[发明专利]一种金属悬浮液超声场强耦合悬浮驱动装置及其使用方法

说明书

技术领域

本发明涉及金属材料合金化和复合材料的制备装置及其使用方法，特别涉及一种金属悬浮液超声场强耦合悬浮驱动装置及其使用方法。

背景技术

虽然纯金属在工业上获得了一定的应用，但由于其性能的局限性，不能满足各种应用场合的要求，合金化是改善和提高其性能的主要途径；金属基复合材料综合了增强相高硬度、高弹性模量、优良的热稳定性和基体高韧性、塑性、良好的导热性与导电性，是一种非常重要的工程结构材料。

金属材料合金化的主要方法有：合金组元直接加入法、中间合金加入法、合金添加剂法、反应合成法。在合金组元直接加入法和中间合金的制备过程中，对于熔点较高的合金元素，存在合金化时间长，熔体烧损等问题，当合金组元的密度相对较小时，特别合金组元与金属液体润湿性差时，由于存在上浮和界面润湿等问题，使合金化过程难以进行，合金组元的收得率低，合金元素的含量不易控制；合金添加剂法是通过添加剂与金属液体的反应还原出合金元素的，故不可避免的存在其它的反应产物，造成金属液体污染，降低了合金质量。

金属基复合材料制备的主要方法有：铸造法和粉末冶金法，制备过程往往需要高温、高压条件，这些条件是制造成本较高的主要原因，同时，容易造成界面过度反应，产生界面脆性层，并存在增强体集聚和沉淀现象，降低了界面相容性和变形协调性，弱化了增强体的强化效应。

金属悬浮液是指金属液相与异相(固相和液相)物质的混合液体，它是金属材料液/液和液/固合成过程中一种常见的反应体系，该反应体系可用于金属材料的合金化和复合材料的制备过程。

在金属悬浮液反应体系中，存在液/液和液/固反应界面，根据反应的微观机制与动力学分析，界面润湿和物相传质是界面反应与界面更新的前提，是反应过程能持续进行的必要条件，更是金属材料制备过程中的本质问题。例如：在难熔元素C与Al的合金化过程中，受界面处物相传质的限制，存在制备温度高，反应时间长，过程难以控制和成本高等问题；而在复合材料的制备过程中，由于增强相与基体之间的物理、化学性能差别很大，且其尺寸细小具有较大的比表面能，以及普遍存在的增强相与基体金属熔液的润湿性与相容性问题，故易发生沉降和聚集现象，难于实现增强相与液相的界面结合与分散，因而弱化了增强相的强化效应，成为该种材料走向实用化的严重障碍。因此，在金属悬浮液反应体系中，如何提高界面润湿性，以及促进界面物质驱动效应，是这类材料制备过程必须解决的关键技术问题。

环境污染、能源与资源短缺已成为人类所共同面临的重大问题，现代科学技术的发展不仅对材料性能的要求越来越高，而且对其制备过程的环保要求也日趋严格，材料制备技术正朝着高效、环保的方向发展。基于上述发展思路，外场处理技术已成为材料制备过程和提高材料性能的重要工艺手段之一，并成为材料科学领域中的前沿技术。

当金属熔液耦合超声波场的能量时，其超声空化效应(acoustic cavitation)与超声声流(acoustic streaming)作用，能改变金属熔液的扩散和传质行为，并伴随有分散、除气、润湿、乳化和空蚀等物理化学现象；超声波在铝液中传播时其声能的吸收衰减较小，因而，超声波可用于铝金属材料的合金化过程和复合材料的制备过程，同时，超声处理对金属熔液具有净化、除气和组织细化作用。因此，利用超声场强耦合的能量，既可以实现界面润湿和物相驱动，有效提高材料制备的效率，还可以进一步提高材料性能，并具有无污染和环保的优点。

在金属材料的合金化和复合材料的制备过程，超声场耦合处理的主要机制是：空化效应、声流作用和非线性效应。超声空化过程的压力波动和热扰动，能改善金属熔液/第二相间的润湿性，提高反应活性，有利于金属熔液的异质形核，同时，声流作用使生长中的晶粒破碎成细小的晶粒组织，并能够有效地抑制枝晶的生长，使金属熔液凝固形成细小的等轴晶组织；而超声波的非线形效应，使悬浮相产生受声辐射力驱动，能更新反应界面，加速反应过程。因此，如何将高能超声场耦合到金属熔液中，产生较强的空化效应和声流作用，并在金属熔液中形成稳定声场，通过超声波的非线形效应，驱动反应物传质，这些问题是金属悬浮液超声场耦合方法的技术关键。

目前的金属悬浮液超声场耦合方法，通常采用超声波发生器和耦合辐射块，直接向金属液体耦合超声场波能量，通过发射板形成二次声波，并与一次声波叠加形成静态的驻波场，依靠声压差驱动悬浮相使其在静态的声压波节处聚集，但由于驻波场呈静止状态，存在反应界面更新强度低，面反应活性不高的问题，同时，也难于实现反应过程的连续化。

发明内容