CN113999980A - 一种稀土镁合金的制备装置及制备方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开一种稀土镁合金的制备装置，其包括机台；加热炉，与所述机台连接；坩埚，是位于所述加热炉内；以及超声组件，包括：超声控制器，多个换能器，与所述超声控制器电性连接；浸入式变幅杆，与所述换能器连接，且所述浸入式超声杆的端部是位于所述坩埚内；导入式变幅杆，与所述换能器连接，且所述导入式变幅杆是位于所述坩埚外侧；其中，所述导入式变幅杆与所述浸入式变幅杆之间是对立设置。本发明可有效改善镁合金稀土等高比重组元易沉降、稀土相在晶界易富集等问题。

Description

一种稀土镁合金的制备装置及制备方法

技术领域

本发明属于稀土镁合金铸造成型领域，特别是涉及一种稀土镁合金的制备装置及制备方法。

背景技术

稀土镁合金在冶金制备过程中存在溶质分布不均匀、高比重组元易沉降、稀土相粗大且易于晶界富集等问题，大大降低镁稀土合金铸件的均质化程度和服役可靠性。

超声振动是一种简单高效、低成本、无污染的先进熔体处理技术，能够有效细化镁合金中的二次相。但就目前而言，传统的单源浸入式超声法存在能量衰减快、流动水平低、作用范围小的局限性，无法有效解决稀土镁合金在熔铸过程中存在的上述问题。

发明内容

本发明的目的在于提供一种稀土镁合金的熔体处理装置以及一种稀土镁合金的制备方法，通过对稀土镁合金熔体施加浸入式高能超声振动和导入式高能超声振动，以解决稀土镁合金高比重组元易沉降、稀土相粗大且易于晶界富集等问题。

为解决上述技术问题，本发明是通过以下技术方案实现的：

本发明提供一种镁合金的制备装置，其包括：

机台；

加热炉，与所述机台连接；

坩埚，是位于所述加热炉内；以及

超声组件，包括：

超声控制器，

多个换能器，与所述超声控制器电性连接；

浸入式变幅杆，与所述换能器连接，且所述浸入式超声杆的端部是位于所述坩埚内；

导入式变幅杆，与所述换能器连接，且所述导入式变幅杆是位于所述坩埚外侧；

其中，所述导入式变幅杆与所述浸入式变幅杆之间是对立设置。

在本发明的一个实施例中，所述浸入式变幅杆的端面直径尺寸与所述坩埚的直径尺寸之间的比例是位于1/3～1/2之间。

在本发明的一个实施例中，所述导入式变幅杆的端面直径尺寸与所述坩埚的直径尺寸之间的比例是位于1/3～1/2之间。

在本发明的一个实施例中，还包括升降组件，其中所述升降组件上连接有所述换能器。

在本发明的一个实施例中，所述加热炉包括：

保温电阻炉，与所述升降组件连接；以及

电阻炉控制箱，与所述保温电阻炉之间是电性连接。

在本发明的一个实施例中，还包括温控组件，所述温控组件包括：

热电偶，是位于所述坩埚内；以及

热分析数据采集系统，与所述热电偶电性连接。

本发明还提供一种稀土镁合金的制备方法，其包括：

将熔体状态的稀土合金原料置于坩埚内；

预热浸入式变幅杆、导入式变幅杆以及坩埚，其中所述预热的温度是位于所述熔体的液相线以下50～100℃之间；

将所述浸入式变幅杆置于所述坩埚内，所述导入式变幅杆置于所述坩埚的外侧，其中所述浸入式变幅杆的端部是位于所述熔体的液面以下10～20mm之间；

当所述坩埚内熔体的温度是位于所述液相线以上20～50℃之间时，同时驱动所述浸入式变幅杆和所述导入式变幅杆进行超声振动，且在施振过程中全程通入保护气体；

当所述熔体的温度是位于所述液相线-10～10℃之间时，停止施振并除去所述坩埚内熔体表面的熔渣。

在本发明的一个实施例中，所述浸入式变幅杆和导入式变幅杆的超声振动参数包括：超声频率为20～80KHz，超声功率为0～3000W，超声时间为1～10min。

在本发明的一个实施例中，所述浸入式变幅杆和所述导入式变幅杆的振动方式包括同时超声振动和交替超声振动。

在本发明的一个实施例中，当所述浸入式变幅杆和所述导入式变幅杆之间是采用交替超声振动时，在每个交替超声振动的振动周期内，浸入式变幅杆超声振动的单次作用时间为1～60s，所述浸入式变幅杆与所述导入式变幅杆超声振动的交替时间比为1/10～10。

本发明在稀土镁合金熔融过程中将直接浸入式和间接导入式超声进行组合，利用两种不同形态超声场，使得稀土镁合金的熔体内部呈现“全覆盖、多循环、低衰减”的流动特点，显著提升稀土镁合金的熔体内部空化效果和流动水平，从而实现高性能镁合金材料的短流程、高品质、低成本制备。

稀土镁合金在经组源超声辅助处理后，稀土镁合金铸锭均质化和纯净化程度明显提升，合金组织形成的准晶等稀土相体积分数升高，其形貌由常规超声铸造时的粗大网状或花瓣状转变为细小的短棒状或颗粒状，分布更为均匀且部分相向晶内弥散分布，进而充分发挥稀土相对镁基体的增强效果，达到同时提升了合金的强度与韧性的目的。

当然，实施本发明的任一产品并不一定需要同时达到以上所述的所有优点。

附图说明

为了更清楚地说明本发明实施例的技术方案，下面将对实施例描述所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。

图1为本发明于一实施例中一种稀土镁合金的制备装置的保温电阻炉与坩埚半剖的结构示意图；

图2为本发明于一实施例中一种稀土镁合金的制备装置的侧视的结构示意图；

图3为本发明于一实施例中一种稀土镁合金的制备装置的正视的结构示意图；

图4为本发明于一实施例中一种稀土镁合金的制备方法的流程示意图；

图5为本发明中Mg74Zn24Y2合金经传统单源超声振动处理的微观组织SEM图；

图6为本发明中Mg74Zn24Y2合金经组源超声振动处理的微观组织SEM图；

图7为本发明中Mg86Zn12Y2合金经传统单源超声振动处理的微观组织SEM图；

图8为本发明中Mg86Zn12Y2合金经组源超声振动处理的微观组织SEM图；

图9为本发明中Mg96Y3Ce1合金经传统单源超声振动处理的微观组织SEM图；

图10为本发明中Mg96Y3Ce1合金经组源超声振动处理的微观组织SEM图；

图11为本发明中Mg97.7Zn2Gd0.3合金经传统单源超声振动处理的微观组织SEM图；

图12为本发明中Mg97.7Zn2Gd0.3合金经组源超声振动处理的微观组织SEM图。

附图中，各标号所代表的部件列表如下：

1-机台，2-加热炉，201-保温电阻炉，202-电阻炉控制箱，3-坩埚，4-超声组件，401-超声控制器，402-换能器，403-浸入式变幅杆，404-导入式变幅杆，5-连接法兰，6-升降组件，601-伺服电机、602-丝杆，603-导轨，604-连接件，605-气缸，701-热电偶，702-热分析数据采集系统，8-开关。

具体实施方式

下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有作出创造性劳动前提下所获得的所有其它实施例，都属于本发明保护的范围。

本发明提供了一种稀土镁合金的制备装置，通过对稀土镁合金熔体施加浸入式高能超声振动和导入式高能超声振动，以有效改善稀土镁合金高比重组元易沉降、稀土相粗大且晶界易富集等问题，进而实现高性能稀土相增强镁合金材料的短流程、高品质、低成本制备。其中，所述浸入式高能超声振动表征高能超声振动的发生装置是直接与熔体进行接触。所述间接导入式高能超声振动表征高能超声振动的发生装置与熔体是处于非接触状态，因此间接导入式的高能超声振动所产生的超声波是通过一定的介质传递给熔体的。

请参阅图1所示，本发明提供了一种稀土镁合金的制备装置，包括机台1、加热炉2、坩埚3以及超声组件4。其中，坩埚3是位于加热炉2内，因此加热炉2可实现对坩埚3的加热以及保温功效。机台1为本装置的整体框架结构，在本实施例中，机台1可允许采用铝方管进行搭建，然不限于此，可以根据实际情况进行调整。

请参阅图1和图2所示，在一些实施例中，超声组件4包括超声控制器401、多个换能器402、浸入式变幅杆403以及导入式变幅杆404。超声控制器401与换能器402之间电性连接，通过超声控制器401以驱动换能器402将电能转换为声能。在一些实施例中，换能器402设置有两组，一组换能器402与浸入式变幅杆403连接，另一组换能器402与导入式变幅杆404连接，因此可通过换能器402以驱动浸入式变幅杆403和浸入式变幅杆403产生超声波。其中，浸入式变幅杆403可允许位于坩埚3内，因此当坩埚3内有稀土镁合金熔体时，浸入式变幅杆403的末端可直接浸入所述熔体内。导入式变幅杆404是位于坩埚3的外侧，且导入式变幅杆404与坩埚3内的熔体之间是处于非接触的状态，因此导入式变幅杆404通过坩埚3壁间接传导超声波。其中，浸入式变幅杆403与导入式变幅杆404之间是对立设置的，在本实施例中，浸入式变幅杆403可允许与坩埚3内的熔体液面垂直，导入式变幅杆404可允许位于坩埚3的底部，然不限于此，可以根据实际情况进行调整。在一些实施例中，在坩埚3的底部还允许设有连接法兰5，导入式变幅杆404的末端抵触在连接法兰5上。因此导入式变幅杆404所产生的超声振动可通过连接法兰5传递至坩埚3，进一步坩埚3将超声振动传递至坩埚3内的熔体内。

其中，浸入式变幅杆403与导入式变幅杆404在超声振动过程中，其超声振动的工艺参数范围包括超声频率、超声功率以及超声时间。例如所述超声频率例如可以为20～80KHz，在本实施例中超声频率例如是20KHz、30KHz、40KHz、50KHz、60KHz、70KHz、80KHz。所述超声功率例如可以为0～3000W，在本实施例中超声功率例如是500W、1000W、1500W、2000W、2500W、3000W。所述超声时间例如可以为1～10min，在本实施例中超声时间例如是2min、4min、6min、8min、10min。

具体来说，在浸入式变幅杆403与导入式变幅杆404的超声振动过程中，浸入式变幅杆403与导入式变幅杆404之间可允许采用同时超声振动以及交替超声振动两种方式。需要注意的是，当采用交替超声振动时，在每个交替超声振动的振动周期内，浸入式变幅杆403超声振动单次的作用时间为1～60s，且浸入式变幅杆403与导入式变幅杆404超声振动的交替时间比为1/10～10。作为示例，例如当浸入式变幅杆403与导入式变幅杆404超声振动的交替时间比为2，则浸入式变幅杆403超声单次作用时间8s时，则导入式变幅杆404超声单次作用时间为4s。

因此，通过将浸入式变幅杆403和导入式变幅杆404进行组合，并在超声波所产生的高速射流和冲击波的作用下，使得坩埚3内的熔体内部产生强烈的热对流和热循环，不仅均匀熔体温度，还使沉降在底部的高比重组源均匀分布到熔体各个部位。同时，通过浸入式变幅杆403和导入式变幅杆404所产生的两种不同形态超声场的叠加增效，以提高了熔体声压水平和平均声能密度，扩大空化效应发生区域。

请参阅图3所示，在一些实施例中，坩埚3的实际尺寸可不加限定。需要注意的是，浸入式变幅杆403的端面直径尺寸与坩埚3的直径尺寸之间的比例是位于1/3～1/2之间，导入式变幅杆404的端面直径尺寸与坩埚3的直径尺寸之间的比例是位于1/3～1/2之间。因此，坩埚3的尺寸可根据实际情况进行调整，进而根据坩埚3尺寸以确定浸入式变幅杆403的尺寸，以及导入式变幅杆404的尺寸。作为示例，当坩埚3的直径尺寸为60厘米时，浸入式变幅杆403与导入式变幅杆404的直径尺寸可允许位于20厘米～30厘米之间，在本实施例中浸入式变幅杆403与导入式变幅杆404的直径尺寸例如是20厘米、22厘米、24厘米、26厘米、28厘米以及30厘米。

请参阅图1-3所示，在一些实施例中，机台1上还允许设置有升降组件6，且所述浸入式变幅杆403是连接在升降组件6上。具体来说，升降组件6的具体结构可不加限定，在本实施例中，升降组件6可以包括伺服电机601、丝杆602、导轨603、连接件604和开关8。其中，开关8是连接在机台1上，且开关8与伺服电机601之间是电性连接，因此通过开关8以驱动伺服电机601转动。伺服电机601是固定连接在机台1上，且伺服电机601的输出端与丝杆602连接，因此通过伺服电机601以驱动丝杆602转动。导轨603与机台1连接，且导轨603的轴线与丝杆602的轴线方向是平行设置。连接件604与导轨603之间滑动连接，因此连接件604可沿着导轨603的轴向进行移动。其中，连接件604与丝杆602之间是螺旋连接，因此通过丝杆602的转动以驱动连接件604沿着丝杆602的轴向移动。因此，可在连接件604上连接换能器402，以使得换能器402伴随着连接件604同步移动。在一些实施例中，可将浸入式变幅杆403与所述换能器402进行连接，使得浸入式变幅杆403可伴随所述换能器402同步移动。由于伺服电机601具备良好的操控性能，以及丝杆602具备良好的传动精度，因此可对浸入式变幅杆403的位置进行精准调控。

在一些实施例中，升降组件6还允许连接有气缸605，且所述气缸605是连接在连接件604上的。因此，换能器402还可以连接在气缸605的缸杆上，且在所述换能器402上还连接有浸入式变幅杆403。通过气缸605以及伺服电机601，使得浸入式变幅杆403可允许在50～500mm/s速度范围内做垂直动作。同时，所述气缸605的行程可通过设置机械限位来进行调节，且机械限位可不加限定，可以根据实际情况进行调整。

请参阅图3所示，在一些实施例中，加热炉2的具体结构可不加限定，例如加热炉2可允许采用保温电阻炉201。在机台1上还设置有电阻炉控制箱202，且电阻炉控制箱202与保温电阻炉201之间是电性连接。因此，通过电阻炉控制箱202，以调控保温电阻炉201内的温度，进而确保位于保温电阻炉201内的坩埚3是处于预设的温度范围之内。其中，保温电阻炉201可连接在所述气缸605的缸杆上，使得保温电阻炉201伴随着浸入式变幅杆403同步移动。通过移动保温电阻炉201，使得坩埚3暴露在保温电阻炉201的外侧，以便于对坩埚3内的熔体进行取样、去渣等操作。

请参阅图3所示，在一些实施例中，在机台1上还允许连接有温控组件，温控组件包括热电偶701和热分析数据采集系统702，其中热电偶701与热分析数据采集系统702之间电性连接。具体的，热电偶701是位于坩埚3内，且热电偶701的端部可位于坩埚3内熔体的液面下方。通过热电偶701可实现对坩埚3内的熔体进行实时的温度测量，且热电偶701可实时的将检测的熔体的温度传递至热分析数据采集系统702。因此，利用热分析数据采集系统702，可实时监测热电偶701测得的坩埚3内的熔体温度。

本发明提供的一种稀土镁合金的制备装置，气缸605可调控浸入式变幅杆403和保温电阻炉201上下移动，导入式变幅杆404与定制坩埚3底端连接。超声控制器401设置浸入式变幅杆403以及导入式变幅杆404工作参数和作用情况，实现组源超声参量之间的匹配增效作用。保温电阻炉201可对坩埚3、浸入式变幅杆403以及导入式变幅杆404进行预热和保温，并通过电阻炉控制箱202来调节温度，利用热分析数据采集系统702实时监测热电偶701测得的坩埚3内熔体温度。

需要说明的是，浸入式变幅杆403以及导入式变幅杆404超声作用于稀土镁合金熔体，实现组源超声参量之间的匹配增效，加强熔体内部空化与对流效果，在稀土熔体内部产生丰富流动现象，具有“全覆盖、多循环、低衰减”流动特点。可显著提升熔体流动水平，使熔体底部沉降的高比重组元均匀分布到熔体的各个部位，提高镁合金铸锭或铸件的均质化程度；均匀熔体温度，改善稀土元素在晶界偏聚情况；显著提高熔体声压水平和平均声能密度，扩大空化效应发生区域，液体流动更均匀，抑制宏观偏析。因此通过组源超声以改善合金的微观组织，增加稀土相形核核心，提高了形核率，同时抑制了晶体的长大，能在短时间内制备出更均匀细小的稀土相组织，从而提升稀土镁合金铸件的强度与韧性。

基于本发明所提供的一种稀土镁合金的制备装置，本发明还提供了一种稀土镁合金的制备方法。

下面将结合图4来详细阐述本发明的一种稀土镁合金的制备方法。

一种稀土镁合金的制备方法，包括：

首先，执行步骤S10，将熔体状态的稀土镁合金原料置于坩埚内。

需要注意的是，在开始制备前，根据镁基准晶成分设计原则，设计特定成分的Mg-Zn-RE(RE为Y以及Gd到Er的稀土元素)系合金。其中，Mg-Zn-RE(RE为Y以及Gd到Er的稀土元素)系合金在常规铸造过程中可形成二十面体稳定准晶(I-Mg3Zn6RE)。因此，可通过设计特定成分的Mg-Zn-RE系合金，以制备准晶增强镁合金。其中，在Mg-Zn-RE系合金的元素配比中，可以例如是Zn/RE原子比大于等于6，Zn原子百分数为2～30％，RE原子百分数为0.2～5％，余量为Mg，然不限于此，可以根据实际情况进行调整。

将原料按各组分的原子百分比配好后，对所述原料进行预热。

当所述原料预热至200～300℃时，将所述原料置于封闭式加热装置中，并对所述原料进行持续加热。

当封闭式加热装置内的温度达到320～400℃时，向所述密闭式加热装置内持续通入保护气体，并对所述原料进行持续加热。其中所述保护气体为氮气和六氟化硫混合气氛，且所述保护气体中的六氟化硫的体积百分比为0.1％～1％。

当所述原料的温度达高于液相线温度以上50～80℃后，停止加热并将所述原料保温15～30分钟。

当所述原料全部融化后，进行搅拌、扒去浮渣，精炼除杂后，静置保温，以得到熔体状态的稀土镁合金原料。其中，所述精炼的具体方式可采用Ar气进行精炼除杂，然不限于此，可根据实际情况进行调整。

在获取熔体状态的稀土镁合金原料后，将所有与合金熔体相接触的工具刷上涂料，熔化用的坩埚和浇注模具提前预热。

然后执行步骤S20，预热浸入式变幅杆、导入式变幅杆以及坩埚。

其中所述预热的温度是位于所述熔体的液相线以下50～100℃之间。当浸入式变幅杆、导入式变幅杆以及坩埚是位于预设的温度范围内时，将一定体积熔体状态的稀土镁合金原料转移到所述坩埚内。

然后执行步骤S30，将所述浸入式变幅杆置于所述坩埚内，将所述导入式变幅杆置于所述坩埚的外侧。其中所述浸入式变幅杆的端部是位于所述熔体的液面以下10～20mm之间。

然后执行步骤S40，当所述坩埚内熔体的温度是位于液相线以上20～50℃之间时，同时驱动所述浸入式变幅杆和所述导入式变幅杆进行超声振动，且在施振过程中全程通入保护气体。其中所述保护气体为氮气和六氟化硫混合气氛，且所述保护气体中的六氟化硫的体积百分比为0.1％～1％。

然后执行步骤S50，当所述熔体的温度是位于液相线-10～10℃之间时，停止施振并除去所述坩埚内熔体表面的熔渣，以获得增强后的稀土镁合金熔体。

因此，在获得增强后的稀土镁合金熔体后，可采用金属型铸造、挤压铸造或压铸等铸造方法进行浇注成形获得铸锭或铸件。

作为示例，在一些实施例中，可采用高压铸造法进行铸造。具体来说，首先将氧化镁脱模剂均匀的喷涂在模具型腔表面，表面厚度为0.1～0.3mm。然后将制得增强后的稀土镁合金熔体浇入预热好的模具型腔中，通过模具上下两个方向对熔体同时施加压力，消除制件内部气孔、缩孔和疏松等缺陷，以形成更多数量的准晶稀土相和高温强化相。最后保压30～90s后退模，依靠下顶杆顶出铸件，其中高压值500MPa～1GPa，保压时间20～50s，型腔预热温度300～500℃。

需要注意是，在镁合金的制备过程中，需实时检测坩埚内的熔体温度。在本实施例中，可通过热分析数据采集系统实时监测热电偶测得的坩埚内熔体温度，然不限于此，可以根据实际情况进行调整。

本发明所提供的一种稀土镁合金的制备方法，通过对稀土镁合金熔体施加浸入和间接导入式高能超声振动，较短时间中能够使凝固过程中的晶粒以及生成的自生准晶相得到细化。

示例性的，请参阅图5和图6所示，以Mg74Zn24Y2稀土镁合金(所述各合金成分均为原子百分数，下同)为例，将配好的原料放入熔化用的坩埚中，使之熔化，并过热80℃。采用Ar气进行除气处理，除气时间5min后扒去浮渣。然后将金属液体倒入定制坩埚，通过升降装置移动保温电阻炉至定制坩埚上方对溶液进行保温，直接将浸入式变幅杆导入上述熔体液面以下20mm，当溶液温度在液相线以上30℃时，同时开启直接和间接超声装置进行超声振动。将浸入式变幅杆和导入式变幅杆设为同时超声振动的工作模式，并设置浸入式变幅杆的振动频率为20kHz，功率为2400W，振动时间5min，设置导入式变幅杆的振动频率为20kHz，功率为2400W，振动时间5min。然后除去定制坩埚内溶液表面熔渣后进行高压铸造。图5为与上述操作步骤相同但仅施加单源直接浸入式超声辅助熔铸的试样组织，对比图6施加组源超声试样组织图，可以看出施加单超声的微观组织具有花瓣状的准晶相，而施加组源超声变为球状准晶相，且共晶相增多，层片状间距变小。单源施振合金脆性过大导致无法测出拉伸力学性能。组源施振后合金的屈服强度为220MPa，抗拉强度为298MPa，延伸率为3％。

示例性的，请参阅图7和图8所示，以Mg86Zn12Y2稀土镁合金为例，将配好的原料放入熔化用的坩埚中，使之熔化，并过热60℃。采用Ar气进行除气处理，除气时间6min，然后扒去浮渣。再将金属液倒入定制坩埚，通过升降装置移动保温电阻炉至定制坩埚上方对溶液进行保温，直接将浸入式变幅杆导入上述熔体液面以下18mm，当溶液温度在液相线以上20℃时，同时开启直接和间接超声装置进行超声振动。将浸入式变幅杆和导入式变幅杆设为同时超声振动的工作模式，并设置浸入式变幅杆和导入式变幅杆的振动频率为40kHz,功率为2400W，振动时间6min，导入式变幅杆超声振动频率为20kHz，功率为1200W，振动时间6min。然后除去定制坩埚内溶液表面熔渣后进行金属型浇铸。图7为与上述操作步骤相同但仅施加单源直接超声辅助熔铸的试样组织，对比图8施加组源超声试样组织图，可以看出施加组源超声的微观组织变的更加细小圆整，原本连续网状的共晶组织变的部分不连续，晶界处析出相增多，成短线、颗粒状存在；共晶组织晶间间距变小，组织得到进一步细化。试验测得单源施振合金屈服强度、抗拉强度和延伸率分别为175MPa，221MPa，2.1％。组源施振合金的屈服强度、抗拉强度和延伸率分别为200MPa，260MPa、5.4％，相较于仅施加单源浸入式超声分别提高了14.3％、17.6％和157.1％。

示例性的，请参阅图9和图10所示，以Mg96Y3Ce1稀土镁合金为例，将配好的原料放入熔化用的坩埚中，使之熔化，并过热70℃。采用Ar气进行除气处理，除气时间6min，然后扒去浮渣，再将金属液倒入定制坩埚，通过升降装置移动保温电阻炉至定制坩埚上方对溶液进行保温，将浸入式变幅杆导入上述熔体液面以下15mm，当溶液温度在液相线以上35℃时，同时开启直接和间接超声装置进行超声振动。使得浸入式变幅杆和导入式变幅杆设为交替超声振动的工作模式，并设置直接浸入超声振动频率为40kHz,功率为2600W，浸入式变幅杆的超声振动频率为30kHz，功率为2000W。振动时间5min，浸入式变幅杆的超声单周期内每次振动9s，且浸入式变幅杆与导入式变幅杆超声振动的交替时间比为3。然后除去定制坩埚内溶液表面熔渣后进行挤压浇铸。图9为与上述操作步骤相同但仅施加单源直接超声辅助熔铸的试样组织，对比图10施加组源超声试样组织图，可以看出施加组源超声的晶界上形成长杆状稀土相，晶内形成少量颗粒状稀土相。试验测得单源施振合金屈服强度、抗拉强度和延伸率分别为183MPa，213MPa，3.3％。组源施振合金的屈服强度、抗拉强度和延伸率分别为215MPa，250MPa、7.2％，相较于仅施加单源浸入式超声分别提高了17.5％、17.4％和118.2％。

示例性的，请参阅图11和图12所示，以Mg97.7Zn2Gd0.3稀土镁合金为例，将配好的原料放入熔化用的坩埚中，使之熔化，并过热50℃。采用Ar气进行除气处理，除气时间4min，然后扒去浮渣。将金属液倒入定制坩埚，再转移至组源超声装置保温炉内，通过升降装置移动保温电阻炉至定制坩埚上方对熔体进行保温，将浸入式变幅杆导入上述熔体液面以下20mm，当溶液温度在液相线以上40℃时，并同时开启直接和间接超声装置进行超声振动。使得浸入式变幅杆和导入式变幅杆设为交替超声振动的工作模式，并设置直接浸入超声振动频率为20kHz,功率为2500W，振动时间7min，间接导入超声振动频率为30kHz，功率为3000W，振动时间7min，浸入式变幅杆在单周期内每次振动4s，且浸入式变幅杆与导入式变幅杆超声振动的交替时间比为1/3。除去定制坩埚内熔体表面熔渣后进行金属型浇铸。图11为与上述操作步骤相同但不施加超声辅助熔铸的试样组织，对比图12施加组源超声试样组织图，可以看出施加超声后的共晶尺寸细化，晶内有5～10μm颗粒状准晶析出。试验测得仅施加单源浸入式超声合金屈服强度、抗拉强度、延伸率分别为为152MPa，192MPa，6.3％。组源施振合金的屈服强度、抗拉强度、延伸率分别为190MPa，230MPa、10.2％，相较于仅施加单源直接超声分别提高了25.0％、19.8％和61.9％。

由于超声的方式的不同，会导致熔体内部产生不同形态的声流。因此本发明将直接浸入式超声和间接导入式超声组合，两种超声配合作用时，具有以下特点：

(1)金属熔体做热对流运动。热对流的物理过程会随物理条件产生丰富的流动现象，不仅熔体的中心区呈现出湍流流动的特征,在熔体边缘以及底部会发生大尺度回旋流和小尺度湍流等现象，甚至大尺度回旋流在高速射流作用下被挤成狭长不规则形状产生多个角涡，表现出丰富的空间结构和多种标度特征,使底部沉降的高比重组元均匀分布到熔体的各个部位，提高镁合金铸锭或铸件的均质化程度，实现超声作用的“全覆盖”。

(2)金属熔体内部产生热循环。在大尺度回旋流的作用下，靠近坩埚壁的大过冷度熔体与中心区高温熔体汇聚再分散，均匀了熔体温度，改善稀土元素在晶界偏聚情况，实现超声作用的“多循环”。

(3)通过两超声的叠加增效作用，液体中的声压水平和平均声能密度均得到有效提高，且扩大空化效应发生区域，液体流动更均匀，抑制宏观偏析，这弥补了单个超声作用的“声能量衰减快，流动水平低的缺陷”，实现超声作用的“低衰减”。

以上公开的本发明优选实施例只是用于帮助阐述本发明。优选实施例并没有详尽叙述所有的细节，也不限制该发明仅为所述的具体实施方式。显然，根据本说明书的内容，可作很多的修改和变化。本说明书选取并具体描述这些实施例，是为了更好地解释本发明的原理和实际应用，从而使所属技术领域技术人员能很好地理解和利用本发明。本发明仅受权利要求书及其全部范围和等效物的限制。

Claims (10)

1.一种稀土镁合金的制备装置，其特征在于，其包括：

机台；

加热炉，与所述机台连接；

坩埚，是位于所述加热炉内；以及

超声组件，包括：

超声控制器，

多个换能器，与所述超声控制器电性连接；

浸入式变幅杆，与所述换能器连接，且所述浸入式超声杆的端部是位于所述坩埚内；

导入式变幅杆，与所述换能器连接，且所述导入式变幅杆是位于所述坩埚外侧；

其中，所述导入式变幅杆与所述浸入式变幅杆之间是对立设置。

2.根据权利要求1所述的一种稀土镁合金的制备装置，其特征在于，所述浸入式变幅杆的端面直径尺寸与所述坩埚的直径尺寸之间的比例是位于1/3～1/2之间。

3.根据权利要求1所述的一种稀土镁合金的制备装置，其特征在于，所述导入式变幅杆的端面直径尺寸与所述坩埚的直径尺寸之间的比例是位于1/3～1/2之间。

4.根据权利要求1所述的一种稀土镁合金的制备装置，其特征在于，还包括升降组件，其中所述升降组件上连接有所述换能器。

5.根据权利要求4所述的一种稀土镁合金的制备装置，其特征在于，所述加热炉包括：

保温电阻炉，与所述升降组件连接；以及

电阻炉控制箱，与所述保温电阻炉之间是电性连接。

6.根据权利要求1所述的一种稀土镁合金的制备装置，其特征在于，还包括温控组件，所述温控组件包括：

热电偶，是位于所述坩埚内；以及热分析数据采集系统，与所述热电偶电性连接。

7.一种稀土镁合金的制备方法，其特征在于，其包括：

将熔体状态的稀土镁合金原料置于坩埚内；

预热浸入式变幅杆、导入式变幅杆以及坩埚，其中所述预热的温度是位于所述坩埚内的熔体的液相线以下50～100℃之间；

将所述浸入式变幅杆置于所述坩埚内，所述导入式变幅杆置于所述坩埚的外侧，其中所述浸入式变幅杆的端部是位于所述熔体的液面以下10～20mm之间；

当所述坩埚内的熔体的温度是位于所述液相线以上20～50℃之间时，同时驱动所述浸入式变幅杆和所述导入式变幅杆进行超声振动，且在施振过程中全程通入保护气体；

当所述熔体的温度是位于液相线-10～10℃之间时，停止施振并除去所述坩埚内熔体表面的熔渣。

8.根据权利要求7所述的一种稀土镁合金的制备方法，其特征在于，所述浸入式变幅杆和所述导入式变幅杆的超声振动参数包括：超声频率为20～80KHz，超声功率为0～3000W，超声时间为1～10min。

9.根据权利要求8所述的一种稀土镁合金的制备方法，其特征在于，所述浸入式变幅杆和所述导入式变幅杆的振动方式包括同时超声振动和交替超声振动。

10.根据权利要求9所述的一种稀土镁合金的制备方法，其特征在于，当所述浸入式变幅杆和所述导入式变幅杆之间是采用交替超声振动时，在每个交替超声振动的振动周期内，所述浸入式变幅杆超声振动单次作用时间为1～60s，所述浸入式变幅杆与所述导入式变幅杆超声振动的交替时间比为1/10～10。

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