專利名稱：壓電超聲波/高頻電磁混合懸浮非接觸熔煉和裝置的制作方法
技術領域：
本實用新型涉及一種壓電超聲波/高頻電磁混合懸浮非接觸熔煉的裝置，屬于材料無接觸熔煉技術領域。
背景技術：
隨著凝聚態物理研究的不斷深入，人們對實驗環境的要求越來越高。空間環境便是這樣的一種特殊環境，它的微重力和超高真空效應對研究材料非接觸處理是非常理想的實驗條件。20世紀70年代以來，航天技術的迅猛發展給人們提供了越來越多的空間實驗機會。航天飛機中可以提供失重的環境，對各種材料進行非接觸處理，可以得到高純度的合金和對化學性質活潑的金屬進行無污染處理。但航天飛機的使用成本太高，人們迄今所能利用的空間資源仍然十分有限。因此，模擬空間環境中各種效應的地面方法應運而生。包括自由落體方法和懸浮方法。自由落體方法只能獲得短時間的失重狀態，而懸浮方法可以獲得持續的非接觸狀態。電磁懸浮技術是近些年發展起來的一種非接觸熔煉技術。電磁懸浮利用高頻交變電磁場在導電樣品中產生感應渦流，該渦流反過來與電磁場相互作用而產生懸浮力。樣品中的感應渦流同時也會轉化為焦耳熱，使懸浮與加熱一起進行。電磁懸浮技術可以實現對具有磁性金屬物體的懸浮，并且在懸浮的同時對物體進行加熱，可以把金屬加熱到熔化狀態，達到非接觸熔煉的目的。但此時面臨一個問題金屬合金加熱到熔化狀態后，關掉高頻電源，金屬合金停止被加熱的同時也喪失了懸浮力，由于金屬合金從熔融狀態到固態需要一定的冷卻時間，金屬合金掉下時還來不及冷卻到固態，在本身溫度很高時與其它物體進行接觸發生化學反應，金屬合金的純度受到影響，從而達不到非接觸熔煉的理想效果。目前針對金屬合金電磁懸浮加熱后的冷卻，主要措施有金屬合金熔化后沖入冷卻惰性氣體、使用落管技術進行冷卻和雙頻電磁懸浮熔煉技術。沖入惰性氣體的方法，氣體的流動帶走部分熱量，由于金屬合金下落時間很短，冷卻效果不明顯；落管技術是使熔融的材料液滴在具有一定高度的落管管體中自由下落以完成快速凝固過程，無接觸冷卻效果比較好，但造價很高，申請號為03133621的專利描述了一個高19. 9m的落管，美國的NASA有高達108m的落管(落塔)，造價極其昂貴；雙頻電磁懸浮熔煉技術采用較低的頻率用于懸浮，較高的頻率用于快速加熱，設備復雜，成本極高，且較低頻率懸浮時也伴隨熱量的產生，冷卻效果也不明顯。真空懸浮熔煉技術(即冷坩堝真空感應熔煉技術)于上世紀90年代問世，是當代最先進的材料制備技術。如專利CN00102937. I所描述的，在真空感應熔煉技術的基礎上，真空懸浮熔煉技術用水冷銅坩堝代替耐火材料坩堝，并使電磁場在加熱爐料的同時產生懸浮力，使熔體呈懸浮或半懸浮態。這種技術不僅消除了加熱源和氣氛的污染，還消除了坩堝材料的污染，能得到純度很高的熔煉材料。這種技術同樣也有缺點，熔煉結束后，熔融狀態的熔煉材料將與水冷銅坩堝壁接觸，盡管銅坩堝一直有水冷卻，IOOO0C以上的熔融材料與銅坩堝接觸時，熔煉材料表面也會被銅坩堝污染。發明內容[0008]為了解決材料無接觸冷卻的問題，本實用新型設計出一種壓電超聲波/高頻電磁混合懸浮非接觸熔煉的裝置，利用高強度超聲波懸浮技術來懸浮熔融狀態的材料，解決無接觸冷卻的問題。超聲波懸浮利用的是高強度超聲駐波場產生的聲輻射力。在線性聲學中，聲壓隨時間呈周期性變化，聲壓在一個周期的時間平均值為零，所以也不會產生聲輻射力。在高強度條件下，聲波的非線性效應變得越來越顯著，會在聲壓中引入一個“直流項”，這一項的時間平均值具有固定的方向和大小，從而產生聲輻射力。超聲波產生的輻射力是驚人的，它可以使密度比空氣大幾百甚至幾萬倍的物體克服重力而懸浮在空氣中，并且懸浮物體可以是任何材料。本實用新型設計出一種壓電超聲波/高頻電磁混合懸浮非接觸熔煉的裝置，實現對金屬合金材料的非接觸熔煉。在金屬合金顆粒由高頻電磁懸浮加熱到熔融狀態時，關閉高頻電源，此后由超聲波懸浮方式對熔融狀態的金屬合金顆粒提供懸浮力，使其繼續保持在懸浮狀態，直到自然冷卻到固態。本實用新型壓電超聲波/高頻電磁混合懸浮非接觸熔煉的裝置包括底座、抽氣充氣設備、紅外測溫儀、非接觸位置傳感器、壓力表、密封箱、調節鎖緊機構、超聲波換能器、超·聲波發生器、高頻感應器、懸浮顆粒、高頻電源、超聲波反射端和調節裝置。超聲波換能器連接超聲波發生器。超聲波換能器的輻射端、超聲波反射端和高頻感應器均密閉在密封箱內，且處于同一軸線上。超聲波換能器在調節鎖緊機構的作用下固定在底座上，并且高度可以調節，以調節懸浮顆粒的位置。超聲波反射端調節裝置固聯在超聲波反射端的下面，用來調節輻射端與超聲波反射端的距離，達到駐波條件，使物體可以穩定的懸浮起來。高頻感應器一般由銅管繞制，接在高頻電源上，工作時，銅管內應通冷卻水。本實用新型的工作過程抽氣充氣設備抽掉密封箱內的空氣,然后沖入密封箱惰性氣體，抽氣與充氣的過程都可以通過壓力表來讀取密封箱內的壓力變化。金屬合金顆粒預先放置在超聲波反射端表面，打開超聲波發生器后，通過超聲波反射端調節裝置來調節超聲波反射端與輻射端的距離，使金屬合金顆粒懸浮起來，懸浮位置正好與電磁懸浮的位置大致重合，打開高頻電源，高頻感應器產生變化的磁場，與懸浮顆粒相互作用產生渦流，渦流反作用于高頻磁場，在懸浮顆粒上產生電磁力，同時懸浮顆粒被加熱，調大功率，懸浮顆粒在超聲波懸浮力和電磁懸浮力的作用下直到熔融狀態。之后，慢慢調小高頻電源的功率，直到關閉高頻電源，熔融狀態的懸浮顆粒在反饋系統的控制下自適應到超聲波懸浮的位置，由超聲波懸浮方式單獨提供懸浮力，熔融狀態的金屬顆粒在懸浮狀態下自然冷卻直到固態，關閉超聲波發生器，經過懸浮熔煉的金屬顆粒落在超聲波反射端表面，材料的無接觸溶煉完成。本實用新型的有益效果結構簡單，制造成本低，徹底完全實現了金屬合金的非接觸熔煉。
圖I是本實用新型壓電超聲波/高頻電磁混合懸浮非接觸熔煉的裝置結構示意圖，包括底座(I)、抽氣充氣設備(2)、紅外測溫儀(3)、非接觸位置傳感器(21)、壓力表
(4)、密封箱(5)、調節鎖緊機構￠)、超聲波換能器(7)、超聲波發生器(22)、高頻感應器
(8)、懸浮顆粒(9)、高頻電源(10)、超聲波反射端(11)和調節裝置(12)、導線(23)、數據處理與反饋裝置(24)。[0016]圖2是本實用新型壓電超聲波/高頻電磁混合懸浮非接觸熔煉的裝置所用超聲換能器的示意圖，包括底座(I)、調節鎖緊機構(6)、壓緊螺栓(13)、后蓋(14)、壓電片(15)、前蓋(16)、變幅桿(17)、福射端(18)、超聲波反射端(11)和調節裝置(12)。壓電片(14)兩端通超聲頻率的電壓，壓電片(15)在軸向上伸縮，經過變幅桿(17)將超聲波振幅放大，通過輻射端(18)將超聲波發射出去，在空氣中形成超聲波。超聲波遇到超聲波反射端(11)被反射回去與前進中的超聲波相互作用，調節超聲波反射端調節裝置(12)使輻射端(18)和超聲波反射端(11)的距離為超聲半波長的整數倍，形成高強駐波，懸浮顆粒(9)克服重力懸浮起來。 圖3是本實用新型壓電超聲波/高頻電磁混合懸浮非接觸熔煉的裝置所用超聲波換能器輻射端和超聲波反射端的結構形狀和產生的駐波聲場的聲勢圖。一種實施方式超聲波換能器輻射端(18)和超聲波反射端(11)均為平面結構，如圖3(a)所示，聲勢圖為輻射端(18)與超聲波反射端(11)的距離大約為I. 5倍波長的情況下聲勢的分布，懸浮顆粒可以穩定的懸浮在“ + ”位置。一種實施方式超聲波換能器輻射端(18)為平面，超聲波反射端(11)為曲面結構，如圖3(b)所示，聲勢圖為輻射端(18)與超聲波反射端(11)的距離大約為I倍波長的情況下聲勢的分布，懸浮顆粒可以穩定的懸浮在“ + ”位置。一種實施方式超聲波換能器輻射端(18)和超聲波反射端(11)均為曲面結構，如圖3(c)所示，聲勢圖為輻射端(18)與超聲波反射端(11)的距離大約為I. 5倍波長的情況下聲勢的分布，懸浮顆粒可以穩定的懸浮在“ + ”位置。圖4是本實用新型所用的一種高頻感應器的磁力線的示意圖。下面的三圈線圈有一定的錐角，是懸浮線圈(20)，主要起提供懸浮力的作用；上面的一圈線圈是穩定線圈
(19)，其電流方向與下面懸浮線圈(20)正好相反。穩定線圈(19)和懸浮線圈(20)電流方向相反，它們的磁場相互作用，在“ X ”產生勢肼，懸浮顆粒可以穩定在“ X ”附近。圖5是本實用新型反饋系統對懸浮顆粒位置控制兩種實施方式的示意圖。一種實施方式如圖5(a)，抽氣充氣設備(2)抽掉密封箱(5)內的空氣，然后沖入密封箱(5)惰性氣體，抽氣與充氣的過程都可以通過壓力表(4)來讀取密封箱(5)內的壓力變化。懸浮顆粒(9)預先放置在超聲波反射端(11)表面，打開超聲波發生器后，通過超聲波反射端調節裝置(12)來調節超聲波反射端(11)與輻射端(18)的距離，使金屬合金顆粒懸浮起來，懸浮位置正好與電磁懸浮的位置大致重合，打開高頻電源(10)，高頻感應器
(8)產生變化的磁場，與懸浮顆粒相互作用產生渦流，渦流反作用于高頻磁場，在懸浮顆粒
(9)上產生電磁力，同時懸浮顆粒(9)被加熱。此時懸浮顆粒(9)由電磁力和聲懸浮力共同作用，位置會稍向上移動，非接觸位置傳感器(21)捕捉到懸浮顆粒(9)位置的變化，將信號傳遞到數據處理與反饋裝置(24)，經過處理后反饋信號傳遞給超聲波發生器(22)，超聲波發生器(22)的功率減小，使聲懸浮力減小，懸浮顆粒(9)重新回到平衡位置。調大高頻電源(10)的功率，作用在懸浮顆粒(9)上的電磁力繼續增大，在反饋系統的控制下，超聲波發生器(22)功率持續減小，懸浮顆粒(9)在超聲波懸浮力和電磁懸浮力的共同作用下直到熔融狀態。之后，慢慢調小高頻電源(10)的功率，電磁力減小，在反饋系統的控制下，超聲波發生器(22)的功率增大，聲懸浮力逐漸增大，使熔融狀態的懸浮顆粒(9)繼續懸浮在原位置。關閉高頻電源(10)，聲懸浮力達到最大，此時由超聲波懸浮方式單獨提供懸浮力，熔融狀態的金屬顆粒在懸浮狀態下自然冷卻直到固態，關閉超聲波發生器(22)，經過懸浮熔煉的懸浮顆粒(9)落在超聲波反射端(11)表面，材料的無接觸熔煉完成。一種實施方式如圖5(b)，抽氣充氣設備(2)抽掉密封箱(5)內的空氣，然后沖入密封箱(5)惰性氣體，抽氣與充氣的過程都可以通過壓力表(4)來讀取密封箱(5)內的壓力變化。懸浮顆粒(9)預先放置在超聲波反射端(11)表面，打開超聲波發生器(22)后，通過超聲波反射端調節裝置(12)來調節超聲波反射端(11)與輻射端(18)的距離，使懸浮顆粒(9)懸浮起來，懸浮位置正好與電磁懸浮的位置大致重合，打開高頻電源(10)，高頻感應器(8)產生變化的磁場，與懸浮顆粒(9)相互作用產生渦流，渦流反作用于高頻磁場，在懸浮顆粒上產生電磁力，同時懸浮顆粒(9)被加熱。此時懸浮顆粒(9)由電磁力和聲懸浮力共同作用，位置會稍向上移動，非接觸位置傳感器1(21)捕捉到懸浮顆粒(9)位置的變化，將信號傳遞到數據處理與反饋裝置(24)，經過處理后將反饋信號傳遞給超聲波發生器(22)，超聲波發生器(22)的功率減小，使聲懸浮力減小，懸浮顆粒(9)重新回到平衡位置。此時慢慢減小超聲波發生器(22)的功率直至關閉，作用在懸浮顆粒(9)上的外力減小，位置下降，非接觸位置傳感器2 (21)捕捉到懸浮顆粒(9)位置的變化，將信號傳遞到數據處理與 反饋裝置(24)，經過處理后將反饋信號傳遞給高頻電源(10)，增大高頻電源(10)的功率，直到作用在懸浮顆粒(9)上的電磁力和懸浮顆粒(9)的重力相平衡，電磁懸浮單獨作用于懸浮顆粒(9)。懸浮顆粒(9)在電磁懸浮力的作用下穩定懸浮，同時被加熱直到熔融狀態。之后，慢慢調小高頻電源(10)的功率，同時打開超聲波發生器(22)，在反饋系統的控制下，電磁懸浮力減小的同時，超聲波發生器(22)的功率得到了增大，作用在熔融狀態的懸浮顆粒(9)上超聲波懸浮力逐漸增大，關閉高頻電源(10)后，聲懸浮力達到最大，熔融狀態的懸浮顆粒(9)在超聲波懸浮力的作用下繼續懸浮在原位置，自然冷卻直到固態，關閉超聲波發生器(22)，經過懸浮熔煉的金屬顆粒落在超聲波反射端(11)表面，材料的無接觸熔煉完成。
具體實施方式
本實用新型的一種實施方式是抽氣充氣設備抽掉密封箱內的空氣，然后沖入密封箱惰性氣體，抽氣與充氣的過程都可以通過壓力表來讀取密封箱內的壓力變化。金屬合金顆粒預先放置在超聲波反射端表面，打開超聲波發生器后，通過超聲波反射端調節裝置來調節超聲波反射端與輻射端的距離，使金屬合金顆粒懸浮起來，懸浮位置正好與電磁懸浮的位置大致重合，打開高頻電源，高頻感應器產生變化的磁場，與懸浮顆粒相互作用產生渦流，渦流反作用于高頻磁場，在懸浮顆粒上產生電磁力，同時懸浮顆粒被加熱，調大功率，懸浮顆粒在超聲波懸浮力和電磁懸浮力的作用下直到熔融狀態。之后，慢慢調小高頻電源的功率，直到關閉高頻電源，熔融狀態的懸浮顆粒在反饋系統的控制下自適應到超聲波懸浮的位置，由超聲波懸浮方式單獨提供懸浮力，熔融狀態的金屬顆粒在懸浮狀態下自然冷卻直到固態，關閉超聲波發生器，經過懸浮熔煉的金屬顆粒落在超聲波反射端表面，材料的無接觸熔煉完成。本實用新型的一種實施方式是抽氣充氣設備抽掉密封箱內的空氣,然后沖入密封箱惰性氣體，抽氣與充氣的過程都可以通過壓力表來讀取密封箱內的壓力變化。金屬合金顆粒預先放置在超聲波反射端表面，打開超聲波發生器后，通過超聲波反射端調節裝置來調節超聲波反射端與輻射端的距離，使金屬合金顆粒懸浮起來，懸浮位置正好與電磁懸浮的位置大致重合，打開高頻電源，高頻感應器產生變化的磁場，與懸浮顆粒相互作用產生渦流，渦流反作用于高頻磁場，在懸浮顆粒上產生電磁力。此時關閉超聲波發生器，由電磁懸浮單獨作用于懸浮顆粒。懸浮顆粒在電磁懸浮力的作用下穩定懸浮，同時懸浮顆粒被加熱，調大功率，懸浮顆粒在電磁懸浮力的作用下直到熔融狀態。之后，慢慢調小高頻電源的功率，再反饋系統的控制下，超聲波發生器的功率逐漸調大，這樣在電磁懸浮力減小的同時，超聲波懸浮力逐漸增大，作用在熔融狀態的懸浮顆粒上，關閉高頻 電源后，熔融狀態的懸浮顆粒在超聲波懸浮力的作用下繼續懸浮在原位置，自然冷卻直到固態，關閉超聲波發生器，經過懸浮熔煉的金屬顆粒落在超聲波反射端表面，材料的無接觸熔煉完成。
權利要求1.一種壓電超聲波/高頻電磁混合懸浮非接觸熔煉的裝置，包括底座(I)、抽氣充氣設備(2)、紅外測溫儀(3)、壓力表(4)、密封箱(5)、調節鎖緊機構￠)、超聲波換能器(7)、高頻感應器(8)、懸浮顆粒(9)、高頻電源(10)、超聲波反射端(11)和調節裝置(12)，其特征在于超聲波換能器(7)的輻射端(18)、高頻感應器(8)和超聲波反射端(11)在同一軸線，且都密閉在密封箱(5)內，高頻感應器⑶置于超聲波換能器(7)的輻射端(18)和超聲波反射端(11)的中間。
2.根據權利要求I所述的壓電超聲波/高頻電磁混合懸浮非接觸熔煉的裝置，其特征在于超聲波換能器(7)在調節鎖緊機構(6)的作用下固定在底座上，并且高度可以調節；當超聲波換能器(7)固定后，超聲波反射端(11)與輻射端(18)的距離可以通過超聲波反射端(11)的調節裝置(12)進行調節。
專利摘要本實用新型涉及一種壓電超聲波/高頻電磁混合懸浮非接觸熔煉的裝置，屬于材料無接觸熔煉技術領域。包括密封箱、超聲波發生器、超聲波換能器、高頻感應電源、高頻感應器、底座、抽氣充氣設備、紅外測溫儀、壓力表、超聲波反射端及其調節裝置。超聲波懸浮力和電磁懸浮力一起作用在懸浮顆粒(金屬)上，或者電磁懸浮力單獨作用，懸浮顆粒在高頻感應器產生的高頻磁場中產生電磁感應，從而被加熱直到熔化。然后減小高頻電源的輸出功率直至關閉，熔融狀態的物體單獨由超聲波懸浮力作用，在懸浮的狀態下冷卻成固體。本實用新型對材料的熔煉完全是在無容器狀態下完成的，可以制備高純度無雜質的合金以及對化學性質活潑的金屬進行無接觸熔煉。
文檔編號F27B15/16GK202470751SQ20112051296
公開日2012年10月3日 申請日期2011年11月24日 優先權日2011年11月24日
發明者劉家郡, 劉建芳, 李曉韜, 楊志剛, 焦曉陽 申請人:吉林大學