一种利用强空化改变金属材料性能的方法及装置制造方法及图纸

本发明专利技术提供一种利用强空化改变金属材料性能的方法及装置，该方法包括如下步骤：制备介质溶液并将其注入加压舱；将金属材料放置于工装中，并将工装放入加压舱中，关闭加压舱；通过加压系统对加压舱内进行加压，调整静水压力，加压完毕后，调整工装的位置使金属材料位于超声换能器的焦点位置；根据金属材料所要改变区域的大小选择扫描方式，并设置扫描时间；启动超声换能器对金属材料进行超声空化，同时通过高速摄像实时观测超声对金属材料作用的情况，并调整超声换能器的工作频率和驱动功率，使空化达到最好状态。本发明专利技术利用超声换能器产生的强空化来改变金属材料性能，是一种以形变诱导相变的方式实现改变金属材料性能的新方法。

A method and device for changing the properties of metal materials by strong cavitation

【技术实现步骤摘要】
一种利用强空化改变金属材料性能的方法及装置
本专利技术涉及金属材料性能改变
，特别是涉及一种利用强空化改变金属材料性能的方法及装置。
技术介绍
提升金属材料的性能一直是金属材料领域研究的热点。金属材料的力学性能包括屈服强度、硬度、抗拉强度、拉伸强度、疲劳强度，不同的力学性能对应不同的应用场景。晶粒大小与金属材料的力学性能相关，因此目前研究人员通常利用细化剂诱导相变、应变诱导相变等方法实现改变金属材料的力学性能的目的。细化剂诱导相变是在金属材料的熔炼过程中，通过添加细化剂，实现晶粒细化，进而改变材料的性能；而应变诱导相变是对材料施加压力和温度等，使材料产生塑性形变，进而达到改变材料力学性能的目的。超声空化效应是在超声波的作用下，空泡生长、压缩、振荡和溃灭的过程，而在空泡溃灭时伴随高温、高压、冲击波和微射流等极端现象。特别是在近固壁处空泡溃灭产生的极端现象，将会作用于材料壁面，如微射流的高速高压冲击、冲击波的冲击、高温作用等，这些极端现象会对材料的力学性能产生影响。因此，在金属制备等方面，超声空化效应可以作为一种形变诱导相变的方法，实现金属材料力学性能的改变。超声空化的产生与空化阈值有关，较之水力空化，超声空化易于控制，通过改变超声声强、超声频率等实现对空泡生长的控制，而空泡溃灭时产生的高温、高压、和微射流速度都与超声的驱动功率和频率有关。利用超声波的可控性，控制空化泡的生长、压缩、振荡和溃灭，实现对上述极端物理现象的控制，从而控制这些极端现象对材料力学性能的改变。因此，利用超声空化泡溃灭产生的极端物理现象改变材料力学性能将是一种有效的方法。
技术实现思路
鉴于以上所述现有技术的缺点，本专利技术的目的在于提供一种利用强空化改变金属材料性能的方法及装置，利用超声换能器产生的强空化，以形变诱导相变的方式实现对金属材料性能的改变。为实现上述目的及其他相关目的，本专利技术第一方面提供一种利用强空化改变金属材料性能的方法，包括如下步骤：(1)制备介质溶液并将其注入加压舱，除去超声换能器表面残余的气泡；(2)将金属材料放置于工装中，并将工装放入加压舱中，关闭加压舱，并注满介质溶液；(3)通过加压系统对加压舱内进行加压，调整静水压力，加压完毕后，调整工装的位置使金属材料位于超声换能器的焦点位置；(4)根据金属材料所要改变区域的大小选择扫描方式为点扫描或线扫描，并设置扫描时间；(5)启动超声换能器输出超声，使焦点位置所产生的空化作用于金属材料，同时通过高速摄像实时观测超声空化对金属材料作用的情况，并根据高速摄像观测到的情况来调整超声换能器的工作频率和驱动功率，使空化达到最好状态。可选地，所述金属材料为块状、丝状或粉末状。可选地，块状金属材料的厚度为0.5-5mm，优选为1-2mm；丝状金属材料的直径≤5mm，优选为≤1mm；粉末状金属材料的粒度为≤100μm，优选为≤10μm。可选地，所述焦点的大小为1-3mm，当金属材料所需要改变区域大于或等于焦点时，扫描方式选择线扫描；当金属材料所需要改变区域小于焦点时，扫描方式选择点扫描。聚焦超声焦点较小，可以只在局部小范围作用于金属材料。可选地，所述金属材料选自钨、金、银、铜、镍、钼、钛、锡、铝、不锈钢或者其合金中的至少一种。可选地，步骤(3)中，所述超声换能器的静水压力为0.1-10MPa，优选为6-10MPa。可选地，步骤(4)中，扫描时间为0.1-600s；优选地，当金属材料为块状时，扫描时间为0.1-30s，当金属材料为丝状时，扫描时间为0.1-1s；当金属材料为粉末状时，扫描时间为200-600s。可选地，步骤(5)中，所述超声换能器的工作频率为20kHz-1MHz，优选为0.6-1MHz；所述超声换能器的驱动功率为500-4000W，优选为1000-4000W。可选地，所述超声换能器为聚焦超声换能器。可选地，所述超声换能器聚焦的方式选自透镜式聚焦、壳式聚焦、相控阵聚焦或球形聚焦中的一种；优选地，所述超声换能器聚焦的方式为球形聚焦。可选地，所述介质溶液为脱气去离子水或其他介质溶液，其他介质溶液可以根据需求自行选择所用溶液，如硅油。本专利技术第二方面提供一种采用上述方法改变金属材料性能的装置，包括三维运动单元、加压系统、超声换能器、驱动单元、实时观测单元以及用于固定或盛放金属材料的工装；所述三维运动单元与工装相连接，用于将工装上的金属材料移动至焦点位置；所述加压系统包括加压泵和加压舱，所述加压泵用于对加压舱内进行加压并控制加压舱内的压力值，所述工装和超声换能器设置于加压舱中；所述驱动单元与超声换能器相连接，所述驱动单元为超声波信号的激励装置，用于改变超声波的频率和功率；所述实时观测单元包括高速摄像机和计算机，所述高速摄像机对加压舱中产生的空化泡进行实时监测，所述计算机用于采集高速摄像机监测的空化泡图像。进一步，所述三维运动单元包括三维丝杆、步进电机和上位机控制机构，所述上位机控制机构用于驱动步进电机，所述步进电机的输出端与三维丝杆相连接，用于驱动三维丝杆运动。可选地，所述超声换能器为聚焦超声换能器。进一步，所述工装分为用于固定块状和丝状金属材料的工装和用于盛放粉末状金属材料的工装，所述用于固定块状和丝状金属材料的工装包括两个相对设置的固定架和一个支撑架，支撑架位于两固定架之间，支撑架的两端分别与两固定架相连接，两固定架上均设有两个螺纹孔，螺纹孔中插设有一螺钉，螺钉上套设有一个金属固定片；所述用于盛放粉末状金属材料的工装包括容器及与容器相配合的盖子，所述盖子上设有可与所述三维运动单元相连接的连接杆。本方案中，当金属材料为块状时，采用激光在块状金属材料的四角打孔，然后用金属丝(如钨丝)穿过孔，将金属丝的两端都放在金属固定片下，拧紧螺钉，让金属固定片压住金属丝的端部，块状金属材料的四角通过金属丝拉紧，从而固定在工装上；固定丝状金属材料时，将丝状金属材料的两端分别压在金属固定片下，拧紧螺钉，压住端部，即可将丝状金属材料固定在工装上；当金属材料为粉末状时，将粉末状金属材料放入容器中，然后加入溶液介质(如脱气去离子水)，再将盖子盖在容器上，通过连接杆将工装与三维丝杠相连接。可选地，所述容器的开口端内壁设有外螺纹，所述盖子的端部设有与外螺纹相配合的内螺纹。可选地，所述固定架和支撑架均采用金属材料制成，所述金属材料优选为不锈钢材料。可选地，所述容器和盖子均采用塑料制成，所述塑料优选为聚四氟乙烯。聚四氟乙烯对声场的影响较小，不会破坏声场。可选地，所述容器的壁厚为0.1-0.2mm，以减小对声场的影响。如上所述，本专利技术的利用强空化改变金属材料性能的方法及装置，具有以下有益效果：本专利技术利用聚焦超声换能器产生的强空化实现对块状、丝状或粉末状等金属材料性能的改变，通过超声换能器聚焦方式、工作频率、静水压力、驱动功率的选择可以实现空化范围及强度的控制，将不同强度的超声空化效应所产生的微射流、高温和高压等极端物理现象作用于金属材料，实本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种利用强空化改变金属材料性能的方法，其特征在于，包括如下步骤：/n(1)制备介质溶液并将其注入加压舱，除去超声换能器表面残余的气泡；/n(2)将金属材料放置于工装中，并将工装放入加压舱中，关闭加压舱；/n(3)通过加压系统对加压舱内进行加压，调整静水压力，加压完毕后，调整工装的位置使金属材料位于超声换能器的焦点位置；/n(4)根据金属材料所要改变区域的大小选择扫描方式为点扫描或线扫描，并设置扫描时间；/n(5)启动超声换能器输出超声，使焦点位置所产生的空化作用于金属材料，同时通过高速摄像实时观测超声空化对金属材料作用的情况，并根据高速摄像观测到的情况来调整超声换能器的工作频率和驱动功率，使空化达到最好状态。/n

【技术特征摘要】
1.一种利用强空化改变金属材料性能的方法，其特征在于，包括如下步骤：
(1)制备介质溶液并将其注入加压舱，除去超声换能器表面残余的气泡；
(2)将金属材料放置于工装中，并将工装放入加压舱中，关闭加压舱；
(3)通过加压系统对加压舱内进行加压，调整静水压力，加压完毕后，调整工装的位置使金属材料位于超声换能器的焦点位置；
(4)根据金属材料所要改变区域的大小选择扫描方式为点扫描或线扫描，并设置扫描时间；
(5)启动超声换能器输出超声，使焦点位置所产生的空化作用于金属材料，同时通过高速摄像实时观测超声空化对金属材料作用的情况，并根据高速摄像观测到的情况来调整超声换能器的工作频率和驱动功率，使空化达到最好状态。


2.根据权利要求1所述的方法，其特征在于：所述金属材料为块状、丝状或粉末状；
和/或，所述金属材料选自钨、金、银、铜、镍、钼、钛、锡、铝、不锈钢或者其合金中的至少一种。


3.根据权利要求1所述的方法，其特征在于：块状金属材料的厚度为0.5-5mm，优选为1-2mm；丝状金属材料的直径≤5mm，优选为≤1mm；粉末状金属材料的粒度为≤100μm，优选为≤10μm；
和/或，所述焦点的大小为1-3mm，当金属材料所需要改变区域大于或等于焦点时，扫描方式选择线扫描；当金属材料所需要改变区域小于焦点时，扫描方式选择点扫描。


4.根据权利要求1所述的方法，其特征在于：步骤(3)中，所述超声换能器的静水压力为0.1-10MPa，优选为6-10MPa；
和/或，步骤(4)中，扫描时间为0.1-600s；优选地，当金属材料为块状时，扫描时间为0.1-30s，当金属材料为丝状时，扫描时间为0.1-1s；当金属材料为粉末状时，扫描时间为200-600s；
和/或，步骤(5)中，所述超声换能器的工作频率为20kHz-1MHz，优选为0.6-1MHz；
所述超声换能器的驱动功率为500-4000W，优选为1000-4000W。


5.根据权利要求1所述的方法，其特征在于：所述超声换能器为聚焦超声换能器；所述超声换能器聚焦的方式选自透镜...

【专利技术属性】
技术研发人员：李发琪，刘雅璐，刘继辉，张明军，
申请(专利权)人：重庆医科大学，
类型：发明
国别省市：重庆;50