Ультразвуковое волноводноизлучающее устройство для гомогенизации композиционного материала в расплаве

Техническое решение относится к области металлургии, а именно к получению литого композиционного материала на основе алюминия с изотропными свойствами, и может быть также использовано при изготовлении любых композиционных материалов включающих стадию гомогенизации суспензии твердой фазы в жидкой фазе.
Поставленная проблема решается использованием для гомогенизации суспензии твердых частиц в жидкой фазе ультразвукового устройства, предназначенного для введения ультразвуковых колебаний в жидкую фазу, функционирующего на частоте 23-25 кГц и состоящего из электроакустического преобразователя, цилиндрического волновода с расширением в виде диска на рабочем, погружаемом в жидкость торце, при этом отношение диаметра диска к диаметру волновода равно 2, а отношение высоты диска к его диаметру равно 0,1.
Композиционные материалы с высокой износостойкостью, высокими антифрикционными, режущими и другими свойствами, как правило, могут быть получены из несплавляемых компонентов. Одним из способов получения таких материалов является равномерное распределение твердых частиц в расплавленной матрице с последующим литьем полученной суспезии в изложницы или формы. Очевидно, что качество таких материалов зависит от равномерности распределения одной фазы в другой, поэтому при получении композиционных материалов особое внимание уделяют процессу смешивания жидкой фазы с вводимыми в нее твердыми частицами (Игнатьев И. Э. Композиционные материалы на основе алюминия, получаемые с использованием низкочастотной обработки расплавов: дис. док. техн. наук. - Пермь, 2013; Prem Shankar Sahu, R. Banchhor Fabrication methods used to prepare Al metal matrix composites- A review International Research Journal of Engineering and Technology: 03, 10, p 123, 2016; Prusov E.Modern methods of metal matrix composite alloys production and new approaches to realization of reinforcing scheme. International scientific journal "Machines. Technologies. Materials." 8. 1. P. 11, 2014).
Специально для работы при высоких температурах разработаны и применяются различные конструкции терморезистентных излучателей ультразвука (R. , А. , В. High temperature ultrasonic transducers: review ULTRAGARSAS (ULTRASOUND), 63, No. 2, p. 7, 2008).
Известны способы (Jordan R. M, White J., Willis Т. С, EP0295008A1, 1987; RU 2175682, 2000) обеспечивающие равномерное распределение компонентов композита, реализуемые распылением расплавленного и нагретого до 1000°С алюминия, с последующим смешиванием металлического порошка с порошкообразным кремнием, после чего композиционную смесь дегазировали в вакууме и прессовали на гидравлическом прессе. Способ длителен, сложен в реализации и связан с повышенным расходом энергии.
Известен способ, реализуемый совместным измельчением и растиранием компонентов композита (Chi-Hoon Jeon, Yong-Ha Jeong, Jeong-Jin Seo et al, Material properties of graphene/aluminum metal matrix composites fabricated by friction stir processing. International Journal of Precision Engineering and Manufacturing, 2014, 15, 6, p.1235), не обеспечивающий, однако, равномерного распределения частиц смешиваемых веществ с различными физическими свойствами, и при этом требующий повышенного расхода энергии.
Известен способ инициирования химической реакции между вводимыми в расплав веществами, в результате которой образовываются твердые частицы, изначально равномерно распределенные в матричном расплаве (Qingyou Han, Zhiwei Liu, Patent №:9222158, 2015), однако, очевидно, что метод имеет ограниченное применение, поскольку лишь определенные сочетания веществ дают при химических реакциях между ними нерастворимые в расплаве частицы с требуемыми свойствами.
Известно устройство для получения литых композиционных материалов на основе алюминия (патент РФ №2186867, 2001), для реализации которого используют тигель, вращающийся на вертикальном валу, импеллер в виде плоского диска, дозатор дисперсного материала, а матричный сплав перегревают на 100-150°С выше температуры его плавления. Устройство не обепечивает, однако, высококачественной гомогенизации, так как не стимулирует образования в жидкой фазе микропотоков с высокими градиентами скоростей, разделяющих агрегаты твердых частиц, а также требует дополнительного расхода энергии на перегрев матричной фазы.
Известен также способ изготовления композиционных материалов с алюминидом (патент РФ №2408449, 2009). Согласно этому изобретению сначала, формируют заготовку с полостью, заполняют расплавом алюминия под давлением и герметизируют, после чего обрабатывают в газостате при давлении до 200 МПа и температуре, превышающей температуру плавления алюминия, но не превышающей температуру горячей пластической деформации заготовки, и далее подвергают горячей пластической деформации. Способ многостадиен, сложен в реализации и не обеспечивает высококачественной гомогенизации.
Известен способ изготовления композиционных материалов (патент KZ23508, 2009), для реализации которого одновременно загруженные расплавленную и дисперсную фазы помещают в вакуум, перемешивают пропеллером, а после перемешивания в системе создают атмосферу нейтрального газа. Способ многостадиен, сложен в реализации и не обеспечивает высококачественной гомогенизации.
Известен способ получения литого композиционного материала на основе алюминиевого сплава (патент РФ №2353475, 2009), заключающийся в смешивании в размольно-смесительном устройстве порошков матричного компонента и дискретных керамических частиц, брикетирование смеси под давлением с последующим введением брикетов в расплав, его перемешивание и разливку. Недостатком предложенного изобретения является большой размер частиц, что не позволяет проводить обработку давлением композиционного материала, необходимость применения специализированного оборудования и сложность равномерного распределения частиц в объеме заготовки.
Для получения материалов из несплавляемых в обычных условиях компонентов известно применение ультразвука (Абрамов О.В., Воздействие мощного ультразвука на жидкие и твердые металлы. Москва. 2000, который может быть успешно использован и для получения методом литья композитных сплавов из несплавляемых материалов, за счет генерации в жидкости макро- и микропотоков, приводящих к эффективной гомогенизации среды и разделения нередко возникающих агрегатов частиц, вводимых в жидкую фазу. Известен ряд устройств и методов введения вибраций, ударных волн и/или ультразвуковых колебаний в расплавленный металл в процессе его кристаллизации (Абрамов В.О., Абрамов О.В., Артемьев В.В., и др. Мощный ультразвук в металлургии и машиностроении. М.: Янус-К, 2006.).
Известна, например, установка для получения литых композиционных материалов (патент BY 3516, 2007) в которой устройство диспергирования и устройство мехнического перемешивания совмещены и выполнены в виде куполообразного диска, который установлен на торце вертикального вала, выполненного в виде концентратора, а привод вала выполнен в виде ультразвукового преобразователя. Устройство сложно по конструкции и в эксплуатации.
Предлагаемое ультразвуковое устройство для гомогенизации композиционного материала в расплаве (Рис. 1) характеризуется тем, что состоит из электроакустического преобразователя (1), функционирующего на частоте 23-25 кГц, соединенного резьбовой шпилькой (4) с цилиндрическим волноводом (2), изготовленным с расширением в виде диска (3) на рабочем, погружаемом в жидкость торце, при этом отношение диаметра диска к диаметру волновода равно 2, а отношение высоты диска к его диаметру равно 0,1, а устройство конструктивно и акустически согласовывается с нагрузкой (расплавленным алюминием) и выводиться на оптимальный режим подстройкой частоты, подаваемого на устройство сигнала.
Например, устройство, выполненное из ниобиевого сплава Н65ВМЦ, с размерами:
- диаметр волновода, d=30 мм;
- диаметр диска, D=60 мм;
- высота диска, h=6 мм;
- высота волновода, Н=147 мм,
- эффективно функционирует в диапазоне частот 23-25 кГц.
Устройство функционирует следующим образом:
- волновод (2), устройства, изготовленный с расширением в виде диска (3) на рабочем, погружаемом в жидкость торце, погружают в гомогенизируемую среду;
- возбуждают известными способами, с помощью электроакустического преобразователя (1), соединенного резьбовой шпилькой (4) с волноводом (2), (Абрамов В.О., Абрамов О.В., Артемьев В.В., и др. Мощный ультразвук в металлургии и машиностроении. М.: Янус-К, 2006.), продольные колебания в цилиндрическом волноводе (2), которые в диске (3), на торце цилиндрического волновода, трансформируются в изгибные колебания большой (≤ 5 мкм) амплитуды, интенсивно перемешивающие расплав.
В результате функционирования устройства, в расплаве возникают интенсивные акустические макро- и микротечения с высокими градиентами скоростей, гомогенизирующие среду и разбивающие агрегаты твердых частиц, вводимых в жидкую фазу. При этом достигается высокая степень гомогенизации двухфазной системы, что является основной предпосылкой существенного повышения качества получаемого композиционного материала.
Как следует из вышеприведенного, совокупность отличительных признаков заявленного устройства обеспечивает интенсивное перемешивающее воздействие на жидкие среды.
В результате проведенного анализа уровня техники, источник, характеризующийся признаками, тождественными всем существенным признакам заявленного устройства, не обнаружен.
Для заявленного технического решения в том виде, как оно охарактеризовано в изложенной формуле устройства, нет препятствий для его реализации с получением вышеуказанного результата.
Предлагаемое устройство создает необходимое разнообразие, обеспечивая возможность оптимального выбора устройств для интенсификации ряда процессов, в том числе и интенсивного перемешмвания жидкой и твердой фазы.