超声场耦合下碳铝界面润湿与结构调控装置及方法
【专利摘要】一种超声场耦合下碳铝界面润湿与结构调控装置及方法，装置包括真空罩、载物台、坩埚、辐射器、耦合器、加液器、加热电阻和热电偶；辐射器与耦合和超声电源连接；载物台与螺纹丝杠和驱动电机装配在一起；真空罩通过阀门与气氛控制装置、惰性气体系统和真空泵系统连通。方法为：将碳基片置于坩埚内；调节真空罩内气氛；加入金属熔体，调节载物台的高度；抽真空；通入惰性气体至常压；通过加热电阻加热；控制碳基片旋转使金属熔体的氧化膜破裂；对金属熔体超声耦合。本发明的装置及方法综合了超声场的声流与空化作用，通过声场协同条件优化，以及润湿和界面反应条件优化，获得理想的界面结构调控条件。
【专利说明】超声场耦合下碳铝界面润湿与结构调控装置及方法
【技术领域】
[0001]本发明属于材料【技术领域】，特别涉及一种超声场耦合下碳铝界面润湿与结构调控装置及方法。
【背景技术】
[0002]液/固润湿与界面行为是材料制备、化工合成过程中一种常见的物理化学现象，广泛存在于金属熔炼、组织细化、液/固复合、电子封装、TLP连接、液相烧结等金属及其复合材料的制备过程，以及生物、化工与合成化学等领域；它是材料工程中的关键技术环节，在很大程度上决定材料制备的可能性，最终的组织性能，以及生产效率。
[0003]例如:在AlTiC晶粒细化剂和TiC颗粒增强Al基复合材料的原位合成过程中，由于C (Carbon)与Al熔体间的润湿性差，C粉末常吸附气体等杂质，易产生氢键而聚集成团状，使Al熔体很难浸润到C粉末的内部进行反应；同时，C粉末易浮于Al熔体表面，与空气接触时发生氧化反应，而Al熔体表面的氧化膜也阻碍了润湿与反应的进行，使C与Al-Ti合金熔体间几乎不能发生TiC合成反应；而粒子相TiC与α -Al的界面结构，决定了 TiC的形核活性与界面相容性；因此，C/A1界面润湿与界面结构调控问题，已成为制约AlTiC晶粒细化剂和TiC颗粒增强Al基复合材料制备与应用的技术瓶颈。
[0004]近二十年来 ，通过外场耦合方法改变材料的制备和加工环境，进而获得理想的组织与性能，已经成为材料改性的重要手段；包括电场、磁场、超声场以及它们之间复合作用在内的诸多方法，已被广泛关注和重点研究；高密度超声场具有空化(AcousticCavitation)效应与声流(Acoustic Streaming)作用，能改变金属熔体的传质行为，改善增强相与金属熔体间的润湿性，从而能提高粒子相对基体金属的强化效应；能影响增强相的迁移与运动行为，使增强相粒子获得外来能量，从团簇中解除聚并状态，呈弥散分布；能改变相界面的结构属性、可用于双相或多相液体的乳化与破乳处理。因此，通过声场协同条件优化与声场模式控制，可实现液/固界面的润湿和界面结构调控，包括界面反应热力学与动力学条件、以及组织演化过程与界面性能控制。
[0005]然而，超声场的声流作用会在熔体引起环流和紊流，加之固相界面的散射作用，会在熔体中形成混响声场，使声场中的声压值、振幅值和声流速度等声场协同条件紊乱，并且声场模式难以调控，使得熔体中各区域没有统一的空化阈值，导致在超声场熔体处理研究中，其实验结果会出现较大的数据分散性；例如:根据Jasiuniene等人的研究结果，在超声场率禹合过程中，对于Disk shape transducer (圆片形福射器)产生纵向振动时,将超声场能量传递给无限大熔体、并在辐射器前端熔体中出现散射后的声场分区情况及声场分布的模拟结果呈现了明显的不均匀现象(形成了混响声场)，如果再考虑熔体边界的反射时，声场不均匀现象会更加严重。
[0006]因此,在原有的超声场f禹合过程中，由于声场模式难以控制，使得熔体中的声场协同条件不统一，无法找到声场协同条件与液/固界面组织演变规律间的定量关系，也不可能准确揭示或验证超声场耦合下液/固润湿与界面结构调控的作用机制，以及相关工艺条件参数。
【发明内容】
[0007]针对现有超声场耦合对材料改性的方法在技术上存在的上述问题，本发明提供一种超声场耦合下碳铝界面润湿与结构调控装置及方法:通过将超声波定向声束强耦合给金属熔体，并通过声场协同条件优化，在金属熔体中形成一定驻波可控声场；再通过声场传播，将能量耦合给液/固界面，最终实现超声场耦合下液/固界面的润湿与相互作用控制。
[0008]本发明的超声场耦合下碳铝界面润湿与结构调控装置包括真空罩、载物台、坩埚、辐射器、耦合器、加液器、加热电阻和热电偶；加热电阻、热电偶、载物台和坩埚位于真空罩内部，坩埚底部连接加热电阻，加热电阻底部与载物台连接；辐射器底端插入坩埚内，辐射器顶端穿过真空罩与耦合器连接，耦合器与超声电源通过导线连接；耦合器与超声电源通过导线连接；加液器穿过真空罩且底端插入坩埚内部；载物台底部与螺纹丝杠固定连接，螺纹丝杠穿过真空罩与驱动电机装配在一起；真空罩上设有真空接口，真空接口分别通过阀门与气氛控制系统、惰性气体系统和真空泵系统连通；加热电阻和热电偶同时与温控装置通过导线连接。
[0009]上述的辐射器由变幅杆和振动头组成；变幅杆为双曲线结构，振动头固定在变幅杆下部；变幅杆的上 部设有冷却水套。
[0010]上述发真空泵系统由罗茨泵、旋片泵和扩散泵串联组成。
[0011]上述的气氛控制系统由分子筛和氧阱组成。
[0012]上述装置中的耦合器为电致伸缩结构。
[0013]本发明的超声场耦合下碳铝界面润湿与结构调控方法是采用上述装置，按以下步骤进行:
1、将碳基片置于坩埚内；将真空罩封闭；开启真空泵系统对真空罩抽真空，至真空罩内真空度≤10_3Pa ;所述的碳基片由石墨粉末在压制压力2(T25MPa和保压时间2(T30s条件下压制而成；
2、将空气通过气氛控制系统的分子筛和氧阱通入真空罩内，至真空罩内压力为常压；
3、通过驱动电机调节载物台的高度，使耦合器的下表面与碳基片的上表面之间的距离为超声脉冲波半波长(λ/2)的整数倍；打开加液器，通过加液器向坩埚内加入金属熔体，至金属熔体顶面与振动头下表面接触，然后封闭加液器；所述的金属熔体为铝和/或铝合金熔体；
4、再次开启真空泵系统对真空罩抽真空，至真空罩内真空度≤KT3Pa ；
5、通过惰性气体系统向真空罩内通入惰性气体至常压；
6、通过加热电阻加热，控制真空罩内温度在70(T850°C；
7、通过驱动电机旋转载物台，控制加热电阻、坩埚及碳基片旋转，使金属熔体的氧化膜破裂；
8、通过超声电源向耦合器施加占空比为30-80%的超声脉冲波，耦合器将电能转变成机械振动能；机械振动能通过辐射器将振幅放大，控制垂直振动的振幅在0.05、.20 mm，将超声波能量耦合到金属熔体中；超声耦合的作用时间为3(T300s，通过声能改变液固界面的热力学条件，达到碳铝界面的润湿与界面的结构调控的目的。[0014]上述的超声电源与计算机通过导线连接，通过计算机调控输出超声脉冲波。
[0015]上述方法中，超声波能量耦合到金属熔体中时，再通过金属熔体传播到碳基片和铝熔体之间的C/A1界面。
[0016]上述方法中的惰性气体选用氩气。
[0017]上述方法中的超声电源的工作频率f为10-200ΚΗζ ;超声脉冲波在Ti_6Al_4V钛合金中声速V按5790m/s计；超声脉冲波半波长λ /2= v/2f。
[0018]上述方法中，进行超声耦合时，控制耦合强度在0.5^2w/cm2 ;声压在(T50Mpa，声场模式为驻波场。
[0019]上述方法中，进行超声耦合时，向辐射器上部的冷却水套通入冷却水并保持冷却水流通。
[0020]本发明的原理是:超声电源由计算机调控输出超声脉冲波，从而控制逆变电路开关管的工作与空闲时间，达到调制功率输出的目的，之后由耦合器将径过调制的电能转变成机械振动能，再通过速度变换器进行振幅放大，最后通过辐射器或变幅坩埚，将超声波能量耦合到金属熔体中，再通过金属熔体传播到C/A1界面。
[0021]采用循环水对超声耦合器进行冷却，以保持换能器不出现因过热而引起的频率波动和振幅变化；由加热电阻和温控装置控制熔体温度，气氛控制系统用于降低真空系统中残留的氧气含量，同时，实验结束时C/A1界面形成的润湿偶，可以通过吹冷气的方式进行快速冷却，使金 属熔体凝固，以保持超声场耦合下界面结构形态的原始信息，从而能方便的研究界面润湿和界面反应过程的中间形态。
[0022]本发明的装置及方法，运用声学、多相流体力学以及反应工程学的理论，突破传统的材料合成技术方法，提出了一种用于金属液/固界面的超声场强耦合装置，综合了超声场的声流与空化作用；同时，通过声场协同条件优化，以及润湿和界面反应条件优化，获得理想的界面结构调控条件。
【专利附图】
【附图说明】
[0023]图1为本发明实施例中的超声场耦合下碳铝界面润湿与结构调控装置结构示意图；图中，1、真空罩，2、载物台，3、加热电阻，4、坩埚，5、变幅杆，6、振动头，7、螺纹丝杠，8、驱动电机，9、冷却水套，10、耦合器，11、超声电源，12、加液器，13、真空接口，14、惰性气体系统，15、真空泵系统，16、气氛控制系统，17、温控装置，18、热电偶，19、计算机，20、摄像头，21、激光发生器，22、真空罩第一石英视窗，23、真空罩第二石英视窗，24、坩埚第一小孔，25、坩埚第二石小孔，26、碳基片，27、金属熔体；
图2为本发明实施例1中的超声场耦合下碳铝界面润湿宏观摄像图；
图3为本发明实施例1中的超声场耦合下碳铝界面结构调控一次微观摄像图；
图4为本发明实施例1中的超声场耦合下碳铝界面结构调控二次微观摄像图；
图5为无超声场耦合下碳铝界面润湿与结构调控宏观摄像图；
图6为Disk shape transducer熔体中声场波形分区图；图中,A为边界波区,B为平面波区；
图7为Disk shape transducer溶体中声场模拟图。【具体实施方式】
[0024]本发明实施例中采用的坩埚、变幅杆和振动头的材质为T1-6A1_4V钛合金。
[0025]本发明实施例中采用的超声电源为5100C-1型超声波发生器。
[0026]本发明实施例中的惰性气体系统为氩气瓶。
[0027]本发明实施例中采用的耦合器为为电致伸缩结构，压电片直径为50_，其工作功率为120w。
[0028]本发明实施例中采用的罗茨泵型号为JB/T7674，旋片泵型号为XD-010，扩散泵型号为KT300。
[0029]本发明实施例中采用的分子筛为和氧阱为市购产品。
[0030]本发明实施例中采用的驱动电机型号为35BYJ26。
[0031]本发明实施例中采用的温控装置为SHINKO的P⑶-33A-R/M可编程温控器，考虑PID控温的滞后性，采用温度预补偿的控制模式，以自动补偿超声场在熔体中所产生的热效应。
[0032]本发明实施例中采用的摄像头为2000X 1312像素的高清晰度数字摄像头。
[0033]本发明实施例中 采用的激光发生器为波长632.8 nm的He2Ne激光发生器。
[0034]本发明实施例中在真空罩两侧设置两个相对应石英视窗，在?甘祸两侧设置两个相对应的直径为20毫米的小孔，小孔位于金属熔体和碳基片连接处；通过激光发生器发射激光，激光穿过石英视窗和小孔，并通过耦合界面后进入摄像头，通过摄像头对碳铝界面润湿和界面结构调控情况进行摄像。
[0035]本发明实施例中耦合器通过导线与超声电源相连，其下端与变幅杆通过螺钉固定连接，
本发明实施例中的加液器由内径8_的陶瓷管制造。
[0036]本发明实施例中的软件系统由控制系统和熔滴曲线拟合系统两部分组成:
控制系统包括:机械系统的动作控制、真空系统控制、PID温度控制、气氛系统流量与
压力控制、以及超声场耦合方式与能量加载形式控制(加载的温度区间、声强、声压、振幅、声场模式和波形占空比等)，均采用PLC (Programable Logic Controller)可编程逻辑控制技术，并对过程参数实时检测、系统评定和控制反馈，从而最终综合优化超声耦合条件；熔滴曲线拟合系统主要包括:在应用软件的支持下，完成图象的采样、数字化、存储和显示，同时，通过IMAGE JADSA插件，对熔滴照片进行图形分析处理，用曲线拟合的方法得到熔滴的曲线方程，分析计算接触角和接触半径，进而分析其润湿特性，以及超声场耦合参数、温度、时间和基片特性等，对C/A1界面润湿的影响规律。
[0037]本发明实施例中采用的铝的纯度> 99.9%。
[0038]本发明实施例中采用的铝合金的杂质含量< 0.1%。
[0039]本发明实施例中采用的石墨粉末的纯度≤99.95%。
[0040]本发明实施例中进行超声耦合时控制控制真空罩内的氧分压< 6.4X 10_3Pa。
[0041]实施例1
超声场耦合下碳铝界面润湿与结构调控装置结构如图1所示，包括真空罩1、载物台2、坩埚4、辐射器、耦合器10、加液器12、加热电阻3和热电偶18 ；
加热电阻3、热电偶18、载物台2和坩埚4位于真空罩I内部，坩埚4底部连接加热电阻3，加热电阻3底部与载物台2连接；
辐射器底端插入坩埚4内，辐射器顶端穿过真空罩I与耦合器10连接；耦合器10与超声电源11通过导线连接；
加液器12穿过真空罩I且底端插入坩埚4内部；
载物台2底部与螺纹丝杠7固定连接，螺纹丝杠7穿过真空罩I与驱动电机8装配在一起;
真空罩I上设有真空接口 13，真空接口 13分别通过阀门与气氛控制系统16、惰性气体系统14和真空泵系统15连通；
加热电阻3和热电偶18同时与温控装置17通过导线连接；
辐射器由变幅杆5和振动头6组成；变幅杆5为双曲线结构，振动头6固定在变幅杆5下部；变幅杆5的上部设有冷却水套9 ；
真空泵系统15由罗茨泵、旋片泵和扩散泵串联组成；
气氛控制系统16由分子筛和氧阱组成；
耦合器10为电致伸缩结构；
超声电源11、温控装置17、驱动电机8、真空泵系统15和气氛控制系统16均与计算机19通过导线连接；计算机19上还通过导线与摄像头20连接；在摄像头20的对应位置设有激光器21 ;真空罩上设有真空罩第一石英视窗22和真空罩第二石英视窗23 ;坩埚上设有坩埚第一小孔24和坩埚第二小孔25 ；
采用上述装置进行超声场耦合下碳铝界面润湿与结构调控:
将碳基片置于坩埚内；将真空罩封闭；开启真空泵系统对真空罩抽真空，至真空罩内真空度≤10_3Pa ;所述的碳基片由石墨粉末在压制压力2(T25MPa和保压时间2(T30s条件下压制而成；
将空气通过气氛控制系统的分子筛和氧阱通入真空罩内，至真空罩内压力为常压；通过驱动电机调节载物台的高度，使耦合器的下表面与碳基片的上表面之间的距离为超声脉冲波半波长(λ/2)的整数倍；打开加液器，通过加液器向坩埚内加入金属熔体，至金属熔体顶面与振动头下表面接触，然后封闭加液器；所述的金属熔体为铝和/或铝合金熔体；
再次开启真空泵系统对真空罩抽真空，至真空罩内真空度< KT3Pa ；
通过惰性气体系统向真空罩内通入氩气至常压；
通过加热电阻加热，控制真空罩内温度在700°C ；
通过驱动电机旋转载物台，控制加热电阻、坩埚及碳基片旋转，使金属熔体的氧化膜破
裂;
通过超声电源向耦合器施加占空比为30%的超声脉冲波，超声电源的工作频率为20KHz ;耦合器将电能转变成机械振动能；机械振动能通过辐射器将振幅放大,控制垂直振动的振幅在0.05_，将超声波能量耦合到金属熔体中，通过金属熔体传播到碳基片和铝熔体之间的C/A1界面；超声耦合的作用时间为300s，通过声能改变液固界面的热力学条件，达到碳铝界面的润湿与界面的结构调控的目的；
进行超声耦合时，控制耦合强度在0.5^2w/cm2 ;声压在(T50Mpa，声场模式为驻波场； 进行超声耦合时，向辐射器上部的冷却水套通入冷却水并保持冷却水流通；上述的超声脉冲波半波长λ /2= v/2f=5790/ (2X20X 103) =0.145m ；
上述的金属熔体为Α1-5--熔体，停止振动后吹氩气冷却石墨坩锅和金属熔体，获得润湿偶，再将润湿偶沿纵向断面剖开，并打磨和抛光，形成界面试样；
超声场耦合下碳铝界面润湿和结构调控的摄像结果分别如图2、3和4所示；由图可见，超声场耦合作用下:(1)可以实现固态石墨(C)与Al熔体间良好的润湿，如图2所示，并且润湿界面张力使Al熔体在石墨(C)侧壁“爬升”，其气、液、固三相界面处Al与石墨(C)的润湿角接近0° (完全润湿)；(2)可以实现石墨(C)粉末与Al熔体间良好的浸润润湿，如图3所示，Al熔体在润湿界面张力驱动下，通过毛细作用，已经浸润到石墨(C)粉末内部；(3)在Al-Ti熔体与石墨(C)粉末的润湿系统中，在C近界面Al熔体一侧，Ti与C反应形成了大量的TiC颗粒,如图4所示；
液态Al和固态Al2O3间存在下列反应，生成Al2O气体，其分解反应式如下:
Al ⑴十 Al2O3(S) =Al20(g)⑴
根据热力学条件，石墨成为游离的C原子的反应式和吉布斯自由能(G的单位为KJ/mol)公式为:
C(S) -C(2)
AG! = 71431 -45.9707(3)
由(3)式可见，当温度高于1280°C时，ACfi为负值，从热力学上反应(2)能发生，即C能
成为Al熔体中游离的C原子；
石墨与Al熔体反应形成Al4C3的反应式和吉布斯自由能(G的单位为KJ/mol)公式分别为:
C+A1 (I) = Al4C3(4)
Δσ° =-89611+32.8417⑶
C (s)+Al (I) = Al4C3(6)
Δ 戊=—161042 -1- 78.81IT(7)
由式(5)和式(7)可见，当温度高于2455°C时，Δ G为正值，从热力学上反应(4)和反应(6)不能发生，即在C与Al润湿的条件下，也不会形成Al4C3有害化合物；该分析结果，在图2中已经得到证实；
超声场耦合作用下，由于C/A1界面的入射声波和反射声波具有叠加效应，在C/A1界面附近的熔体中将产生局部高温，从而可使C成为Al熔体中游离的C原子，同时能有效阻止
C、Al直接反应形成Al4C3，此时，TiC由以下反应途径形成，SP:
Ti +C(S)=TiC(8)
Ti + C=TiC(9)
因此进一步证明了，超声场耦合作用下，可以实现C/A1界面的润湿与界面结构调控；即通过形成C原子，阻止Al4C3形成，改变了 TiC的形成途径，并增强了体系的反应活性，促进了 TiC合成，提高了反应效率；
采用上述装置，在无超声耦合条件下按同样方式进行实验，摄像结果如图5所示。
[0042]实施例2超声场耦合下碳铝界面润湿与结构调控装置结构同实施例1;
超声场耦合下碳铝界面润湿与结构调控方法同实施例1，不同点在于:
(1)所述的金属熔体为铝熔体；
(2)通过加热电阻加热，控制真空罩内温度在850V ；
(3)通过超声电源向耦合器施加占空比为50%的超声脉冲波，超声电源的工作频率为IOOKHz ;控制垂直振动的振幅在0.10mm，超声耦合的作用时间为200s ;超声脉冲波半波长λ /2= v/2f=5790/ (2X IOOX IO3) =0.029m ；
实验证明超声场耦合作用下，可以实现C/A1界面的润湿与界面结构调控。
[0043] 实施例3
超声场耦合下碳铝界面润湿与结构调控装置结构同实施例1 ;
超声场耦合下碳铝界面润湿与结构调控方法同实施例1，不同点在于:
(1)所述的金属熔体为铝和Α1-5--混合熔体；
(2)通过加热电阻加热，控制真空罩内温度在750°C；
(3)通过超声电源向耦合器施加占空比为80%的超声脉冲波，超声电源的工作频率为200KHz ;控制垂直振动的振幅在0.20 mm，超声耦合的作用时间为30s ;超声脉冲波半波长λ /2= v/2f=5790/ (2X200X 103) =0.014m ；
实验证明超声场耦合作用下，可以实现C/A1界面的润湿与界面结构调控。
【权利要求】
1.一种超声场耦合下碳铝界面润湿与结构调控装置，其特征在于包括真空罩、载物台、坩埚、辐射器、耦合器、加液器、加热电阻和热电偶；加热电阻、热电偶、载物台和坩埚位于真空罩内部,坩埚底部连接加热电阻,加热电阻底部与载物台连接；辐射器底端插入坩埚内；辐射器顶端穿过真空罩与耦合器连接，耦合器与超声电源通过导线连接；加液器穿过真空罩且底端插入坩埚内部；载物台底部与螺纹丝杠固定连接，螺纹丝杠穿过真空罩与驱动电机装配在一起；真空罩上设有真空接口，真空接口分别通过阀门与气氛控制系统、惰性气体系统和真空泵系统连通；加热电阻和热电偶同时与温控装置通过导线连接。
2.根据权利要求1所述的一种超声场耦合下碳铝界面润湿与结构调控装置，其特征在于所述的辐射器由变幅杆和振动头组成；变幅杆为双曲线结构，振动头固定在变幅杆下部；变幅杆的上部设有冷却水套。
3.一种超声场耦合下碳铝界面润湿与结构调控方法，其特征在于采用权利要求1所述的装置，按以下步骤进行: (1)将碳基片置于坩埚内；将真空罩封闭；开启真空泵系统对真空罩抽真空，至真空罩内真空度≤10_3Pa ;所述的碳基片由石墨粉末在压制压力2(T25MPa和保压时间2(T30s条件下压制而成； (2)将空气通过气氛控制系统的分子筛和氧阱通入真空罩内，至真空罩内压力为常压； (3)通过驱动电机调节载物台的高度，使耦合器的下表面与碳基片的上表面之间的距离为超声脉冲波半波长的整数倍；打开加液器，通过加液器向坩埚内加入金属熔体，至金属熔体顶面与振动头下表面接触，然后封闭加液器；所述的金属熔体为铝和/或铝合金熔体； (4)再次开启真空泵系统对真空罩抽真空，至真空罩内真空度<KT3Pa ； (5)通过惰性气体系统向真空罩内通入惰性气体至常压； (6)通过加热电阻加热，控制真空罩内温度在70(T850°C； (7)通过驱动电机旋转载物台，控制加热电阻、坩埚及碳基片旋转，使金属熔体的氧化月吴破裂； (8)通过超声电源向耦合器施加占空比为30-80%的超声脉冲波，耦合器将电能转变成机械振动能；机械振动能通过辐射器将振幅放大，控制垂直振动的振幅在0.05、.20 mm，将超声波能量耦合到金属熔体中；超声耦合的作用时间为3(T300s，通过声能改变液固界面的热力学条件，达到碳铝界面的润湿与界面的结构调控的目的。
4.根据权利要求3所述的一种超声场耦合下碳铝界面润湿与结构调控方法，其特征在于进行超声稱合时，控制稱合强度在0.5^2w/cm2 ;声压在(T50Mpa,声场模式为驻波场。
5.根据权利要求3所述的一种超声场耦合下碳铝界面润湿与结构调控方法，其特征在于进行超声耦合时，向辐射器上部的冷却水套通入冷却水并保持冷却水流通。
6.根据权利要求3所述的一种超声场耦合下碳铝界面润湿与结构调控方法，其特征在于超声电源的工作频率f为10-200ΚΗζ ;超声脉冲波按5790m/s计；超声脉冲波半波长λ /2= v/2f。
【文档编号】C22C1/02GK103993186SQ201410187743
【公开日】2014年8月20日 申请日期:2014年5月6日 优先权日:2014年5月6日
【发明者】李英龙 申请人:东北大学