一种三维超声结合声场检测制备Mg-Al-Zn-Mn-Cu多元合金的方法技术

本发明专利技术提供了一种三维超声结合声场检测制备Mg

【技术实现步骤摘要】
一种三维超声结合声场检测制备Mg
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Al
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Zn
‑
Mn
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Cu多元合金的方法


[0001]本专利技术涉及先进材料制备及加工
，尤其涉及一种三维超声结合 声场检测制备Mg
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Al
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Zn
‑
Mn
‑
Cu多元合金的方法。

技术介绍

[0002]镁合金是工业应用最轻的金属结构材料，它具有比重轻、比强度和比刚 度高，阻尼、导热、铸造性优异，电磁屏蔽能力强、资源丰富、容易回收等 一系列优点，因此，在汽车工业、通讯电子业和航空航天业等领域正得到日 益广泛的应用。其中Mg
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Al系合金中由于具有较好的耐蚀性能和铸造性能， 同时成本较低，因而应用最为广泛，但是其传统铸造方法所得的铸态合金中 α
‑
Mg相的晶粒较为粗大，同时晶界处弥散分布的β
‑
Mg17Al12相强度较低， 较易发生裂纹扩展，导致其强度较低同时塑性较差，这些都限制了其后期的 变形处理工艺并进一步限制了其广泛应用。
[0003]在金属或合金凝固过程中施加功率超声是改善其组织结构提高性能最 有效的方法之一。功率超声是物体超高机械振动能量的传播形式，具有频率 高、功率密度大、束射性和方向性良好等显著物理特性，与液态、半固态金 属或合金相互作用时存在压力场、热效应、声空化和声流等一系列非线性超 声效应，从而达到晶粒细化、组织均匀化与净化(去气、除渣、提纯等)等 效果。其中声空化效应，是指存在于液体中的微气核空化泡在声波的作用下 振动，当声压达到一定阈值时发生生长和崩溃的动力学过程，其中空化泡破 灭产生的局域高温高压环境被认为对晶体的形核和生长影响最为显著。
[0004]目前对于功率超声在金属凝固过程中的常用形式及其局限性为：(1) 将单束超声波直接施加到金属或合金熔体内部，该方式存在变幅杆容易受到 高温侵蚀产生变形与溶解、超声能量衰减快、作用范围小、超声场分布形式 不可调控等显著局限性；(2)超声处理过程中缺乏对熔体中的声场包括声 压和空化声强等信息的测量，难以实时对超声参数进行调整，从而调控声空 化效应并进一步调控超声的作用效果。事实上，并非简单所想的超声功率越 大或者振幅越大，超声处理合金熔体的效果越好。
[0005]因此，如何弥补超声作用范围不足的缺陷，进而提高超声处理效果和调 控镁合金的凝固组织及其性能成为本领域亟待解决的技术问题。

技术实现思路

[0006]本专利技术的目的在于提供一种三维超声结合声场检测制备 Mg
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Al
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Zn
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Mn
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Cu多元合金的方法，本专利技术提供的Mg
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Al
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Zn
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Mn
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Cu多元合 金中α
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Mg组织显著细化，β
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Mg17Al12相变成弥散且相互连接的网状分布， 且力学性能得到大幅度提高。
[0007]为了实现上述专利技术目的，本专利技术提供以下技术方案：
[0008]本专利技术提供了一种三维超声结合声场检测制备Mg
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Al
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Zn
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Mn
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Cu多元合 金的方法，包括以下步骤：
[0009](1)将合金原料进行熔炼，得到合金熔体；所述合金原料包括Al、中间合金和Mg；所述中间合金的原料包括20wt.％的Zn、10wt.％的Mn、10wt.％的Cu和余量的Al；
[0010](2)将所述步骤(1)得到的合金熔体进行浇铸冷却，得到Mg
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Al
‑
Zn
‑
Mn
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Cu多元合金；所述浇铸冷却在三维相互正交的超声场中进行，所述超声场由超声振动组件产生并由高温声场检测系统进行实时监测；所述超声场通过计算机进行调控。
[0011]优选地，所述步骤(1)中的合金原料包括5.5～6.0wt.％的Al、5.0～5.5wt.％的Al60Zn20Mn10Cu10中间合金和余量的Mg。
[0012]优选地，所述步骤(1)中的熔炼包括以下步骤：
[0013]I、将中间合金的原料混合进行第一熔炼，得到第一熔体；
[0014]II、将Al和Mg混合后进行第二熔炼，得到第二熔体；
[0015]III、将所述步骤I得到的第一熔体加入到步骤II得到的第二熔体中进行第三熔炼，得到合金熔体；
[0016]所述步骤I和步骤II同时进行。
[0017]优选地，所述步骤(2)中的调控包括以下步骤：
[0018]1)改变超声振动组件的振幅A，进行振幅扫描，使用计算机检测和记录合金熔体不同振幅下的声谱信号和瞬态空化声强I；
[0019]2)对所述步骤1)得到的不同振幅对应的瞬态空化声强I进行对比，确定I取得最大值I
max
时对应的振幅A
F
，作为产生超声场的振幅。
[0020]优选地，所述步骤1)中的振幅扫描包括一级振幅扫描和/或二级振幅扫描。
[0021]本专利技术提供了一种用于制备上述技术方案所述Mg
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Al
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Zn
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Mn
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Cu多元合金的装置，所述装置包括反推杆、铸模、X轴超声振动组件、Y轴超声振动组件、Z轴超声振动组件、波导杆、热电偶、上石墨坩埚、下石墨坩埚、石英气体保护罩、上高频熔炼装置、下高频熔炼装置、上红外测温装置、下红外测温装置、上拔塞装置、下拔塞装置、流量监控装置、预热装置、声场及温度传感器与信号采集电路、计算机、采集卡、换能器电源。
[0022]优选地，所述铸模的外壁靠紧反推杆，X轴超声振动组件和Y轴超声振动组件压紧铸模互相垂直的两个外壁，Z轴超声振动组件顶紧铸模的底面；
[0023]所述波导杆和热电偶设于铸模正中央；
[0024]所述上石墨坩埚和下石墨坩埚上下放置，且均置于石英气体保护罩中，所述上拔塞装置位于上石墨坩埚的底部且在下石墨坩埚的上方，下拔塞装置位于下石墨坩埚的底部且在铸模的上方；所述上石墨坩埚与上高频熔炼装置和上红外测温装置相连；所述下石墨坩埚通与上高频熔炼装置和下红外测温装置相连；
[0025]所述流量监控装置与上石墨坩埚相连；
[0026]所述预热装置为电阻加热块；
[0027]所述声场及温度传感器与信号采集电路和计算机连接；
[0028]所述计算机与采集卡和换能器电源相连。
[0029]优选地，所述铸模为立方体铸模，所述立方体铸模的边长L如式I所示：
[0030]L＝(k+1/2)λ式I，式I中，k为任意整数，λ为f0＝20KHz的超声在铸模材料中传播的波长所述λ如式II所示：λ＝v
×
(2π/f0)式II，
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【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.一种三维超声结合声场检测制备Mg
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Al
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Zn
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Mn
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Cu多元合金的方法，包括以下步骤：(1)将合金原料进行熔炼，得到合金熔体；所述合金原料包括Al、中间合金和Mg；所述中间合金的原料包括20wt.％的Zn、10wt.％的Mn、10wt.％的Cu和余量的Al；(2)将所述步骤(1)得到的合金熔体进行浇铸冷却，得到Mg
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Al
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Zn
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Mn
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Cu多元合金；所述浇铸冷却在三维相互正交的超声场中进行，所述超声场由超声振动组件产生并由高温声场检测系统进行实时监测；所述超声场通过计算机进行调控。2.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述步骤(1)中的合金原料包括5.5～6.0wt.％的Al、5.0～5.5wt.％的Al60Zn20Mn10Cu10中间合金和余量的Mg。3.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述步骤(1)中的熔炼包括以下步骤：I、将中间合金的原料混合进行第一熔炼，得到第一熔体；II、将Al和Mg混合后进行第二熔炼，得到第二熔体；III、将所述步骤I得到的第一熔体加入到步骤II得到的第二熔体中进行第三熔炼，得到合金熔体；所述步骤I和步骤II同时进行。4.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述步骤(2)中的调控包括以下步骤：1)改变超声振动组件的振幅A，进行振幅扫描，使用计算机检测和记录合金熔体不同振幅下的声谱信号和瞬态空化声强I；2)对所述步骤1)得到的不同振幅对应的瞬态空化声强I进行对比，确定I取得最大值I
max
时对应的振幅A
F
，作为产生超声场的振幅。5.根据权利要求4所述的方法，其特征在于，所述步骤1)中的振幅扫描包括一级振幅扫描和/或二级振幅扫描。6.一种用于制备所述权利要求1～5任意一项所述Mg
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Al
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Zn
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Mn
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Cu多元合金的装置，所述装置包括反推杆、铸模、X轴超声振动组件、Y轴超声振动组件、Z轴超声振动组件、波导杆、热电偶、上石墨坩埚、下石墨坩埚、石英气体保护罩、上高频熔炼装置、下高频熔炼装置、上红外测温装置、下红外测温装置、上拔塞装置...

【专利技术属性】
技术研发人员：王建元，翟薇，胡亚杰，魏炳波，
申请(专利权)人：西北工业大学，
类型：发明
国别省市：