一种磁控电弧超声处理的设备和方法技术

本发明专利技术属于高熔点合金及金属基复合材料技术领域，涉及一种磁控电弧超声处理的设备和方法，包括电弧及线圈控制器、电弧枪控制杆、电弧磁控组件、熔炼炉、坩埚、电弧枪、超声波处理装置、抽真空机构和控制柜，其中超声波处理装置的超声探头与坩埚的底部相靠接。本发明专利技术的优点：可对高温合金熔体进行超声处理，并可通过控制尖角磁场的大小进行调控，利用可控制电弧形状及熔池熔深的尖角磁场，调控温度梯度和电弧形状及覆盖位置，进而改变熔体的温度梯度和晶体生长方式，处理不同相区铸锭。处理不同相区铸锭。

【技术实现步骤摘要】
一种磁控电弧超声处理的设备和方法


[0001]本专利技术属于高熔点合金超声处理
，具体涉及一种磁控电弧超声处理的设备和方法。

技术介绍

[0002]超声处理技术在Al、Mg、Ti等合金领域有着广泛应用，是细化初生相、调控组织、提高合金力学性能的有效手段。主要的处理方法有直接处理和间接处理，对于熔点低的合金，通常为直接处理方法，而对于高温活泼性合金(高温活泼性合金是指合金铸锭的熔点在1000℃以上，以及易污染的活泼性金属)，直接将超声波引入合金的最大挑战是超声探头的材料无法满足高温合金的温度要求。
[0003]目前，高温合金的主要熔炼方式为真空非自耗感应电弧熔炼，将超声探头通过熔炼用的坩埚可实现间接引入超声波，但在此过程中超声内的作用范围无法调控。

技术实现思路

[0004]专利技术目的
[0005]本专利技术要解决的技术问题是克服高温活泼性合金中超声作用在液相、固液混合相以及固相范围不可控的问题，提供一种磁控电弧超声处理的设备和方法，搭建磁控电弧变温度梯度超声处理设备，获得高温活泼性合金的不同超声作用机制和不同细化程度的超声铸锭。
[0006]为实现上述目的，本专利技术提供如下技术方案：
[0007]一种磁控电弧超声处理的设备，其特征在于，包括电弧及线圈控制器、电弧枪控制杆、电弧磁控组件、熔炼炉、坩埚、电弧枪、超声波处理装置、抽真空机构和控制柜，所述电弧及线圈控制器设置在熔炼炉上方，且所述电弧及线圈控制器通过电源连接线与控制柜连接；所述电弧枪控制杆的顶端与电弧及线圈控制器相连接，所述电弧枪控制杆的底端伸入熔炼炉内；
[0008]所述电弧磁控组件，包括磁头、电磁屏蔽罩、感应线圈和永磁导体组件，所述磁头通过磁头连接柱固定在熔炼炉的内顶壁上，且所述磁头具有导入通道，所述感应线圈缠绕在所述磁头上，所述电磁屏蔽罩上部固定在磁头上，且电磁屏蔽罩罩设在感应线圈的外侧，电磁屏蔽罩的底端高度与感应线圈的底端高度一致；所述永磁导体组件的上部固定在磁头上，且永磁导体组件设置在电磁屏蔽罩的外侧，永磁导体组件的底端高度与电弧枪的钨级底端高度一致；所述坩埚设置在熔炼炉内；
[0009]所述电弧枪的一端与电弧枪控制杆的底端相连接，所述电弧枪的另一端穿过导入通道，且电弧枪的钨极位于坩埚的上方；所述抽真空机构与熔炼炉相连通；所述超声波处理装置包括超声波发生器、超声发生杆和超声探头，所述超声波发生器设置在熔炼炉的下方，所述超声发生杆的底端设置在超声波发生器上，所述超声发生杆的顶端穿入熔炼炉内，所述超声探头设置超声发生杆的顶端，并与坩埚的底部相靠接；所述感应线圈和电弧枪均与
电弧及线圈控制器电性连接。
[0010]作为上述方案的进一步描述，所述坩埚为水冷坩埚，坩埚通过支撑底座设置在熔炼炉内。
[0011]作为上述方案的进一步描述，所述永磁导体组件包括第一永磁导体和第二永磁导体，所述第一永磁导体有两条，所述第二永磁导体有两条，每条所述第一永磁导体和第二永磁导体交错且呈等距离设置在磁头上，所述第二永磁导体的长度大于第一永磁导体的长度，且每条所述第一永磁导体和第二永磁导体的底端均与电弧枪的钨极底端平齐。
[0012]作为上述方案的进一步描述，还包括驱动电机，所述驱动电机设置在电弧及线圈控制器内；所述电极控制杆包括外套杆、伸缩杆和中心杆，所述外套杆的顶端与电弧及线圈控制器连接，外套杆的底端与熔炼炉顶壁固定连接；所述伸缩杆的直径小于外套杆，且伸缩杆的外径与外套杆的内壁之间具有空腔，伸缩杆的底端伸入进熔炼炉内；所述中心杆的一端与驱动电机驱动连接，且中心杆与伸缩杆的内壁螺纹连接，所述电弧枪设置在伸缩杆的底端。
[0013]作为上述方案的进一步描述，还包括保护气加压机构，所述保护气加压机构与熔炼炉相连通；所述的感应线圈为交流感应线圈。
[0014]作为上述方案的进一步描述，所述熔炼炉与超声发生杆通过密封组件连接，所述密封组件包括固定件和密封件，所述固定件与超声发生杆螺纹连接，所述固定件底部具有多个凸块，所述熔炼炉的底板上开设有超声发生杆连接孔，且在熔炼炉的内底板上还设有与凸块相匹配的卡槽；所述超声发生杆通过凸块设置在熔炼炉的内底板上；所述密封件与套设在超声发生杆上，所述密封件具有螺纹连接部和密封部，所述螺纹连接部伸入与超声发生杆连接孔内，并与超声发生杆螺纹密封连接；所述密封部设置在螺纹连接部的底部，并与熔炼炉的底板外部相贴合，在所述密封部迎向熔炼炉的一侧设置有密封垫，且所述密封部的外径大于超声发生杆连接孔的直径。
[0015]一种使用上述的磁控电弧超声处理的设备处理不同相区铸锭的方法，包括以下步骤：
[0016]步骤1：待熔炼铸锭放置在坩埚内部，并将电弧枪的钨级调至能够引弧的位置；步骤2：开启抽真空机构，然后开启保护气加压机构，将熔炼炉内真空度保持在0.05MPa，利用电弧枪将铸锭熔化至熔融状态；
[0017]步骤3：待铸锭熔化形成稳定熔体，启动感应线圈，控制电弧枪的电弧作用范围及熔深，对熔融状态下铸锭的液相区和糊状区进行作用；
[0018]步骤4：在步骤3感应线圈的磁场下保持预定时间，使合金的固、液两相区达稳定状态；
[0019]步骤5：在感应线圈的磁场下，开启超声波发生器，保持设定时间，来控制铸锭内晶体的细化程度；
[0020]步骤6：减小电弧枪的电弧电流，调至0后，关闭电源。
[0021]作为上述方案的进一步描述，所述步骤2中电弧枪的熔炼温度大于等于铸锭液相线100℃，保证过热度。
[0022]作为上述方案的进一步描述，所述步骤6的电弧枪的电弧电流为每10s减小100A，并逐渐减小电流至0。
[0023]作为上述方案的进一步描述，所述步骤3和步骤4中，在处理铸锭的熔体糊状区时，感应线圈频率不小于60Hz且不大于100Hz，感应线圈电流为50
‑
150A；在处理铸锭的熔体液相区时，感应线圈频率不小于20Hz且小于60Hz，感应线圈电流为200
‑
300A；所述步骤4的预定时间为90
‑
110s。
[0024]作为上述方案的进一步描述，所述步骤5中，超声波发生器的频率为20kHz，在处理铸锭的熔体糊状区时，超声波发生器的功率不小于12kW且不大于20kW；在处理铸锭的熔体液相区时，超声波发生器的功率不小于10且小于12kW；所述步骤5的设定时间为70
‑
90s。
[0025]优点及效果
[0026]1.本专利技术采用磁控电弧超声处理的设备和方法，可对高温合金熔体进行超声处理，同时，超声作用的液相和液、固两相及固相可通过控制尖角磁场的大小进行调控，利用可控制电弧形状及熔池熔深的尖角磁场，调控温度梯度和电弧形状及覆盖位置，进而改变熔体的温度梯度和晶体生长方式，处理不同相区铸锭，本专利技术中，通过增大熔深，扩大坩埚内熔体的范围，使超声作用于铸锭的熔体液相区，可以充分改变元素分布，使元素分布更加均匀；减小熔深，可以使超声作用于铸锭的熔体糊状区，破碎糊本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.一种磁控电弧超声处理的设备，其特征在于，包括电弧及线圈控制器(1)、电弧枪控制杆(2)、电弧磁控组件(4)、熔炼炉(5)、坩埚(7)、电弧枪(6)、超声波处理装置、抽真空机构(14)和控制柜(11)，所述电弧及线圈控制器(1)设置在熔炼炉(5)上方，且所述电弧及线圈控制器(1)通过电源连接线(13)与控制柜(11)连接；所述电弧枪控制杆(2)的顶端与电弧及线圈控制器(1)相连接，所述电弧枪控制杆(2)的底端伸入熔炼炉(5)内；所述电弧磁控组件，包括磁头(41)、电磁屏蔽罩(43)、感应线圈(42)和永磁导体组件(44)，所述磁头(4)通过磁头连接柱(3)固定在熔炼炉(5)的内顶壁上，且所述磁头(41)具有导入通道，所述感应线圈(42)缠绕在所述磁头(4)上，所述电磁屏蔽罩(43)上部固定在磁头(41)上，且电磁屏蔽罩(43)罩设在感应线圈(42)的外侧，电磁屏蔽罩(43)的底端高度与感应线圈(42)的底端高度一致；所述永磁导体组件(44)的上部固定在磁头(41)上，且永磁导体组件(44)设置在电磁屏蔽罩(43)的外侧，永磁导体组件(44)的底端高度与电弧枪(6)的钨级底端高度一致；所述坩埚(7)设置在熔炼炉(5)内；所述电弧枪的一端与电弧枪控制杆(2)的底端相连接，所述电弧枪的另一端穿过导入通道，且电弧枪(6)的钨极位于坩埚(7)的上方；所述抽真空机构(14)与熔炼炉(5)相连通；所述超声波处理装置包括超声波发生器(10)、超声发生杆(9)和超声探头(8)，所述超声波发生器(10)设置在熔炼炉(7)的下方，所述超声发生杆(9)的底端设置在超声波发生器(10)上，所述超声发生杆(9)的顶端穿入熔炼炉(5)内，所述超声探头(8)设置超声发生杆(9)的顶端，并与坩埚(6)的底部相靠接；所述感应线圈(42)和电弧枪(6)均与电弧及线圈控制器(1)电性连接。2.根据权利要求1所述的磁控电弧超声处理的设备，其特征在于：所述坩埚(7)为水冷坩埚，坩埚(7)通过支撑底座设置在熔炼炉(5)内。3.根据权利要求1所述的磁控电弧超声处理的设备，其特征在于：所述永磁导体组件(44)包括第一永磁导体和第二永磁导体，所述第一永磁导体有两条，所述第二永磁导体有两条，每条所述第一永磁导体和第二永磁导体交错且呈等距离设置在磁头(41)上，所述第二永磁导体的长度大于第一永磁导体的长度，且每条所述第一永磁导体和第二永磁导体的底端均与电弧枪(6)的钨极底端平齐。4.根据权利要求2或3所述的磁控电弧超声处理的设备，其特征在于：还包括驱动电机(21)，所述驱动电机(21)设置在电弧及线圈控制器(1)内；所述电极控制杆(2)包括外套杆(24)、伸缩杆(23)和中心杆(22)，所述外套杆(24)的顶端与电弧及线圈控制器(1)连接，外套杆(24)的底端与熔炼炉(5)顶壁固定连接；所述伸缩杆(23)的直径小于外套杆(24)，且伸缩杆(23)的外径与外套杆(24)的内壁之间具有空腔，伸缩杆(23)的底端伸入进熔炼炉内；所述中心杆(22)的一端与驱动电机(21)驱动连接，且中心杆(22)与伸缩杆(23)的内壁螺纹连接，所述电弧枪(6)设置在伸缩杆(23)的底端。5.根据权利要求4所述的磁控电弧超声处理的设备，其特征在于...

【专利技术属性】
技术研发人员：陈瑞润，王墅，王琪，陈德志，王亮，苏彦庆，郭景杰，
申请(专利权)人：哈尔滨工业大学，
类型：发明
国别省市：