一种超声波辅助热压烧结炉的制作方法

本发明涉及粉末冶金烧结炉，具体为能够制备出高致密度、细晶、低缺陷、高性能制品的一种超声波辅助热压烧结炉。

背景技术

在工业应用中，为了提高难熔材料在特殊工况下的应用，常将压力技术、等离子放电技术、微波技术等与烧结技术相结合，形成新的烧结方法，利用这些方法对难熔材料的粉末进行烧结，以保证获取高性能的烧结制品。

目前常用的烧结方法有无压烧结、热压烧结、放电等离子烧结和热等静压烧结等。这些方法都存在一定的缺陷，如无压烧结法使用的设备相对简单，但所制备的烧结制品的致密性较差，烧结过程中会产生大量的气孔、晶粒比较粗大，最终制品的力学性能较低；热压烧结法虽然通过外加压力可以提高难熔材料的致密度，但其提高程度有限，同时所烧结的制品中存在微孔洞、粗大晶粒、晶粒分布不均匀等问题；放电等离子烧结虽然可以缩短烧结时间，但烧结温度是影响晶粒长大的主要原因，其对微孔洞、粗大晶粒的控制能力有限；热等静压烧结法虽然烧结的材料的致密相对较高，但其设备制造成本高，对晶粒粗大晶粒、晶粒分布均匀性的控制能力略显不足。

本发明将超声波技术与热压烧结技术相结合，形成超声辅导热压烧结法，利用超声振动场、烧结压力场和烧结温度场的耦合作用，将超声波对多相熔液的聚能效应、空化效应、湍动效应、界面效应和微扰效应与热压烧结技术的优点相结合，解决难熔材料难以烧结致密、晶粒粗大、晶粒分布不均匀、制品缺陷多影响材料力学性能的问题，旨在为制备致密度高、细晶、低缺陷、高性能难熔制品提供设备上的保障。

技术实现要素：

本发明为了解决现有难熔粉体烧结中存在的难以致密化、晶粒粗大、晶粒分布不均匀、微孔洞多等难题，提供了一种超声波辅助热压烧结炉。

本发明是采用如下技术方案实现的：一种超声波辅助热压烧结炉，包括炉体，炉体为圆筒型，炉体内中间位置设有模具，模具内部为烧结区，烧结区下部为振动基座，振动基座下部连有下压头，下压头下部连有下推杆，烧结区的上部设有上压头，上压头连有上顶杆，下推杆下部连接变幅杆，变幅杆连接超声换能器，超声换能器连接超声波发生器，烧结区外侧设有一圈发热体。

优选地，超声换能器为磁致伸缩换能器或压电换能器，工作频率为20khz-100khz，超声波功率和加载时间通过超声波发生器控制，超声波发生器产生与超声换能器工作频率匹配的电信号。

优选地，超声换能器包括外壳、声窗、压电陶瓷圆盘换能器、背衬、引出电缆、阵列接收器、密封圈、压电片、吸声材料组成，声窗为圆锥形，声窗设置于外壳上部，声窗内设有压电陶瓷圆盘换能器，压电陶瓷圆盘换能器下部连接引出电缆，引出电缆连接阵列接收器，阵列接收器下部设有压电片，吸声材料设置于外壳下部，密封圈设置于外壳底部与吸声材料之间。

优选地，变幅杆选用变截面阶梯型变幅杆或者指数型变幅杆或者圆锥形变幅杆。

优选地，炉体设有真空系统，发热体为等静压筒状石墨。

优选地，炉体内壁上设有炉衬，炉衬为石墨沉积纤维复合材料。

优选地，炉体内设有测温装置，测温装置为光纤式双色红外测温仪。

本发明的优点在于本发明结构设计合理可靠，通过上下压头将压力传递给被烧结难熔粉体的传递实现烧结压力场，通过发热体将热量传递给被烧结难熔粉体实现烧结温度场，通过下推杆与变幅杆相连将超声能传递给被烧结难熔粉体实现超声振动场，在烧结过程中通过三场的耦合作用实现被烧结难熔材料的致密化、晶粒细化、气孔的逸出和晶粒分布的均匀化；同时超声换能器信号直接连出，干扰少，载荷稳定，控制更加精准，能搭配多种变幅杆工作，应对多种情况，振幅范围上下限高，使产品质量更加稳定；测温装置采用光纤式双色红外测温仪，直接测量烧结区内部温度，数据直接且准确，方便系统的控制。本发明能够有效地提高难熔粉体烧结的致密化、晶粒分布的均匀性、晶粒的细化，制得致密度高、细晶、低缺陷、高性能的烧结制品。

附图说明

图1为本发明提出的一种超声波辅助热压烧结炉的结构示意图；

图2为本发明提出的一种超声波辅助热压烧结炉的超声换能器结构示意图。

图1中：1-炉体，2-模具，3-烧结区，4-振动基座，5-下压头，6-下推杆，7-上压头，8-上顶杆，9-变幅杆，10-超声换能器，11-超声波发生器，12-发热体。

图2中：101-外壳，102-声窗，103-压电陶瓷圆盘换能器，104-背衬，105-引出电缆，106-阵列接收器，107-密封圈，108-压电片，109-吸声材料。

具体实施方式

参考图1-2，下面结合具体实施例对本发明作进一步解说。

一种超声波辅助热压烧结炉，包括炉体1，炉体1为圆筒型，炉体1内中间位置设有模具2，模具2内部为烧结区3，烧结区3下部为振动基座4，振动基座4下部连有下压头5，下压头5下部连有下推杆6，烧结区3的上部设有上压头7，上压头7连有上顶杆8，下推杆6下部连接变幅杆9，变幅杆9连接超声换能器10，超声换能器10连接超声波发生器11，烧结区3外侧设有一圈发热体12。

超声换能器10为磁致伸缩换能器或压电换能器，工作频率为20khz-100khz，超声波功率和加载时间通过超声波发生器11控制，超声波发生器11产生与超声换能器10工作频率匹配的电信号。

超声换能器10包括外壳101、声窗102、压电陶瓷圆盘换能器103、背衬104、引出电缆105、阵列接收器106、密封圈107、压电片108、吸声材料109组成，声窗102为圆锥形，声窗102设置于外壳101上部，声窗102内设有压电陶瓷圆盘换能器103，压电陶瓷圆盘换能器103下部连接引出电缆105，引出电缆105连接阵列接收器106，阵列接收器106下部设有压电片108，吸声材料109设置于外壳101下部，密封圈107设置于外壳101底部与吸声材料109之间，这种结构的换能器能高效的转化能量。

假定变幅杆的中心对称轴为x轴，作用在微小体元(x，x+dx所限定的区间)上的张应力为利用牛顿定律，加以推导，可以得处变幅杆理论的动力学方程：其中：s＝s(x)为杆的横截面积函数；ξ＝ξ(x)为质点位移为应力函数；ρ为杆材料的密度；e为杨氏模量，当处于简谐振动的情况下，上式又可以改写上面这个式子就是变截面杆纵振动的波动方程，其中k²＝ω²/c²，k为园波数，ω为园频率，为纵波在细棒中的传播速度，根据这一方程可以计算各个类型变幅杆的位移节点和放大系数。

实施例1：变幅杆9选用指数型变幅杆，变幅杆在坐标原点(x＝0处)的横截面积为s1，(x＝l处)的横截面积为s2。而作用在变幅杆输入端(x＝0处)以及输出端(x＝l处)的力和纵波振动速度分别为和取指数形变幅杆的横截面为圆截面时，圆截面半径的函数为r＝r1e^-βx。

其中，式中n为面积函数，可求得简谐振动动力学方程的解为：ξ＝e^βx(a1cosk'x+a2sink'x)e^jωt，其中式中，应变分布的表达式可以写成：且变幅杆的边界条件为两端自由：边界条件中的则且由于所以可以得到频率方程sink'l＝0或k'l＝nπn＝1,2,3...，因为可以得到指数形变幅杆中纵波的传播速度通过上述式子可以得出结论，在指数形变幅杆中，纵波的传播速度是和圆频率有关系的，当满足关系或时，必须按照以上公式来设计指数形超声变幅杆，声波在变幅杆中的传播才能实现，振动能才能从变幅杆的输入端传到输出端，结合式β＝lnn/l，就可以计算出谐振长度l：计算可得到质点沿轴向的位移分布方程当ξ＝0时，可以求出位移节或因此指数型变幅杆作用范围大，适用于低频超声波的使用。

实施例2：变幅杆9选用圆锥形变幅杆，假设作用在此圆锥形变幅杆两端的力和振动速度分别为和且变幅杆在坐标原点(x＝0)处的直径为d1，在另一端部(x＝l)处的直径为d2，可得到函数的关系s＝s1(1-αx)²，d＝d1(1-αx)，其中，式中此时，波动方程解为计算可得结合边界条件可以得到或可以求出根(kl)0，将其代入下式便可求出圆锥形变幅杆的谐振长度运用边界条件可以确定出常数得到质点的位移表达式为ξ＝0，可计算出位移节点x0：放大系数适用于高频超声波的使用。

炉体1内设有测温装置14，测温装置为光纤式双色红外测温仪，直接测量烧结区3内部温度，数据直接且准确，方便系统的控制；

发热体12为等静压筒状石墨，发热效果好，使用寿命长，减少在烧结炉使用过程中的发热体12更换次数；

炉体1内壁上设有炉衬13，炉衬13为石墨沉积纤维复合材料，使炉体1整体的保温性能更加好。

本发明在烧结过程中通过三场的耦合作用实现被烧结难熔材料的致密化、晶粒细化、气孔的逸出和晶粒分布的均匀化；同时超声换能器信号直接连出，干扰少，载荷稳定，控制更加精准，能搭配多种变幅杆工作，应对多种情况，振幅范围上下限高，使产品质量更加稳定；测温装置采用光纤式双色红外测温仪，直接测量烧结区内部温度，数据直接且准确，能够有效地提高难熔粉体烧结的致密化、晶粒分布的均匀性、晶粒的细化，制得致密度高、细晶、低缺陷、高性能的烧结制品。

以上所述，仅为本发明较佳的具体实施方式，但本发明的保护范围并不局限于此，任何熟悉本技术领域的技术人员在本发明揭露的技术范围内，根据本发明的技术方案及其发明构思加以等同替换或改变，都应涵盖在本发明的保护范围之内。