CN116121846A - 液固双相多模式超声场全域调控材料定向凝固装置及方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种液固双相多模式超声场全域调控材料定向凝固装置及方法，其装置包括真空室、超声系统、加热系统、冷却系统和运动系统；超声系统包括上变幅杆、下变幅杆、上换能器、下换能器和超声电源系统；其方法包括步骤：一、根据对材料定向凝固的超声场调控需求选取传声方式，并根据传声方式装载合金胚料和坩埚、设置超声系统的振动参数；二、真空室气氛控制；三、合金胚料温度与位置初始化；四、超声场下的定向凝固；五、定向凝固结束，卸载样品。本发明将定向凝固的界面逐层推进控制的优势与超声结合，突破了传统定向凝固仅有的生长速度参数和温度梯度参数，实现了对界面生长形态以及最终凝固组织与性能的丰富、有效调制。

Description

液固双相多模式超声场全域调控材料定向凝固装置及方法

技术领域

本发明属于先进材料制备及加工领域，具体涉及一种液固双相多模式超声场全域调控材料定向凝固装置及方法。

背景技术

定向凝固是制备大长径比金属型材(如棒材、板带)以及具有柱状晶、单晶组织结构的高端零部件的重要方法。定向凝固的基本特征是在材料中建立温度梯度，从而形成单向推进的固液界面，材料按照一定次序凝固。影响界面形貌的核心控制参数是温度梯度G、结晶生长速率V。定向凝固技术从控制原理上分为两类：(1)早期多使用功率降低法，其特点是铸型一端受冷后，熔体由冷端开始结晶，凝固界面向未冷却端推进。其结构简单，但缺点是：凝固过程的温度梯度和生长速度会变化，从而导致组织结构不均匀；温度梯度较小，组织定向性不佳；生长速度V被动依赖于温度梯度G，两者无法独立控制；因此无法实现高质量的晶体生长。(2)布里奇曼法利用样品与温度场的相对运动实现具有独立控制的温度梯度和生长速度，可以进行高品质的单晶、柱状晶生长，是目前高端材料制备的常用方法之一。

布里奇曼法定向凝固过程中一般通过控制G/V，可以实现界面形貌(平面晶、胞状晶、树枝晶)的控制。然而，G稳定的情况下，V与组织结构之间具有相对固化的制约关系，如：要提高胞状晶生长速度，则会变为树枝晶，无法实现高速生长的胞状晶；不仅如此，合金材料不断发展，一种合金材料所包含元素种类越来越多，构件中的元素偏析凸显出来，靠G和V的控制也难以应对元素偏析问题。因此，布里奇曼法定向凝固技术迫切需要加入新的控制变量来实现组织和成分分布的控制，如外加物理场(超声振动、磁场、电场等)。

施加超声场是凝固过程与凝固组织调控的有效方法。现有超声凝固技术，一般在小体积合金浇铸自由凝固过程中施加超声，可以产生熔体除气、消除偏析、晶粒细化等效果，但是作用范围有限。而对于功率降低法定向凝固，施加超声场效果并不理想，其主要原因是：其本身温度梯度较小，超声振动容易在界面附近的熔体中诱发形核，从而生长出较多的杂晶(取向不一致)，容易形成等轴晶，这无法应用于定向凝固的主要应用场景，即高质量柱状晶、单晶生长过程。

高能超声场对材料定向凝固组织产生影响的区域包括液相区、固液两相界面和固相区，液相区超声场通过声流效应影响溶质分配和晶核游移，固液两相界面超声场通过空化和机械效应剧烈影响晶体生长过程，固相区超声场通过应变和晶格振动影响凝固组织固态组织演化过程，三个区域效应叠加综合决定定向凝固的终态组织和性能。因此需要全面考虑与控制超声场在三个区域的作用才能有效控制组织结构。现有技术仅在界面处施加局域超声，产生固液界面附近的流场，无法影响远端流场，无法解决界面溶质富集问题，也无法对新凝固组织实现二次固态调控。现有技术也有布置多个超声，但是无法进行相位控制，从而导致声场叠加的随机性，多束振动波无规则叠加可能导致声场削弱。

发展液固两相全域可控声场中布里奇曼法定向凝固技术，对于柱状晶组织调控、提高柱状晶、单晶生长质量与效率具有重要意义，但是在技术上有很大挑战，如：超声导入方式、导入空间、振动负载变化、声阻抗变化、变幅杆温度耐受以及液、固两相总体声场控制等问题。

综上，为解决布里奇曼法定向凝固界面形貌、合金微观组织结构、元素分布调控手段与效果受限的问题，需要发展更为先进的柱状晶、单晶生长技术，实现对柱状晶的生长界面形貌、组织形态、元素均匀性的有效调控与优化。

发明内容

本发明所要解决的技术问题在于针对上述现有技术中的不足，提供一种液固双相多模式超声场全域调控材料定向凝固装置，其能够实现对界面生长形态以及最终凝固组织与性能的丰富、有效调制，且保证了超声能量的有效利用。

为解决上述技术问题，本发明采用的技术方案是：一种液固双相多模式超声场全域调控材料定向凝固装置，包括真空室、超声系统、加热系统、冷却系统和运动系统；

所述真空室内部中间位置处设置有隔热板，所述加热系统设置在隔热板上部，所述冷却系统设置在隔热板下部，所述冷却系统、隔热板和加热系统具有上下连通的中央空腔；所述冷却系统、隔热板和加热系统的中央空腔内设置有用于装入合金胚料的坩埚；

所述超声系统包括上变幅杆、下变幅杆、为上变幅杆提供振动能量的上换能器和为下变幅杆提供振动能量的下换能器，以及驱动上换能器和下换能器的超声电源系统；所述上换能器连接在上变幅杆的上端，所述下换能器连接在下变幅杆的下端；所述上变幅杆插入真空室内上部且与真空室的顶面真空动密封连接，所述下变幅杆插入真空室内下部且与真空室的底面真空动密封连接，所述坩埚夹持在上变幅杆和下变幅杆之间；

所述运动系统带动真空室、加热系统和冷却系统同步上升运动，实现合金胚料自下而上的定向凝固过程；或者，所述运动系统带动坩埚、上变幅杆、上换能器、下变幅杆和下换能器同步下降运动，实现合金胚料自下而上的定向凝固过程。

上述的液固双相多模式超声场全域调控材料定向凝固装置，所述加热系统包括温控仪、感应加热电源、圆筒状发热体和套装在圆筒状发热体外部的保温套，以及设置在保温套外部的感应线圈；所述圆筒状发热体顶部插入连接有用于采集圆筒状发热体温度的热电偶，所述圆筒状发热体侧面且位于真空室外部设置有用于采集圆筒状发热体温度的红外测温仪，所述热电偶和红外测温仪均与温控仪的输入端连接，所述感应加热电源与温控仪的输出端连接，所述感应线圈与感应加热电源的输出端连接。

上述的液固双相多模式超声场全域调控材料定向凝固装置，所述冷却系统包括双层冷却壳体和冷却液位控制系统，所述双层冷却壳体下部贯穿安装于真空室底面且与真空室真空密封连接，所述双层冷却壳体中内层设置有一次冷却剂，所述双层冷却壳体中外层设置有循环流动的二次冷却剂；所述冷却液位控制系统包括一次冷却剂液位计、液位控制器、补液管和补液升降台，所述一次冷却剂液位计设置在一次冷却剂内且用于测量一次冷却剂的液位高度，所述一次冷却剂液位计的输出端与液位控制器的输入端连接，所述补液升降台与液位控制器的输出端连接，所述补液管的底部通过连通软管与双层冷却壳体的内层相连通，所述补液管的顶部通过等气压软管与真空室内部相连通。

上述的液固双相多模式超声场全域调控材料定向凝固装置，所述运动系统包括用于带动上换能器和上变幅杆升降运动的上换能器升降机，用于带动下换能器和下变幅杆升降运动的下换能器升降机，以及用于带动真空室、加热系统和冷却系统同步升降运动的主升降机；所述上换能器升降机连接在上换能器上部，所述上换能器升降机与上换能器的连接处设置有用于对上变幅杆和下变幅杆夹紧坩埚的力进行检测的测力计；所述下换能器底部连接有气缸，所述下换能器升降机连接在气缸底部；所述真空室底部设置有用于支撑安装真空室的主支撑座，所述主升降机连接在主支撑座底部。

上述的液固双相多模式超声场全域调控材料定向凝固装置，所述超声电源系统包括双路信号发生器、上功率放大器和下功率放大器，所述上功率放大器和下功率放大器均与双路信号发生器的输出端连接，所述双路信号发生器、上功率放大器和下功率放大器均与计算机连接，所述上换能器与上功率放大器的输出端连接，所述下换能器与下功率放大器的输出端连接，所述计算机上还接有用于对坩埚的振动状态进行检测的测振仪。

上述的液固双相多模式超声场全域调控材料定向凝固装置，所述坩埚为底部和顶部均为敞口设置的坩埚，所述上变幅杆的底端设置有向下凸出的凸台，所述下变幅杆的顶端设置有向上凸起的凸台。

上述的液固双相多模式超声场全域调控材料定向凝固装置，所述上变幅杆和下变幅杆的材质、形状及尺寸设计方法为：

步骤C1、由待处理材料合金物理化学性质确定上变幅杆和下变幅杆的材质，具体过程为：

步骤C101、根据公式TH＝Tc+Gc计算上变幅杆和下变幅杆的最高加热温度TH，其中，Tc为待处理材料液相线温度，Gc为待处理材料熔体过热度且Gc＝k1*Tc，k1为过热百分率且k1的取值为15％～25％；

步骤C102、选取熔点高于TH的材料，且查看变幅杆材料在温度TH下的杨氏模量EH是否大于设定最小杨氏模量EL，当EH>EL时，将该材料确定为上变幅杆和下变幅杆的材质；否则，重新选材；

步骤C2、上变幅杆和下变幅杆的长度估算，具体过程为：

步骤C201、根据公式Ls＝Lg+Lc计算上变幅杆长度的估计值Ls，其中，Lg为所述材料定向凝固装置设计的能够加工的材料的最大设计长度，Lc为变幅杆散热段的长度，且Lc的计算方法为:

其中，Lh为上变幅杆位于真空室顶端与感应线圈顶端之间的长度，且Lh的最小取值为Lh＝P×5mm/kW，P为加热系统的加热功率；Lms为上变幅杆与真空室的顶面真空动密封连接机构的高度；Lc_min为变幅杆散热段的最小散热极限长度，且Lc_min的计算方法为:

其中，T_s为上换能器压电陶瓷相变失效温度，T_h为加热系统工作温度，T₀为室温，λ₁为上变幅杆材料的热传导系数，λ₂为空气的热传导系数，r₁为上变幅杆主体截面圆周半径，r₂为上变幅杆外壁到真空室内壁面的水平最短距离；

步骤C202、根据公式Lx＝Lg+Lmx计算下变幅杆长度的估计值Lx，其中，Lmx为下变幅杆与冷却系统底面动密封连接机构的高度；

步骤C3、上变幅杆和下变幅杆的形状和尺寸设计与优化，具体过程为：

步骤C301、基于上换能器的设计频率USFs、上变幅杆的材料力学性能参数、上变幅杆长度的估计值Ls，以上变幅杆的形状尺寸参数为变量，采用力学模拟软件，依据固体力学模型对上变幅杆进行三维有限元模型建模，进行振动模态和谐响应分析，确定引发上变幅杆的发射端最大纵振振幅的上变幅杆形状和尺寸；

步骤C302、基于下换能器的设计频率USFx、下变幅杆的材料力学性能参数、下变幅杆长度的估计值Lx、位于下变幅杆周围的冷却系统中冷却液的性质参数，以下变幅杆的形状尺寸参数为变量，采用力学模拟软件，依据固体力学、压力声学和声结构耦合模型对下变幅杆及冷却系统进行三维有限元模型建模，进行振动模态和谐响应分析，确定引发下变幅杆的发射端最大纵振振幅的下变幅杆形状和尺寸。

上述的液固双相多模式超声场全域调控材料定向凝固装置，所述坩埚的材质、形状及尺寸设计方法为：

步骤D1、由待处理材料合金物理化学性质确定坩埚的材质，具体过程为：

选取熔点高于TH的材料，且查看选取的坩埚材料在温度TH下的杨氏模量EH是否大于设定最小杨氏模量EL，当EH>EL时，将该材料确定为坩埚的材质；否则，重新选材；

步骤D2、坩埚传声模式的换能器工作频率修正，具体过程为：

步骤D201、基于上变幅杆的材料力学性能参数、形状尺寸参数，再增加上变幅杆夹持坩埚的夹持预紧力参数P0，采用力学模拟软件，依据固体力学模型对上变幅杆进行三维有限元模型建模，计算出坩埚传声模式的上换能器的修正中心频率USFs1；

步骤D202、基于下变幅杆的材料力学性能参数、形状尺寸参数，位于下变幅杆周围的冷却系统中冷却液的性质参数，再增加下变幅杆夹持坩埚的夹持预紧力参数P0，采用力学模拟软件，依据固体力学、压力声学和声结构耦合模型对下变幅杆及冷却液进行三维有限元模型建模，计算出坩埚传声模式的下换能器的修正中心频率USFx1；

步骤D3、坩埚的形状和尺寸设计与优化：基于上换能器的修正中心频率USFs1、上变幅杆的材料力学性能参数、形状尺寸参数，下变幅杆的材料力学性能参数、形状尺寸参数，下换能器的修正中心频率USFx1，坩埚的材料力学性能参数和形状尺寸参数，坩埚被夹持的夹持预紧力参数P0，合金胚料熔体物性参数，结合位于下变幅杆和坩埚周围的冷却系统中冷却液的性质参数，采用力学模拟软件，依据固体力学、压力声学和声结构耦合模型对上变幅杆、下变幅杆、合金胚料、坩埚及冷却系统进行联合三维有限元模型建模，进行振动模态和谐响应分析，以所设计的坩埚的形状尺寸为变量，以坩埚内的熔体声场特征为目标，确定坩埚的最优设计形状和尺寸。

本发明还公开了一种将定向凝固的界面逐层推进控制的优势与超声结合，突破了传统定向凝固仅有的生长速度参数和温度梯度参数，实现了对界面生长形态以及最终凝固组织与性能的丰富、有效调制的液固双相多模式超声场全域调控材料定向凝固方法，该方法包括以下步骤：

步骤一、根据对材料定向凝固的超声场调控需求选取传声方式，并根据传声方式装载合金胚料和坩埚、设置所述超声系统的振动参数；所述传声方式包括六种单发射传声方式和九种双发射传声方式，六种单发射传声方式为：合金胚料底部固态传声方式、坩埚底部传声方式、坩埚底部-合金胚料底部双传声方式、熔体顶部传声方式、坩埚顶部传声方式、坩埚顶部-熔体顶部双传声方式；九种双发射传声方式为：熔体顶部传声加合金胚料底部固态传声方式、熔体顶部传声加坩埚底部传声方式、熔体顶部传声加坩埚底部-合金胚料底部传声方式、坩埚顶部传声加合金胚料底部固态传声方式、坩埚顶部传声加坩埚底部传声方式、坩埚顶部传声加坩埚底部-合金胚料底部传声方式、坩埚顶部-熔体顶部双传声加合金胚料底部固态传声方式、坩埚顶部-熔体顶部双传声加坩埚底部传声方式、坩埚顶部-熔体顶部双传声加坩埚底部-合金胚料底部传声方式；

当需要对材料定向凝固的界面与熔体超声场实现由下至上逐渐变强的调控效果时，选取熔体顶部传声方式；

当需要对材料定向凝固的界面、熔体与固相区超声场实现高度方向上的周期分布调控效果时，选取熔体顶部传声加坩埚底部传声方式、坩埚顶部传声加坩埚底部传声方式、坩埚顶部-熔体顶部双传声加坩埚底部传声方式、坩埚底部传声方式、坩埚顶部传声方式、或坩埚顶部-熔体顶部双传声方式；

当需要对材料定向凝固的界面、熔体与固相区超声场实现高度方向上的周期分布调控效果，且凝固界面与固相区有增强效果时，选取坩埚顶部传声加合金胚料底部固态传声方式、坩埚顶部-熔体顶部双传声加合金胚料底部固态传声方式、熔体顶部传声加坩埚底部-合金胚料底部传声方式、坩埚顶部传声加坩埚底部-合金胚料底部传声方式、坩埚顶部-熔体顶部双传声加坩埚底部-合金胚料底部传声方式、或坩埚底部-合金胚料底部双传声方式；

当需要对材料定向凝固的界面与固相区超声场有恒定的调控效果时，选取熔体顶部传声加合金胚料底部固态传声方式、或合金胚料底部固态传声方式；

步骤二、真空室气氛控制：将真空室抽气至日常工作真空后，充保护气；

步骤三、合金胚料温度与位置初始化：启动冷却系统，调节合金胚料的位置，使合金胚料完全位于加热系统内，启动加热系统，使加热系统的加热温度达到预定加热温度，静置时间t1后；启动运动系统，所述运动系统带动真空室、加热系统和冷却系统同步升降运动，或者，所述运动系统带动坩埚、上变幅杆、上换能器、下变幅杆和下换能器同步升降运动，使坩埚底部进入冷却系统后关闭运动系统，再静置时间t2；

步骤四、超声场下的定向凝固：依据选取的传声方式和设置的振动参数启动超声系统，再启动运动系统，所述运动系统带动真空室、加热系统和冷却系统同步升降运动，实现合金胚料自下而上的定向凝固过程；或者，所述运动系统带动坩埚、上变幅杆、上换能器、下变幅杆和下换能器同步升降运动，实现合金胚料自下而上的定向凝固过程；

步骤五、定向凝固结束，卸载样品：合金胚料全部凝固完成，或者生长一定长度后，关闭运动系统，并关闭冷却系统和加热系统，待加热系统冷却到室温，打开真空室，取出定向凝固完成后的合金。

上述的液固双相多模式超声场全域调控材料定向凝固装置及方法，步骤一中所述根据传声方式装载合金胚料的具体方法为：

当传声方式中包含熔体顶部传声方式时，合金胚料上端的装载方式为：在上变幅杆的底端凸台外环部位设置防漏减振圈后，将上变幅杆的底端凸台插入坩埚内，上变幅杆的底端凸台与坩埚内装入的合金胚料相接触，且上变幅杆的底端凸台外环部位通过防漏减振圈与坩埚柔性接触；

当传声方式中包含坩埚顶部传声方式时，合金胚料上端的装载方式为：将上变幅杆的底端凸台直接插入坩埚内，上变幅杆的底端凸台与坩埚内装入的合金胚料之间留有空气间隙，且上变幅杆的底端凸台外环部位与坩埚刚性接触；

当传声方式中包含坩埚顶部-熔体顶部双传声方式时，合金胚料上端的装载方式为：将上变幅杆的底端凸台直接插入坩埚内，且上变幅杆的底端凸台外环部位与坩埚刚性接触，上变幅杆的底端凸台与坩埚内装入的合金胚料相接触；

当传声方式中包含坩埚顶部和熔体顶部均不传声方式时，合金胚料上端的装载方式为：在上变幅杆的底端凸台外环部位设置防漏减振圈后，将上变幅杆的底端凸台直接插入坩埚内，上变幅杆的底端凸台与坩埚内装入的合金胚料之间留有空气间隙，且上变幅杆的底端凸台外环部位通过防漏减振圈与坩埚柔性接触；

当传声方式中包含合金胚料底部固态传声方式时，合金胚料下端的装载方式为：在下变幅杆的顶端凸台外环部位设置防漏减振圈后，将下变幅杆的底端凸台插入坩埚内，下变幅杆的顶端凸台与坩埚内装入的合金胚料直接相接触，且下变幅杆的顶端凸台外环部位通过防漏减振圈与坩埚柔性接触；

当传声方式中包含坩埚底部传声方式时，合金胚料下端的装载方式为：在下变幅杆的顶端凸台部位设置耐高温隔离垫后，将下变幅杆的底端凸台插入坩埚内，下变幅杆的顶端凸台通过耐高温隔离垫与坩埚内装入的合金胚料相接触，且下变幅杆的顶端凸台外环部位与坩埚刚性接触；

当传声方式中包含坩埚底部-合金胚料底部双传声方式时，合金胚料下端的装载方式为：将下变幅杆的顶端凸台直接插入坩埚内，下变幅杆的顶端凸台直接接触坩埚内装入的合金胚料底部，且下变幅杆的顶端凸台外环部位与坩埚刚性接触；

当传声方式中包含合金胚料底部固态传声方式时，合金胚料下端的装载方式为：在下变幅杆的顶端凸台外环部位设置防漏减振圈，并在下变幅杆的顶端凸台部位设置耐高温隔离垫后，将下变幅杆的底端凸台插入坩埚内，下变幅杆的顶端凸台通过耐高温隔离垫与坩埚内装入的合金胚料相接触，且下变幅杆的顶端凸台外环部位通过防漏减振圈与坩埚柔性接触。

上述的液固双相多模式超声场全域调控材料定向凝固装置及方法，步骤一中所述根据传声方式设置所述超声系统的振动参数的具体方法为：

当需要对材料定向凝固的界面与熔体超声场实现由下至上逐渐变强的调控效果，选取熔体顶部传声方式时，设置上变幅杆和下变幅杆之间的夹紧力F满足0<F<Fs；采用阻抗分析仪检测上换能器的谐振频率，并将检测得到的与上换能器的设计频率USFs最接近的谐振频率设置为上换能器的工作频率；设置上换能器的输出功率，使上变幅杆的端部振幅大于5um；设置下换能器的输出功率为0；其中，Fs为上变幅杆和下变幅杆之间的夹紧力的最大取值；

当需要对材料定向凝固的界面、熔体与固相区超声场实现高度方向上的周期分布调控效果，选取熔体顶部传声加坩埚底部传声方式、坩埚顶部传声加坩埚底部传声方式、坩埚顶部-熔体顶部双传声加坩埚底部传声方式、坩埚底部传声方式、坩埚顶部传声方式、或坩埚顶部-熔体顶部双传声方式时；设置上变幅杆和下变幅杆之间的夹紧力F为上变幅杆夹持坩埚的夹持预紧力P0，采用阻抗分析仪检测上换能器的谐振频率，并将检测得到的与上换能器的修正中心频率USFs1最接近的最接近的谐振频率设置为上换能器的工作频率；采用阻抗分析仪检测下换能器的谐振频率，并将检测得到的与下换能器的修正中心频率USFx1最接近的谐振频率设置为下换能器的工作频率；设置上换能器和下换能器的输出功率，使坩埚壁面最大振幅大于0.5um；且当选取熔体顶部传声加坩埚底部传声方式(A1、B2组合)、坩埚顶部传声加坩埚底部传声方式(A2、B2组合)、坩埚顶部-熔体顶部双传声加坩埚底部传声方式(A3、B2组合)时，还设置上换能器和下换能器的相位差为0～2Pi；

当需要对材料定向凝固的界面、熔体与固相区超声场实现高度方向上的周期分布调控效果，且凝固界面与固相区有增强效果，选取坩埚顶部传声加合金胚料底部固态传声方式、坩埚顶部-熔体顶部双传声加合金胚料底部固态传声方式、熔体顶部传声加坩埚底部-合金胚料底部传声方式、坩埚顶部传声加坩埚底部-合金胚料底部传声方式、坩埚顶部-熔体顶部双传声加坩埚底部-合金胚料底部传声方式、或坩埚底部-合金胚料底部双传声方式时；设置上变幅杆和下变幅杆之间的夹紧力F为上变幅杆夹持坩埚的夹持预紧力P0，采用阻抗分析仪检测上换能器的谐振频率，并将检测得到的与上换能器的修正中心频率USFs1最接近的谐振频率设置为上换能器的工作频率；采用阻抗分析仪检测下换能器的谐振频率，并将检测得到的与下换能器的修正中心频率USFx1最接近的最接近的谐振频率设置为下换能器的工作频率；设置上换能器和下换能器的输出功率，使坩埚壁面最大振幅大于0.5um；且当选取坩埚顶部传声加合金胚料底部固态传声方式、坩埚顶部-熔体顶部双传声加合金胚料底部固态传声方式、熔体顶部传声加坩埚底部-合金胚料底部传声方式、坩埚顶部传声加坩埚底部-合金胚料底部传声方式、坩埚顶部-熔体顶部双传声加坩埚底部-合金胚料底部传声方式时，还设置上换能器和下换能器的相位差为0～2π；

当需要对材料定向凝固的界面与固相区超声场有恒定的调控效果，选取熔体顶部传声加合金胚料底部固态传声方式、或合金胚料底部固态传声方式时；设置上变幅杆和下变幅杆之间的夹紧力F满足0<F<Fs；采用阻抗分析仪检测上换能器的谐振频率，并将检测得到的与上换能器的设计频率USFs最接近的谐振频率设置为上换能器的工作频率；采用阻抗分析仪检测下换能器的谐振频率，并将检测得到的与下换能器的设计频率USFx最接近的谐振频率设置为下换能器的工作频率；设置下换能器的输出功率，使下变幅杆的端部振幅大于5um；且当选取熔体顶部传声加合金胚料底部固态传声方式时，还将上换能器的振幅As设定为凝固长度L的函数As(L)＝As₁·e^-αL，其中As₁为为上换能器的初始振幅，α为声衰减系数，L为合金胚料在超声作用下的凝固长度。

上述的液固双相多模式超声场全域调控材料定向凝固装置及方法，步骤四中冷却系统工作时，开启启动冷却液位控制系统，采用以下两种补液方式中的一种实现补液；第一种：参数计算程序补液，直接通过液位控制器的程序设定，控制补液升降台带动补液管升降，且使补液管相对于真空室的上升速度V2满足V2＝(S1-S2)V1/S3，S1为下部变幅杆的横截面积，S2为坩埚的横截面积，S3为补液管内横截面积，V1为坩埚相对运动速度，利用连通器原理，实现一次冷却剂液位高度的调节；第二种：反馈被动补液，所述一次冷却剂液位计测量的一次冷却剂的液位高度传输给液位控制器，液位控制器根据一次冷却剂液位计测量的液位高度控制补液升降台带动补液管升降，实现一次冷却剂液位高度的调节，进行实时补液。

本发明与现有技术相比具有以下优点：

1、本发明在定向凝固过程中施加超声波，能够利用定向凝固界面的敏感性，使用较小的超声功率产生很大的调控效果，其效率大大优于自由凝固施加超声的方法，整体超声效率高。

2、本发明将用于装入合金胚料的坩埚设置在冷却系统、隔热板和加热系统的中央空腔内，使得材料定向凝固方法为液体浸没式冷却的布里奇曼定向凝固法，将超声施加于采用液体浸没式冷却的布里奇曼定向凝固法，实现了大温度梯度下定向晶体生长与超声场的结合，在不降低组织定向性的情况下实现了组织性能调控与提升，解决了功率降低法超声定向凝固中，定向性被破坏的问题，与功率降低法定向凝固加超声相比，不破坏梯度。

3、本发明将可控超声场施加于布里奇曼定向凝固过程中，使得定向凝固核心参数除温度梯度G和凝固速度V以外，加入了超声场这一自由控制参数；对比普通定向凝固，增加了控制的自由度；实现了定速布里奇曼定向凝固过程中界面形貌的实时可调控；突破了布里奇曼定向凝固过程中基本参数(G/V)与凝固组织的束缚关系，解决了组织调控方式受限的问题；在实际生产中，可以提高生产效率，比如：在高速生长条件下，施加超声，得到与低速生长相同的优异组织。

4、本发明通过上下两个超声变幅杆端部与坩埚的接触传声方式的多种变化，可以产生15种传声模式，根据样品制备的不同需求进行选择，甚至可以在同一样品凝固过程中，进行传声方式的切换，实现非常丰富的调控效果；其组织调控自由度远远大于自由凝固施加超声的方法，也优于其它定向凝固施加超声的方法。

5、本发明给出了一种独特的上变幅杆和下变幅杆的材质、形状及尺寸设计方法，在高真空与气氛环境下，充分满足感应加热需求、真空密封需求、高梯度液态冷却需求、变幅杆散热需求的基础上，进行变幅杆最短化设计，减少了声衰减，保证了超声能量的有效利用。

6、本发明在进行上变幅杆和下变幅杆的材质、形状及尺寸设计，坩埚的材质、形状及尺寸设计时，采用了上、下超声振动组件、坩埚、液固两相合金材料、冷却液、负载等多振源、多负载耦合精准可靠建模优化方案，解决了传统超声凝固凝固技术中，无换能器-负载匹配设计、超声振动系统状态不稳定的弊端，保证了超声工作稳定。

7、本发明通过传声模式和参数的选择，能够实现对全液相声场的设计与控制，从而实现了液相全局流场可控和溶质的远距离传输，解决了传统界面局域超声技术中溶质分布调控能力受限的问题，大幅度提升了溶质分布均匀性，提升晶体生长质量。

8、本发明通过传声模式和参数的设计，能够实现固相中的超声传导与有效吸收，对已经凝固组织产生二次调制作用，从而形成了液相、糊状区、固相三区协同作用的、完整可控的超声场对定向凝固组织调控。

9、本发明设置了用于带动上换能器和上变幅杆升降运动的上换能器升降机，用于带动下换能器和下变幅杆升降运动的下换能器升降机，以及用于对上变幅杆和下变幅杆夹紧坩埚的力进行检测的测力计，通过查看测力计的示数，调节坩埚受压力，保证了在整个定向凝固过程中，超声振动都可以高效传导至坩埚和样品内，同时又不会破坏坩埚。解决了传统超声凝固技术中，坩埚接触力容易变化，导致超声振动系统工作不稳定的问题。

10、本发明运动系统的设计，能够使用气缸的伸出状态作为下换能器的默认支撑位置，使用上换能器位移来调整对坩埚夹持力，这保证了夹紧坩埚时的稳固支撑，又可以在定向凝固过程中，通过气缸回缩，凝固界面落入冷却液内，实现瞬时界面形态的冻结，用于界面形态精准分析。

11、本发明冷却系统中设计了冷却液位控制系统，能够实现程序设定补液、传感器检测补液，实现了一次冷却液面位置的恒定，保证了定向凝固温度梯度的稳定。

12、本发明给出了一种测温孔的最佳直径(即最小直径)的设计方法，并将测温点聚焦于发热体下部(靠近隔热板)，实现了精确可靠的高温热端控温和温度梯度的稳定，解决了单一热电偶测温容易受到高温环境热量干扰、电磁感应干扰的问题。

13、本发明采用的传声方式之一—坩埚传声方式，使得超声发射变幅杆不接触熔体，而是通过坩埚将振动导入熔体，可以使得超声振动施加在高熔点合金体系中而不会损坏变幅杆，将合金处理温度提高到1500℃以上，可以处理Fe、Ni等重要工业合金材料，解决了传统技术中，超声只能处理1000℃以下熔点合金的难题，拓展了应用范围。

14、本发明采用了双端调控多模式超声施加的解决方案，实现了超声场中布里奇曼法定向凝固过程，实现了对柱状晶的生长界面形貌、组织形态、元素均匀性的有效调控与优化。

下面通过附图和实施例，对本发明的技术方案做进一步的详细描述。

附图说明

图1为本发明的立体图。

图2为图1的主视图。

图3为图1的后视图。

具体实施方式

实施例1

如图1所示，本实施例的液固双相多模式超声场全域调控材料定向凝固装置，包括真空室1、超声系统、加热系统、冷却系统和运动系统；

所述真空室1内部中间位置处设置有隔热板7，所述加热系统设置在隔热板7上部，所述冷却系统设置在隔热板7下部，所述冷却系统、隔热板7和加热系统具有上下连通的中央空腔；所述冷却系统、隔热板7和加热系统的中央空腔内设置有用于装入合金胚料5的坩埚6；

所述超声系统包括上变幅杆4-1b、下变幅杆4-1a、为上变幅杆4-1b提供振动能量的上换能器4-2b和为下变幅杆4-1a提供振动能量的下换能器4-2a，以及驱动上换能器4-2b和下换能器4-2a的超声电源系统；所述上换能器4-2b连接在上变幅杆4-1b的上端，所述下换能器4-2a连接在下变幅杆4-1a的下端；所述上变幅杆4-1b插入真空室1内上部且与真空室1的顶面真空动密封连接，所述下变幅杆4-1a插入真空室1内下部且与真空室1的底面真空动密封连接，所述坩埚6夹持在上变幅杆4-1b和下变幅杆4-1a之间；

所述运动系统带动真空室1、加热系统和冷却系统同步上升运动(炉体上升法)，实现合金胚料5自下而上的定向凝固过程，坩埚6和超声系统均不发生空间移动；或者，所述运动系统带动坩埚6、上变幅杆4-1b、上换能器4-2b、下变幅杆4-1a和下换能器4-2a同步下降运动(样品抽拉法)，实现合金胚料5自下而上的定向凝固过程，真空室1、加热系统和冷却系统均不发生空间移动。

具体实施时，所述合金胚料5为长棒状合金胚料。所述真空室1内可以充入惰性气体并控制充入内部惰性气体的气压，防止合金胚料5在加热和凝固过程中氧化。所述上变幅杆4-1b与真空室1的顶面通过真空动密封连接机构真空动密封连接，所述下变幅杆4-1a与真空室1的底面通过真空动密封连接机构真空动密封连接。

本实施例中，所述加热系统包括温控仪3-6、感应加热电源3-9、圆筒状发热体3-2和套装在圆筒状发热体3-2外部的保温套3-3，以及设置在保温套3-3外部的感应线圈3-4；所述圆筒状发热体3-2顶部插入连接有用于采集圆筒状发热体3-2温度的热电偶3-5，所述圆筒状发热体3-2侧面且位于真空室1外部设置有用于采集圆筒状发热体3-2温度的红外测温仪3-8，所述热电偶3-5和红外测温仪3-8均与温控仪3-6的输入端连接，所述感应加热电源3-9与温控仪3-6的输出端连接，所述感应线圈3-4与感应加热电源3-9的输出端连接。

具体实施时，所述真空室1上设置有石英窗，所述红外测温仪3-8通过石英窗、感应线圈3-4的间隙和设置在保温套3-3上的测温孔照射在圆筒状发热体3-2的外壁上，对圆筒状发热体3-2的温度进行检测。通过热电偶3-5或红外测温仪3-8采集圆筒状发热体3-2温度，并传输给温控仪3-6，温控仪3-6控制感应加热电源3-9功率输出至感应线圈3-4，从而精确控制圆筒状发热体3-2表面的温度。

具体实施时，感应线圈3-4的每一圈之间为不等间距，以补偿圆筒状发热体3-2上下两端的较大热损和磁力线密度衰减，从而实现圆筒状发热体3-2的等温，上、下最外一个间距L1＝2H/(3N-5)，其余间距L2＝H/(N-5/3)，N为感应线圈3-4的总匝数，H为感应线圈3-4的总高度。

例如，N＝7、H＝114mm时，上、下最外一个间距L1＝2H/(3N-5)＝14.2mm，其余间距L2＝H/(N-5/3)＝21.3mm，在设定圆筒状发热体3-2温度为1200K的条件下，圆筒状发热体3-2内部空腔的测量温度差小于20K。

具体实施时，在采用红外测温仪3-8测温时，利用红外测温仪3-8穿过测温孔测定圆筒状发热体3-2温度，所选用的测温孔聚焦于圆筒状发热体3-2下部(靠近隔热板7)，所选用的测温孔的最佳直径(即最小直径)条件为：如采用平行光路红外测温仪3-8，开孔直径等于光束直径；如采用汇聚光路红外测温仪3-8，且保温套3-3厚度中心线在焦距f0以内(即：h1+0.5*h0<f0，h0为保温套3-3厚度，h1为红外测温仪3-8的红外镜头与保温套3-3外表面的距离)，保温套3-3最佳开孔孔径d2＝d0+(1-h1/f0)(d1-d0)，d1是红外测温仪3-8的红外镜头口径，d0为红外测温仪3-8的焦点光斑直径；如采用汇聚光路红外测温仪3-8，且保温套3-3厚度中心线在焦距f0以外时，保温套3-3最佳开孔孔径d2＝d0+d1[(h0+h1)/f0-1]；

例如，采用的红外测温仪3-8的红外镜头口径d1＝20mm，红外测温仪3-8的焦点光斑直径d0＝1mm，焦距f0＝300mm，安装红外测温仪3-8时，保证保温套3-3厚度中心线在焦距f0以内，红外测温仪3-8的红外镜头与保温套3-3外表面的距离h1为280mm，则保温套3-3最佳开孔直径为d2＝1+(1-280/300)*(20-1)＝2.27mm。

本实施例中，所述冷却系统2包括双层冷却壳体2-1和冷却液位控制系统，所述双层冷却壳体2-1下部贯穿安装于真空室1底面且与真空室1真空密封连接，所述双层冷却壳体2-1中内层设置有一次冷却剂2-3，所述双层冷却壳体2-1中外层设置有循环流动的二次冷却剂2-2；所述冷却液位控制系统包括一次冷却剂液位计2-5、液位控制器2-6、补液管2-4和补液升降台2-7，所述一次冷却剂液位计2-5设置在一次冷却剂2-3内且用于测量一次冷却剂2-3的液位高度，所述一次冷却剂液位计2-5的输出端与液位控制器2-6的输入端连接，所述补液升降台2-7与液位控制器2-6的输出端连接，所述补液管2-4的底部通过连通软管2-8与双层冷却壳体2-1的内层相连通，所述补液管2-4的顶部通过等气压软管2-9与真空室1内部相连通。

所述冷却系统2主体位于真空室1内部，所述冷却系统2底面(即双层冷却壳体2-1底面)与大气接触；所述一次冷却剂2-3为液态金属，如Ga-In-Sn合金；所述二次冷却剂2-2为水。

具体实施时，所述一次冷却剂液位计2-5测量的一次冷却剂2-3的液位高度传输给液位控制器2-6，液位控制器2-6根据一次冷却剂液位计2-5测量的液位高度控制补液升降台2-7带动补液管2-4升降，实现一次冷却剂2-3液位高度的调节；或者，直接通过液位控制器2-6的程序设定，控制补液升降台2-7带动补液管2-4升降，利用连通器原理，实现一次冷却剂2-3液位高度的调节。

本实施例中，所述运动系统包括用于带动上换能器4-2b和上变幅杆4-1b升降运动的上换能器升降机11，用于带动下换能器4-2a和下变幅杆4-1a升降运动的下换能器升降机13，以及用于带动真空室1、加热系统和冷却系统同步升降运动的主升降机9；所述上换能器升降机11连接在上换能器4-2b上部，所述上换能器升降机11与上换能器4-2b的连接处设置有用于对上变幅杆4-1b和下变幅杆4-1a夹紧坩埚6的力进行检测的测力计12；所述下换能器4-2a底部连接有气缸10，所述下换能器升降机13连接在气缸10底部；所述真空室1底部设置有用于支撑安装真空室1的主支撑座8，所述主升降机9连接在主支撑座8底部。

通过设置测力计12，当往坩埚6内装入合金胚料5，并将坩埚6夹持在上变幅杆4-1b和下变幅杆4-1a之间时，通过观察测力计12的示数，调整上换能器升降机11的位移参数，能够防止坩埚6松动或夹紧力过大损坏坩埚6。

具体实施时，当需要进行凝固界面冻结时，所述气缸10的活塞杆向下运动，带动下换能器4-2a向下移动，坩埚6的生长区落入一次冷却剂2-3中，实现合金胚料5生长区凝固界面的冻结。

本实施例中，所述超声电源系统包括双路信号发生器4-4、上功率放大器4-3b和下功率放大器4-3a，所述上功率放大器4-3b和下功率放大器4-3a均与双路信号发生器4-4的输出端连接，所述双路信号发生器4-4、上功率放大器4-3b和下功率放大器4-3a均与计算机4-9连接，所述上换能器4-2b与上功率放大器4-3b的输出端连接，所述下换能器4-2a与下功率放大器4-3a的输出端连接，所述计算机4-9上还接有用于对坩埚6的振动状态进行检测的测振仪4-8。

具体实施时，所述测振仪4-8为激光测振仪。所述真空室1上设置有测振石英窗，所述测振仪4-8通过测振石英窗、感应线圈3-4的间隙、设置在保温套3-3上的测振孔和设置在圆筒状发热体3-2上的测振孔照射在坩埚6的外壁上，对坩埚6的振动状态进行检测，检测信号输出给计算机4-9，计算机4-9输出控制信号给双路信号发生器4-4，控制信号波形参数(包括频率、幅值、相位差)，所述双路信号发生器4-4输出两路独立控制的频率信号到上功率放大器4-3b和下功率放大器4-3a，用于驱动上换能器4-2b和下换能器4-2a振动。而且，计算机4-9可以输出控制信号给下功率放大器4-3a和上功率放大器4-3b，用于控制放大倍率。

本实施例中，所述坩埚6为底部和顶部均为敞口设置的坩埚，所述上变幅杆4-1b的底端设置有向下凸出的凸台，所述下变幅杆4-1a的顶端设置有向上凸起的凸台。

将坩埚6设置为底部和顶部均为敞口，上变幅杆4-1b的底端设置向下凸出的凸台，下变幅杆4-1a的顶端设置向上凸起的凸台，使得上变幅杆4-1b与合金胚料5、坩埚6的连接及振动传导有以下四类方式：

第A1类、熔体顶部传声方式：在上变幅杆4-1b的底端凸台外环部位设置防漏减振圈后，将上变幅杆4-1b的底端凸台插入坩埚6内，上变幅杆4-1b的底端凸台与坩埚6内装入的合金胚料5相接触，且上变幅杆4-1b的底端凸台外环部位通过防漏减振圈与坩埚6柔性接触；即上变幅杆4-1b对坩埚6进行柔性夹持，定向凝固过程中，上变幅杆4-1b中央凸台浸入合金胚料5的熔体中；

第A2类、坩埚顶部传声方式：将上变幅杆4-1b的底端凸台直接插入坩埚6内，上变幅杆4-1b的底端凸台与坩埚6内装入的合金胚料5之间留有空气间隙，且上变幅杆4-1b的底端凸台外环部位与坩埚6刚性接触；即上变幅杆4-1b对坩埚6进行直接刚性夹持，定向凝固过程中，上变幅杆4-1b通过空气间隙隔离合金胚料5的熔体；

第A3类、坩埚顶部-熔体顶部双传声方式：将上变幅杆4-1b的底端凸台直接插入坩埚6内，且上变幅杆4-1b的底端凸台外环部位与坩埚6刚性接触，上变幅杆4-1b的底端凸台与坩埚6内装入的合金胚料5相接触；即上变幅杆4-1b对坩埚6进行直接刚性夹持，定向凝固过程中，上变幅杆4-1b中央凸台浸入合金胚料5的熔体中；

第A4类、坩埚顶部和熔体顶部均不传声方式：在上变幅杆4-1b的底端凸台外环部位设置防漏减振圈后，将上变幅杆4-1b的底端凸台直接插入坩埚6内，上变幅杆4-1b的底端凸台与坩埚6内装入的合金胚料5之间留有空气间隙，且上变幅杆4-1b的底端凸台外环部位通过防漏减振圈与坩埚6柔性接触；即上变幅杆4-1b对坩埚6进行柔性夹持，定向凝固过程中，上变幅杆4-1b通过空气间隙隔离合金胚料5的熔体；

下变幅杆4-1a与合金胚料5、坩埚6的连接及振动传导有以下四类方式：

第B1类、合金胚料底部固态传声方式：在下变幅杆4-1a的顶端凸台外环部位设置防漏减振圈后，将下变幅杆4-1a的底端凸台插入坩埚6内，下变幅杆4-1a的顶端凸台与坩埚6内装入的合金胚料5直接相接触，且下变幅杆4-1a的顶端凸台外环部位通过防漏减振圈与坩埚6柔性接触；即下变幅杆4-1a对坩埚6进行柔性夹持，下变幅杆4-1a的顶端凸台与坩埚6内装入的合金胚料5底部刚性接触，通过合金胚料5底部固态传声；

第B2类、坩埚底部传声方式：在下变幅杆4-1a的顶端凸台部位设置耐高温隔离垫后，将下变幅杆4-1a的底端凸台插入坩埚6内，下变幅杆4-1a的顶端凸台通过耐高温隔离垫与坩埚6内装入的合金胚料5相接触，且下变幅杆4-1a的顶端凸台外环部位与坩埚6刚性接触；即下变幅杆4-1a对坩埚6进行刚性夹持，通过坩埚6底部传声，下变幅杆4-1a的顶端凸台与装入的合金胚料5底部柔性接触；

第B3类、坩埚底部-合金胚料底部双传声方式：将下变幅杆4-1a的顶端凸台直接插入坩埚6内，下变幅杆4-1a的顶端凸台直接接触坩埚6内装入的合金胚料5底部，且下变幅杆4-1a的顶端凸台外环部位与坩埚6刚性接触；即下变幅杆4-1a对坩埚6进行刚性夹持，通过坩埚6底部传声，下变幅杆4-1a的顶端凸台与坩埚6内装入的合金胚料5刚性接触，通过合金胚料5底部固态传声；

第B4类、坩埚底部和熔体底部均不传声方式：在下变幅杆4-1a的顶端凸台外环部位设置防漏减振圈，并在下变幅杆4-1a的顶端凸台部位设置耐高温隔离垫后，将下变幅杆4-1a的底端凸台插入坩埚6内，下变幅杆4-1a的顶端凸台通过耐高温隔离垫与坩埚6内装入的合金胚料5相接触，且下变幅杆4-1a的顶端凸台外环部位通过防漏减振圈与坩埚6柔性接触；即下变幅杆4-1a对坩埚6进行柔性夹持，坩埚6底部不传声，下变幅杆4-1a的顶端凸台与装入的合金胚料5底部柔性接触，合金胚料5底部不传声；

上变幅杆4-1b与合金胚料5、坩埚6的连接及振动传导方式，与下变幅杆4-1a与合金胚料5、坩埚6的连接及振动传导方式中，第A1类～A3类与第B1类～B3类任意组合，构成九种双发射传声方式；第A4类与第B1类～B3类任意组合，或者第B4类与第A1类～A3类任意组合，构成六种单发射传声方式。

其中，九种双发射传声方式为：当第A1类与第B1类组合时，为熔体顶部传声加合金胚料底部固态传声方式；当第A1类与第B2类组合时，为熔体顶部传声加坩埚底部传声方式；当第A1类与第B3类组合时，为熔体顶部传声加坩埚底部-合金胚料底部传声方式；当第A2类与第B1类组合时，为坩埚顶部传声加合金胚料底部固态传声方式；当第A2类与第B2类组合时，为坩埚顶部传声加坩埚底部传声方式；当第A2类与第B3类组合时，为坩埚顶部传声加坩埚底部-合金胚料底部传声方式；当第A3类与第B1类组合时，为坩埚顶部-熔体顶部双传声加合金胚料底部固态传声方式；当第A3类与第B2类组合时，为坩埚顶部-熔体顶部双传声加坩埚底部传声方式；当第A3类与第B3类组合时，为坩埚顶部-熔体顶部双传声加坩埚底部-合金胚料底部传声方式；

六种单发射传声方式为：当第A4类与第B1类组合时，为合金胚料底部固态传声方式；当第A4类与第B2类组合时，为坩埚底部传声方式；当第A4类与第B3类组合时，为坩埚底部-合金胚料底部双传声方式；当第B4类与第A1类组合时，为熔体顶部传声方式；当第B4类与第A2类组合时，为坩埚顶部传声方式；当第B4类与第A3类组合时，为坩埚顶部-熔体顶部双传声方式。

本实施例中，所述上变幅杆4-1b和下变幅杆4-1a的材质、形状及尺寸设计方法为：

步骤C1、由待处理材料合金物理化学性质确定上变幅杆4-1b和下变幅杆4-1a的材质，具体过程为：

步骤C101、根据公式TH＝Tc+Gc计算上变幅杆4-1b和下变幅杆4-1a的最高加热温度TH，其中，Tc为待处理材料液相线温度，Gc为待处理材料熔体过热度且Gc＝k1*Tc，k1为过热百分率且k1的取值为15％～25％；

步骤C102、选取熔点高于TH的材料，且查看变幅杆材料在温度TH下的杨氏模量EH是否大于设定最小杨氏模量EL，当EH>EL时，将该材料确定为上变幅杆4-1b和下变幅杆4-1a的材质；否则，重新选材；

具体实施时，熔点和变幅杆材料在温度TH下的杨氏模量EH数据，可以通过查材料手册、文献获取，也可以通过实验测定；

具体实施时，设定最小杨氏模量EL为2GPa；

步骤C2、上变幅杆4-1b和下变幅杆4-1a的长度估算，具体过程为：

步骤C201、根据公式Ls＝Lg+Lc计算上变幅杆4-1b长度的估计值Ls，其中，Lg为所述材料定向凝固装置设计的能够加工的材料的最大设计长度，Lc为变幅杆散热段(样品完全位于冷却系统时，上变幅杆在加热系统以外部分)的长度，且Lc的计算方法为:

其中，Lh为上变幅杆4-1b位于真空室1顶端与感应线圈3-4顶端之间的长度，为避免感应线圈对真空室的电磁加热作用，且Lh的最小取值为Lh＝P×5mm/kW，P为加热系统的加热功率(即感应加热电源3-9的加热功率)；Lms为上变幅杆4-1a与真空室1的顶面真空动密封连接机构的高度；Lc_min为变幅杆散热段的最小散热极限长度，且Lc_min的计算方法为:

其中，T_s为上换能器4-2b压电陶瓷相变失效温度，T_h为加热系统工作温度，T₀为室温，λ₁为上变幅杆4-1b材料的热传导系数，λ₂为空气的热传导系数，r₁为上变幅杆4-1b主体截面圆周半径，r₂为上变幅杆4-1b外壁到真空室1内壁面的水平最短距离；

具体实施时，r₁的取值范围一般为5mm～15mm；

步骤C202、根据公式Lx＝Lg+Lmx计算下变幅杆4-1a长度的估计值Lx，其中，Lmx为下变幅杆4-1a与冷却系统底面动密封连接机构的高度；

具体实施时，坩埚6的高度、加热系统的高度(即圆筒状发热体3-2的高度)和冷却系统的高度(即双层冷却壳体2-1的高度)均为Lg；

步骤C3、上变幅杆4-1b和下变幅杆4-1a的形状和尺寸设计与优化，具体过程为：

步骤C301、基于上换能器4-2b的设计频率USFs、上变幅杆4-1b的材料力学性能参数、上变幅杆4-1b长度的估计值Ls，以上变幅杆4-1b的形状尺寸参数为变量，采用力学模拟软件，依据固体力学模型对上变幅杆4-1b进行三维有限元模型建模，进行振动模态和谐响应分析，确定引发上变幅杆4-1b的发射端最大纵振振幅的上变幅杆4-1b形状和尺寸；

具体实施时，上变幅杆4-1b的形状包括等径回转体杆、变径回转体杆(如阶梯型杆)等；

具体实施时，设置上换能器4-2b的设计频率USFs为15kHz～80kHz；

步骤C302、基于下换能器4-2a的设计频率USFx、下变幅杆4-1a的材料力学性能参数、下变幅杆4-1a长度的估计值Lx、位于下变幅杆4-1a周围的冷却系统中冷却液的性质参数(一次冷却剂的密度、粘度、声速)，以下变幅杆4-1a的形状尺寸参数为变量，采用力学模拟软件，依据固体力学、压力声学和声结构耦合模型对下变幅杆4-1a及冷却系统进行三维有限元模型建模，进行振动模态和谐响应分析，确定引发下变幅杆4-1a的发射端最大纵振振幅的下变幅杆4-1a形状和尺寸。

具体实施时，下变幅杆4-1a的形状包括等径回转体杆、变径回转体杆(如阶梯型杆)等；

具体实施时，设置下换能器4-2a的设计频率USFx为15kHz～80kHz。

本实施例中，所述坩埚6的材质、形状及尺寸设计方法为：

步骤D1、由待处理材料合金物理化学性质确定坩埚6的材质，具体过程为：

选取熔点高于TH的材料，且查看选取的坩埚材料在温度TH下的杨氏模量EH是否大于设定最小杨氏模量EL，当EH>EL时，将该材料确定为坩埚6的材质；否则，重新选材；

具体实施时，熔点和坩埚材料在温度TH下的杨氏模量EH数据，可以通过查材料手册、文献获取，也可以通过实验测定；

具体实施时，设定最小杨氏模量EL为2GPa；

步骤D2、坩埚传声模式的换能器工作频率修正，具体过程为：

步骤D201、基于上变幅杆4-1b的材料力学性能参数、形状尺寸参数，再增加上变幅杆4-1b夹持坩埚6的夹持预紧力参数P0，采用力学模拟软件，依据固体力学模型对上变幅杆4-1b进行三维有限元模型建模，计算出坩埚传声模式的上换能器4-2b的修正中心频率USFs1；

具体实施时，夹持预紧力参数P0的取值为50～200N；计算是采用力学模拟软件程序计算，例如采用Comsol或其他软件进行模拟计算；

步骤D202、基于下变幅杆4-1a的材料力学性能参数、形状尺寸参数，位于下变幅杆4-1a周围的冷却系统中冷却液的性质参数(一次冷却剂的密度、粘度、声速)，再增加下变幅杆4-1a夹持坩埚6的夹持预紧力参数P0，采用力学模拟软件，依据固体力学、压力声学和声结构耦合模型对下变幅杆4-1a及冷却液进行三维有限元模型建模，计算出坩埚传声模式的下换能器4-2a的修正中心频率USFx1；

具体实施时，夹持预紧力参数P0的取值为50～200N；计算是采用力学模拟软件程序计算，例如采用Comsol或其他软件进行模拟计算；

步骤D3、坩埚6的形状和尺寸设计与优化：基于上换能器4-2b的修正中心频率USFs1、上变幅杆4-1b的材料力学性能参数、形状尺寸参数，下变幅杆4-1a的材料力学性能参数、形状尺寸参数，下换能器4-2a的修正中心频率USFx1，坩埚6的材料力学性能参数和形状尺寸参数，坩埚6被夹持的夹持预紧力参数P0，合金胚料5熔体物性参数，结合位于下变幅杆4-1a和坩埚6周围的冷却系统中冷却液的性质参数(一次冷却剂的密度、粘度、声速)，采用力学模拟软件，依据固体力学、压力声学和声结构耦合模型对上变幅杆4-1b、下变幅杆4-1a、合金胚料5、坩埚6及冷却系统进行联合三维有限元模型建模，进行振动模态和谐响应分析，以所设计的坩埚6的形状尺寸为变量(如圆筒形坩埚参数为长度Lg、坩埚内径Rn和坩埚壁厚Bg)，以坩埚6内的熔体声场特征(包括声压分布和总强度)为目标，确定坩埚6的最优设计形状和尺寸。

具体实施时，坩埚6形状特征，横截面形状包括圆型、方形、椭圆形、正多边形等及其任意组合，纵向不同位置处横截面可以是相同形状与尺寸(同内径同壁厚)、相同形状不同尺寸(变内径同壁厚、变内径变壁厚)、也包括不同形状的；底部结构包括无底坩埚(贯通)等。

通过对上变幅杆4-1b和下变幅杆4-1a的材质、形状及尺寸进行设计，并对坩埚6的材质、形状及尺寸进行设计，配合九种双发射传声方式和六种单发射传声方式，能够在坩埚6内的熔体中实现强度足够高、特定分布的声场，从而产生所需的凝固组织调控效果。

实施例2

本实施例的液固双相多模式超声场全域调控材料定向凝固方法，包括以下步骤：

步骤一、根据对材料定向凝固的超声场调控需求选取传声方式，并根据传声方式装载合金胚料5和坩埚6、设置所述超声系统的振动参数；所述传声方式包括六种单发射传声方式和九种双发射传声方式，六种单发射传声方式为：合金胚料底部固态传声方式(A4、B1组合)、坩埚底部传声方式(A4、B2组合)、坩埚底部-合金胚料底部双传声方式(A4、B3组合)、熔体顶部传声方式(B4、A1组合)、坩埚顶部传声方式(B4、A2组合)、坩埚顶部-熔体顶部双传声方式(B4、A3组合)；九种双发射传声方式为：熔体顶部传声加合金胚料底部固态传声方式(A1、B1组合)、熔体顶部传声加坩埚底部传声方式(A1、B2组合)、熔体顶部传声加坩埚底部-合金胚料底部传声方式(A1、B3组合)、坩埚顶部传声加合金胚料底部固态传声方式(A2、B1组合)、坩埚顶部传声加坩埚底部传声方式(A2、B2组合)、坩埚顶部传声加坩埚底部-合金胚料底部传声方式(A2、B3组合)、坩埚顶部-熔体顶部双传声加合金胚料底部固态传声方式(A3、B1组合)、坩埚顶部-熔体顶部双传声加坩埚底部传声方式(A3、B2组合)、坩埚顶部-熔体顶部双传声加坩埚底部-合金胚料底部传声方式(A3、B3组合)；

当需要对材料定向凝固的界面与熔体超声场实现由下至上逐渐变强的调控效果时，选取熔体顶部传声方式(B4、A1组合)；

当需要对材料定向凝固的界面、熔体与固相区超声场实现高度方向上的周期分布调控效果时，选取熔体顶部传声加坩埚底部传声方式(A1、B2组合)、坩埚顶部传声加坩埚底部传声方式(A2、B2组合)、坩埚顶部-熔体顶部双传声加坩埚底部传声方式(A3、B2组合)、坩埚底部传声方式(A4、B2组合)、坩埚顶部传声方式(B4、A2组合)、或坩埚顶部-熔体顶部双传声方式(B4、A3组合)；

当需要对材料定向凝固的界面、熔体与固相区超声场实现高度方向上的周期分布调控效果，且凝固界面与固相区有增强效果时，选取坩埚顶部传声加合金胚料底部固态传声方式(A2、B1组合)、坩埚顶部-熔体顶部双传声加合金胚料底部固态传声方式(A3、B1组合)、熔体顶部传声加坩埚底部-合金胚料底部传声方式(A1、B3组合)、坩埚顶部传声加坩埚底部-合金胚料底部传声方式(A2、B3组合)、坩埚顶部-熔体顶部双传声加坩埚底部-合金胚料底部传声方式(A3、B3组合)、或坩埚底部-合金胚料底部双传声方式(A4、B3组合)；

当需要对材料定向凝固的界面与固相区超声场有恒定的调控效果时，选取熔体顶部传声加合金胚料底部固态传声方式(A1、B1组合)、或合金胚料底部固态传声方式(A4、B1组合)；

步骤二、真空室1气氛控制：将真空室1抽气至日常工作真空后，充保护气；

具体实施时，日常工作真空根据真空室1抽气配置的真空泵的不同，一般为1×10^{- 1}Pa至1×10^-5Pa，保护气一般为氩气或者氮气。反复进行“抽真空-充保护气”过程2-3次，能够更好的去除真空室1的氧气；最终气氛状态一般为10Pa～60000Pa保护气。

步骤三、合金胚料温度与位置初始化：启动冷却系统，调节合金胚料5的位置，使合金胚料5完全位于加热系统内，启动加热系统，使加热系统的加热温度达到预定加热温度，静置时间t1后；启动运动系统，所述运动系统带动真空室1、加热系统和冷却系统同步升降运动，或者，所述运动系统带动坩埚6、上变幅杆4-1b、上换能器4-2b、下变幅杆4-1a和下换能器4-2a同步升降运动，使坩埚6底部进入冷却系统后关闭运动系统，再静置时间t2；

具体实施时，t1和t2的取值均为10min～30min；启动冷却系统，即使二次冷却剂2-2开始循环流动；使合金胚料5完全位于加热系统内，即使合金胚料5完全位于圆筒状发热体3-2内；启动加热系统，即启动感应加热电源3-9，使加热系统的加热温度达到预定加热温度，即使圆筒状发热体3-2的加热温度达到预定加热温度；预定加热温度的温度一般高于合金胚料5的液相线温度50℃～200℃；使坩埚6底部进入冷却系统，即使坩埚6底部进入一次冷却剂2-3液面下1cm～2cm。

步骤四、超声场下的定向凝固：依据选取的传声方式和设置的振动参数启动超声系统，再启动运动系统，所述运动系统带动真空室1、加热系统和冷却系统同步升降运动，实现合金胚料5自下而上的定向凝固过程；或者，所述运动系统带动坩埚6、上变幅杆4-1b、上换能器4-2b、下变幅杆4-1a和下换能器4-2a同步升降运动，实现合金胚料5自下而上的定向凝固过程；

具体实施时，当采用炉体上升法，即所述运动系统带动真空室1、加热系统和冷却系统同步上升运动，实现合金胚料5自下而上的定向凝固过程时，启动主升降机9，主升降机9带动真空室1、加热系统和冷却系统同步上升运动，坩埚6和超声系统均不发生空间移动。

当采用样品抽拉法，即所述运动系统带动坩埚6、上变幅杆4-1b、上换能器4-2b、下变幅杆4-1a和下换能器4-2a同步下降运动，实现合金胚料5自下而上的定向凝固过程时，启动上换能器升降机11和下换能器升降机13，上换能器升降机11带动上换能器4-2b和上变幅杆4-1b下降运动，下换能器升降机13带动下换能器4-2a和下变幅杆4-1a下降运动，上变幅杆4-1b和下变幅杆4-1a夹持坩埚6同步运动(即：上变幅杆4-1b、下变幅杆4-1a和坩埚6三者的相对位置关系不变)，真空室1、加热系统和冷却系统均不发生空间移动；

具体实施时，所述冷却系统2中，启动冷却液位控制系统；所述一次冷却剂液位计2-5测量的一次冷却剂2-3的液位高度传输给液位控制器2-6，液位控制器2-6根据一次冷却剂液位计2-5测量的液位高度控制补液升降台2-7带动补液管2-4升降，实现一次冷却剂2-3液位高度的调节；或者，直接通过液位控制器2-6的程序设定，控制补液升降台2-7带动补液管2-4升降，利用连通器原理，实现一次冷却剂2-3液位高度的调节；

另外，具体实施时，九种双发射传声方式中的任意一种，都可以通过关闭上换能器4-2b或下换能器4-2a，切换为单发射传声方式。

具体实施时，通过查看测力计12的示数，并通过上换能器升降机11带动上换能器4-2b和上变幅杆4-1b升降运动，通过下换能器升降机13带动下换能器4-2a和下变幅杆4-1a升降运动，能够调节坩埚6受压力，使坩埚6处于恒定压力值；保证了在整个定向凝固过程中，超声振动都可以高效传导至坩埚和样品内，同时又不会破坏坩埚；解决了传统超声凝固技术中，坩埚接触力容易变化，导致超声振动系统工作不稳定的问题。

步骤五、定向凝固结束，卸载样品：合金胚料5全部凝固完成，或者生长一定长度后，关闭运动系统，并关闭冷却系统和加热系统，待加热系统冷却到室温，打开真空室1，取出定向凝固完成后的合金。

具体实施时，为了研究合金胚料5定向凝固的实时界面形态，当合金胚料5生长一定长度后，还可以启动气缸10，气缸10的活塞杆向下运动，带动下换能器4-2a向下移动，坩埚6内合金胚料的液固界面落入一次冷却剂2-3中，实现合金胚料5生长区凝固界面的冻结。

本实施例中，步骤一中所述根据传声方式装载合金胚料5的具体方法为：

当传声方式中包含熔体顶部传声方式(A1)时，合金胚料5上端的装载方式为：在上变幅杆4-1b的底端凸台外环部位设置防漏减振圈后，将上变幅杆4-1b的底端凸台插入坩埚6内，上变幅杆4-1b的底端凸台与坩埚6内装入的合金胚料5相接触，且上变幅杆4-1b的底端凸台外环部位通过防漏减振圈与坩埚6柔性接触；

当传声方式中包含坩埚顶部传声方式(A2)时，合金胚料5上端的装载方式为：将上变幅杆4-1b的底端凸台直接插入坩埚6内，上变幅杆4-1b的底端凸台与坩埚6内装入的合金胚料5之间留有空气间隙，且上变幅杆4-1b的底端凸台外环部位与坩埚6刚性接触；

当传声方式中包含坩埚顶部-熔体顶部双传声方式(A3)时，合金胚料5上端的装载方式为：将上变幅杆4-1b的底端凸台直接插入坩埚6内，且上变幅杆4-1b的底端凸台外环部位与坩埚6刚性接触，上变幅杆4-1b的底端凸台与坩埚6内装入的合金胚料5相接触；

当传声方式中包含坩埚顶部和熔体顶部均不传声方式(A4)时，合金胚料5上端的装载方式为：在上变幅杆4-1b的底端凸台外环部位设置防漏减振圈后，将上变幅杆4-1b的底端凸台直接插入坩埚6内，上变幅杆4-1b的底端凸台与坩埚6内装入的合金胚料5之间留有空气间隙，且上变幅杆4-1b的底端凸台外环部位通过防漏减振圈与坩埚6柔性接触；

当传声方式中包含合金胚料5底部固态传声方式(B1)时，合金胚料5下端的装载方式为：在下变幅杆4-1a的顶端凸台外环部位设置防漏减振圈后，将下变幅杆4-1a的底端凸台插入坩埚6内，下变幅杆4-1a的顶端凸台与坩埚6内装入的合金胚料5直接相接触，且下变幅杆4-1a的顶端凸台外环部位通过防漏减振圈与坩埚6柔性接触；

当传声方式中包含坩埚底部传声方式(B2)时，合金胚料5下端的装载方式为：在下变幅杆4-1a的顶端凸台部位设置耐高温隔离垫后，将下变幅杆4-1a的底端凸台插入坩埚6内，下变幅杆4-1a的顶端凸台通过耐高温隔离垫与坩埚6内装入的合金胚料5相接触，且下变幅杆4-1a的顶端凸台外环部位与坩埚6刚性接触；

当传声方式中包含坩埚底部-合金胚料底部双传声方式(B3)时，合金胚料5下端的装载方式为：将下变幅杆4-1a的顶端凸台直接插入坩埚6内，下变幅杆4-1a的顶端凸台直接接触坩埚6内装入的合金胚料5底部，且下变幅杆4-1a的顶端凸台外环部位与坩埚6刚性接触；

当传声方式中包含合金胚料5底部固态传声方式(B4)时，合金胚料5下端的装载方式为：在下变幅杆4-1a的顶端凸台外环部位设置防漏减振圈，并在下变幅杆4-1a的顶端凸台部位设置耐高温隔离垫后，将下变幅杆4-1a的底端凸台插入坩埚6内，下变幅杆4-1a的顶端凸台通过耐高温隔离垫与坩埚6内装入的合金胚料5相接触，且下变幅杆4-1a的顶端凸台外环部位通过防漏减振圈与坩埚6柔性接触。

具体实施时，采用第A1类～A3类与第B1类～B3类任意组合，构成的九种双发射传声方式；第A4类与第B1类～B3类任意组合，或者第B4类与第A1类～A3类任意组合，构成的六种单发射传声方式时，就相应将上述的合金胚料5的装载方式相组合。

本实施例中，步骤一中所述根据传声方式设置所述超声系统的振动参数的具体方法为：

当需要对材料定向凝固的界面与熔体超声场实现由下至上逐渐变强的调控效果，选取熔体顶部传声方式(B4、A1组合)时，设置上变幅杆4-1b和下变幅杆4-1a之间的夹紧力F满足0<F<Fs；采用阻抗分析仪检测上换能器4-2b的谐振频率，并将检测得到的与上换能器4-2b的设计频率USFs最接近的谐振频率设置为上换能器4-2b的工作频率；设置上换能器4-2b的输出功率，使上变幅杆4-1b的端部振幅大于5um；设置下换能器4-2a的输出功率为0；其中，Fs为上变幅杆4-1b和下变幅杆4-1a之间的夹紧力的最大取值；

具体实施时，采用激光测振仪对上变幅杆4-1b的端部振幅进行检测与标定；Fs的取值小于50N；

当需要对材料定向凝固的界面、熔体与固相区超声场实现高度方向上的周期分布调控效果，选取熔体顶部传声加坩埚底部传声方式(A1、B2组合)、坩埚顶部传声加坩埚底部传声方式(A2、B2组合)、坩埚顶部-熔体顶部双传声加坩埚底部传声方式(A3、B2组合)、坩埚底部传声方式(A4、B2组合)、坩埚顶部传声方式(B4、A2组合)、或坩埚顶部-熔体顶部双传声方式(B4、A3组合)时；设置上变幅杆4-1b和下变幅杆4-1a之间的夹紧力F为上变幅杆4-1b夹持坩埚6的夹持预紧力P0，采用阻抗分析仪检测上换能器4-2b的谐振频率，并将检测得到的与上换能器4-2b的修正中心频率USFs1最接近的最接近的谐振频率设置为上换能器4-2b的工作频率；采用阻抗分析仪检测下换能器4-2a的谐振频率，并将检测得到的与下换能器4-2a的修正中心频率USFx1最接近的谐振频率设置为下换能器4-2a的工作频率；设置上换能器4-2b和下换能器4-2a的输出功率，使坩埚6壁面最大振幅大于0.5um；且当选取熔体顶部传声加坩埚底部传声方式(A1、B2组合)、坩埚顶部传声加坩埚底部传声方式(A2、B2组合)、坩埚顶部-熔体顶部双传声加坩埚底部传声方式(A3、B2组合)时，还设置上换能器4-2b和下换能器4-2a的相位差为0～2Pi；

具体实施时，采用激光测振仪对坩埚6壁面振幅进行检测与标定；夹持预紧力P0的取值为50～200N。

当需要对材料定向凝固的界面、熔体与固相区超声场实现高度方向上的周期分布调控效果，且凝固界面与固相区有增强效果，选取坩埚顶部传声加合金胚料底部固态传声方式(A2、B1组合)、坩埚顶部-熔体顶部双传声加合金胚料底部固态传声方式(A3、B1组合)、熔体顶部传声加坩埚底部-合金胚料底部传声方式(A1、B3组合)、坩埚顶部传声加坩埚底部-合金胚料底部传声方式(A2、B3组合)、坩埚顶部-熔体顶部双传声加坩埚底部-合金胚料底部传声方式(A3、B3组合)、或坩埚底部-合金胚料底部双传声方式(A4、B3组合)时；设置上变幅杆4-1b和下变幅杆4-1a之间的夹紧力F为上变幅杆4-1b夹持坩埚6的夹持预紧力P0，采用阻抗分析仪检测上换能器4-2b的谐振频率，并将检测得到的与上换能器4-2b的修正中心频率USFs1最接近的谐振频率设置为上换能器4-2b的工作频率；采用阻抗分析仪检测下换能器4-2a的谐振频率，并将检测得到的与下换能器4-2a的修正中心频率USFx1最接近的最接近的谐振频率设置为下换能器4-2a的工作频率；设置上换能器4-2b和下换能器4-2a的输出功率，使坩埚6壁面最大振幅大于0.5um；且当选取坩埚顶部传声加合金胚料底部固态传声方式(A2、B1组合)、坩埚顶部-熔体顶部双传声加合金胚料底部固态传声方式(A3、B1组合)、熔体顶部传声加坩埚底部-合金胚料底部传声方式(A1、B3组合)、坩埚顶部传声加坩埚底部-合金胚料底部传声方式(A2、B3组合)、坩埚顶部-熔体顶部双传声加坩埚底部-合金胚料底部传声方式(A3、B3组合)时，还设置上换能器4-2b和下换能器4-2a的相位差为0～2π；

具体实施时，采用激光测振仪对坩埚6壁面振幅进行检测与标定；夹持预紧力P0的取值为50～200N。

当需要对材料定向凝固的界面与固相区超声场有恒定的调控效果，选取熔体顶部传声加合金胚料底部固态传声方式(A1、B1组合)、或合金胚料底部固态传声方式(A4、B1组合)时；设置上变幅杆4-1b和下变幅杆4-1a之间的夹紧力F满足0<F<Fs；采用阻抗分析仪检测上换能器4-2b的谐振频率，并将检测得到的与上换能器4-2b的设计频率USFs最接近的谐振频率设置为上换能器4-2b的工作频率；采用阻抗分析仪检测下换能器4-2a的谐振频率，并将检测得到的与下换能器4-2a的设计频率USFx最接近的谐振频率设置为下换能器4-2a的工作频率；设置下换能器4-2a的输出功率，使下变幅杆4-1a的端部振幅大于5um；且当选取熔体顶部传声加合金胚料底部固态传声方式(A1、B1组合)时，还将上换能器4-2b的振幅As设定为凝固长度L的函数As(L)＝As₁·e^-αL，其中As₁为为上换能器4-2b的初始振幅，α为声衰减系数，L为合金胚料5在超声作用下的凝固长度。

α声衰减系数可由材料参数手册查找，或者采用高温声压传感器实验测定：在正式实验之前进行预实验，采用高温声压传感器进行恒温区域熔体内不同位置的声压测量，拟合声压与液相传播距离的关系，得到衰减系数，量纲是dB·m^-1。

本实施例中，步骤四中冷却系统工作时，开启启动冷却液位控制系统，采用以下两种补液方式中的一种实现补液；第一种：参数计算程序补液，直接通过液位控制器2-6的程序设定，控制补液升降台2-7带动补液管2-4升降，且使补液管2-4相对于真空室1的上升速度V2满足V2＝(S1-S2)V1/S3，S1为下部变幅杆4-2的横截面积，S2为坩埚6的横截面积，S3为补液管内横截面积，V1为坩埚6相对运动速度(即生长速度)，据此可以实现通过高度差压力补偿使液态金属液面保持稳定，利用连通器原理，实现一次冷却剂2-3液位高度的调节；第二种：反馈被动补液，所述一次冷却剂液位计2-5测量的一次冷却剂2-3的液位高度传输给液位控制器2-6，液位控制器2-6根据一次冷却剂液位计2-5测量的液位高度控制补液升降台2-7带动补液管2-4升降，实现一次冷却剂2-3液位高度的调节，进行实时补液。

具体实施时，一次冷却剂液位计2-5为断点感应开关，当一次冷却剂2-3的液位下降触发一次冷却剂液位计2-5时，液位控制器2-6控制补液升降台2-7带动补液管2-4上升，进行实时补液。

为了验证本发明能够产生的技术效果，采用本发明的液固双相多模式超声场全域调控材料定向凝固装置及方法对Al-4.5％Cu合金材料进行了超声场定向凝固制备。

首先，在进行上变幅杆4-1b和下变幅杆4-1a的材质、形状及尺寸设计时，步骤C1中选取上变幅杆4-1b和下变幅杆4-1a的材质为45钢；步骤C201中上变幅杆4-1b长度的估计值Ls为340mm，步骤C202中下变幅杆4-1a长度的估计值Lx为160mm；步骤C301中上换能器4-2b的设计频率USFs为20kHz，选择阶梯型上变幅杆4-1b，确定引发上变幅杆4-1b的发射端最大纵振振幅的上变幅杆4-1b的长度Ls为358.42mm，主体直径为18mm；步骤C302中下换能器4-2a的中心频率USFx为20kHz，下变幅杆4-1a周围的冷却系统中冷却液为镓铟锡合金Ga68.5In21.5Sn10，并获取其热物理性质参数，密度6440kg/m^3、声速2310m/s、粘度0.0024Pas、表面张力0.718N/m、导热系数16.5W/m/K等；选择阶梯型下变幅杆4-1a，确定引发下变幅杆4-1a的发射端最大纵振振幅的下变幅杆4-1a的长度Lx为192mm，主体直径为17.5mm；

在进行坩埚6的材质、形状及尺寸设计时，步骤D201和步骤D202中夹持预紧力参数P0的取值为60N，计算出坩埚传声模式的上换能器4-2b的修正中心频率USFs1为19.81kHz，坩埚传声模式的下换能器4-2a的修正中心频率USFx1为19.72kHz；步骤D3中确定坩埚长度Lg为118mm、坩埚内径Rn为10mm，坩埚壁厚Bg为1mm。优化后的上变幅杆、下变幅杆、坩埚的振动模态如图2所示。

采用本发明的方法对Al-4.5％Cu进行了不同传声方式的定向凝固实验，选取的三种不同传声方式为：坩埚底部传声方式(A2、B2组合)、熔体顶部传声方式(B4、A1组合)、熔体顶部传声加坩埚底部传声方式(A1、B2组合)。圆筒状发热体3-2的温度设定为1000℃，抽拉速度设定为100μm/s。三种不同振动模式的组织特征如图3所示。从图3可以看出：无超声定向凝固为典型柱状晶；坩埚底部传声方式(A2、B2组合)柱状晶生长方向倾斜和无序；在熔体顶部传声方式(B4、A1组合)下，柱状晶取向一致性好，并且优于无超声状态；当施加熔体顶部传声加坩埚底部传声方式(A1、B2组合)，呈现出取向一致性好且具有发达侧枝的树枝晶。实验证明，采用不同超声模式，可以产生不同组织形貌，从而实现了在相同温度梯度和生长速度下，调控组织形貌的作用，从而调控材料的性能。

以上所述，仅是本发明的较佳实施例，并非对本发明作任何限制，凡是根据本发明技术实质对以上实施例所作的任何简单修改、变更以及等效结构变化，均仍属于本发明技术方案的保护范围内。

Claims (12)

1.一种液固双相多模式超声场全域调控材料定向凝固装置，其特征在于：包括真空室(1)、超声系统、加热系统、冷却系统和运动系统；

所述真空室(1)内部中间位置处设置有隔热板(7)，所述加热系统设置在隔热板(7)上部，所述冷却系统设置在隔热板(7)下部，所述冷却系统、隔热板(7)和加热系统具有上下连通的中央空腔；所述冷却系统、隔热板(7)和加热系统的中央空腔内设置有用于装入合金胚料(5)的坩埚(6)；

所述超声系统包括上变幅杆(4-1b)、下变幅杆(4-1a)、为上变幅杆(4-1b)提供振动能量的上换能器(4-2b)和为下变幅杆(4-1a)提供振动能量的下换能器(4-2a)，以及驱动上换能器(4-2b)和下换能器(4-2a)的超声电源系统；所述上换能器(4-2b)连接在上变幅杆(4-1b)的上端，所述下换能器(4-2a)连接在下变幅杆(4-1a)的下端；所述上变幅杆(4-1b)插入真空室(1)内上部且与真空室(1)的顶面真空动密封连接，所述下变幅杆(4-1a)插入真空室(1)内下部且与真空室(1)的底面真空动密封连接，所述坩埚(6)夹持在上变幅杆(4-1b)和下变幅杆(4-1a)之间；

所述运动系统带动真空室(1)、加热系统和冷却系统同步上升运动，实现合金胚料(5)自下而上的定向凝固过程；或者，所述运动系统带动坩埚(6)、上变幅杆(4-1b)、上换能器(4-2b)、下变幅杆(4-1a)和下换能器(4-2a)同步下降运动，实现合金胚料(5)自下而上的定向凝固过程。

2.按照权利要求1所述的液固双相多模式超声场全域调控材料定向凝固装置，其特征在于：所述加热系统包括温控仪(3-6)、感应加热电源(3-9)、圆筒状发热体(3-2)和套装在圆筒状发热体(3-2)外部的保温套(3-3)，以及设置在保温套(3-3)外部的感应线圈(3-4)；所述圆筒状发热体(3-2)顶部插入连接有用于采集圆筒状发热体(3-2)温度的热电偶(3-5)，所述圆筒状发热体(3-2)侧面且位于真空室(1)外部设置有用于采集圆筒状发热体(3-2)温度的红外测温仪(3-8)，所述热电偶(3-5)和红外测温仪(3-8)均与温控仪(3-6)的输入端连接，所述感应加热电源(3-9)与温控仪(3-6)的输出端连接，所述感应线圈(3-4)与感应加热电源(3-9)的输出端连接。

3.按照权利要求1所述的液固双相多模式超声场全域调控材料定向凝固装置，其特征在于：所述冷却系统(2)包括双层冷却壳体(2-1)和冷却液位控制系统，所述双层冷却壳体(2-1)下部贯穿安装于真空室(1)底面且与真空室(1)真空密封连接，所述双层冷却壳体(2-1)中内层设置有一次冷却剂(2-3)，所述双层冷却壳体(2-1)中外层设置有循环流动的二次冷却剂(2-2)；所述冷却液位控制系统包括一次冷却剂液位计(2-5)、液位控制器(2-6)、补液管(2-4)和补液升降台(2-7)，所述一次冷却剂液位计(2-5)设置在一次冷却剂(2-3)内且用于测量一次冷却剂(2-3)的液位高度，所述一次冷却剂液位计(2-5)的输出端与液位控制器(2-6)的输入端连接，所述补液升降台(2-7)与液位控制器(2-6)的输出端连接，所述补液管(2-4)的底部通过连通软管(2-8)与双层冷却壳体(2-1)的内层相连通，所述补液管(2-4)的顶部通过等气压软管(2-9)与真空室(1)内部相连通。

4.按照权利要求1所述的液固双相多模式超声场全域调控材料定向凝固装置，其特征在于：所述运动系统包括用于带动上换能器(4-2b)和上变幅杆(4-1b)升降运动的上换能器升降机(11)，用于带动下换能器(4-2a)和下变幅杆(4-1a)升降运动的下换能器升降机(13)，以及用于带动真空室(1)、加热系统和冷却系统同步升降运动的主升降机(9)；所述上换能器升降机(11)连接在上换能器(4-2b)上部，所述上换能器升降机(11)与上换能器(4-2b)的连接处设置有用于对上变幅杆(4-1b)和下变幅杆(4-1a)夹紧坩埚(6)的力进行检测的测力计(12)；所述下换能器(4-2a)底部连接有气缸(10)，所述下换能器升降机(13)连接在气缸(10)底部；所述真空室(1)底部设置有用于支撑安装真空室(1)的主支撑座(8)，所述主升降机(9)连接在主支撑座(8)底部。

5.按照权利要求1所述的液固双相多模式超声场全域调控材料定向凝固装置，其特征在于：所述超声电源系统包括双路信号发生器(4-4)、上功率放大器(4-3b)和下功率放大器(4-3a)，所述上功率放大器(4-3b)和下功率放大器(4-3a)均与双路信号发生器(4-4)的输出端连接，所述双路信号发生器(4-4)、上功率放大器(4-3b)和下功率放大器(4-3a)均与计算机(4-9)连接，所述上换能器(4-2b)与上功率放大器(4-3b)的输出端连接，所述下换能器(4-2a)与下功率放大器(4-3a)的输出端连接，所述计算机(4-9)上还接有用于对坩埚(6)的振动状态进行检测的测振仪(4-8)。

6.按照权利要求1所述的液固双相多模式超声场全域调控材料定向凝固装置，其特征在于：所述坩埚(6)为底部和顶部均为敞口设置的坩埚，所述上变幅杆(4-1b)的底端设置有向下凸出的凸台，所述下变幅杆(4-1a)的顶端设置有向上凸起的凸台。

7.按照权利要求6所述的液固双相多模式超声场全域调控材料定向凝固装置，其特征在于：所述上变幅杆(4-1b)和下变幅杆(4-1a)的材质、形状及尺寸设计方法为：

步骤C1、由待处理材料合金物理化学性质确定上变幅杆(4-1b)和下变幅杆(4-1a)的材质，具体过程为：

步骤C101、根据公式TH＝Tc+Gc计算上变幅杆(4-1b)和下变幅杆(4-1a)的最高加热温度TH，其中，Tc为待处理材料液相线温度，Gc为待处理材料熔体过热度且Gc＝k1*Tc，k1为过热百分率且k1的取值为15％～25％；

步骤C102、选取熔点高于TH的材料，且查看变幅杆材料在温度TH下的杨氏模量EH是否大于设定最小杨氏模量EL，当EH>EL时，将该材料确定为上变幅杆(4-1b)和下变幅杆(4-1a)的材质；否则，重新选材；

步骤C2、上变幅杆(4-1b)和下变幅杆(4-1a)的长度估算，具体过程为：

步骤C201、根据公式Ls＝Lg+Lc计算上变幅杆(4-1b)长度的估计值Ls，其中，Lg为所述材料定向凝固装置设计的能够加工的材料的最大设计长度，Lc为变幅杆散热段的长度，且Lc的计算方法为:

其中，Lh为上变幅杆(4-1b)位于真空室(1)顶端与感应线圈(3-4)顶端之间的长度，且Lh的最小取值为Lh＝P×5mm/kW，P为加热系统的加热功率；Lms为上变幅杆(4-1a)与真空室(1)的顶面真空动密封连接机构的高度；Lc_min为变幅杆散热段的最小散热极限长度，且Lc_min的计算方法为:

其中，T_s为上换能器(4-2b)压电陶瓷相变失效温度，T_h为加热系统工作温度，T₀为室温，λ₁为上变幅杆(4-1b)材料的热传导系数，λ₂为空气的热传导系数，r₁为上变幅杆(4-1b)主体截面圆周半径，r₂为上变幅杆(4-1b)外壁到真空室(1)内壁面的水平最短距离；

步骤C202、根据公式Lx＝Lg+Lmx计算下变幅杆(4-1a)长度的估计值Lx，其中，Lmx为下变幅杆(4-1a)与冷却系统底面动密封连接机构的高度；

步骤C3、上变幅杆(4-1b)和下变幅杆(4-1a)的形状和尺寸设计与优化，具体过程为：

步骤C301、基于上换能器(4-2b)的设计频率USFs、上变幅杆(4-1b)的材料力学性能参数、上变幅杆(4-1b)长度的估计值Ls，以上变幅杆(4-1b)的形状尺寸参数为变量，采用力学模拟软件，依据固体力学模型对上变幅杆(4-1b)进行三维有限元模型建模，进行振动模态和谐响应分析，确定引发上变幅杆(4-1b)的发射端最大纵振振幅的上变幅杆(4-1b)形状和尺寸；

步骤C302、基于下换能器(4-2a)的设计频率USFx、下变幅杆(4-1a)的材料力学性能参数、下变幅杆(4-1a)长度的估计值Lx、位于下变幅杆(4-1a)周围的冷却系统中冷却液的性质参数，以下变幅杆(4-1a)的形状尺寸参数为变量，采用力学模拟软件，依据固体力学、压力声学和声结构耦合模型对下变幅杆(4-1a)及冷却系统进行三维有限元模型建模，进行振动模态和谐响应分析，确定引发下变幅杆(4-1a)的发射端最大纵振振幅的下变幅杆(4-1a)形状和尺寸。

8.按照权利要求7所述的液固双相多模式超声场全域调控材料定向凝固装置，其特征在于：所述坩埚(6)的材质、形状及尺寸设计方法为：

步骤D1、由待处理材料合金物理化学性质确定坩埚(6)的材质，具体过程为：

选取熔点高于TH的材料，且查看选取的坩埚材料在温度TH下的杨氏模量EH是否大于设定最小杨氏模量EL，当EH>EL时，将该材料确定为坩埚(6)的材质；否则，重新选材；

步骤D2、坩埚传声模式的换能器工作频率修正，具体过程为：

步骤D201、基于上变幅杆(4-1b)的材料力学性能参数、形状尺寸参数，再增加上变幅杆(4-1b)夹持坩埚(6)的夹持预紧力参数P0，采用力学模拟软件，依据固体力学模型对上变幅杆(4-1b)进行三维有限元模型建模，计算出坩埚传声模式的上换能器(4-2b)的修正中心频率USFs1；

步骤D202、基于下变幅杆(4-1a)的材料力学性能参数、形状尺寸参数，位于下变幅杆(4-1a)周围的冷却系统中冷却液的性质参数，再增加下变幅杆(4-1a)夹持坩埚(6)的夹持预紧力参数P0，采用力学模拟软件，依据固体力学、压力声学和声结构耦合模型对下变幅杆(4-1a)及冷却液进行三维有限元模型建模，计算出坩埚传声模式的下换能器(4-2a)的修正中心频率USFx1；

步骤D3、坩埚(6)的形状和尺寸设计与优化：基于上换能器(4-2b)的修正中心频率USFs1、上变幅杆(4-1b)的材料力学性能参数、形状尺寸参数，下变幅杆(4-1a)的材料力学性能参数、形状尺寸参数，下换能器(4-2a)的修正中心频率USFx1，坩埚(6)的材料力学性能参数和形状尺寸参数，坩埚(6)被夹持的夹持预紧力参数P0，合金胚料(5)熔体物性参数，结合位于下变幅杆(4-1a)和坩埚(6)周围的冷却系统中冷却液的性质参数，采用力学模拟软件，依据固体力学、压力声学和声结构耦合模型对上变幅杆(4-1b)、下变幅杆(4-1a)、合金胚料(5)、坩埚(6)及冷却系统进行联合三维有限元模型建模，进行振动模态和谐响应分析，以所设计的坩埚(6)的形状尺寸为变量，以坩埚(6)内的熔体声场特征为目标，确定坩埚(6)的最优设计形状和尺寸。

9.一种采用如权利要求6所述材料定向凝固装置进行液固双相多模式超声场全域调控材料定向凝固的方法，其特征在于，该方法包括以下步骤：

步骤一、根据对材料定向凝固的超声场调控需求选取传声方式，并根据传声方式装载合金胚料(5)和坩埚(6)、设置所述超声系统的振动参数；所述传声方式包括六种单发射传声方式和九种双发射传声方式，六种单发射传声方式为：合金胚料底部固态传声方式、坩埚底部传声方式、坩埚底部-合金胚料底部双传声方式、熔体顶部传声方式、坩埚顶部传声方式、坩埚顶部-熔体顶部双传声方式；九种双发射传声方式为：熔体顶部传声加合金胚料底部固态传声方式、熔体顶部传声加坩埚底部传声方式、熔体顶部传声加坩埚底部-合金胚料底部传声方式、坩埚顶部传声加合金胚料底部固态传声方式、坩埚顶部传声加坩埚底部传声方式、坩埚顶部传声加坩埚底部-合金胚料底部传声方式、坩埚顶部-熔体顶部双传声加合金胚料底部固态传声方式、坩埚顶部-熔体顶部双传声加坩埚底部传声方式、坩埚顶部-熔体顶部双传声加坩埚底部-合金胚料底部传声方式；

当需要对材料定向凝固的界面与熔体超声场实现由下至上逐渐变强的调控效果时，选取熔体顶部传声方式；

当需要对材料定向凝固的界面、熔体与固相区超声场实现高度方向上的周期分布调控效果时，选取熔体顶部传声加坩埚底部传声方式、坩埚顶部传声加坩埚底部传声方式、坩埚顶部-熔体顶部双传声加坩埚底部传声方式、坩埚底部传声方式、坩埚顶部传声方式、或坩埚顶部-熔体顶部双传声方式；

当需要对材料定向凝固的界面、熔体与固相区超声场实现高度方向上的周期分布调控效果，且凝固界面与固相区有增强效果时，选取坩埚顶部传声加合金胚料底部固态传声方式、坩埚顶部-熔体顶部双传声加合金胚料底部固态传声方式、熔体顶部传声加坩埚底部-合金胚料底部传声方式、坩埚顶部传声加坩埚底部-合金胚料底部传声方式、坩埚顶部-熔体顶部双传声加坩埚底部-合金胚料底部传声方式、或坩埚底部-合金胚料底部双传声方式；

当需要对材料定向凝固的界面与固相区超声场有恒定的调控效果时，选取熔体顶部传声加合金胚料底部固态传声方式、或合金胚料底部固态传声方式；

步骤二、真空室(1)气氛控制：将真空室(1)抽气至日常工作真空后，充保护气；

步骤三、合金胚料温度与位置初始化：启动冷却系统，调节合金胚料(5)的位置，使合金胚料(5)完全位于加热系统内，启动加热系统，使加热系统的加热温度达到预定加热温度，静置时间t1后；启动运动系统，所述运动系统带动真空室(1)、加热系统和冷却系统同步升降运动，或者，所述运动系统带动坩埚(6)、上变幅杆(4-1b)、上换能器(4-2b)、下变幅杆(4-1a)和下换能器(4-2a)同步升降运动，使坩埚(6)底部进入冷却系统后关闭运动系统，再静置时间t2；

步骤四、超声场下的定向凝固：依据选取的传声方式和设置的振动参数启动超声系统，再启动运动系统，所述运动系统带动真空室(1)、加热系统和冷却系统同步升降运动，实现合金胚料(5)自下而上的定向凝固过程；或者，所述运动系统带动坩埚(6)、上变幅杆(4-1b)、上换能器(4-2b)、下变幅杆(4-1a)和下换能器(4-2a)同步升降运动，实现合金胚料(5)自下而上的定向凝固过程；

步骤五、定向凝固结束，卸载样品：合金胚料(5)全部凝固完成，或者生长一定长度后，关闭运动系统，并关闭冷却系统和加热系统，待加热系统冷却到室温，打开真空室(1)，取出定向凝固完成后的合金。

10.按照权利要求9所述的液固双相多模式超声场全域调控材料定向凝固装置及方法，其特征在于：步骤一中所述根据传声方式装载合金胚料(5)的具体方法为：

当传声方式中包含熔体顶部传声方式时，合金胚料(5)上端的装载方式为：在上变幅杆(4-1b)的底端凸台外环部位设置防漏减振圈后，将上变幅杆(4-1b)的底端凸台插入坩埚(6)内，上变幅杆(4-1b)的底端凸台与坩埚(6)内装入的合金胚料(5)相接触，且上变幅杆(4-1b)的底端凸台外环部位通过防漏减振圈与坩埚(6)柔性接触；

当传声方式中包含坩埚顶部传声方式时，合金胚料(5)上端的装载方式为：将上变幅杆(4-1b)的底端凸台直接插入坩埚(6)内，上变幅杆(4-1b)的底端凸台与坩埚(6)内装入的合金胚料(5)之间留有空气间隙，且上变幅杆(4-1b)的底端凸台外环部位与坩埚(6)刚性接触；

当传声方式中包含坩埚顶部-熔体顶部双传声方式时，合金胚料(5)上端的装载方式为：将上变幅杆(4-1b)的底端凸台直接插入坩埚(6)内，且上变幅杆(4-1b)的底端凸台外环部位与坩埚(6)刚性接触，上变幅杆(4-1b)的底端凸台与坩埚(6)内装入的合金胚料(5)相接触；

当传声方式中包含坩埚顶部和熔体顶部均不传声方式时，合金胚料(5)上端的装载方式为：在上变幅杆(4-1b)的底端凸台外环部位设置防漏减振圈后，将上变幅杆(4-1b)的底端凸台直接插入坩埚(6)内，上变幅杆(4-1b)的底端凸台与坩埚(6)内装入的合金胚料(5)之间留有空气间隙，且上变幅杆(4-1b)的底端凸台外环部位通过防漏减振圈与坩埚(6)柔性接触；

当传声方式中包含合金胚料(5)底部固态传声方式时，合金胚料(5)下端的装载方式为：在下变幅杆(4-1a)的顶端凸台外环部位设置防漏减振圈后，将下变幅杆(4-1a)的底端凸台插入坩埚(6)内，下变幅杆(4-1a)的顶端凸台与坩埚(6)内装入的合金胚料(5)直接相接触，且下变幅杆(4-1a)的顶端凸台外环部位通过防漏减振圈与坩埚(6)柔性接触；

当传声方式中包含坩埚底部传声方式时，合金胚料(5)下端的装载方式为：在下变幅杆(4-1a)的顶端凸台部位设置耐高温隔离垫后，将下变幅杆(4-1a)的底端凸台插入坩埚(6)内，下变幅杆(4-1a)的顶端凸台通过耐高温隔离垫与坩埚(6)内装入的合金胚料(5)相接触，且下变幅杆(4-1a)的顶端凸台外环部位与坩埚(6)刚性接触；

当传声方式中包含坩埚底部-合金胚料底部双传声方式时，合金胚料(5)下端的装载方式为：将下变幅杆(4-1a)的顶端凸台直接插入坩埚(6)内，下变幅杆(4-1a)的顶端凸台直接接触坩埚(6)内装入的合金胚料(5)底部，且下变幅杆(4-1a)的顶端凸台外环部位与坩埚(6)刚性接触；

当传声方式中包含合金胚料(5)底部固态传声方式时，合金胚料(5)下端的装载方式为：在下变幅杆(4-1a)的顶端凸台外环部位设置防漏减振圈，并在下变幅杆(4-1a)的顶端凸台部位设置耐高温隔离垫后，将下变幅杆(4-1a)的底端凸台插入坩埚(6)内，下变幅杆(4-1a)的顶端凸台通过耐高温隔离垫与坩埚(6)内装入的合金胚料(5)相接触，且下变幅杆(4-1a)的顶端凸台外环部位通过防漏减振圈与坩埚(6)柔性接触。

11.按照权利要求9所述的液固双相多模式超声场全域调控材料定向凝固装置及方法，其特征在于：步骤一中所述根据传声方式设置所述超声系统的振动参数的具体方法为：

当需要对材料定向凝固的界面与熔体超声场实现由下至上逐渐变强的调控效果，选取熔体顶部传声方式时，设置上变幅杆(4-1b)和下变幅杆(4-1a)之间的夹紧力F满足0<F<Fs；采用阻抗分析仪检测上换能器(4-2b)的谐振频率，并将检测得到的与上换能器(4-2b)的设计频率USFs最接近的谐振频率设置为上换能器(4-2b)的工作频率；设置上换能器(4-2b)的输出功率，使上变幅杆(4-1b)的端部振幅大于5um；设置下换能器(4-2a)的输出功率为0；其中，Fs为上变幅杆(4-1b)和下变幅杆(4-1a)之间的夹紧力的最大取值；

当需要对材料定向凝固的界面、熔体与固相区超声场实现高度方向上的周期分布调控效果，选取熔体顶部传声加坩埚底部传声方式、坩埚顶部传声加坩埚底部传声方式、坩埚顶部-熔体顶部双传声加坩埚底部传声方式、坩埚底部传声方式、坩埚顶部传声方式、或坩埚顶部-熔体顶部双传声方式时；设置上变幅杆(4-1b)和下变幅杆(4-1a)之间的夹紧力F为上变幅杆(4-1b)夹持坩埚(6)的夹持预紧力P0，采用阻抗分析仪检测上换能器(4-2b)的谐振频率，并将检测得到的与上换能器(4-2b)的修正中心频率USFs1最接近的最接近的谐振频率设置为上换能器(4-2b)的工作频率；采用阻抗分析仪检测下换能器(4-2a)的谐振频率，并将检测得到的与下换能器(4-2a)的修正中心频率USFx1最接近的谐振频率设置为下换能器(4-2a)的工作频率；设置上换能器(4-2b)和下换能器(4-2a)的输出功率，使坩埚(6)壁面最大振幅大于0.5um；且当选取熔体顶部传声加坩埚底部传声方式(A1、B2组合)、坩埚顶部传声加坩埚底部传声方式(A2、B2组合)、坩埚顶部-熔体顶部双传声加坩埚底部传声方式(A3、B2组合)时，还设置上换能器(4-2b)和下换能器(4-2a)的相位差为0～2Pi；

当需要对材料定向凝固的界面、熔体与固相区超声场实现高度方向上的周期分布调控效果，且凝固界面与固相区有增强效果，选取坩埚顶部传声加合金胚料底部固态传声方式、坩埚顶部-熔体顶部双传声加合金胚料底部固态传声方式、熔体顶部传声加坩埚底部-合金胚料底部传声方式、坩埚顶部传声加坩埚底部-合金胚料底部传声方式、坩埚顶部-熔体顶部双传声加坩埚底部-合金胚料底部传声方式、或坩埚底部-合金胚料底部双传声方式时；设置上变幅杆(4-1b)和下变幅杆(4-1a)之间的夹紧力F为上变幅杆(4-1b)夹持坩埚(6)的夹持预紧力P0，采用阻抗分析仪检测上换能器(4-2b)的谐振频率，并将检测得到的与上换能器(4-2b)的修正中心频率USFs1最接近的谐振频率设置为上换能器(4-2b)的工作频率；采用阻抗分析仪检测下换能器(4-2a)的谐振频率，并将检测得到的与下换能器(4-2a)的修正中心频率USFx1最接近的最接近的谐振频率设置为下换能器(4-2a)的工作频率；设置上换能器(4-2b)和下换能器(4-2a)的输出功率，使坩埚(6)壁面最大振幅大于0.5um；且当选取坩埚顶部传声加合金胚料底部固态传声方式、坩埚顶部-熔体顶部双传声加合金胚料底部固态传声方式、熔体顶部传声加坩埚底部-合金胚料底部传声方式、坩埚顶部传声加坩埚底部-合金胚料底部传声方式、坩埚顶部-熔体顶部双传声加坩埚底部-合金胚料底部传声方式时，还设置上换能器(4-2b)和下换能器(4-2a)的相位差为0～2π；

当需要对材料定向凝固的界面与固相区超声场有恒定的调控效果，选取熔体顶部传声加合金胚料底部固态传声方式、或合金胚料底部固态传声方式时；设置上变幅杆(4-1b)和下变幅杆(4-1a)之间的夹紧力F满足0<F<Fs；采用阻抗分析仪检测上换能器(4-2b)的谐振频率，并将检测得到的与上换能器(4-2b)的设计频率USFs最接近的谐振频率设置为上换能器(4-2b)的工作频率；采用阻抗分析仪检测下换能器(4-2a)的谐振频率，并将检测得到的与下换能器(4-2a)的设计频率USFx最接近的谐振频率设置为下换能器(4-2a)的工作频率；设置下换能器(4-2a)的输出功率，使下变幅杆(4-1a)的端部振幅大于5um；且当选取熔体顶部传声加合金胚料底部固态传声方式时，还将上换能器(4-2b)的振幅As设定为凝固长度L的函数As(L)＝As₁·e^-αL，其中As₁为为上换能器(4-2b)的初始振幅，α为声衰减系数，L为合金胚料(5)在超声作用下的凝固长度。

12.按照权利要求9所述的液固双相多模式超声场全域调控材料定向凝固装置及方法，其特征在于：步骤四中冷却系统工作时，开启启动冷却液位控制系统，采用以下两种补液方式中的一种实现补液；第一种：参数计算程序补液，直接通过液位控制器(2-6)的程序设定，控制补液升降台(2-7)带动补液管(2-4)升降，且使补液管(2-4)相对于真空室(1)的上升速度V2满足V2＝(S1-S2)V1/S3，S1为下部变幅杆(4-2)的横截面积，S2为坩埚(6)的横截面积，S3为补液管内横截面积，V1为坩埚(6)相对运动速度，利用连通器原理，实现一次冷却剂(2-3)液位高度的调节；第二种：反馈被动补液，所述一次冷却剂液位计(2-5)测量的一次冷却剂(2-3)的液位高度传输给液位控制器(2-6)，液位控制器(2-6)根据一次冷却剂液位计(2-5)测量的液位高度控制补液升降台(2-7)带动补液管(2-4)升降，实现一次冷却剂(2-3)液位高度的调节，进行实时补液。

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