專利名稱：超聲波調(diào)制定向凝固液固界面的方法與裝置的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及定向凝固技術(shù)，是一種利用超聲波調(diào)制定向凝固液固界面的方法和裝置， 用于金屬凝固方式的控制，屬于材料制備領(lǐng)域。
背景技術(shù)：
定向凝固是指在凝固過程中應(yīng)用技術(shù)手段，在液固界面處建立起特定方向的溫度梯度，從而使熔體沿著與熱流相反的方向凝固，最終得到定向凝固柱狀組織或單晶。定向凝固柱狀晶和單晶具有優(yōu)異的力學(xué)性能和物理性能，如定向凝固柱狀晶和單晶高溫合金滿足了航空航天發(fā)動(dòng)機(jī)和燃?xì)廨啓C(jī)中燃燒室渦輪前溫度的不斷提高，單晶半導(dǎo)體材料則滿足了信息工業(yè)發(fā)展的需求。定向凝固鑄件或晶體的性能是由其凝固組織和缺陷所決定的，而凝固組織及缺陷與凝固過程中的固液界面形態(tài)密切相關(guān)。如在高溫合金單晶種上凸或下凹的液固界面會(huì)使雜晶和雀斑等缺陷的形成幾率增大，加大枝晶干偏離鑄件幾何中心的程度。當(dāng)合金以平界面方式凝固時(shí)，熔體熱量從垂直于固液平界面的方向?qū)С?，可以減小或消除上述缺陷。半導(dǎo)體晶體中上凸或下凹的液固界面則會(huì)形成偏析，這些缺陷大大降低了單晶的力學(xué)性能、物理性能，甚至產(chǎn)生廢品，所以降低了產(chǎn)品合格率，增加能源消耗及制造成本。本發(fā)明利用超聲波在液固界面附近處理合金熔體，使固液界面前方小尺度范圍內(nèi)徑向溶質(zhì)和溫度分布均勻，減小或消除徑向溫度和濃度梯度，從而獲得平直液固界面。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明的目的在于減小或消除鑄件中偏析和雜晶等缺陷的形成，提高鑄件力學(xué)性能和使用壽命，降低廢品率，提供了一種基于超聲波調(diào)制定向凝固液固界面的方法和裝置， 利用超聲波調(diào)控界面前沿溶質(zhì)濃度和溫度場，得到均勻的濃度和溫度分布，從而獲得平直的液固界面凝固方式?；谏鲜瞿康?，本發(fā)明的技術(shù)構(gòu)思是在結(jié)晶器外圍、固液界面附近安裝一組超聲波發(fā)射探頭，探頭間互成一定角度。超聲波以一定功率和頻率傳入合金熔體，超聲在合金熔體中有限振幅的衰減使熔體內(nèi)形成一定的聲壓梯度，從而形成一個(gè)流體的噴流，即聲流。當(dāng)聲流的速度達(dá)到或超過熱對(duì)流和溶質(zhì)對(duì)流速度時(shí)，液相區(qū)域內(nèi)溶質(zhì)和溫度進(jìn)行重新分布， 在一定大小的頻率和功率下能夠使凝固界面前沿溫度和濃度分布均勻，從而實(shí)現(xiàn)平界面生長。需要指出的是，該聲流產(chǎn)生的流動(dòng)和攪拌是在不影響定向凝固縱向溫度梯度的條件下， 消除徑向約10°c的溫差和濃度差，超聲波強(qiáng)度遠(yuǎn)小于超聲波細(xì)化晶粒時(shí)所用強(qiáng)度。此外，為抑制超聲空化效應(yīng)，所施加的超聲波頻率和功率應(yīng)盡量避免在熔體中產(chǎn)生空化。根據(jù)上述發(fā)明構(gòu)思，本發(fā)明采用下述技術(shù)構(gòu)思
一種基于超聲波調(diào)制定向凝固液固界面的方法，其特征在于在結(jié)晶器外圍液固界面附近安裝一組超聲波探頭，探頭間互成一定角度。超聲波在液相中有限振幅的衰減在熔體中形成聲流，聲流的大小與超聲波頻率和功率相關(guān)，調(diào)制超聲波的功率和頻率能在熔體中獲得平直的液固界面。所述的超聲波流動(dòng)和攪拌作用只用來消除徑向方向溫度差和濃度差， 防止超聲波空化效應(yīng)的出現(xiàn)。施加的超聲波頻率和功率大小由公式/ -為聲流
最大可能速度，/為超聲頻率d為變幅桿端面的最大振幅)和P-^jT-F·/. 為聲壓幅值，
為聲波在介質(zhì)中的傳播速度，P為介質(zhì)密度)決定，由^可得到超聲波發(fā)射功率大小。超聲
波產(chǎn)生的聲流最大可能速度取熔體中對(duì)流速度的大小(約10_，10_2 m/s)，通過調(diào)節(jié)超聲波功率和頻率可以改變聲流速度的大小。所述合金熔體可以是鐵、銅、鋁、鎂和鎳基高溫合金等的任意一種。一種基于超聲波調(diào)制定向凝固液固界面的裝置用于上述方法，包括一個(gè)爐體，其特征在于所述爐體內(nèi)腔中部通過一個(gè)隔熱層結(jié)構(gòu)體滑動(dòng)插置一根管形剛玉坩堝，同時(shí)隔熱層結(jié)構(gòu)體將爐體內(nèi)腔分隔成上下爐腔；上爐腔接通真空系統(tǒng)而抽真空，處在上爐腔內(nèi)的管形剛玉坩堝的上區(qū)段內(nèi)腔貯有液相試樣，而外圍設(shè)有石墨輔助加熱體和石墨管主加熱體， 石墨管主加熱體頂端有碳化硼蓋；在所述隔熱層結(jié)構(gòu)體中沿軸向均勻安裝多個(gè)超聲波發(fā)射探頭，所有超聲波發(fā)射探頭外接超聲波信號(hào)源而探頭對(duì)準(zhǔn)管形剛玉坩堝內(nèi)的試樣固液界面；在所述試樣固液界面以下的管形剛玉坩堝內(nèi)貯有固相試樣，而管形剛玉坩堝底部連接一個(gè)抽拉系統(tǒng)，管形剛玉坩堝下區(qū)段的外圍設(shè)有冷卻缸體，冷卻缸體內(nèi)貯有液態(tài)fei-In冷卻劑，而冷卻缸體與爐體之間的環(huán)形腔接通水冷系統(tǒng)。本發(fā)明與現(xiàn)有技術(shù)相比較，具有如下顯而易見的突出實(shí)質(zhì)性特點(diǎn)和顯著優(yōu)點(diǎn)
本發(fā)明的方法是在結(jié)晶器外圍液固界面附近加一組超聲波，通過超聲波的聲流作用對(duì)液相進(jìn)行攪拌。聲流強(qiáng)度與超聲波發(fā)射功率和頻率相關(guān)，調(diào)制超聲波發(fā)射功率和頻率能獲得平整的液固界面。該裝置是在爐體下端隔熱層中加一組超聲波發(fā)射探頭，探頭外接超聲信號(hào)源。通過調(diào)節(jié)施加的超聲波精確控制熔體流動(dòng)，使液固界面徑向溫度和溶質(zhì)重新分布均勻，確保凝固材料以平界面方式生長，減少缺陷，提高晶體質(zhì)量和制備效率。


圖1是本發(fā)明控制液固界面為平界面的定向凝固裝置結(jié)構(gòu)示意圖。圖2是圖1中結(jié)晶器與隔熱層結(jié)構(gòu)體和主、輔加熱體的結(jié)構(gòu)示意圖。圖3是圖1中超聲波探頭安裝方式示意圖。
具體實(shí)施例方式本發(fā)明的實(shí)施例子結(jié)合附圖詳述如下 實(shí)施例一
本基于超聲波調(diào)制定向凝固液固界面的方法，其特征在于在結(jié)晶器外圍液固界面附近加一組超聲波，利用超聲波的聲流現(xiàn)象攪拌液相；通過改變超聲波頻率和功率，控制超聲聲流對(duì)液相的攪拌強(qiáng)度，進(jìn)而實(shí)現(xiàn)對(duì)定向凝固液固界面形狀的調(diào)制。實(shí)施例二
本實(shí)驗(yàn)例與實(shí)驗(yàn)例一基本相同，特別之處是超聲波攪拌是在液固界面前沿小尺度范圍內(nèi)對(duì)液相進(jìn)行攪拌，不影響定向凝固縱向溫度梯度，消除徑向溫度差和濃度差，從而獲得平直的液固界面形狀。超聲波產(chǎn)生的聲流大小與超聲波功率和頻率有關(guān)，該聲流大小 r/=U^rP ^ ^njf ,f ^mp mm, α 力‘變巾畐禾干@ 白勺辰巾畐。λ 夕卜，
超聲波在液相中產(chǎn)生的聲壓幅值/M氏于液相的超聲空化閥值，避免空化效應(yīng)對(duì)定向凝固組織的不利影響；該聲壓幅值PJhfp.ζ，其中P為聲壓幅值《力聲波在介質(zhì)中的傳播速
度，P為介質(zhì)密度。實(shí)施例三
本基于超聲波調(diào)制定向凝固界面的裝置，用于上述方法，包括一個(gè)爐體(2)，其特征在于所述爐體(2)內(nèi)腔中部通過一個(gè)隔熱層結(jié)構(gòu)體(12)滑動(dòng)插置一根管形剛玉坩堝(9)，同時(shí)隔熱層結(jié)構(gòu)體(12)將爐體(2)內(nèi)腔分隔成上下爐腔；上爐腔接通真空系統(tǒng)(3)而抽真空， 處在上爐腔內(nèi)的管形剛玉坩堝(9)的上區(qū)段內(nèi)腔貯有液相試樣(10)，而外圍設(shè)有石墨輔助加熱體(4)和石墨管主加熱體(1)，石墨管主加熱體(1)頂端有碳化硼蓋(8)；在所述隔熱層結(jié)構(gòu)體(12)中沿軸向均勻安裝多個(gè)超聲波發(fā)射探頭(5)，所有超聲波發(fā)射探頭(5)外接超聲波信號(hào)源(16)而探頭對(duì)準(zhǔn)管形剛玉坩堝(9)內(nèi)的試樣固液界面(11);在所述試樣固液界面(11)以下的管形剛玉坩堝(9)內(nèi)貯有固相試樣，而管形剛玉坩堝(9)底部連接一個(gè)抽拉系統(tǒng)(15)，管形剛玉坩堝(9)下區(qū)段的外圍設(shè)有冷卻缸體(7)，冷卻缸體(7)內(nèi)貯有液態(tài) Ga-^i冷卻劑，而冷卻缸體(7)與爐體(2)之間的環(huán)形腔接通水冷系統(tǒng)(14)。實(shí)施例四
本基于超聲波調(diào)制定向凝固界面的裝置與實(shí)施例三基本相同，詳述如下 本實(shí)施例子包括石墨管主加熱體(1)、爐體(2)、真空系統(tǒng)(3)、石墨管輔助加熱體 (4)、超聲波發(fā)射探頭(5)、液態(tài)(ia-In冷卻劑(6)、冷卻缸體(7)、碳化硼蓋(8)、剛玉坩堝 (9)、液相試樣(10)、固液界面(11)、隔熱層(12)、固相試樣(13)、水冷系統(tǒng)(14)、抽拉系統(tǒng) (15)和超聲信號(hào)源(16)。試樣為鋁合金，其長度150 mm，直徑12 mm。石墨管主加熱體(1)和輔助加熱體(4)為電阻型加熱體，高度分別為200 mm和5 mm，坩堝外徑14 mm，剛玉坩堝(9)與石墨主加熱體(1)間隔為2 mm，輔助加熱體(4)位于主加熱(1)下端，與剛玉坩堝(9)的間隔為1 mm，超聲波發(fā)射探頭(5)位于隔熱層(12)之中， 與剛玉坩堝(9)間隔1. 5 mm。超聲波發(fā)射探頭由三個(gè)互成120°的探頭組成，為使超聲波在熔體中產(chǎn)生的聲流強(qiáng)度足夠大，以克服鋁合金熔體中的對(duì)流，同時(shí)又防止空化現(xiàn)象發(fā)生，選擇恰當(dāng)?shù)某曒敵龉β屎凸ぷ黝l率，使超聲波經(jīng)隔熱層和剛玉坩堝后在鋁液中產(chǎn)生的聲壓幅值小于1 MPa，同時(shí)產(chǎn)生10_4 10_2 m/s的聲流。組裝時(shí)，石墨管主加熱體(1)、石墨管輔助加熱體(4)、超聲波發(fā)射探頭(5)、碳化硼蓋(8)、剛玉坩堝(9)共同位于爐體(2)中，隔熱層(12)位于爐體(2)之下，剛玉坩堝(9) 穿過隔熱層(12)中的孔，與抽拉系統(tǒng)(15)相連；隔熱層(12)下端剛玉坩堝(9)穿過由液態(tài) Ga-h冷卻劑(6)組成的冷卻缸體(7)，剛玉坩堝(9)底部與抽拉系統(tǒng)(15)相連并置于冷卻缸體(7)之中，水冷系統(tǒng)(14)套在冷卻缸體(7)外面。超聲波發(fā)射探頭(5)位于隔熱層(12) 之中，與超聲信號(hào)源(16)相連，超聲波在液相中有限振幅的衰減在熔體中產(chǎn)生聲流，聲流的發(fā)生使凝固液固界面前端溫度和濃度由于強(qiáng)迫流動(dòng)而重新分布，調(diào)節(jié)超聲波功率和頻率， 使徑向溫度和濃度重新分布均勻，形成平直的液固界面，減少或消除偏析等缺陷，使試樣在較高的拉速下也能實(shí)現(xiàn)平界面的生長，提高鑄件力學(xué)性能及生產(chǎn)效率。
權(quán)利要求
1.一種基于超聲波調(diào)制定向凝固液固界面的方法，其特征在于在結(jié)晶器外圍液固界面附近加一組超聲波，利用超聲波的聲流現(xiàn)象攪拌液相；通過改變超聲波頻率和功率，控制超聲聲流對(duì)液相的攪拌強(qiáng)度，進(jìn)而實(shí)現(xiàn)對(duì)定向凝固液固界面形狀的調(diào)制。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的超聲波調(diào)制定向凝固液固界面的方法，其特征在于超聲波攪拌是在液固界面前沿小尺度范圍內(nèi)對(duì)液相進(jìn)行攪拌，不影響定向凝固縱向溫度梯度，消除徑向溫度差和濃度差，從而獲得平直的液固界面形狀。
3.根據(jù)權(quán)利要求1所述的超聲波調(diào)制定向凝固液固界面的方法， 其特征在于所述超聲聲流大小與超聲波功率和頻率有關(guān)，該聲流大小u = 41難，其中，ν為聲流最大可能速度，f為超聲頻率d為變幅桿端面的最大振幅。
4.根據(jù)權(quán)利要求1所述的超聲波調(diào)制定向凝固液固界面的方法，其特征在于所述超聲波在液相中產(chǎn)生的聲壓幅值/M氏于液相的超聲空化閥值，避免空化效應(yīng)對(duì)定向凝固組織的不利影響；該聲壓幅值P = 2-Jif ‘杯·.“:，其中廣為聲壓幅值，為聲波在介質(zhì)中的傳播速度， P為介質(zhì)密度。
5.一種基于超聲波調(diào)制定向凝固界面的裝置，用于根據(jù)權(quán)利要求1所述的基于超聲波調(diào)制定向凝固界面的方法，包括一個(gè)爐體(2)，其特征在于所述爐體(2)內(nèi)腔中部通過一個(gè)隔熱層結(jié)構(gòu)體(12)滑動(dòng)插置一根管形剛玉坩堝(9)，同時(shí)隔熱層結(jié)構(gòu)體(12)將爐體(2)內(nèi)腔分隔成上下爐腔；上爐腔接通真空系統(tǒng)(3)而抽真空，處在上爐腔內(nèi)的管形剛玉坩堝(9) 的上區(qū)段內(nèi)腔貯有液相試樣(10)，而外圍設(shè)有石墨輔助加熱體(4)和石墨管主加熱體(1)， 石墨管主加熱體(1)頂端有碳化硼蓋(8)；在所述隔熱層結(jié)構(gòu)體(12)中沿軸向均勻安裝多個(gè)超聲波發(fā)射探頭(5 )，所有超聲波發(fā)射探頭(5 )外接超聲波信號(hào)源(16 )而探頭對(duì)準(zhǔn)管形剛玉坩堝(9)內(nèi)的試樣固液界面(11)；在所述試樣固液界面(11)以下的管形剛玉坩堝(9) 內(nèi)貯有固相試樣，而管形剛玉坩堝(9)底部連接一個(gè)抽拉系統(tǒng)(15)，管形剛玉坩堝(9)下區(qū)段的外圍設(shè)有冷卻缸體(7)，冷卻缸體(7)內(nèi)貯有液態(tài)( - 冷卻劑，而冷卻缸體(7)與爐體(2 )之間的環(huán)形腔接通水冷系統(tǒng)(14 )。
全文摘要
本發(fā)明提出了一種超聲波調(diào)制定向凝固液固界面的方法與裝置。本方法是在結(jié)晶器外圍液固界面附近加一組超聲波，超聲波在液相中傳播形成聲流，聲流使液相發(fā)生強(qiáng)迫流動(dòng)并攪拌液相。聲流強(qiáng)度與超聲波發(fā)射功率和頻率相關(guān)，調(diào)制超聲波發(fā)射功率和頻率能獲得平整的液固界面。該裝置是在爐體下端隔熱層中加一組超聲波發(fā)射探頭，探頭外接超聲信號(hào)源。通過調(diào)節(jié)施加的超聲波精確控制熔體流動(dòng)，使液固界面徑向溫度和溶質(zhì)重新分布均勻，確保凝固材料以平界面方式生長，減少缺陷，提高晶體質(zhì)量和制備效率。
文檔編號(hào)C30B11/00GK102357654SQ20111030563
公開日2012年2月22日 申請(qǐng)日期2011年10月11日 優(yōu)先權(quán)日2011年10月11日
發(fā)明者任忠鳴, 任維麗, 余建波, 樊亞夫, 鐘云波, 魯亮 申請(qǐng)人:上海大學(xué)