一种高结合强度的超声波复合发射杆及其超声波设备的制作方法

本发明创造涉及金属熔体处理领域，特别涉及一种超声波发射杆以及使用此发射杆的超声波设备。

背景技术：

早在上个世纪，人们已经发现，利用超声波的空化效应，可以使熔融金属凝固时的晶粒更细小、含气量更低，获得更优良的铸件组织。然而，由于某些关键技术没有取得突破，超声波用于金属熔体处理至今仍没有获得工业化推广，而仅限于实验室应用。其中仍未解决的关键技术之一就是超声波发射杆在高温金属熔体腐蚀和超声波空化腐蚀作用下的寿命问题。

在采用超声波设备对金属熔体进行处理的过程中，一般需要将超声波发射杆的一端浸入到金属熔体中，从而将超声波发射到金属熔体中去。在现有技术中，此发射杆一般由金属制作，如不锈钢、钛合金等。

但是，这种发射杆是不理想的。这是因为，高温金属熔体的化学性质比较活泼，能与大多数金属发生反应，生成金属间化合物，对金属制作的发射杆产生腐蚀直至全部溶解。例如，采用超声波处理铝合金熔体，铝熔体的化学性质十分活泼，能与几乎所有的金属，如铁、铜、锰、镁、铬、锌、钛等发生反应，形成各种金属间化合物，使这些金属在远低于其熔点温度下便溶入到铝熔体中（见铝与钛等各种金属的相图）。同理，铜合金熔体也能与绝大多数金属发生化学反应，生成金属间化合物。如果用这些金属制作发射杆，则会逐渐溶解直至消失。试验表明，普通钢材制作的发射杆在685±10℃的铝熔体中进行超声波处理时，工作2小时，该发射杆将会出现明显的腐蚀坑。因此，这种用金属制作的发射杆是不适用于工业化连续生产的，例如连续铸造或铸轧数个月不停机的连续生产。

值得一提的是，专利（专利号：CN 102554195A）公布了一种用钽制作发射杆的方法。虽然钽与多数金属熔体（如铝熔体）不发生化学反应，但是，一方面，钽比较稀少，价格贵；另一方面，钽在有氧环境下，在300℃时发生氧化，在550℃时激烈氧化，生成粉末状氧化物。因此，用钽制作的发射杆只适用于真空环境下。

为解决发射杆在金属熔体中的腐蚀问题，人们又设计了另一种发射杆，即在金属基体外面，包覆一层耐高温的不与金属熔体发生化学反应的陶瓷物质，该涂层厚度为0.15-4.5mm，成功地解决了这个问题。但是，还有另一种腐蚀问题没有解决，即超声波空化腐蚀。根据专利（专利号：CN 201713563 U）介绍，此种发射杆采用热喷涂方法制作，将各种陶瓷物质在热喷涂设备上熔化成半固态或熔融态后高速喷涂在金属基体上。根据资料介绍，各种不同的热喷涂方法获得的包覆层，与金属基体在常温下的最高结合强度一般只有50MPa至90MPa，当这种发射杆在高温熔体中工作时，因发射杆温度高，包覆层与金属基体的结合强度将快速下降。而发射杆工作时，将产生高频振动，发射杆各微观质点均在其平衡位置附近作激烈的往复振动，这种振动具有非常大的加速度。根据牛顿定律F=ma，质点要保持这种往复振动，必须要有一个非常大的力，例如，原子间结合力。一方面是包覆层与金属基体结合强度的降低，另一方面是微观质点振动所需的力非常大，两方面共同作用的结果就是包覆层从金属基体中脱落，这已在试验中得到证实。从理论上说，这种脱落主要原因是包覆层与金属基体的结合强度不足导致的。根据资料介绍，热喷涂包覆层与金属基体的结合形式有三种：机械结合、物理结合、冶金结合。前两种结合方式的结合力很低，冶金结合的结合强度很高，但各种喷涂形式均主要以机械结合为主，冶金结合很少，所以结合强度不高。此外，包覆层内部存在很多孔隙，孔隙率一般在5%以上，甚至达到20%。当发生应力集中时，这些孔隙就会成为裂纹源，迅速扩展导致包覆层脱落。

针对包覆层容易脱落的问题，人们又设计了另一种发射杆（专利号：CN 201305623Y），即在金属基体外面，包覆一层陶瓷层，陶瓷层厚度小于等于200um。该陶瓷层主要通过物理气相沉积方法实现在基体金属上的附着。从实际效果看，这样的改进是有一定的作用的，但仍不能从根本上解决问题。这种涂层固然避免了因为振动而脱落的问题，但是太薄，使用寿命短，保护作用不大。例如从提高硬度的角度，因为太薄，极易被硬物刺穿；从防腐的角度，也是因为太薄，很快便会失效。

由上可见，现有技术中的超声波发射杆不能很好地解决金属熔体腐蚀和超声波空化腐蚀的问题。

技术实现要素：

本发明创造的目的在于提供一种高结合强度的超声波复合发射杆，其能够解决金属熔体腐蚀和超声波空化腐蚀的问题，解决这个人们一直想解决但始终未能成功的问题。

为了实现上述目的，本发明创造提供了一种高结合强度的超声波复合发射杆，该发射杆由基体金属和复合层构成，其特征在于，复合层通过激光熔覆技术和/或电子束表面改性技术和/或粉末冶金技术实现与基体金属之间的结合。通过上述技术手段制成的复合层，复合层与基体金属之间达到了冶金结合，结合强度非常高。根据资料介绍，激光熔覆技术的主要原理是，以不同的填料方式在被涂覆基体表面上放置涂层材料，经激光照射使涂层材料和基体表面一薄层同时熔化，并快速凝固后形成稀释度极低并与基体材料形成冶金结合的表面涂层。由于涂层和基体表层一薄层同时熔化，因此，涂层和基体之间达到了冶金结合，获得了结合强度很高的涂层。根据资料介绍，电子束表面改性技术主要包括电子束涂层熔覆、涂层重熔等，并且电子束的能量密度更高，电子束加热的深度和尺寸比激光束更大。因此，采用电子束表面改性技术处理的涂层同样达到了冶金结合的程度。根据资料介绍，粉末冶金技术是通过在高温（接近材料的熔点，甚至达到液相烧结温度）下长时间烧结，这一过程将使涂层和基体金属之间发生原子互扩散，并且通过一系列后续处理手段，如挤压、热等静压等方式，可以进一步使涂层和基体实现冶金结合，同时减少气孔，获得致密化很高的涂层。综合而言，上述三种技术手段，都可以使涂层与基体金属达到冶金结合（又称原子结合），保证其结合强度达到很高的水平。

优选的，复合层可以有1层或多层。例如，可以在基体金属外，先设计一层过度涂层，过度涂层的热膨胀系数处于最外一层涂层的热膨胀系数与基体金属的热膨胀系数之间，或者比最外层涂层的热膨胀系数小，作为过度，避免最外一层涂层与基体金属在热胀冷缩过程中因热膨胀系数差异而导致涂层开裂。当有2层及其以上的复合层时，非最外层复合层的化学组成可以是各种纯金属、合金，该纯金属、合金的熔点高于金属熔体的温度。

优选的，最外一层复合层的厚度为0.1mm至5.0mm。如果复合层过薄，稍微被尖锐异物刮伤划伤就会报废。如果复合层过厚，则造价昂贵。

优选的，最外一层复合层的化学组成可以是氧化物、氮化物、碳化物、硼化物等各种陶瓷物质，如氧化铝、碳化铬、碳化硅、金属陶瓷等，并且该复合层的熔点高于金属熔体的温度，不与金属熔体发生化学反应。

优选的，基体金属的化学组成可以是各种纯金属、合金，如铝合金、Q235钢、钛合金等。

本发明创造提供了一种超声波设备，包括超声波电源、超声波换能器、变幅杆、发射杆，还可以包括法兰盘，其特征在于，该超声波设备采用如上所述的发射杆。

本发明创造的有益效果是：

首先，本发射杆能较好地耐超声波空化腐蚀。此发射杆的涂层与基体金属间达到了冶金结合，或者说达到了原子结合，其结合强度很高，结合力非常大，不会产生涂层与基体金属分层、剥离现象。

其次，本发射杆能较好地耐金属熔体腐蚀。此发射杆最外一层涂层是由氧化物、氮化物、碳化物、硼化物等各种陶瓷物质构成，并且该复合层的熔点高于金属熔体的温度，同时不与金属熔体发生化学反应，表现出较好的耐金属熔体腐蚀性能。

最后，本发射杆具有较长的寿命和较好的经济效益。

附图说明

图1为超声波发射杆形状结构示意图。

图2为超声波设备形状结构示意图。

图中，1.超声波发射杆，2.法兰盘，3.变幅杆，4.超声波换能器，5.超声波电源，6.夹子，7.螺栓，8.套环。

具体实施方式

下面将结合说明书附图和具体的实施方式来对本发明创造所述的一种高结合强度的超声波复合发射杆及其超声波设备做出进一步的解释说明，但是该解释说明并不构成对本发明创造技术方案的不当限定。

实施例一

一种超声波发射杆，由金属基体和一层涂层构成，金属基体为碳钢，涂层为氧化铝陶瓷，厚度0.1mm，采用激光熔覆技术附着在金属基体上。考虑碳钢的熔点（1400-1500℃）和氧化铝的熔点（2050℃），该发射杆可用于处理铝合金熔体、锌合金熔体、镁合金熔体等，具有很好的耐金属熔体腐蚀和超声波空化腐蚀性能，能安全有效连续地工作。

实施例二

一种超声波发射杆，由金属基体和两层涂层构成，金属基体为钛合金（线膨胀系数为10.8，熔点为1675℃），最外一层涂层为氧化铝陶瓷（线膨胀系数为7.8，熔点为1675℃），过度涂层为铬金属（线膨胀系数为6.2，熔点为1890℃），最外层涂层厚度0.25mm，采用激光熔覆技术附着在金属基体上。考虑钛合金、氧化铝、铬的熔点，该发射杆可用于处理铁合金熔体、铝合金熔体、铜合金熔体等，具有很好的耐金属熔体腐蚀和超声波空化腐蚀性能，能安全有效连续地工作。

实施例三

一种超声波发射杆，由金属基体和一层涂层构成，金属基体为铝合金，涂层为碳化硅，厚度1.5mm，采用电子束表面改性技术附着在金属基体上。考虑金属基体的熔点和涂层的熔点，该发射杆可用于处理锌合金熔体、镁合金熔体等，具有很好的耐金属熔体腐蚀和超声波空化腐蚀性能，能安全有效连续地工作。

实施例四

一种超声波发射杆，由金属基体和一层涂层构成，金属基体为碳钢，涂层为氧化铬，厚度2.5mm，采用电子束表面改性技术附着在金属基体上。考虑金属基体的熔点和涂层的熔点，该发射杆可用于处理铝合金熔体、锌合金熔体、镁合金熔体等，具有很好的耐金属熔体腐蚀和超声波空化腐蚀性能，能安全有效连续地工作。

实施例五

一种超声波发射杆，由金属基体和一层涂层构成，金属基体为铬合金，涂层为氧化镁陶瓷，厚度3.0mm，采用粉末冶金技术和热挤压后处理技术附着在金属基体上。考虑金属基体的熔点和涂层的熔点，该发射杆可用于处理钛合金熔体、锰合金熔体、镍合金熔体等，具有很好的耐金属熔体腐蚀和超声波空化腐蚀性能，能安全有效连续地工作。

实施例六

一种超声波发射杆，由金属基体和一层涂层构成，金属基体为铜合金，涂层为氧化锌陶瓷，厚度5.0mm，采用粉末冶金技术和热等静压后处理技术附着在金属基体上。考虑金属基体的熔点和涂层的熔点，该发射杆可用于处理铅合金熔体、锡合金熔体、镁合金熔体等，具有很好的耐金属熔体腐蚀和超声波空化腐蚀性能，能安全有效连续地工作。

实施例七

一种超声波发射杆，由金属基体和一层涂层构成，金属基体为镍合金，涂层为碳化钛，厚度1.0mm，采用粉末冶金技术和激光熔覆技术附着在金属基体上。考虑金属基体的熔点和涂层的熔点，该发射杆可用于处理铅合金熔体、锡合金熔体、镁合金熔体等，具有很好的耐金属熔体腐蚀和超声波空化腐蚀性能，能安全有效连续地工作。

实施例八

一种超声波发射杆，由金属基体和一层涂层构成，金属基体为锰合金，涂层为氧化锆，厚度0.5mm，采用粉末冶金技术和电子束表面改性技术附着在金属基体上。考虑金属基体的熔点和涂层的熔点，该发射杆可用于处理铅合金熔体、锡合金熔体、镁合金熔体等，具有很好的耐金属熔体腐蚀和超声波空化腐蚀性能，能安全有效连续地工作。

实施例九

一种超声波设备，包括超声波电源5、超声波换能器4、变幅杆3、法兰盘2和发射杆1，发射杆1采用实施例一所示的发射杆。

实施例十

一种超声波设备，包括超声波电源5、超声波换能器4、变幅杆3、法兰盘2和发射杆1，发射杆1采用实施例二所示的发射杆。

需要注意的是，所公开实施例的上述说明使得本领域专业技术人员能够显而易见地对于本实施例进行多种类似变化和修改，例如，增加涂层附着在金属基体所采用的技术手段的前处理和/或后处理，改变涂层的种类和尺寸等，这种类似变化是本领域技术人员能从发明创造公开的内容直接得出或者很容易便联想到的所有变形，均应属于本发明创造的保护范围。因此本发明创造不会受到该实施例的限制。