Способ направленной кристаллизации расплава и устройство для его осуществления

)5 С 22 ЕЗ/02; В 22 027/20 ОСУДАРСТВЕННЫЙ КОМИТЕТПО ИЗОБРЕТЕНИЯМ И ОТКРЫТИЯМПРИ ГКНТ СССР ОПИСАНИЕ ИЗОБРЕТЕНИ ВТОРС СВИДЕТЕЛ ЬСТВ(56) Агранат Б.А, и др. Основы физики итехники ультразвука. - М,; Высшая школа,1987, с. 274, 275, 267.(54) СПОСОБ НАПРАВЛЕННОЙ КРИСТАЛЛИЗАЦИИ РАСПЛАВА И УСТРОЙСТВОДЛЯ ЕГО ОСУЩЕСТВЛЕНИЯ(57) Изобретение относится к применениюультразвука 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,Изобретение касается применения ультразвука при кристаллизации расплавов,Цельк изобретения является получениематерлалов с заданной структурой,Яа фиг, 1 представлен механизм структуирования, Показано четыре структурныхперехода в материале образца при нагревеего вплоть до температуры появления, Наприведенном графике схематично показаназависимость соответствующих масштабов 10структур в образце от числа (номера) структурного перехода пь Величина нормировкипкр соответствует максимально возможному количеству переходов. На фиг. 2 - структурная схема устройства кристаллизации 15расплавов.Возможность получения заданнойструктуры материала определяется следующим образом,Известно, что твердая фаза вещества 20характеризуется ближним и дальним пространственным порядком, а жидкая фазаобладает лишь одим порядком, Пусть в исходном состоянии (при комнатной температуре Т 1) имеется слиток с микропорядковым 25размером Я (ближний порядок) и макропорядковым размером Я 1(дальний порядок ),где Я 1 соответствует размерам зерна вструктуре слитка, а Я 1 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 35макроструктуру образца. Поскольку при механическом разрушении твердых образцовэкспериментально наблюдается автомодельность, связанная с тем, что отношениеразмеров частиц до и после разрушения изменяется в довольно узких пределах величины коэффициента К=2-6, то аналогичнымбудет процесс структуирования в образце ипри термическом воздействии, В этом случае при увеличении температуры Т 1 в определенное количество раз, структуированиебудет происходить в двух направлениях:- в сторону увеличения масштабов вмикроструктуре Я 1 КЯ 1 К Я 1 К Я 1 ее- в сторону уменьшения масштабов в 50111макроструктуре Я 1, - Я 1, - Я 1, - Я 1К К 2КзДалее при достижении температурыплавления образца, масштабы в микро- имакроструктурах ста ут соизмеримыми, т.е, 55Якр " ЯплЯ плВ этом случае в образце произойдетфазовый переход из твердого в жидкое состояние и устойчивость формы будет нару а гармоники собственных колебаний возбуждаемые в системе определяются как- супергармоники Ьп = -- , (2)С и где и = 2,3,. - номер супергармоники, - субгармоники тп = - 1 - ,з Сгп(3) где в = 2,3, - номер субгармоники.Важным в данном случае является факт независимости от номера гармоник произведения частот гармоник одинаковых номеров,т,е. при и = п 1 =(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 макро- структуры образца, а мегагерцовым - микроструктура.В результате возбуждение ультразвуковых колебаний в структурах определенных шена - 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 . и скоростью транспортировки энергии Ср. Основная резонансная частота в системе определяется какмасштабов позволяет сохранить структуру данных масштабов в процессе охлаждения.Сущность способа заключается в следующем.Для возбуждения в материале двух ко 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 зеи при остывании (охлаждении) монолита.Для возбуждения таких колебаний выбираем акустический сигнал, модулированный по амплитуде со следующими частотами; 20 25 где Г 1 - модуляционная частота;А - несущая частота;Ср - скорость продольной волны в материале;Л 1 - длина волны, соизмеримая с геометрическими размерами материала; 30Л 2 - 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, 40В состав устройства входят последовательно соединенные модулятор 1, изменяющий амплитуду незатухающих колебаний, задающий генератор 2, генерирующий незатухающие колебания, усилитель мощно 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 переклочатели частот 6 а и 6 б, которые соединены с модулятором 1 и задающим генератором 2, переключатель мощности сигнала 6 в, сое 55 диненный с усилителем мощности 3, переключатель 6 г, который через коммутатор передача 4 подключает акустическую систему к выходу усилителя мощности 3. Работает устройство следующим образом.Перед включением устройства переключатели 6 а,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 11 в модуляторе 1 и частоты 12 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 Ср = 4 10 см/с. Тогда модуляционная5частота 11 = 8 10 Гц, а несущая частотаз12=40 10 Гц. Оценим необходимую плот 6ность энергии подводимую к расплаву монолита двухчастотным сигналом,В охлаждаемом расплаве, который принял форму изложницы, будут возбуждаться сопряженные колебания.с частотами 11 и 12,Введем величину=ЛЛ 2 = 0,7 см, Параметрявляется характерным размером нормировки, относительно которого симметричны (сопряжены) размеры Л 1 и Л 2,Разрушить твердый образец размеромможно при возбуждении его колебаний на резонансных частотах Х 1 и 12, поскольку в этом случае смещения частиц среды будут максимальны,Величина энергии Е в этом случае будет определятьсяр (й) бгде ( - ,) характеризует порядок (номер) возбуждения гармоник, а Екр. - величина плот1763515-- СЕ УС 10 Тогда е =екр( - ) =екр+ - =екр у б 1 С 1 ф 2 15 Я 1 Ср Составитель А.Абро Техред М,Моргентал орректор Л,ЛивренцфР ктор Н.Полионова Заказ 3431 Тираж Подписное ВНИИПИ Государственного комитета по изобретениям и открытиям при ГКНТ СС 113035, Москва, Ж, Раушская наб., 4/5водственно-издательский комбинат "Патент город, ул.Гагарина, 10 ности энергии требуемая для разрушения размерами.Величина . 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 А 1 плотность требуемой энергии увеличивается.20Известно, что размерубудет соответствовать плотность энергии разрушения10 ззПри использовании двухчастотного сигнала плотность энергии будет определяться Е =Екр-Г 1 =10 --8 10 14 Эрг/смзз 0,7 , , зр 4 10 Отсюда видно, что выигрыш в плотности энергии при использовании двухчастотного 30 сигнала будет в 70 раз,Формула изобретения1. Способ направленной кристаллизации расплава, включающий возбуждение движений в расплаве и ультразвуковое облучение на двух разнесенных частотах, о тл и ч а ю щ и й с я тем, что, с целью получения материалов с заданной структурой, расплав непрерывно облучают амплитудно-модулированным сигналом с модуляционной частотой б и несущей частотой 2, определяемыми из соотношений т 1 = ;- и 12 = где Ср -Ср р скорость ультразвука в среде распространения; А 1 - длина волны, кратная геометрическим размерам объекта монолита; 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 ющ и й с я 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) 3 4