一种Ti粉末与铝熔体直接反应法制备高纯度Al‑Ti合金的装置，包括由炉体、陶瓷坩埚和炉盖组成的釜式反应炉；由加热体、测温电偶和温控器组成的熔体温度控制装置；由超声波发生器和换能器组成超声波能量耦合装置，换能器的变幅杆置于陶瓷坩埚的偏心位置，陶瓷坩埚由陶瓷坩埚锅底上的竖隔板分成合金化反应区和成分均化区；变幅杆下端有“工”字形振头。该装置通过在熔体中形成高密度声场，将能量耦合给液/固界面，实现超声场耦合下液/固界面的润湿与相互作用控制，获得理想的Al熔体与固态Ti界面的反应条件和组织调控条件，强化界面反应过程，提高反应速度，缩短反应时间，降低反应温度，制得高纯度Al‑Ti合金。
【技术实现步骤摘要】
本专利技术涉及合金材料制备技术，特别是一种在超声场耦合下由Ti粉末与铝熔体直接反应法制备高纯度Al-Ti合金的装置。
技术介绍
TiAl3是一种轻质高温金属间化合物，具有高比模量和比强度等诸多特性，同时，与α-Al有较好的晶格适配度，以及在铝熔体中的热稳定性，预示了Al-Ti合金是铝良好的晶粒细化材料，也是高性能TiAl3颗粒增强Al基复合材料。因此，Al-Ti合金作为高性能结构材料在有色金属领域具有广泛的应用前景。液/固润湿与界面反应是材料制备过程中一种常见的物理化学现象，也是材料工程中的关键技术环节，在很大程度上决定了材料制备的可行性、最终的组织和性能，以及制备效率。在铝合金的制备过程中，铝液/固润湿与界面反应是影响其合金化过程的重要因素。对此，人们通常采用提供反应温度，熔体搅拌和添加熔剂等方法，来提高液/固界面的润湿性，增强界面反应活性。这些方法存在的共同缺陷是会加剧铝熔体的烧损、吸气和造杂等，严重影响铝合金的纯度。目前制备Al-Ti合金通常采用铝热还原法和Ti与铝熔体直接反应法。其中铝热还原法，其反应物为氟钛酸钾和金属铝，反应温度为800℃，反应式为K2TiF6+Al＝Al3Ti+KAlF4+K3AlF6ΔH＝-575(KJ/mol)在该放热反应过程中，由于实际反应温度高，会造成熔体烧损；同时，反应过程会产生KAlF4和K3AlF6熔剂，而这两种熔剂因与铝熔体的润湿性好，会浸润到铝熔体中形成夹杂，严重影响Al-Ti合金的纯度。Ti与铝熔体直接反应法，由于Ti的表明氧化层会阻止界面反应的进行，必须采用850℃以上的高温条件。尽管如此，也很难实现Ti与铝熔体的合金化，导致合金化反应速度缓慢，时间长，Ti的收得率低。同时，高温条件会加剧铝熔体的烧损、吸气和造杂，严重影响铝合金的纯度。近年来，通过外场耦合方法改变材料的制备条件，进而获得理想的合金组织及其性能，已经成为材料制备领域的一项重要手段。包括电场、磁场、超声场以及它们之间复合作用在内的多种外场耦合方法受到广泛关注。其中，高密度超声场因具有空化(AcousticCavitation)效应与声流(AcousticStreaming)作用，能提高金属熔体与生成物的传质，从而改善固体合金材料与金属熔体间的润湿性、提升界面反应速度和合金化过程，成为最受重视的外场耦合方法。
技术实现思路
本专利技术的目的是提供一种超声场耦合下Ti粉末与铝熔体直接反应法制备高纯度Al-Ti合金的装置，以克服现有铝热还原法及Ti与铝熔体直接反应法制备Al-Ti合金存在的缺陷。为达到上述目的，本专利技术提供的Ti粉末与铝熔体直接反应法制备高纯度Al-Ti合金的装置，包括釜式反应炉、熔体温度控制装置和超声波能量耦合装置；所述釜式反应炉由炉体、衬在炉体内的圆柱形陶瓷坩埚和炉盖组成；陶瓷坩埚有下出液口和上出液口，炉盖上有加料口和观察孔；所述熔体温度控制装置由用于加热熔体的加热体、测温电偶和温控器组成；加热体置于所述炉体的侧壁中，测温电偶通过所述炉盖置于所述陶瓷坩埚中，温控器通过测温电偶实时检测熔体的温度，并根据设定的温度参数采用PID智能控温模式给加热体供电，以控制熔体的温度保持恒定；所述超声波能量耦合装置由超声波发生器和换能器组成；换能器通过所述炉盖将其前部的变幅杆竖直置于所述陶瓷坩埚中，换能器设有冷却水套。所述变幅杆置于陶瓷坩埚的偏心位置，并由置于陶瓷坩埚锅底上、与变幅杆的中心相对应的竖隔板将陶瓷坩埚分成合金化反应区B和成分均化区A。所述变幅杆13的下端有“工”字形振头,“工”字形振头的直径Φ为20mm，高度为50mm；与之对应的竖隔板(16)的高度为100mm，竖隔板与陶瓷坩埚锅底交接部位呈R50mm的弧形。本专利技术的有益效果是：1、本专利技术装置突破传统的材料合成技术方法，运用声学、多相流体力学及反应工程学理论，综合了超声场的声流与空化作用，通过声场协同条件优化，在金属熔体中形成高密度声场，再通过声场传播，将能量耦合给液/固界面，实现超声场耦合下液/固界面的润湿与相互作用控制，获得理想的Al熔体与固态Ti界面的反应条件和组织调控条件，从而使界面反应过程强化，反应速度提高，反应时间缩短，反应温度降低。2、本专利技术装置由于可以控制空化效应与声流作用，通过界面空化传质方式，加速界面传质过程，使其具有声场传质过程的可控性，从而可实现Ti与Al熔体界面反应热力学与动力学条件控制，包括界面传质强度控制与制备过程参数的优化。3、本专利技术装置将变幅杆置于陶瓷坩埚的偏心位置，并通过下部的竖隔板将陶瓷坩埚分成合金化反应区B和成分均化区A。在合金化反应区，换能器产生的超声波，经过变幅杆将振幅放大之后，通过其前端的“工”字形振头，将超声波能量直接耦合给受振体(铝熔体)，具有能量强耦合的特点，并依靠高密度超声场的空化效应与声流作用，使钛粉末与铝熔体的浸润润湿及合金化反应可以在较低温度条件下进行，以减轻铝熔体烧损、吸气和造杂，使Al-Ti合金纯度提高。在成分均化区，超声波的射流效应在铝熔体中产生不对称环流，使高浓度Al-Ti合金熔体经过环流的传质作用，实现Al-Ti合金熔体的成分均匀化。4、本专利技术装置可与申请人的ZL200710159220.9专利装置配套使用，通过铝料(固态或者液态)和Ti粉末的连续添加，实现材料制备过程的连续化与凝固成形过程的一体化，为制备高性能Al-Ti合金及其复合材料管、棒、型、线材等制品提供专用设备，用于工业化生产，具有短流程、节能环保的优点。附图说明图1为本专利技术装置的结构示意图；图2为采用本专利技术装置制得的Al-Ti合金与850℃钛铝熔体直接反应法制备的Al-5Ti合金及铝热还原法制得的Al-Ti合金的组织对比图。图中：1-下出液口，2-加热体，3-温控器，4-熔体，5-上出液口，6-观察孔，7-测温电偶，8-冷却水套，9-换能器，10-加料口，11-炉盖，12-炉体，13-变幅杆，14-超声波发生器，15-Ti粉末，16-竖隔板，17-陶瓷坩埚。具体实施方式以下结合附图和实施例对本专利技术做进一步说明。本实施例Ti粉末与铝熔体直接反应法制备高纯度Al-Ti合金的装置如图1所示，包括釜式反应炉、熔体温度控制装置和超声波能量耦合装置。所述釜式反应炉由炉体12、衬在炉体内的圆柱形陶瓷坩埚17和炉盖11组成。炉体的外层用金属板制成，陶瓷坩埚的锅底与锅边交接部位呈圆弧形，陶瓷坩埚下部有下出液口1，上部有上出液口5，陶瓷坩埚的铝熔体容量为10.5Kg；炉盖11盖在陶瓷坩埚上部，炉盖上有加料口10和观察孔6。所述熔体温度控制装置由用于加热熔体4的加热体2、测温电偶7和温控器3组成；加热体置于所述炉体的侧壁中，测温电偶通过所述炉盖置于所述陶瓷坩埚中，温控器通过测温电偶实时检测熔体的温度，并根据设定的温度参数采用PID智能控温模式给加热体供电，控制熔体的温度保持恒定。所述超声波能量耦合装置由超声波发生器14和换能器9组成。超声波发生器通过导线与换能器连接。换能器为电致伸缩结构，通过M20×1螺柱与下端带有“工”字形振头的变幅杆13相连接，变幅杆及其振头为钛合金制造，变幅杆通过炉盖竖直置于陶瓷坩埚的偏心位置(偏向所述炉盖上的加料口一侧)，在陶瓷坩埚的锅底上设置与变幅杆中心上下对应的竖隔板16，将陶本文档来自技高网...
【技术保护点】
一种Ti粉末与铝熔体直接反应法制备高纯度Al‑Ti合金的装置，其特征在于：包括釜式反应炉、熔体温度控制装置和超声波能量耦合装置；所述釜式反应炉由炉体(12)、衬在炉体内的圆柱形陶瓷坩埚(17)和炉盖(11)组成；陶瓷坩埚有下出液口(1)和上出液口(5)，炉盖上有加料口(10)和观察孔(6)；所述熔体温度控制装置由用于加热熔体(4)的加热体(2)、测温电偶(7)和温控器(3)组成；加热体(2)置于所述炉体(12)的侧壁中，测温电偶通过所述炉盖置于所述陶瓷坩埚中，温控器通过测温电偶实时检测熔体的温度，并根据设定的温度参数采用PID智能控温模式给加热体供电，以控制熔体的温度保持恒定；所述超声波能量耦合装置由超声波发生器(14)和换能器(9)组成；换能器通过所述炉盖(11)将其前部的变幅杆(13)竖直置于所述陶瓷坩埚中，换能器设有冷却水套(8)。
【技术特征摘要】
1.一种Ti粉末与铝熔体直接反应法制备高纯度Al-Ti合金的装置，其特征在于：包括釜式反应炉、熔体温度控制装置和超声波能量耦合装置；所述釜式反应炉由炉体(12)、衬在炉体内的圆柱形陶瓷坩埚(17)和炉盖(11)组成；陶瓷坩埚有下出液口(1)和上出液口(5)，炉盖上有加料口(10)和观察孔(6)；所述熔体温度控制装置由用于加热熔体(4)的加热体(2)、测温电偶(7)和温控器(3)组成；加热体(2)置于所述炉体(12)的侧壁中，测温电偶通过所述炉盖置于所述陶瓷坩埚中，温控器通过测温电偶实时检测熔体的温度，并根据设定的温度参数采用PID智能控温模式给加热体供电，以控制熔体的温度保持恒定；所述超声波能量耦合装置由超声波发生器(14)和换能器(9)组成；换能器通过所述炉盖(11)将其前部的变幅杆...
【专利技术属性】
技术研发人员：李英龙，何立子，赵景涛，
申请(专利权)人：东北大学，
类型：发明
国别省市：辽宁;21
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