金属材料的直径≤5mm，粉末状金属材料的粒度为≤100μm。

本方法所采用的超声换能器6为聚焦超声换能器，具有聚焦性能好，旁瓣干扰小等优点。超声换能器6聚焦的方式选自透镜式聚焦、壳式聚焦、相控阵聚焦或球形聚焦，可以根据需求选择换能器的聚焦方式，以下实施例中具体采用的超声换能器聚焦的方式为球形聚焦。

本方法所采用的介质溶液为脱气去离子水或其他介质溶液，但不局限于脱气去离子水，其他介质溶液可以根据需求自行选择所用溶液，如硅油。

上述方法所采用的装置如图1所示，该装置包括三维运动单元、加压系统、超声换能器6、驱动单元7、实时观测单元以及用于固定或盛放金属材料的工装4。三维运动单元与工装4相连接，用于将工装4上的金属材料移动至焦点位置；具体的，三维运动单元包括三维丝杆、步进电机和上位机控制机构，上位机控制机构用于驱动步进电机，步进电机的输出端与三维丝杆相连接，用于驱动三维丝杆运动。

加压系统包括加压泵2和加压舱3，加压泵2用于对加压舱3内进行加压并控制加压舱3内的压力值，工装4和超声换能器6设置于加压舱3中，超声换能器6为聚焦超声换能器6。驱动单元7与超声换能器6相连接，驱动单元7为超声波信号的激励装置，用于改变超声波的频率和功率；实时观测单元包括高速摄像机8和计算机9，高速摄像机8对加压舱3中产生的空化泡进行实时监测，计算机9用于采集高速摄像机8监测的空化泡图像。

工装4分为用于固定块状和丝状金属材料的工装4和用于盛放粉末状金属材料的工装4。

如图2所示，用于固定块状和丝状金属材料的工装4包括两个相对设置的固定架11和一个支撑架12，支撑架12位于两固定架11之间，支撑架12的两端分别与两固定架11相连接，其中，固定架11和支撑架12均采用金属材料制成，如不锈钢材料；两固定架11均设有两个上下设置的螺纹孔，螺纹孔中插设有一螺钉14，螺钉上套设有一个金属固定片15。需要固定块状金属材料10时，先用激光在块状金属材料10的四角打穿一个孔，然后将钨丝13(选用钨丝的原因在于：空化会产生较大的力作用于材料，选用强度较低的材料会断裂，没有办法达到夹持的目的)穿过孔，钨丝的两端都放在金属固定片15下，拧紧螺钉14，让金属固定片15压住钨丝13的端部，块状金属材料10的四角通过钨丝13拉紧，从而固定在工装上。由于钨丝使用后会存在折痕，每次需要更换新的钨丝。需要注意的是，块状金属材料10在作用前，需要进行抛光处理。需要固定丝状金属材料时，将丝状金属材料的两端分别压在金属固定片15下，拧紧螺钉14，压住端部，即可将丝状金属材料固定在工装上。

如图3所示，用于盛放粉末状金属材料的工装4包括容器16及与容器16相配合的盖子17，具体的，容器16的开口端内壁设有外螺纹，盖子17的端部设有与外螺纹相配合的内螺纹；盖子17上还设有可与三维运动单元相连接的连接杆18，具体的，连接杆18与盖子17之间为卡接或螺纹连接，连接杆18与三维丝杠之间为螺纹连接。其中，容器16和盖子17均采用塑料制成，如聚四氟乙烯。容器16的壁厚为0.1-0.2mm。使用时，先将粉末状的金属材料放入容器16中，然后加入溶液介质(主要采用脱气去离子水)，再将盖子17盖在容器16上，通过连接杆18将工装4与三维丝杠相连接。

实施例1

采用上述方法和装置，在静水压力10MPa、驱动功率2kW条件下对块状铜材料(厚度为1mm)，采用点扫描作用1s，通过扫描电镜观察，结果如图4所示，可以明显看到铜材料在空化作用过程中产生了熔化再凝固这一过程，这会对金属材料的力学性能进行改善。

实施例2

将钨粉(粒径为2～10微米)放置于图3所示的聚四氟乙烯容器中，并加入脱气去离子水，搅拌混合均匀；采用静水压力10MPa，驱动功率4000W条件对其进行超声作用，扫描方式为点扫描，点扫描单次作用时间为1s，每作一次停顿5s(避免能量沉积，减少对换能器的损害)有效作用时间500s。然后对钨粉进行收集，收集后通过SEM进行观察。结果如图5所示，钨粉的粒径为纳米级。这表明强空化能够将金属粉末材料的粒径从微米级优化到纳米级。

实施例3

丝状金属材料在空化作用下可能会发生断裂，因此，本实施例按照上述方法和装置，采用0.2mm钨丝进行断裂实验，评价了超声换能器的静水压力和扫描时间对丝状金属材料的影响。

当静水压力为10MPa时，钨丝断裂平均时间为0.168s；当静水压力为8MPa时，钨丝断裂平均时间为0.770s；当静水压力为6MPa时，钨丝断裂平均时间为1.175s；当静水压力为6MPa以下时，钨丝断裂时间超过2s或不能使钨丝断裂。因此，为了避免金属丝断裂，最优扫描时间选择0.1-1s；同时，由于静水压力6-10MPa条件下的空化更强，相应产生微射流等效应也更加强烈，可以更加有效地对金属材料进行改性，因此最优静水压力选择6-10MPa，。

实施例4

为了评价超声换能器的驱动功率对金属材料空化实验的影响，本实施例根据上述方法和装置，采用1MHz的聚焦换能器进行空化实验。

当驱动功率低于500W时，不易产生空化；当驱动功率为500-1000W时，能够产生空化但并不是很稳定；当驱动功率为1000W时，空化趋于稳定。上述结果表明，驱动功率的增加会使产生更强的空化，但驱动功率增加到一定值时，由于电压及声强的增大会对超声换能器造成损伤。因此，最优驱动功率选择1000-4000W。

综上所述，本发明利用聚焦超声换能器产生的强空化实现对块状、丝状、粉末状等不同形态的金属材料性能的改变，通过超声换能器聚焦方式、工作频率、静水压力、驱动功率的选择可以实现空化范围及强度的控制，实现对金属材料力学性能的可控性改变，为金属材料力学性能的改变提供了一种新方法。

上述实施例仅例示性说明本发明的原理及其功效，而非用于限制本发明。任何熟悉此技术的人士皆可在不违背本发明的精神及范畴下，对上述实施例进行修饰或改变。因此，举凡所属技术领域中具有通常知识者在未脱离本发明所揭示的精神与技术思想下所完成的一切等效修饰或改变，仍应由本发明的权利要求所涵盖。

Claims (10)

1.一种利用强空化改变金属材料性能的方法，其特征在于，包括如下步骤：

(1)制备介质溶液并将其注入加压舱，除去超声换能器表面残余的气泡；

(2)将金属材料放置于工装中，并将工装放入加压舱中，关闭加压舱；

(3)通过加压系统对加压舱内进行加压，调整静水压力，加压完毕后，调整工装的位置使金属材料位于超声换能器的焦点位置；

(4)根据金属材料所要改变区域的大小选择扫描方式为点扫描或线扫描，并设置扫描时间；

(5)启动超声换能器输出超声，使焦点位置所产生的空化作用于金属材料，同时通过高速摄像实时观测超声空化对金属材料作用的情况，并根据高速摄像观测到的情况来调整超声换能器的工作频率和驱动功率，使空化达到最好状态。

2.根据权利要求1所述的方法，其特征在于：所述金属材料为块状、丝状或粉末状；

和/或，所述金属材料选自钨、金、银、铜、镍、钼、钛、锡、铝、不锈钢或者其合金中的至少一种。

3.根据权利要求1所述的方法，其特征在于：块状金属材料的厚度为0.5-5mm，优选为1-2mm；丝状金属材料的直径≤5mm，优选为≤1mm；粉末状金属材料的粒度为≤100μm，优选为≤10μm；

和/或，所述焦点的大小为1-3mm，当金属材料所需要改变区域大于或等于焦点时，扫描方式选择线扫描；当金属材料所需要改变区域小于焦点时，扫描方式选择点扫描。

4.根据权利要求1所述的方法，其特征在于：步骤(3)中，所述超声换能器的静水压力为0.1-10MPa，优选为6-10MPa；

和/或，步骤(4)中，扫描时间为0.1-600s；优选地，当金属材料为块状时，扫描时间为0.1-30s，当金属材料为丝状时，扫描时间为0.1-1s；当金属材料为粉末状时，扫描时间为200-600s；

和/或，步骤(5)中，所述超声换能器的工作频率为20kHz-1 MHz，优选为0.6-1MHz；

所述超声换能器的驱动功率为500-4000W，优选为1000-4000W。

5.根据权利要求1所述的方法，其特征在于：所述超声换能器为聚焦超声换能器；所述超声换能器聚焦的方式选自透镜式聚焦、壳式聚焦、相控阵聚焦或球形聚焦中的一种；优选地，所述超声换能器聚焦的方式为球形聚焦。

6.根据权利要求1所述的利用强空化改变金属材料性能的方法及装置，其特征在于：所述介质溶液为脱气去离子水或其他介质溶液。

7.一种采用权利要求1-6任一项所述的方法改变金属材料性能的装置，其特征在于：包括三维运动单元、加压系统、超声换能器、驱动单元、实时观测单元以及用于固定或盛放金属材料的工装；所述三维运动单元与工装相连接，用于将工装上的金属材料移动至焦点位置；所述加压系统包括加压泵和加压舱，所述加压泵用于对加压舱内进行加压并控制加压舱内的压力值，所述工装和超声换能器设置于加压舱中；所述驱动单元与超声换能器相连接，所述驱动单元为超声波信号的激励装置，用于改变超声波的频率和功率；所述实时观测单元包括高速摄像机和计算机，所述高速摄像机对加压舱中产生的空化泡进行实时监测，所述计算机用于采集高速摄像机监测的空化泡图像。

8.根据权利要求7所述的装置，其特征在于：所述三维运动单元包括三维丝杆、步进电机和上位机控制机构，所述上位机控制机构用于驱动步进电机，所述步进电机的输出端与三维丝杆相连接，用于驱动三维丝杆运动。

9.根据权利要求7所述的装置，其特征在于：所述工装分为用于固定块状和丝状金属材料的工装和用于盛放粉末状金属材料的工装，所述用于固定块状和丝状金属材料的工装包括两个相对设置的固定架和一个支撑架，支撑架位于两固定架之间，支撑架的两端分别与两固定架相连接，两固定架上均设有两个螺纹孔，螺纹孔中插设有一螺钉，螺钉上套设有一个金属固定片；所述用于盛放粉末状金属材料的工装包括容器及与容器相配合的盖子，所述盖子上设有可与所述三维运动单元相连接的连接杆。

10.根据权利要求9所述的装置，其特征在于：所述容器的开口端内壁设有外螺纹，所述盖子的端部设有与外螺纹相配合的内螺纹；

和/或，所述固定架和支撑架均采用金属材料制成，所述金属材料优选为不锈钢材料；

和/或，所述容器和盖子均采用塑料制成，所述塑料优选为聚四氟乙烯；

和/或，所述容器的壁厚为0.1-0.2mm。

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