一种用于半固态变温振动细化金属凝固组织的装置及方法
阅读说明：本技术 一种用于半固态变温振动细化金属凝固组织的装置及方法 (Device and method for refining metal solidification structure by semi-solid variable-temperature vibration ) 是由 杨劼人 刘颖 叶金文 于 2021-07-23 设计创作，主要内容包括：本发明公开一种用于半固态变温振动细化金属凝固组织的装置及方法,包括振动系统、加热及控温系统、石英罩和坩埚；振动系统包括机械振动发生器和振动平台,机械振动发生器用于驱动振动平台做横向往复运动,坩埚和石英罩均固定在振动平台上,石英罩罩设在坩埚外侧；加热及控温系统包括感应加热控温电源、感应加热线圈、石墨加热体和红外测温仪,石墨加热体设置于石英罩与坩埚之间,感应加热线圈位于石英罩的外周并与石墨加热体相对应,红外测温仪用于测量坩埚内金属材料温度并将温度信号反馈给感应加热控温电源。该半固态振动装置可在变温控制下进行,振动频率和变温参数可调,装置结构和操作较为简易,可在惰性气体保护下进行,材料使用范围广。(The invention discloses a device and a method for thinning a metal solidification structure by semi-solid variable-temperature vibration, which comprises a vibration system, a heating and temperature control system, a quartz cover and a crucible; the vibration system comprises a mechanical vibration generator and a vibration platform, the mechanical vibration generator is used for driving the vibration platform to do transverse reciprocating motion, the crucible and the quartz cover are fixed on the vibration platform, and the quartz cover is covered outside the crucible; the heating and temperature control system comprises an induction heating temperature control power supply, an induction heating coil, a graphite heating body and an infrared thermometer, wherein the graphite heating body is arranged between the quartz cover and the crucible, the induction heating coil is positioned on the periphery of the quartz cover and corresponds to the graphite heating body, and the infrared thermometer is used for measuring the temperature of a metal material in the crucible and feeding back a temperature signal to the induction heating temperature control power supply. The semi-solid vibrating device can be carried out under variable temperature control, the vibration frequency and variable temperature parameters are adjustable, the device structure and operation are simple and easy, the semi-solid vibrating device can be carried out under the protection of inert gas, and the material application range is wide.)
技术领域
本发明涉及金属凝固组织细化技术领域，特别是涉及一种用于半固态变温振动细化金属凝固组织的装置及方法。
背景技术
半固态为金属在固液两相区(亦称糊状区)所处的状态，半固态金属中同时存在已凝固枝晶和未凝固的残余液相。通常，一方面可以通过物理场对半固态金属进行搅拌，打碎枝晶，实现凝固组织细化；另一方面，还可以对半固态金属进行加工成形，半固态成形具有近净成形、低缺陷、组织细小均匀、低偏析、少能耗、尺寸控制精度高的优点。
1980年代日本学者大野笃美针对半固态金属，提出了“枝晶游离理论”，利用多种人工方式破碎凝固枝晶，使凝固枝晶数量在液相中增殖，起到形核基底作用，促进金属形成细小等轴晶组织。罗守靖等人2000在《中国有色金属学报》发表《半固态加工技术及应用》，指出半固态加工技术在航空航天、汽车、电子和军工等领域展现出良好的应用前景。电磁场搅拌是半固态物料处理的重要技术之一。直接浸入半固态物料的搅拌杆装置，是一种最常见的物理搅拌。白月龙等人2021年在《特种铸造及有色合金》上发表《半固态搅拌制备颗粒增强铝基复合材料》，利用旋片机构对SiCP/A357铝基复合材料进行处理，开展了工艺优化工作。但是，采用搅拌器直接和物料进行接触的方式，往往导致相分布不均匀，且存在污染金属的风险，比如对于Ti基材料不能适用。非接触式的半固态金属细化方法，主要包括机械振动、电磁搅拌和超声振动。机械振动直接均匀作用在整体半固态浆料上，主要应用在铝合金、铜合金、镁合金等低熔点金属材料上。刘静等人2013年在《精密成形工程》上发表《机械振动和半固态等温热处理对消失模AZ91D组织的影响》，发现凝固过程中采用机械振动，显著细化了镁合金晶粒。刘政2020年在《精密成形工程》上发表《电磁场作用下半固态合金熔体流动行为对凝固组织的影响》，综述了电磁场对半固态合金中物质传输、晶粒生长、温度场、凝固组织等的影响规律和机制。需要注意，半固态电磁搅拌细化存在频率选择上的矛盾：一方面，加热金属需要较高的频率，此时搅拌力不足；另一方面，搅拌金属需要较低的频率，此时加热能力不足。赵君文等人2008年在《中国有色金属学报》发表《超声振动对过共晶Al-Si合金半固态浆料凝固组织的影响》，研究了超声振动时间、振动保温、空振比等参量对金属半固态浆料组织细化的影响。然而，超声振动的最大问题是超声影响区小，无法对整体半固态金属进行均匀处理。
针对半固态细化金属的研究工作，相关发明专利及情况说明如下：“一种半固态浆料用旋转振动耦合搅拌装置(公布号：CN111804883A)”中，设计出一种可以同时在轴向和径向上搅拌的装置，且半固态浆料料筒可以旋转，辅助提升搅拌效果和金属组织细化程度。“一种黑色金属半固态浆料制备的电磁搅拌与振动复合装置(公布号：CN102062543A)”，将预熔化的液相线附近温度的熔体倒入底部坩埚内，然后在对其进行电磁搅拌和机械振动复合工艺，但专利中并没有给出具体实施方案和金属组织细化效果。“一种混合振动制备半固态金属浆料的方法及装置(公布号：CN101708543A)”中，设计出一种低频机械和超声的混合振动装置，并给出了ZL101和Al-20Si-2Cu-1Ni-0.4Mg两种铝合金的处理结果。
可以发现，以往关于半固态处理细化金属组织的方法和技术中存在如下问题：(1)直接接触式的机械搅拌装置不均匀，且可能污染材料；(2)采用机械振动时，振动频率较低，细化效果有限；(3)采用电磁搅拌细化时，要么存在加热能力和搅拌能力的矛盾问题，要么熔炼和搅拌是两套装置，结构非常复杂；(4)超声振动细化金属的作用区域有限，难以作用于整个材料；(5)半固态振动处理细化金属多见于Al、Mg等低熔点轻金属，未见高温合金、高温金属间化合物等高温金属材料；(6)带保护气氛的装置和方法鲜有报道。
综上所示，针对金属组织细化，希望开发出一种结构简单、材料类型适用性广、细化效果明显的半固态处理细化金属组织的工艺方法。
发明内容
本发明的目的是提供一种用于半固态变温振动细化金属凝固组织的装置及方法，以解决上述现有技术存在的问题，该半固态振动装置可以在变温控制下进行，振动频率和变温参数可调，装置结构和操作较为简易，可以在惰性气体保护下进行，材料使用范围广。
为实现上述目的，本发明提供了如下方案：本发明提供一种用于半固态变温振动细化金属凝固组织的装置，包括振动系统、加热及控温系统、石英罩和坩埚；
所述振动系统包括机械振动发生器和振动平台，所述机械振动发生器用于驱动所述振动平台做横向往复运动，所述坩埚底部固定在振动平台上；罩设在所述坩埚外侧的所述石英罩也固定密封在所述振动平台上，石英罩的底部横向开口用于保护气体的通入，石英罩的上部横向开设有排气口；
所述加热及控温系统包括感应加热控温电源、感应加热线圈、石墨加热体和红外测温仪，所述石墨加热体设置于所述石英罩内并位于所述坩埚的外周，所述感应加热线圈位于所述石英罩的外周并与所述石墨加热体相对应，所述红外测温仪用于测量坩埚内金属材料温度并将温度信号反馈给感应加热控温电源。
优选地，所述机械振动发生器采用凸轮和弹簧结合的振动方式，通过改换不同尺寸的凸轮进行振幅调整，机械振动发生器的振动频率通过驱动所述凸轮运动的调速电机进行控制。
优选地，所述振动平台采用铝合金材料制成，振动平台的振幅为±0.5～1.5mm。
优选地，所述感应加热控温电源的额定功率为30kW；感应加热线圈的缠绕匝数为6匝，线圈总高度为60mm；石墨加热体的厚度为10mm。
优选地，石英罩内径为100mm，所述石英罩的底部与振动平台之间采用环形平底.密封胶圈进行密封并采用高温合金螺栓进行固定；所述坩埚的底部与振动平台也采用高温合金螺栓进行固定。
优选地，所述坩埚的材料为高纯氧化铝，坩埚的内径为10～20mm，深度为10～20mm。
优选地，所述石墨加热体与石英罩之间设置有隔热材料，所述隔热材料包括位于所述石墨加热体外周的环形隔热筒和位于坩埚及环形隔热筒顶部的隔热顶扣板；所述隔热材料为湿法真空抽滤成型制备的多晶无级氧化铝陶瓷纤维材料制成，且所述隔热材料的厚度不低于20mm；所述隔热顶扣板中间开孔的直径不大于10mm。
优选地，所述石墨加热体的厚度不低于15mm。
一种用于半固态变温振动细化金属凝固组织的方法，上述的用于半固态变温振动细化金属凝固组织的装置，包括以下步骤：
(1)将坩埚固定在振动平台上，将待半固态处理的金属样品用酒精清洗干净，放入坩埚内；将石墨加热体放置在环形隔热筒内，将隔热顶扣板放置在环形隔热筒上，并调整好石墨加热体、环形隔热筒和坩埚之间的相对位置；
(2)将石英罩固定密封在振动平台上，通过惰性保护气体进口对石英罩内通入惰性气体氩气；将感应加热线圈安装在石英罩外部，并调整其高度；将红外测温仪固定在石英罩正上方，使测温探头正对金属样品的上表面；
(3)通过感应加热控温电源设定好温度和时间变化曲线，通过机械振动发生器设定好振幅和频率，先开启感应加热控温电源，待金属温度超过固相线后，打开机械振动发生器，开始对半固态金属进行变温振动处理；温度—功率控制信号反馈线实时将温度信号传递给感应加热控温电源，实现功率自适应的变温控制；
(4)待半固态变温振动处理结束后，首先关闭感应加热控温电源，稍后再关闭机械振动发生器，此时红外测温仪仍继续工作，氩气持续从惰性保护气体进口通入；待温度降到室温后，拆除石英罩固定密封件，从坩埚内取出金属样品。
优选地，所述坩埚、石墨加热体、环形隔热筒、感应加热线圈调整为同心位置；金属样品的高度不超过感应加热线圈高度的三分之一。
本发明相对于现有技术取得了以下有益技术效果：
(1)本发明将半固态温度循环处理和机械振动结合起来，能更有效的对金属材料进行凝固组织细化。
(2)本发明对半固态金属整体温度控制均匀，且半固态变温路径可调性高、设计性强。
(3)本发明机械振动幅度和振动频率可调，参数选择范围广。
(4)本发明不仅可应用在Al、Mg等低熔点合金上，还可以适用于熔点超过1200℃的高温金属材料。
(5)本发明可以在惰性保护气氛中进行，适用于熔体化学活性高和易受空气污染的金属材料。
附图说明
为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例中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为用于半固态变温振动细化金属凝固组织的装置的整体结构示意图；
图2为振动系统的结构组成图；
图3为采用本发明的装置进行半固态变温振动细化金属凝固后的Al-4.5Cu合金金相组织图；
其中，1机械振动发生器，2振动平台，3石英罩固定密封件，4坩埚固定件，5坩埚，6金属样品，7惰性保护气体进口，8环形隔热筒，9石英罩，10隔热顶扣板，11气体出口，12红外测温仪，13温度—功率控制信号反馈线，14石墨加热体，15感应加热线圈，16感应加热控温电源；17底座；18可调速电机；19凸轮；20弹簧。
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做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。
本发明的目的是提供一种用于半固态变温振动细化金属凝固组织的装置及方法，以解决上述现有技术存在的问题，该半固态振动装置可以在变温控制下进行，振动频率和变温参数可调，装置结构和操作较为简易，可以在惰性气体保护下进行，材料使用范围广。
为使本发明的上述目的、特征和优点能够更加明显易懂，下面结合附图和具体实施方式对本发明作进一步详细的说明。
如图1所示，本实施例提供一种用于半固态变温振动细化金属凝固组织的装置及方法，其包括振动系统、加热及控温系统、石英罩9、隔热组件、坩埚5、密封固定件；石英罩9为空腔，底部横向开口用于保护气体通入，上部横向开口用于排气；振动系统包括机械振动发生器1和振动平台2，振动方式采用凸轮19+弹簧20结构，振动方式为横向往复，振幅可通过不同尺寸凸轮19调整，振动频率通过可调速电机18控制，最高可达20000转/分。石英罩9内径为100mm，固定密封在振动平台2上，坩埚5底部固定在振动平台2上；加热及控温系统包括感应加热控温电源16、感应加热线圈15、石墨加热体14、红外测温仪12和温度—功率控制信号反馈线13，感应加热控温电源16的额定功率为30kW，感应加热线圈15的匝数为6匝，总高度为60mm，石墨加热体14的厚度为10mm，红外测温仪12用于测量金属材料温度，然后将温度信号反馈给感应加热控温电源16，电源功率根据所设定的温度变化曲线进行自适应调整。
如图2所示，振动系统中的机械振动发生器1包括底座17、可调速电机18、凸轮19和弹簧20，底座17上沿振动平台2的运动方向设置有两条平行的滑轨，振动平台2可沿滑轨左右移动，与此同时，可调速电机18的输出轴上安装有凸轮19，凸轮19与振动平台2的底面相接触，随着凸轮19的转动来驱动振动平台2实现相对于底座17的左右移动，为了保证振动平台2的运动平稳性，振动平台2的一端还通过两组对称的弹簧20与底座17相连接。本实施例中可以根据振动频率的需要对可调速电机18的转速进行调整。
具体地，于本实施例中，振动平台2采用铝合金材料，以减轻结构重量，振幅为±0.5～1.5mm；坩埚5的材料为高纯氧化铝(纯度为99.99wt.％)，内径为10～20mm，深度为10～20mm；隔热材料(环形隔热筒8和隔热顶扣板10)为湿法真空抽滤成型制备的多晶无机氧化铝陶瓷纤维材料，为保证隔热效果，厚度不低于20mm，隔热顶扣板10中间开孔直径不大于10mm。
于本实施例中，石英罩9和振动平台2之间采用环形平底高温密封胶圈进行密封，采用高温合金螺栓进行固定，坩埚5和振动平台2之间采用高温合金螺栓进行固定。
此外，石墨加热体厚度不低于15mm，可以有效屏蔽电磁场，避免电磁场穿透石墨对坩埚内材料进行搅拌，从而造成温度扰动。
本发明的另一目的在于提供一种利用上述半固态变温振动装置，细化金属凝固组织的方法，具体步骤如下：
1、将氧化铝制成的坩埚5通过坩埚固定件4固定在振动平台2上，将待半固态处理的金属样品6用酒精清洗干净，放入坩埚5内。将石墨加热体14放置在环形隔热筒8内，将隔热顶扣板10放置在环形隔热筒8上，并调整好石墨加热体14、环形隔热筒8和坩埚5之间的相对高度位置。
2、将石英罩9固定密封在振动平台2上，通过惰性保护气体进口7对石英罩9内通入惰性气体氩气，由于氩气的密度是空气的1.4倍，所以逐渐将石英罩9内空气从气体出口11排出去，在石英罩9内形成保护气氛。将感应加热线圈15安装在石英罩9外部，并调整其高度。将红外测温仪12固定在石英罩9正上方，使测温探头正对金属样品6的上表面。
3、通过感应加热控温电源16设定好温度——时间变化曲线，通过机械振动发生器1设定好振幅和频率。先开启感应加热控温电源16，待金属温度超过固相线后，打开机械振动发生器1，开始对半固态金属进行变温振动处理。温度—功率控制信号反馈线13实时将温度信号传递给感应加热控温电源16，实现功率自适应的变温控制。
4、待半固态变温振动处理结束后，首先关闭感应加热控温电源16，稍后再关闭机械振动发生器1，此时红外测温仪12仍继续工作，氩气持续从惰性保护气体进口7通入。待温度降到室温后，拆除石英罩固定密封件3，从坩埚5内取出金属样品6。
于本实施例中，坩埚5、石墨加热体14、环形隔热筒8、感应加热线圈15调整为同心位置，以确保金属样品6受到四周环境的均匀加热。
将石墨加热体14和金属样品6调整到感应加热线圈15高度中间，以实现电磁能的最大利用。金属样品6高度不要超过感应加热线圈15高度的三分之一，以确保加热区温度的均匀性。变温处理设定在半固态内固相率体积分数10～60％的温度范围，控制在此范围内温度振荡变化，固相体积分数过高不容易发生振动熔断。
需要说明的是，对于本领域技术人员而言，显然本发明不限于上述示范性实施例的细节，而且在不背离本发明的精神或基本特征的情况下，能够以其他的具体形式实现本发明。因此，无论从哪一点来看，均应将实施例看作是示范性的，而且是非限制性的，本发明的范围由所附权利要求而不是上述说明限定，因此旨在将落在权利要求的等同要件的含义和范围内的所有变化囊括在本发明内，不应将权利要求中的任何附图标记视为限制所涉及的权利要求。
本发明中应用了具体个例对本发明的原理及实施方式进行了阐述，以上实施例的说明只是用于帮助理解本发明的方法及其核心思想；同时，对于本领域的一般技术人员，依据本发明的思想，在具体实施方式及应用范围上均会有改变之处。综上所述，本说明书内容不应理解为对本发明的限制。
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