Способ направленной кристаллизации расплава и устройство для его осуществления

 

Изобретение относится к применению ультразвука при кристаллизации расплавов. Целью изобретения является получение материалов с заданной структурой. В расплав излучается двухчастотный модулированный сигнал, при этом упругие колебания частиц в расплаве и колебания расплава как целого препятствуют образованию дендритных связей при остывании (охлаждении) монолита . Воздействие на расплав осуществляется устройством, состоящим из модулятора 1, задающего генератора 2, усилителя 3 мощности, коммутатора 4 передачи, блока управления 6 и акустической системы 5. 2 с.п. ф-лы, 2 ил.

СОЮЗ СОВЕТСКИХ

СОЦИАЛИСТИЧЕСКИХ

РЕСПУБЛИК

ГОСУДАРСТВЕННЫЙ КОМИТЕТ

ПО ИЗОБРЕТЕНИЯМ И ОТКРЫТИЯМ

ПРИ ГКНТ СССР

ОПИСАНИЕ ИЗОБРЕТЕНИЯ

К АВТОРСКОМУ СВИДЕТЕЛ ЬСТВУ (21) 4898803/02 (22) 29.11.90 (46) 23.09.92; Бюл. М.35 (75) Г,М.Дегтярев, А.Г.Иванов и M.Ë.Ïóëåíåö (56) Агранат Б.А. и др. Основы физики и техники ультразвука. — M.; Высшая школа, 1987, с. 274, 275, 267. (54) СПОСОБ НАПРАВЛЕННОЙ КРИСТАЛЛИЗАЦИИ РАСПЛАВА И УСТРОЙСТВО

ДЛЯ ЕГО ОСУЩЕСТВЛЕНИЯ (57) Изобретение относится к применению ультразвука при кристаллизации расплавов.

„„Я2„„1763515 А1 (я)з С22 ЕЗ/02; В 22 D 27/20

Целью изобретения является получение материалов с заданной структурой. В расплав излучается двухчастотный модулированный сигнал, при этом упругие колебания частиц в расплаве и колебания расплава как целого препятствуют образованию дендритных связей при остывании (охлаждении) монолита. Воздействие на расплав осуществляется устройством, состоящим из модулятора

1, задающего генератора 2, усилителя 3 мощности, коммутатора 4 передачи, блока управления 6 и акустической системы 5. 2 . c,ï. ф-лы, 2 ил.

1763515

Изобретение касается применения уль-.ðàçâóêà при кристаллизации расплавов.

Целькi изобретения является получение материалов с заданной структурой, Яа фиг, 1 представлен механизм струк- 5 туирования. Показано четыре структурных перехода в материале образца при нагреве его вплоть до температуры появления, На приведенном графике схематично показана зависимость соответствующих масштабов 10 структур в образце от числа (номера) структурного перехода и . Величина нормировки п<р соответствует максимально возможному количеству переходов. На фиг. 2 — структурная схема устройства кристаллизации 15 расплавов.

Возможность получения заданной структуры материала определяется следующим образом, Известно, что твердая фаза вещества 20 характеризуется ближним и дальним пространственным порядком, а жидкая фаза обладает лишь одим порядком. Пусть в исходном состоянии (при комнатной температуре Т ) имеется слиток с микропорядковым 25 размером S< (ближний порядок) и макропорядковым размером Я* (дальний порядок ), где S< соответствует размерам зерна в структуре слитка, а S*> соответствует характерным геометрическим размерам слитка 30 (монолита), Далее будем повышать температуру, Из экспериментальных данных известно, что повышение температуры воздействует как на микроструктуру так и на 35 макроструктуру образца. Поскольку при механическом разрушении твердых образцов экспериментально наблюдается автомодельность, связанная с тем, что отношение размеров частиц до и после разрушения из- 40 меняется в довольно узких пределах величины коэффициента К=2-6, то аналогичным будет процесс структуирования 8 образце и при термическом воздействии, В этом случае при увеличении температуры Т> в опре- 45 деленное количество раз, структуирование будет происходить в двух направлениях: — в сторону увеличения масштабов в микроструктуре S<, KS7, К S>, К S1,...; — в сторону уменьшения масштабов в 50

* 1 * 1 * 1 * макроструктуре S <, — S ), — S >, — S 1...

К К2 КЗ

Далее при достижении температуры плавления образца, масштабы в микро- и макроструктурах ста ут соизмеримыми, т.е, 55 A

Syp Snn S пл.

В этом случае в образце произойдет фазовый переход из твердого в жидкое состояние и устойчивость формы будет нарушена — образец будет обладать лишь одним пространственным порядком, характерным для жидкости.

Для получения однородной структуры материала, при ультразвуковой обработке используется совместное действие ультразвуковых колебаний килогерцового диапазона частот с мегагерцовыми колебаниями, Согласно описанному выше подходу, ультразвуком возбуждаются гармоники резонансных структур. Это можно пояснить следующим образом.

Рассмотрим резонансную систему с характерным размером L и скоростью транспортировки энергии Ñp. Основная резонансная частота в системе определяется как

N = — -, С а гармоники собственных колебаний возбуждаемые в системе определяются как — супергармоники f< = — —, (2)

С и где и = 2,3,.„— номер супергармоники, — субгармоники f > = — -, С гп 1 (3) где m = 2,3,... — номер субгармоники.

Важным в данном случае является факт независимости от номера гармоник произведения частот гармоник одинаковых номеров,те. при п=m =i

, *. N2 (4) В нашем случае структуирование в образце будет также повысить гармонический характер, причем относительно резонансного масштаба, соответствующего точке фазового перехода в жидкое состояние, будут наблюдаться два ряда структур — супергармоники (2) и субгармоники (3), причем гармоники одинаковых порядковых номеров будут сопряжены относительно резонансного масштаба. Для возбуждения определенных сопряженных гармоник структур, описываемых соотношениями (2) и (3) и будут использоваться двухчастотные ультразвуковые сигналы килогерцовым сигналом возбуждается гармоника макроструктуры образца, а мегагерцовым — микроструктура.

8 результате возбуждение ультразвуковых колебаний в структурах определенных

1763515 масштабов позволяет сохранить структуру данных масштабов в процессе охлаждения.

Сущность способа заключается в следующем.

Для возбуждения в материале двух ко- 5 лебаний, позволяющих фиксировать в пространствейном объеме расплава частицы (зерна или фрагменты зерен) определенного размера, необходимо возбудить в расплаве два колебания, которые при 10 определенных амплитудах будут обладать необходимыми смешениями частиц.

Упругие колебания частиц в расплаве и колебания расплава как целого будут препятствовать образованию дендритных свя- 15 зеи при остывании (охлаждении) монолита.

Для возбуждения таких колебаний выбираем акустический сигнал, модулированный по амплитуде со следующими частотами: 20

25 где f1 — мОдУляционная частота;

А — несущая частота;

Ср — скорость продольной волны в материале;

4 — длина волны, соизмеримая с геометрическими размерами материала; 30

А2 — длина волны, соизмеримая с геометрическими размерами зерен расплава.

Таким образом, расплав будет подвергаться вибрационному воздействию, причем сигнал несущей частоты будет 35 локализовать в расплаве частицы (зерна или фрагменты зерен), а сигнал модулирующей частоты будет препятствовать образованию дендритных связей в районе границ расплава при формировании монолита, 40

В состав устройства входят последовательно соединенные модулятор 1, изменяющий амплитуду незатухающих колебаний, задающий генератор 2, генерирующий незатухающие колебания, усилитель мощно- 45 сти 3, коммутатор передачи 4, соединяющий выход усилителя мощности 3 с акустической системой 5, изложницу 7 с расплавом 8, блок управления 6, изменяющий частоты и мощность сигнала по заданным исходным 50 данным.

Блок управления 6 содержит перекл1очатели частот ба и бб, которые соединены с модулятором 1 и задающим генератором 2, переключатель мощности сигнала бв, сое- 55 диненный с усилителем мощности 3, переключатель бг, который через коммутатор передача 4 подкл ючает акустическую систему к выходу усилителя мощности 3.

Работает устройство следующим образом.

Перед включением устройства переключатели ба,б,в и г устанавливаются в положения в соответствии с исходными данными для кристаллизации расплава.

Установку исходных данных осуществляет оператор, обслуживающий устройство, При включении питания модулятор 1 вырабатывает колебания заданной частоты, модулирующие незатухающие колебания вырабатываемые задающим генератором 2 в определенном диапазоне частот, Амплитудно- модулированные колебания из задающего генератора 2 передаются в усилитель мощности 3, которые с помощью коммутатора 4 поступают на акустическую систему 5.

Коммутатор передачи 4 управляется блоком

6, Изменение частоты f1 в модуляторе 1 и частоты f2 в задающем генераторе 2 производится путем изменения параметров колебательных контуров в модуляторе 1 и задающем генераторе 2. Изменение мощности осуществляется путем изменения вы ходного напряжения в усилителе мощности

3. Излучаемые акустической системой 5 колебания воздействуют на расплав 8, помещенный в изложницу 7, Воздействие на указанный объект продолжается до момента охлаждения монолита, образования заданной структуры. Приведем примерный расчет по вышеприведенным соотношениям для размеров изложницы 50 см и необходимости получения зерен размером 10 2 см при Cp = 4 10 см/с. Тогда модуляционная

5 частота f1 = 8 10 Гц, а несущая частота з

f2=40 10 Гц. Оценим необходимую плот6 ность энергии подводимую к расплаву Монолита двухчастотным сигналом.

В охлаждаемом расплаве, который принял форму изложницы, будут возбуждаться сопряженные колебания.с частотами f1 и f2, Введем величину L = 2122 = 0,7 см, Параметр L является характерным размером нормировки, относительно которого симметричны (сопряжены) размеры 21 и ilz, Разрушить твердый образец размером

L можно при возбуждении его колебаний на резонансных частотах f1 и fz, поскольку в этом случае смещения частиц среды будут максимальны, Величина энергии Е в этом случае будет определяться

E =Е р(— „)

f1 где (—,„,) характеризует порядок (номер) возбуждения гармоник, а E

Тогда

Е =Е„р(— )=Екр+ — =Екр у.

С L ф2 "5

Я 1Ср

Составитель А.Абро

Техред М.Моргентал

Редактор Н.Полионова орректор Л,Ливренц

Заказ 3431 Тираж Подписное

ВНИИПИ Государственного комитета по изобретениям и открытиям при ГКНТ СССР

113035, Москва, Ж 35, Раушская наб., 4/5

Производственно-издательский комбинат "Патент", г, Ужгород, ул.Гагарина, 101 ности энергии требуемая для разрушения размера L

Величина L в формуле для энергии определяет не размер зерна, а выражает функциональную связь между размерами зерен 5 и размерами расплава, Чтобы выразить зависимость величины энергии от размера зерна воспользуемся формулами:

Откуда видно, что при уменьшении размера зерна А1 плотность требуемой энергии увеличивается.

Известно, что размеру L будет соответствовать плотность энергии разрушения

= 10ç „ з

При использовании двухчастотного сигнала плотность энергии будет определяться

Е = Екр - 11 = 10 — — к 8 10 14 Эр г/смз з 0,7 . . з

Отсюда видно, что выигрыш в плотности энергии при использовании двухчастотного 30 сигнала будет в 70 раз, Формула изобретения

1. Способ направленной кристаллизации расплава, включающий возбуждение движений в расплаве и ультразвуковое облучение на двух разнесенных частотах, о тл и ч а ю шийся тем, что, с целью получения материалов с заданной структурой, расплав непрерывно облучают амплитудно-модулированным сигналом с модуляционной частотой ft и несущей частотой f2, определяемыми из соотношений 11 =; - и 12 = где Ср—

С С

1 скорость ультразвука в среде распространения; k — длина волны, кратная геометрическим размерам объекта монолита; М2— длина волны, соизмеримая с геометрическими размерами зерен расплава, мощностью, обеспечивающей получение заданной структуры материала до момента охлаждения монолита.

2, Устройство направленной кристаллизации расплава, содержащее задающий генератор незатухающих колебаний, усилитель мощности, систему преобразователей электрических сигналов в акустические и коммутатор передачи, о т л и ч а юшийся тем, что, с целью получения материалов с заданной структурой, в него введен модулятор, изменяющий параметры незатухающих колебаний по закону передаваемого сигнала, выход которого соединен с входом задающего генератора, и блок управления излучением, изменяющий модуляционную и несущую частоты и мощность сигнала, выход которого соединен с модулятором, задающим генератором, усилителем мощности и коммутатором передачи.

Щ, (а) ,1