专利名称：超声辅助致密化装置的制作方法
技术领域：
本发明涉及冶金烧结设备，特别涉及一种超声辅助致密化装置。
背景技术：
超声波是一种频率高于20KHz的声波，可以在固体、液体以及气体中传播，由于具有方向性好、穿透能力强、能量集中的特点，传播时可以在传播介质中引发独特的物理现象，如产生机械效应、热效应、空化效应以及化学效应，超声波由于具有这些特征，将其应用于粉末冶金中的压制、烧结过程，可以得到比普通压制更好的效果。
随着现代工业的迅速发展，要求材料制备工艺节能、环保、高效、易于操作，同时要求在原有设备基础上进行改造以节约成本。超声辅助致密化装置可以满足现代工业对材料制备工艺的要求，可以方便的在已有的压机或热压设备上使用。
采用超声辅助致密化装置，可以使颗粒之间相互摩擦，增加颗粒之间的接触面积，在超声热效应的作用下加速颗粒之间的扩散。在液相热压烧结时，由于液体在超声场中的空化效应，可以使颗粒受到冲击而破裂，因此可保持甚至细化被烧结材料的微观组织，防止压坯在压制烧结过程中晶粒长大，并且可以极大地降低孔隙率。
由于超声辅助致密化装置具有细化坯体组织，降低孔隙率的特点，在制备致密的粉末冶金材料设备中具有应用前景，特别在复合材料以及纳米材料的制备中有独特的作用。
发明内容
本发明提供了一种超声辅助致密化装置，其特征在于，压坯7的上下端由压头3固定，左右两侧由内模6固定，内模6外有压模5对压坯7做进一步固定； 超声换能器1通过变幅杆2连接到压头3上；所述超声换能器1将高频电信号转 换成机械振动，机械振动通过变幅杆2变换振幅传递到压头3上，由于压头3的 高频振动传递到压坯7，使组成压坯的颗粒之间强烈摩擦，使颗粒之间最终达到 紧密配合的状态。
所述超声辅助致密化装置的工作温度范围为-10(TC 250(rC。
所述压头3的材料为包括钨、钼、钽、铌、镍、铁、钴、钛在内的金属，包 括高温合金钢、碳化钨、碳化钛、钛铝合金、不锈钢、钽铪合金在内的高温高强 度合金，包括氧化铝、氧化锆、氧化镁、氧化铍、氮化硼、氮化铝在内的陶瓷或 石墨；压坯7为固体金属坯或无机物坯；垫片4为包括铁、钛、银、钨、钼、钽、 铌、铼、镍、铜在内的金属或石墨毡。
所述超声换能器1为磁致伸縮换能器或压电换能器。
所述超声换能器1与变幅杆2组成的超声装置，其位置为安装在压模5的侧 面或压头3的顶端；安装数量为1 4个。
所述变幅杆2的变幅放大级数范围为1~4级，变幅方式包括阶梯、指数、悬 链线、圆锥、高斯、傅里叶、余弦以及它们的复合组合类型。
本发明的有益效果为
(1) 装置简单构件形状简单，易于加工维护；
(2) 节能采用超声辅助致密化装置可以在比常规压制装置低得多的压力 以及保压时间条件下得到致密的压坯；
(3) 阻止晶粒长大由于超声能使颗粒剧烈振动，甚至可以打破大的晶粒，
在高温热压烧结时可以有效的增加籽晶数量，从而保证得到的热压制品的晶粒细
化，对于纳米材料的制备具有非常明显的优势；(4) 适应性广在材料的许可温度范围内，几乎适用于一切固体材料；
(5) 压制致密度高、孔隙率低超声所具有的压制机理能够保证压制出的 制品密度分布均匀，颗粒之间接触面积大，孔隙率低。
图l为超声辅助致密化装置示意图。 图中标号
l-超声换能器；2-变幅杆；3-压头；4-垫片；5-压模；6-内模；7-压坯。
具体实施例方式
本发明提供了一种超声辅助致密化装置，下面通过
和具体实施方式
对本发明做进一步说明。
图1为超声辅助致密化装置示意图。先将待压制的压坯7填充进压模5以及 内模6中，并在上下端设置压头3，并在压头3外侧依次安装变幅杆2以及超声 换能器l。压头(3)的材料为包括钨、钼、钽、铌、镍、铁、钴、钛在内的金属， 包括高温合金钢、碳化钨、碳化钛、钛铝合金、不锈钢、钽铪合金在内的高温高 强度合金，包括氧化铝、氧化锆、氧化镁、氧化铍、氮化硼、氮化铝在内的陶瓷 或石墨，垫片4的材料为包括铁、钛、银、钨、钼、钽、铌、铼、镍、铜在内的 金属或石墨毡。变幅杆2的变幅方式可以根据需要的压力、操作条件、坯体收縮 率设计成包括阶梯、指数、悬链线、圆锥、高斯、傅里叶、余弦以及它们的复合 组合类型。当开始压制时，可根据工艺参数先对压坯进行压力较低的初压，使超 声换能器1和变幅杆2与热压炉压头或压机压头3配合紧密，位置正确。装置位 置调整完毕后，即可根据需要压制的材料的工艺参数进行调节，当需要超声装置 辅助时，可以根据工艺要求调节超声发生器的功率、频率、作用时间等参数进行 超声辅助压制过程；当需要在高温条件下工作时，可以用炉丝加热超声致密化装置或对压坯7通入电流直接加热。
实施例l
仅在轴向上下两端施加超声振动辅助压制，超声换能器1采用压电换能器，
变幅方式为指数型，变幅级数为2级，压头3的材料为不锈钢，垫片4的材料为 钽，压坯7的材料为铁粉。对压坯7进行5MPa的初步压制，然后使用超声压制， 条件如下室温条件下，压制压力增至10MPa，保压时间10分钟，超声频率30KHz， 超声辅助作用时间2分钟。得到的压坯收缩率达到了 18%，而未进行超声辅助的 同样的压制条件下，压坯收縮率为12%。 实施例2
仅在压坯7的侧面设置变幅杆2和超声换能器1，超声换能器1为磁致伸縮 换能器，变幅方式为阶梯型，变幅级数为l，压头3的材料为石墨，垫片4的材 料为石墨毡，压坯7为室温下在普通压机上经过初步压制，密度为6.9g/cm3电解 铜粉初坯。在热压炉中对压坯7直接使用超声压制，条件如下采用炉丝加热超 声致密化装置的方式，按2CTCZ分钟升温至900°C，保温20分钟，压力保持在 0.6MPa，超声频率24KHz，超声作用时间为1分钟。得到的粉末冶金件的线收縮 率达到25%，而在没有超声辅助的同样条件下，收縮率只达到10%。
实施例3
在压坯7的上压头轴向设置一个变幅杆2和超声换能器1，超声换能器1为 磁致伸縮换能器，变幅方式为一个指数型与两个阶梯形的复合型，变幅级数为3， 压头3的材料为金属钛，垫片4的材料为铜，压坯7的材料为ln203与Sn02混合 陶瓷粉。对压坯7进行10MPa的初步压制，然后使用超声压制，条件如下室 温条件下，压制压力增至20MPa，保压时间10分钟，超声频率24KHz，超声辅 助作用时间8分钟。得到的压坯收縮率达到了 15%，而未进行超声辅助的同样的压制条件下，压坯收縮率为8%。 实施例4
仅在压坯7的侧面对称设置两套变幅杆2和超声换能器1，超声换能器1为 磁致伸縮换能器，，变幅方式为余弦型与阶梯型的复合方式，变幅杆级数为2，压 头3的材料为石墨，垫片4的材料为石墨毡，压坯7为室温下在普通压机上经过 初步压制，密度为5.1g/cmSZnO初坯。在热压炉中对压坯7直接使用超声压制， 条件如下采用炉丝加热超声致密化装置的方式，按3(TC/分钟升温至100(TC， 然后按1(TC/分钟升温至120(TC，保温30分钟，压力保持在40MPa，，超声频率 15KHz，超声作用时间为3分钟。得到的粉末冶金件的线收縮率达到20%，而在 没有超声辅助的同样条件下，收縮率只达到12%。
以上所述的实施例，只是本发明的较佳的具体实施方式
，本领域的技术人员 可以在所附权利要求的范围内做出各种修改。
权利要求
1.一种超声辅助致密化装置，其特征在于，压坯(7)的上下端由压头(3)固定，左右两侧由内模(6)固定，内模(6)外有压模(5)对压坯(7)做进一步固定；超声换能器(1)通过变幅杆(2)连接到压头(3)上；所述超声换能器(1)将高频电信号转换成机械振动，机械振动通过变幅杆(2)变换振幅传递到压头(3)上，由于压头(3)的高频振动传递到压坯(7)，使组成压坯的颗粒之间强烈摩擦，使颗粒之间最终达到紧密配合的状态。
2. 根据权利要求1所述的超声辅助致密化装置，其特征在于，所述超声辅助致密化装置的工作温度范围为-10(TC 250(TC 。
3. 根据权利要求1所述的超声辅助致密化装置，其特征在于，所述压头(3)的材料为包括钨、钼、钽、铌、镍、铁、钴、钛在内的金属，包括高温合金钢、碳化钨、碳化钛、钛铝合金、不锈钢、钽铪合金在内的高温高强度合金，包括氧化铝、氧化锆、氧化镁、氧化铍、氮化硼、氮化铝在内的陶瓷或石墨；压坯(7)为固体金属坯或无机物坯；垫片(4)为包括铁、钛、银、钨、钼、钽、铌、铼、镍、铜在内的金属或石墨毡。
4. 根据权利要求1所述的超声辅助致密化装置，其特征在于，所述超声换能器(1)为磁致伸縮换能器或压电换能器。
5. 按照权利要求1所述的超声辅助致密化装置，其特征在于，所述超声换能器(1)与变幅杆(2)组成的超声装置，其位置为安装在压模(5)的侧面或压头(3)的顶端；安装数量为1 4个。
6. 按照权利要求1所述的超声辅助致密化装置，其特征在于，所述变幅杆(2)的变幅放大级数范围为1~4级，变幅方式包括阶梯、指数、悬链线、圆锥、高斯、傅里叶、余弦以及它们的复合组合类型。
全文摘要
本发明涉及冶金烧结设备，特别涉及一种超声辅助致密化装置。压坯的上下端由压头固定，左右两侧由内模固定，内模外有压模对压坯做进一步固定；超声换能器通过变幅杆连接到压头上；所述超声换能器将高频电信号转换成机械振动，机械振动通过变幅杆变换振幅传递到压头上，由于压头的高频振动传递到压坯，使组成压坯的颗粒之间强烈摩擦，使颗粒之间最终达到紧密配合的状态。本发明所述装置具有装置简单，适应性广，压制密度高，密度分布均匀，在高温压制时还可防止晶粒长大等优点。
文档编号C22B1/00GK101684520SQ20081022306
公开日2010年3月31日 申请日期2008年9月26日 优先权日2008年9月26日
发明者宏 吕, 李屹民, 王玉民, 谢元锋, 马光耀 申请人:北京有色金属研究总院