本發(fā)明創(chuàng)造涉及金屬熔體處理領(lǐng)域，特別涉及一種超聲波發(fā)射桿以及使用此發(fā)射桿的超聲波設(shè)備。

背景技術(shù)：

早在上個世紀(jì)，人們已經(jīng)發(fā)現(xiàn)，利用超聲波的空化效應(yīng)，可以使熔融金屬凝固時的晶粒更細(xì)小、含氣量更低，獲得更優(yōu)良的鑄件組織。然而，由于某些關(guān)鍵技術(shù)沒有取得突破，超聲波用于金屬熔體處理至今仍沒有獲得工業(yè)化推廣，而僅限于實驗室應(yīng)用。其中仍未解決的關(guān)鍵技術(shù)之一就是超聲波發(fā)射桿在高溫金屬熔體腐蝕和超聲波空化腐蝕作用下的壽命問題。

在采用超聲波設(shè)備對金屬熔體進(jìn)行處理的過程中，一般需要將超聲波發(fā)射桿的一端浸入到金屬熔體中，從而將超聲波發(fā)射到金屬熔體中去。在現(xiàn)有技術(shù)中，此發(fā)射桿一般由金屬制作，如不銹鋼、鈦合金等。

但是，這種發(fā)射桿是不理想的。這是因為，高溫金屬熔體的化學(xué)性質(zhì)比較活潑，能與大多數(shù)金屬發(fā)生反應(yīng)，生成金屬間化合物，對金屬制作的發(fā)射桿產(chǎn)生腐蝕直至全部溶解。例如，采用超聲波處理鋁合金熔體，鋁熔體的化學(xué)性質(zhì)十分活潑，能與幾乎所有的金屬，如鐵、銅、錳、鎂、鉻、鋅、鈦等發(fā)生反應(yīng)，形成各種金屬間化合物，使這些金屬在遠(yuǎn)低于其熔點溫度下便溶入到鋁熔體中（見鋁與鈦等各種金屬的相圖）。同理，銅合金熔體也能與絕大多數(shù)金屬發(fā)生化學(xué)反應(yīng)，生成金屬間化合物。如果用這些金屬制作發(fā)射桿，則會逐漸溶解直至消失。試驗表明，普通鋼材制作的發(fā)射桿在685±10℃的鋁熔體中進(jìn)行超聲波處理時，工作2小時，該發(fā)射桿將會出現(xiàn)明顯的腐蝕坑。因此，這種用金屬制作的發(fā)射桿是不適用于工業(yè)化連續(xù)生產(chǎn)的，例如連續(xù)鑄造或鑄軋數(shù)個月不停機(jī)的連續(xù)生產(chǎn)。

值得一提的是，專利（專利號：CN 102554195A）公布了一種用鉭制作發(fā)射桿的方法。雖然鉭與多數(shù)金屬熔體（如鋁熔體）不發(fā)生化學(xué)反應(yīng)，但是，一方面，鉭比較稀少，價格貴；另一方面，鉭在有氧環(huán)境下，在300℃時發(fā)生氧化，在550℃時激烈氧化，生成粉末狀氧化物。因此，用鉭制作的發(fā)射桿只適用于真空環(huán)境下。

為解決發(fā)射桿在金屬熔體中的腐蝕問題，人們又設(shè)計了另一種發(fā)射桿，即在金屬基體外面，包覆一層耐高溫的不與金屬熔體發(fā)生化學(xué)反應(yīng)的陶瓷物質(zhì)，該涂層厚度為0.15-4.5mm，成功地解決了這個問題。但是，還有另一種腐蝕問題沒有解決，即超聲波空化腐蝕。根據(jù)專利（專利號：CN 201713563 U）介紹，此種發(fā)射桿采用熱噴涂方法制作，將各種陶瓷物質(zhì)在熱噴涂設(shè)備上熔化成半固態(tài)或熔融態(tài)后高速噴涂在金屬基體上。根據(jù)資料介紹，各種不同的熱噴涂方法獲得的包覆層，與金屬基體在常溫下的最高結(jié)合強(qiáng)度一般只有50MPa至90MPa，當(dāng)這種發(fā)射桿在高溫熔體中工作時，因發(fā)射桿溫度高，包覆層與金屬基體的結(jié)合強(qiáng)度將快速下降。而發(fā)射桿工作時，將產(chǎn)生高頻振動，發(fā)射桿各微觀質(zhì)點均在其平衡位置附近作激烈的往復(fù)振動，這種振動具有非常大的加速度。根據(jù)牛頓定律F=ma，質(zhì)點要保持這種往復(fù)振動，必須要有一個非常大的力，例如，原子間結(jié)合力。一方面是包覆層與金屬基體結(jié)合強(qiáng)度的降低，另一方面是微觀質(zhì)點振動所需的力非常大，兩方面共同作用的結(jié)果就是包覆層從金屬基體中脫落，這已在試驗中得到證實。從理論上說，這種脫落主要原因是包覆層與金屬基體的結(jié)合強(qiáng)度不足導(dǎo)致的。根據(jù)資料介紹，熱噴涂包覆層與金屬基體的結(jié)合形式有三種：機(jī)械結(jié)合、物理結(jié)合、冶金結(jié)合。前兩種結(jié)合方式的結(jié)合力很低，冶金結(jié)合的結(jié)合強(qiáng)度很高，但各種噴涂形式均主要以機(jī)械結(jié)合為主，冶金結(jié)合很少，所以結(jié)合強(qiáng)度不高。此外，包覆層內(nèi)部存在很多孔隙，孔隙率一般在5%以上，甚至達(dá)到20%。當(dāng)發(fā)生應(yīng)力集中時，這些孔隙就會成為裂紋源，迅速擴(kuò)展導(dǎo)致包覆層脫落。

針對包覆層容易脫落的問題，人們又設(shè)計了另一種發(fā)射桿（專利號：CN 201305623Y），即在金屬基體外面，包覆一層陶瓷層，陶瓷層厚度小于等于200um。該陶瓷層主要通過物理氣相沉積方法實現(xiàn)在基體金屬上的附著。從實際效果看，這樣的改進(jìn)是有一定的作用的，但仍不能從根本上解決問題。這種涂層固然避免了因為振動而脫落的問題，但是太薄，使用壽命短，保護(hù)作用不大。例如從提高硬度的角度，因為太薄，極易被硬物刺穿；從防腐的角度，也是因為太薄，很快便會失效。

由上可見，現(xiàn)有技術(shù)中的超聲波發(fā)射桿不能很好地解決金屬熔體腐蝕和超聲波空化腐蝕的問題。

技術(shù)實現(xiàn)要素：

本發(fā)明創(chuàng)造的目的在于提供一種高結(jié)合強(qiáng)度的超聲波復(fù)合發(fā)射桿，其能夠解決金屬熔體腐蝕和超聲波空化腐蝕的問題，解決這個人們一直想解決但始終未能成功的問題。

為了實現(xiàn)上述目的，本發(fā)明創(chuàng)造提供了一種高結(jié)合強(qiáng)度的超聲波復(fù)合發(fā)射桿，該發(fā)射桿由基體金屬和復(fù)合層構(gòu)成，其特征在于，復(fù)合層通過激光熔覆技術(shù)和/或電子束表面改性技術(shù)和/或粉末冶金技術(shù)實現(xiàn)與基體金屬之間的結(jié)合。通過上述技術(shù)手段制成的復(fù)合層，復(fù)合層與基體金屬之間達(dá)到了冶金結(jié)合，結(jié)合強(qiáng)度非常高。根據(jù)資料介紹，激光熔覆技術(shù)的主要原理是，以不同的填料方式在被涂覆基體表面上放置涂層材料，經(jīng)激光照射使涂層材料和基體表面一薄層同時熔化，并快速凝固后形成稀釋度極低并與基體材料形成冶金結(jié)合的表面涂層。由于涂層和基體表層一薄層同時熔化，因此，涂層和基體之間達(dá)到了冶金結(jié)合，獲得了結(jié)合強(qiáng)度很高的涂層。根據(jù)資料介紹，電子束表面改性技術(shù)主要包括電子束涂層熔覆、涂層重熔等，并且電子束的能量密度更高，電子束加熱的深度和尺寸比激光束更大。因此，采用電子束表面改性技術(shù)處理的涂層同樣達(dá)到了冶金結(jié)合的程度。根據(jù)資料介紹，粉末冶金技術(shù)是通過在高溫（接近材料的熔點，甚至達(dá)到液相燒結(jié)溫度）下長時間燒結(jié)，這一過程將使涂層和基體金屬之間發(fā)生原子互擴(kuò)散，并且通過一系列后續(xù)處理手段，如擠壓、熱等靜壓等方式，可以進(jìn)一步使涂層和基體實現(xiàn)冶金結(jié)合，同時減少氣孔，獲得致密化很高的涂層。綜合而言，上述三種技術(shù)手段，都可以使涂層與基體金屬達(dá)到冶金結(jié)合（又稱原子結(jié)合），保證其結(jié)合強(qiáng)度達(dá)到很高的水平。

優(yōu)選的，復(fù)合層可以有1層或多層。例如，可以在基體金屬外，先設(shè)計一層過度涂層，過度涂層的熱膨脹系數(shù)處于最外一層涂層的熱膨脹系數(shù)與基體金屬的熱膨脹系數(shù)之間，或者比最外層涂層的熱膨脹系數(shù)小，作為過度，避免最外一層涂層與基體金屬在熱脹冷縮過程中因熱膨脹系數(shù)差異而導(dǎo)致涂層開裂。當(dāng)有2層及其以上的復(fù)合層時，非最外層復(fù)合層的化學(xué)組成可以是各種純金屬、合金，該純金屬、合金的熔點高于金屬熔體的溫度。

優(yōu)選的，最外一層復(fù)合層的厚度為0.1mm至5.0mm。如果復(fù)合層過薄，稍微被尖銳異物刮傷劃傷就會報廢。如果復(fù)合層過厚，則造價昂貴。

優(yōu)選的，最外一層復(fù)合層的化學(xué)組成可以是氧化物、氮化物、碳化物、硼化物等各種陶瓷物質(zhì)，如氧化鋁、碳化鉻、碳化硅、金屬陶瓷等，并且該復(fù)合層的熔點高于金屬熔體的溫度，不與金屬熔體發(fā)生化學(xué)反應(yīng)。

優(yōu)選的，基體金屬的化學(xué)組成可以是各種純金屬、合金，如鋁合金、Q235鋼、鈦合金等。

本發(fā)明創(chuàng)造提供了一種超聲波設(shè)備，包括超聲波電源、超聲波換能器、變幅桿、發(fā)射桿，還可以包括法蘭盤，其特征在于，該超聲波設(shè)備采用如上所述的發(fā)射桿。

本發(fā)明創(chuàng)造的有益效果是：

首先，本發(fā)射桿能較好地耐超聲波空化腐蝕。此發(fā)射桿的涂層與基體金屬間達(dá)到了冶金結(jié)合，或者說達(dá)到了原子結(jié)合，其結(jié)合強(qiáng)度很高，結(jié)合力非常大，不會產(chǎn)生涂層與基體金屬分層、剝離現(xiàn)象。

其次，本發(fā)射桿能較好地耐金屬熔體腐蝕。此發(fā)射桿最外一層涂層是由氧化物、氮化物、碳化物、硼化物等各種陶瓷物質(zhì)構(gòu)成，并且該復(fù)合層的熔點高于金屬熔體的溫度，同時不與金屬熔體發(fā)生化學(xué)反應(yīng)，表現(xiàn)出較好的耐金屬熔體腐蝕性能。

最后，本發(fā)射桿具有較長的壽命和較好的經(jīng)濟(jì)效益。

附圖說明

圖1為超聲波發(fā)射桿形狀結(jié)構(gòu)示意圖。

圖2為超聲波設(shè)備形狀結(jié)構(gòu)示意圖。

圖中，1.超聲波發(fā)射桿，2.法蘭盤，3.變幅桿，4.超聲波換能器，5.超聲波電源，6.夾子，7.螺栓，8.套環(huán)。

具體實施方式

下面將結(jié)合說明書附圖和具體的實施方式來對本發(fā)明創(chuàng)造所述的一種高結(jié)合強(qiáng)度的超聲波復(fù)合發(fā)射桿及其超聲波設(shè)備做出進(jìn)一步的解釋說明，但是該解釋說明并不構(gòu)成對本發(fā)明創(chuàng)造技術(shù)方案的不當(dāng)限定。

實施例一

一種超聲波發(fā)射桿，由金屬基體和一層涂層構(gòu)成，金屬基體為碳鋼，涂層為氧化鋁陶瓷，厚度0.1mm，采用激光熔覆技術(shù)附著在金屬基體上。考慮碳鋼的熔點（1400-1500℃）和氧化鋁的熔點（2050℃），該發(fā)射桿可用于處理鋁合金熔體、鋅合金熔體、鎂合金熔體等，具有很好的耐金屬熔體腐蝕和超聲波空化腐蝕性能，能安全有效連續(xù)地工作。

實施例二

一種超聲波發(fā)射桿，由金屬基體和兩層涂層構(gòu)成，金屬基體為鈦合金（線膨脹系數(shù)為10.8，熔點為1675℃），最外一層涂層為氧化鋁陶瓷（線膨脹系數(shù)為7.8，熔點為1675℃），過度涂層為鉻金屬（線膨脹系數(shù)為6.2，熔點為1890℃），最外層涂層厚度0.25mm，采用激光熔覆技術(shù)附著在金屬基體上?？紤]鈦合金、氧化鋁、鉻的熔點，該發(fā)射桿可用于處理鐵合金熔體、鋁合金熔體、銅合金熔體等，具有很好的耐金屬熔體腐蝕和超聲波空化腐蝕性能，能安全有效連續(xù)地工作。

實施例三

一種超聲波發(fā)射桿，由金屬基體和一層涂層構(gòu)成，金屬基體為鋁合金，涂層為碳化硅，厚度1.5mm，采用電子束表面改性技術(shù)附著在金屬基體上?？紤]金屬基體的熔點和涂層的熔點，該發(fā)射桿可用于處理鋅合金熔體、鎂合金熔體等，具有很好的耐金屬熔體腐蝕和超聲波空化腐蝕性能，能安全有效連續(xù)地工作。

實施例四

一種超聲波發(fā)射桿，由金屬基體和一層涂層構(gòu)成，金屬基體為碳鋼，涂層為氧化鉻，厚度2.5mm，采用電子束表面改性技術(shù)附著在金屬基體上?？紤]金屬基體的熔點和涂層的熔點，該發(fā)射桿可用于處理鋁合金熔體、鋅合金熔體、鎂合金熔體等，具有很好的耐金屬熔體腐蝕和超聲波空化腐蝕性能，能安全有效連續(xù)地工作。

實施例五

一種超聲波發(fā)射桿，由金屬基體和一層涂層構(gòu)成，金屬基體為鉻合金，涂層為氧化鎂陶瓷，厚度3.0mm，采用粉末冶金技術(shù)和熱擠壓后處理技術(shù)附著在金屬基體上?？紤]金屬基體的熔點和涂層的熔點，該發(fā)射桿可用于處理鈦合金熔體、錳合金熔體、鎳合金熔體等，具有很好的耐金屬熔體腐蝕和超聲波空化腐蝕性能，能安全有效連續(xù)地工作。

實施例六

一種超聲波發(fā)射桿，由金屬基體和一層涂層構(gòu)成，金屬基體為銅合金，涂層為氧化鋅陶瓷，厚度5.0mm，采用粉末冶金技術(shù)和熱等靜壓后處理技術(shù)附著在金屬基體上?？紤]金屬基體的熔點和涂層的熔點，該發(fā)射桿可用于處理鉛合金熔體、錫合金熔體、鎂合金熔體等，具有很好的耐金屬熔體腐蝕和超聲波空化腐蝕性能，能安全有效連續(xù)地工作。

實施例七

一種超聲波發(fā)射桿，由金屬基體和一層涂層構(gòu)成，金屬基體為鎳合金，涂層為碳化鈦，厚度1.0mm，采用粉末冶金技術(shù)和激光熔覆技術(shù)附著在金屬基體上。考慮金屬基體的熔點和涂層的熔點，該發(fā)射桿可用于處理鉛合金熔體、錫合金熔體、鎂合金熔體等，具有很好的耐金屬熔體腐蝕和超聲波空化腐蝕性能，能安全有效連續(xù)地工作。

實施例八

一種超聲波發(fā)射桿，由金屬基體和一層涂層構(gòu)成，金屬基體為錳合金，涂層為氧化鋯，厚度0.5mm，采用粉末冶金技術(shù)和電子束表面改性技術(shù)附著在金屬基體上?？紤]金屬基體的熔點和涂層的熔點，該發(fā)射桿可用于處理鉛合金熔體、錫合金熔體、鎂合金熔體等，具有很好的耐金屬熔體腐蝕和超聲波空化腐蝕性能，能安全有效連續(xù)地工作。

實施例九

一種超聲波設(shè)備，包括超聲波電源5、超聲波換能器4、變幅桿3、法蘭盤2和發(fā)射桿1，發(fā)射桿1采用實施例一所示的發(fā)射桿。

實施例十

一種超聲波設(shè)備，包括超聲波電源5、超聲波換能器4、變幅桿3、法蘭盤2和發(fā)射桿1，發(fā)射桿1采用實施例二所示的發(fā)射桿。

需要注意的是，所公開實施例的上述說明使得本領(lǐng)域?qū)I(yè)技術(shù)人員能夠顯而易見地對于本實施例進(jìn)行多種類似變化和修改，例如，增加涂層附著在金屬基體所采用的技術(shù)手段的前處理和/或后處理，改變涂層的種類和尺寸等，這種類似變化是本領(lǐng)域技術(shù)人員能從發(fā)明創(chuàng)造公開的內(nèi)容直接得出或者很容易便聯(lián)想到的所有變形，均應(yīng)屬于本發(fā)明創(chuàng)造的保護(hù)范圍。因此本發(fā)明創(chuàng)造不會受到該實施例的限制。