一种基于三维壁振式可控超声场装置的IN718合金组织优化方法

摘要

本发明提供了一种基于三维壁振式可控超声场装置的IN718合金组织优化方法，涉及先进材料制备及加工技术领域。本发明采用超声波从铸模底部对IN718合金熔体进行壁振式处理，并且针对IN718合金制定了合适的熔炼‑浇注‑超声调控方案，同时为了保证超声处理的最佳效果，对凝固过程中熔体内的声场变化规律进行实时测定，通过测得的总空化声压级来实时调控超声实验参数，从而调控IN718合金的凝固组织。

说明书

技术领域

本发明涉及先进材料制备及加工技术领域，具体涉及一种基于三维壁振式可控超声场装置的IN718合金组织优化方法。

背景技术

高温合金通常用于现代航空、舰艇燃气轮机、地面涡轮以及航天发动机等动力机械中的热端部件。目前，世界上使用量最大的高温合金是IN718合金，占全部高温合金总产量的35％。铸态IN718合金的显微组织由富镍固溶体基体(γ)、不连续的MC粒子、圆岛状的Laves相组成。IN718合金的凝固顺序为：L→γ(1350℃)，L→γ+MC(1290℃)，L→Laves(1250℃)。目前，铸造IN718合金存在的主要问题为：①初生γ相枝晶粗大；②大块共晶Laves和包晶MC相析出。这两方面的组织缺陷导致合金强度、塑性、抗蠕变和抗冲击性等力学性能显著恶化。

在金属或合金凝固过程中施加振动是改善其组织结构、提高性能最有效的方法之一。功率超声是物体超高机械振动能量的传播形式，具有频率高、功率密度大、束射性和方向性良好等显著物理特性，与液态、半固态金属或合金相互作用时存在压力场、热效应、声空化和声流等一系列非线性超声效应，从而达到晶粒细化、组织均匀化与净化(去气、除渣、提纯)等效果。

目前功率超声在IN718合金凝固过程中应用的局限性为：①由于接触熔体的超声杆耐受温度的限制，目前仍无法使用功率超声对熔炼温度为1400～1600℃的IN718高温合金进行处理，从而难以对初生γ相、Laves相、MC相等组织进行有效调控。②超声处理过程中缺乏对熔体中的声场信息的测量，不能实时的反馈调控超声参数和作用效果。事实上，并非简单所想的超声振幅越大，超声处理合金熔体的效果越好。

发明内容

本发明的目的在于提供一种基于三维壁振式可控超声场装置的IN718合金组织优化方法，本发明通过底部壁振式超声处理IN718合金高温熔体，能够解决超声杆耐受温度的限制；在凝固过程中原位对合金熔体内的空化声压级进行测定，通过实时控制声场参数来调节晶体生长过程，达到对凝固组织有效改善的目的。

为了实现上述发明目的，本发明提供以下技术方案：

本发明提供了一种基于三维壁振式可控超声场装置的IN718合金组织优化方法，包括以下步骤：

三维壁振式可控超声场装置包括熔炼装置、凝固装置和检测部件；所述熔炼装置设置在凝固装置的上方；所述熔炼装置包括依次连通的上坩埚2和下坩埚4；

所述凝固装置包括铸模7以及设置在所述铸模7侧壁的X轴反推杆8-1、Y轴反推杆8-2、X轴超声杆16和Y轴超声杆17；所述铸模7为中空槽型结构；所述X轴超声杆16和X轴反推杆8-1相对设置；所述Y轴超声杆17和Y轴反推杆8-2相对设置；所述凝固装置还包括设置在所述铸模7顶部的压板6和设置在所述铸模7底部的Z轴超声杆10；所述X轴超声杆16、Y轴超声杆17和Z轴超声杆10由气缸18驱动；

所述铸模7的内部设置有内预热块5和控温器15；所述铸模7的外壁设置有外加热-冷却套9；

所述检测部件包括声信号传感器14、热电偶13、信号采集卡12和计算机11；所述声信号传感器14和热电偶13均与信号采集卡12电连接；所述信号采集卡12和计算机11电连接；

步骤一、将Fe、Ni、Al、Cu、Mn、Co、Si和Ti置于下坩埚4中进行熔炼；将Cr、Nb、Mo和C置于上坩埚2中进行熔炼，将上坩埚2熔炼完成的原料浇入下坩埚4中继续熔炼，得到合金熔体；

步骤二、根据所述三维壁振式可控超声场装置安装铸模及超声系统；

步骤三、通过内预热块5、外加热-冷却套9和控温器15对铸模7进行预热，得到预热铸模；

步骤四、取出内预热块5，将声信号传感器14和热电偶13设于铸模7的正中央；

步骤五、将所述合金熔体浇注至所述预热铸模中；

步骤六、开启X轴超声杆16、Y轴超声杆17和Z轴超声杆10的超声振动电源及信号采集卡12的开关，对所述合金熔体施加频率为17～25kHz的超声振动，并进行声谱信号和温度信息采集；

步骤七、通过计算机11调整超声振动的电源输出功率，改变X轴超声杆16、Y轴超声杆17和Z轴超声杆10的输出振幅A，进行振幅参数扫描，由计算机11检测和记录不同振幅条件下的声谱信号，得到不同振幅条件下的总空化声压级SPL；

步骤八、由计算机11检测当SPL取得最大值SPL

步骤九、向外加热-冷却套9中注入恒温制冷剂进行循环制冷，通过控温器15监测合金温度，控制冷却速率；

步骤十、待合金冷却至室温后，从铸模7中取出，得到IN718合金。

优选地，所述步骤一中，上坩埚2的装料顺序为：先装Cr、Nb和Mo，完全熔化后再加入C；下坩埚4的装料顺序为：先装Ni和Fe，在Ni和Fe完全熔化后再依次装入Al、Cu、Mn、Co、Si和Ti。

优选地，所述三维壁振式可控超声场装置还包括设置在所述上坩埚2内部的上塞杆1和设置在所述下坩埚4内部的下塞杆3；

当所述上坩埚2中熔体完全熔化且温度达到1600℃时，拔起上塞杆1将熔体浇入下坩埚4中；所述上塞杆1由电机驱动提起一定高度h，10mm

当所述下坩埚4中的合金原料完全熔化后，继续加热至1400℃，保温3～5min后，拔起下塞杆3将所得合金熔体浇注至预热铸模中。

优选地，所述铸模7的材质为高温金属或陶瓷材料；所述铸模7的物理参数满足：2πf

优选地，所述X轴反推杆8-1和Y轴反推杆8-2由在1400℃时弹性模量不低于铸模7的金属材料制成；所述X轴反推杆8-1和Y轴反推杆8-2的形状为圆柱；

所述X轴反推杆8-1或Y轴反推杆8-2的半径r与长度l满足公式：2πf

优选地，所述压板6的材质为在1400℃时弹性模量不低于铸模7的耐高温合金材料；所述压板6的中心设有用于浇注的开口，开口的形状与铸模7的上开口形状相同；所述压板6的开口面积等于或大于铸模7的上开口面积且小于铸模7的外边缘面积；所述压板6的固有频率f满足：│(f-f

优选地，所述内预热块5的形状为直四棱柱，所述内预热块5的底面边长小于铸模7的内腔底边长的5～10mm；

所述外加热-冷却套9的形状为无顶面的五面长方体，壁厚为10mm；所述外加热-冷却套9的内腔底边长大于铸模7的外轮廓底边长的5～10mm；

所述外加热-冷却套9的底面中心设有供超声杆通过的施振孔9-6，所述外加热-冷却套9的前、后、左、右四面分别设有供X轴反推杆8-1、Y轴反推杆8-2、X轴超声杆16和Y轴超声杆17通过的定位孔9-5；

所述内预热块5上设有供内电阻棒5-4插入的内加热孔5-3；所述外加热-冷却套9上设有供外电阻棒9-4插入的外加热孔9-3；所述内加热孔5-3和外加热孔9-3的深度为孔底部距离底面5～10mm；

所述内预热块5上设有供内热电偶5-1插入的内测温孔5-2；所述外加热-冷却套9上设有供外热电偶9-1插入的外测温孔9-2；所述内测温孔5-2和外测温孔9-2的深度分别为内预热块5和外加热-冷却套9外轮廓高度的1/2；

所述外加热-冷却套9上还设有供恒温制冷剂通过的冷却通道9-8、冷却剂进口9-7和冷却剂出口9-9；所述冷却通道9-8与外加热孔9-3和外测温孔9-2都不连通；

所述控温器15与内预热块5上插入的内热电偶5-1和内电阻棒5-4相连接；所述控温器15与外加热-冷却套9上插入的外热电偶9-1和外电阻棒9-4相连接。

优选地，当所述热电偶13监测到温度下降至IN718合金的液相线温度时，开启X轴超声杆16、Y轴超声杆17和Z轴超声杆10的超声振动电源，通过振动铸模7将超声导入合金熔体；当检测到温度降为Laves相完全凝固的温度时，关闭X轴超声杆16、Y轴超声杆17和Z轴超声杆10的超声振动电源。

优选地，所述总空化声压级SPL由以下过程得到：①声信号传感器14测得每个采样区间的时域谱，计算机11将所述时域谱通过离散傅里叶变换处理得到频域谱；所述采样时间为0.02～0.5s，每个区间采样点数量为2×10

优选地，所述恒温制冷剂为气体或液体；当所述恒温制冷剂为气体时，所述恒温制冷剂在1120℃的热导率大于0.25W/m·K，沸点低于200℃；当所述恒温制冷剂为液体时，所述恒温制冷剂在1120℃的热导率大于80W/m·K，熔点低于200℃且沸点高于1120℃；所述恒温制冷剂不与外加热-冷却套9发生反应。

本发明提供了一种基于三维壁振式可控超声场装置的IN718合金组织优化方法，本发明采用超声波从铸模底部对IN718合金熔体进行壁振式处理，并且针对IN718合金制定了合适的熔炼-浇注-超声调控方案，同时为了保证超声处理的最佳效果，对凝固过程中熔体内的声场变化规律进行实时测定，通过测得的总空化声压级来实时调控超声实验参数，从而调控IN718合金的凝固组织。

本发明通过二级熔炼的方法，同时熔炼高熔点难熔合金(Cr、Nb、Mo和C)和剩余低熔点原料(Fe、Ni、Al、Cu、Mn、Co、Si和Ti)。首先通过单独熔炼难熔合金，解决了高熔点合金难以熔炼均匀的问题，其次通过二级熔炼加快原料的熔化速度，提高了熔炼效率。

本发明提供的IN718合金组织优化方法，超声杆不直接接触熔体，避免了超声杆受到熔体热腐蚀、超声空化腐蚀，也避免了合金熔体和超声杆之间的反应，不仅扩大了超声杆在耐热性和材料种类方面的选择，而且有利于保护熔体的纯净度。本发明在改善IN718高温合金组织的同时，并未对合金相组成和成分造成影响。在不造成熔体污染的同时也避免了环境污染，是一种绿色的合金制备手段。

本发明基于三维壁振式可控超声场装置对IN718合金组织进行优化，得到的IN718合金相较于静态凝固，粗大的初生γ相组织显著细化，晶粒尺寸可细化为处理前的20％以下。

本发明通过设置和调节超声振动的频率、振幅参数，实现了对IN718合金凝固组织中第二相生长形貌的有效控制，使得共晶Laves相和包晶MC相均转变为独立生长。

本发明采用同步声场检测的方法，可以同步到检测声场所产生的总空化声压级SPL，同时根据检测到的SPL值对超声杆的振幅A进行调节，不同形状及尺寸的铸模中有着不同的使得SPL值达到最大的最佳振幅A，以此为依据可以保证不同条件下的超声施加效果达到最佳，甚至实现对超声细化效果的准确调控。这种方法为超声处理参数的选择提供了更加准确的依据，能够以相对简单的工艺流程制备出组织优异的IN718合金材料。

附图说明

图1为实施例基于三维壁振式可控超声场装置的IN718合金组织优化方法的流程示意图；

图2为三维壁振式可控超声场装置的示意图；

图3为内预热块5、外加热-冷却套9和控温器15的结构图；

图4为X轴超声杆16、Y轴超声杆17、Z轴超声杆10、X轴反推杆8-1、Y轴反推杆8-2和铸模7的相对位置图；

图2～4中，1为上塞杆，2为上坩埚，3为下塞杆，4为下坩埚，5为内预热块，5-1为内热电偶，5-2为内测温孔，5-3为内加热孔，5-4为内电阻棒，6为压板，7为铸模，8-1为X轴反推杆，8-2为Y轴反推杆，9为外加热-冷却套，9-1为外热电偶，9-2为外测温孔，9-3为外加热孔，9-4为外电阻棒，9-5为定位孔，9-6为施振孔，9-7为冷却剂进口，9-8为冷却通道，9-9为冷却剂出口，10为Z轴超声杆，11为计算机，12为信号采集卡，13为热电偶，14为声信号传感器，15为控温器，16为X轴超声杆，17为Y轴超声杆，18为气缸；

图5为获得总空化声压级SPL的流程图；

图6为振幅参数扫描过程流程图；

图7为静态凝固和本发明超声凝固IN718合金的组织形貌对比图；

图8为静态凝固和本发明超声凝固IN718合金的XRD对比图谱。

具体实施方式

本发明提供了一种基于三维壁振式可控超声场装置的IN718合金组织优化方法，包括以下步骤：

三维壁振式可控超声场装置包括熔炼装置、凝固装置和检测部件；所述熔炼装置设置在凝固装置的上方；所述熔炼装置包括依次连通的上坩埚2和下坩埚4；

所述凝固装置包括铸模7以及设置在所述铸模7侧壁的X轴反推杆8-1、Y轴反推杆8-2、X轴超声杆16和Y轴超声杆17；所述铸模7为中空槽型结构；所述X轴超声杆16和X轴反推杆8-1相对设置；所述Y轴超声杆17和Y轴反推杆8-2相对设置；所述凝固装置还包括设置在所述铸模7顶部的压板6和设置在所述铸模7底部的Z轴超声杆10；所述X轴超声杆16、Y轴超声杆17和Z轴超声杆10由气缸18驱动；

所述铸模7的内部设置有内预热块5和控温器15；所述铸模7的外壁设置有外加热-冷却套9；

所述检测部件包括声信号传感器14、热电偶13、信号采集卡12和计算机11；所述声信号传感器14和热电偶13均与信号采集卡12电连接；所述信号采集卡12和计算机11电连接；

步骤一、将Fe、Ni、Al、Cu、Mn、Co、Si和Ti置于下坩埚4中进行熔炼；将Cr、Nb、Mo和C置于上坩埚2中进行熔炼，将上坩埚2熔炼完成的原料浇入下坩埚4中继续熔炼，得到合金熔体；

步骤二、根据所述三维壁振式可控超声场装置安装铸模及超声系统；

步骤三、通过内预热块5、外加热-冷却套9和控温器15对铸模7进行预热，得到预热铸模；

步骤四、取出内预热块5，将声信号传感器14和热电偶13设于铸模7的正中央；

步骤五、将所述合金熔体浇注至所述预热铸模中；

步骤六、开启X轴超声杆16、Y轴超声杆17和Z轴超声杆10的超声振动电源及信号采集卡12的开关，对所述合金熔体施加频率为17～25kHz的超声振动，并进行声谱信号和温度信息采集；

步骤七、通过计算机11调整超声振动的电源输出功率，改变X轴超声杆16、Y轴超声杆17和Z轴超声杆10的输出振幅A，进行振幅参数扫描，由计算机11检测和记录不同振幅条件下的声谱信号，得到不同振幅条件下的总空化声压级SPL；

步骤八、由计算机11检测当SPL取得最大值SPL

步骤九、向外加热-冷却套9中注入恒温制冷剂进行循环制冷，通过控温器15监测合金温度，控制冷却速率；

步骤十、待合金冷却至室温后，从铸模7中取出，得到IN718合金。

本发明将Fe、Ni、Al、Cu、Mn、Co、Si和Ti置于下坩埚4中进行熔炼；将Cr、Nb、Mo和C置于上坩埚2中进行熔炼，将上坩埚2熔炼完成的原料浇入下坩埚4中继续熔炼，得到合金熔体。在本发明中，所述Fe、Ni、Al、Cu、Mn、Co、Si、Ti、Cr、Nb和Mo优选为纯金属块；所述C优选为C粉。

在本发明中，所述上坩埚2和下坩埚4的制备方法优选包括：将Al

在本发明中，所述上坩埚2的装料顺序优选为：先装Cr、Nb和Mo，完全熔化后再加入C；下坩埚4的装料顺序优选为：先装Ni和Fe，在Ni和Fe完全熔化后再依次装入Al、Cu、Mn、Co、Si和Ti。在本发明中，所述上坩埚2和下坩埚4分别通过高频熔炼进行加热，并通过红外测温仪进行温度检测。在本发明中，所述上坩埚2的熔炼电流优选为20A；所述下坩埚4的熔炼电流优选为23A。

在本发明中，所述三维壁振式可控超声场装置优选还包括设置在所述上坩埚2内部的上塞杆1和设置在所述下坩埚4内部的下塞杆3。在本发明中，当所述上坩埚2中熔体完全熔化且温度达到1600℃时，拔起上塞杆1将熔体浇入下坩埚4中；所述上塞杆1由电机驱动提起一定高度h，10mm

在本发明的具体实施例中，将Cr、Nb和Mo装入上坩埚2，再将Ni和Fe装入下坩埚4，采用高频熔炼上坩埚2和下坩埚4至所加原料完全熔化；通过红外测温仪对熔炼温度进行检测；再将Al、Cu、Mn、Co、Si和Ti按顺序依次加入下坩埚4中，原料全部熔化至1450℃后进行保温；将C加入上坩埚2中，加热至熔体温度为1600℃时通过拔起上塞杆1将熔体全部浇入下坩埚4中。

本发明根据所述三维壁振式可控超声场装置安装铸模及超声系统。本发明将水平面方向互相垂直的X轴反推杆8-1和Y轴反推杆8-2固定，将铸模7的外壁靠紧所述X轴反推杆8-1和Y轴反推杆8-2，再将X轴超声杆16和Y轴超声杆17压紧铸模7互相垂直的两个外壁，所述X轴超声杆16和X轴反推杆8-1相对设置；所述Y轴超声杆17和Y轴反推杆8-2相对设置；所述X轴超声杆16、Y轴超声杆17和Z轴超声杆10由气缸18驱动；将压板6安装到铸模7上方，所述压板6用作与Z轴超声杆10形成对抗力，以防止铸模7发生移动；将Z轴超声杆10顶紧铸模7的底面。

在本发明中，所述铸模7的材质优选为高温金属或陶瓷材料。在本发明中，所述高温金属在1400℃时抗拉强度高于100MPa或弯曲强度高于50MPa。在本发明中，所述高温金属优选为Nb基高温合金、Mo基高温合金、Ta基高温合金、Re基高温合金、Hf基高温合金或W基高温合金；所述陶瓷材料优选为石墨、氮化硼、碳化硅、氮化硅、氧化铝或氧化锆。在本发明中，所述铸模7为中空槽型结构，更优选为长方体中空槽型结构或内壁为明显平界面的近长方体中空槽型结构。在本发明中，所述铸模7的物理参数优选满足：2πf

在本发明中，所述X轴反推杆8-1和Y轴反推杆8-2优选由在1400℃时弹性模量不低于铸模7的金属材料制成；所述X轴反推杆8-1和Y轴反推杆8-2的形状优选为圆柱。

在本发明中，所述X轴反推杆8-1或Y轴反推杆8-2的半径r与长度l优选满足公式：2πf

在本发明中，所述压板6的材质优选为在1400℃时弹性模量不低于铸模7的耐高温合金材料，更优选为304不锈钢。在本发明中，所述压板6的中心优选设有用于浇注的开口，开口的形状与铸模7的上开口形状相同；所述压板6的开口面积优选等于或大于铸模7的上开口面积且小于铸模7的外边缘面积。在本发明中，所述压板6的边缘优选设有用于固定压板6的孔位；所述铸模7的周围优选设有用于和压板6边缘孔位相配合的固定螺柱。

在本发明中，所述压板6的固有频率f优选满足：│(f-f

本发明通过内预热块5、外加热-冷却套9和控温器15对铸模7进行预热，得到预热铸模。在本发明中，所述铸模7的内壁涂覆有氮化硼或氧化锌脱模剂。

在本发明中，所述内预热块5的形状为直四棱柱，所述内预热块5的底面边长小于铸模7的内腔底边长的5～10mm。在本发明中，所述外加热-冷却套9的形状为无顶面的五面长方体，壁厚为10mm；所述外加热-冷却套9的内腔底边长大于铸模7的外轮廓底边长的5～10mm。在本发明中，所述外加热-冷却套9的底面中心设有供超声杆通过的施振孔9-6，所述外加热-冷却套9的前、后、左、右四面分别设有供X轴反推杆8-1、Y轴反推杆8-2、X轴超声杆16和Y轴超声杆17通过的定位孔9-5。

在本发明中，所述内预热块5上设有供内电阻棒5-4插入的内加热孔5-3；所述外加热-冷却套9上设有供外电阻棒9-4插入的外加热孔9-3；所述内加热孔5-3和外加热孔9-3的深度为孔底部距离底面5～10mm。在本发明中，所述内加热孔5-3和外加热孔9-3优选为半通加热孔。

在本发明中，所述内预热块5上设有供内热电偶5-1插入的内测温孔5-2；所述外加热-冷却套9上设有供外热电偶9-1插入的外测温孔9-2；所述内测温孔5-2和外测温孔9-2的深度分别为内预热块5和外加热-冷却套9外轮廓高度的1/2。在本发明中，所述内测温孔5-2和外测温孔9-2优选为半通测温孔。

在本发明中，所述外加热-冷却套9上还设有供恒温制冷剂通过的冷却通道9-8、冷却剂进口9-7和冷却剂出口9-9；所述冷却通道9-8与外加热孔9-3和外测温孔9-2都不连通。在本发明中，所述冷却通道9-8优选环绕设置在外加热-冷却套9上。

在本发明中，所述控温器15与内预热块5上插入的内热电偶5-1和内电阻棒5-4相连接；所述控温器15与外加热-冷却套9上插入的外热电偶9-1和外电阻棒9-4相连接。

本发明在对铸模7进行预热时，内热电偶5-1和内电阻棒5-4插入内预热块5中，外热电偶9-1和外电阻棒9-4插入外加热-冷却套9中，内预热块5穿过压板6的中心开口置于铸模7内部，内预热块5的外壁面贴近于铸模7的内壁面；外加热-冷却套9套装至铸模7的外部，外加热-冷却套9的内壁面贴近于铸模7的外壁面；通过调节控温器15控制内预热块5和外加热-冷却套9的温度。在本发明中，所述铸模7的预热温度优选为900℃；预热的升温速率优选为60℃/min。

得到预热铸模后，本发明取出内预热块5，将声信号传感器14和热电偶13设于铸模7的正中央。在本发明中，所述声信号传感器14和热电偶13均与信号采集卡12电连接；所述信号采集卡12和计算机11电连接。

得到合金熔体和预热铸模后，本发明将所述合金熔体浇注至所述预热铸模中。在本发明中，当所述下坩埚4中的合金原料完全熔化后，继续加热至1400℃，保温3～5min后，拔起下塞杆3将所得合金熔体浇注至预热铸模中。在本发明中，当所述合金原料加热至1400℃时，熔体中结晶核心的数量达到峰值。在本发明中，所述浇注的时间优选为10～15min。

本发明开启X轴超声杆16、Y轴超声杆17和Z轴超声杆10的超声振动电源及信号采集卡12的开关，对所述合金熔体施加频率为17～25kHz的超声振动，并进行声谱信号和温度信息采集。在本发明中，当所述热电偶13监测到温度下降至IN718合金的液相线温度时，开启X轴超声杆16、Y轴超声杆17和Z轴超声杆10的超声振动电源，通过振动铸模7将超声导入合金熔体；当检测到温度降为Laves相完全凝固的温度时，关闭X轴超声杆16、Y轴超声杆17和Z轴超声杆10的超声振动电源。在本发明中，所述IN718合金的液相线温度优选为1350℃；所述Laves相完全凝固的温度优选为1120℃。

本发明通过计算机11调整超声振动的电源输出功率，改变X轴超声杆16、Y轴超声杆17和Z轴超声杆10的输出振幅A，进行振幅参数扫描，由计算机11检测和记录不同振幅条件下的声谱信号，得到不同振幅条件下的总空化声压级SPL。在本发明中，所述总空化声压级SPL优选由以下过程得到：①声信号传感器14测得每个采样区间的时域谱，计算机11将所述时域谱通过离散傅里叶变换处理得到频域谱；所述采样时间为0.02～0.5s，每个区间采样点数量为2×10

在本发明中，所述振幅参数扫描优选包括依次进行的一级振幅扫描和二级振幅扫描。在本发明中，所述一级振幅扫描优选包括：调节超声换能器供电电源，通过改变超声振动的电源的输出功率改变X轴超声杆16、Y轴超声杆17和Z轴超声杆10的输出振幅A，扫描参数A，扫描区间为(0,A

本发明由计算机11检测当SPL取得最大值SPL

结束超声振动后，本发明向外加热-冷却套9中注入恒温制冷剂进行循环制冷，通过控温器15监测合金温度，控制冷却速率。在本发明中，所述恒温制冷剂优选为气体或液体。在本发明中，当所述恒温制冷剂为气体时，所述恒温制冷剂优选在1120℃(冷却的起始温度)的热导率大于0.25W/m·K，沸点低于200℃(冷却的结束温度)。在本发明中，当所述恒温制冷剂为液体时，所述恒温制冷剂在1120℃的热导率大于80W/m·K，熔点低于200℃且沸点高于1120℃。在本发明中，所述恒温制冷剂不与外加热-冷却套9发生反应。在本发明中，所述恒温制冷剂优选为氮气或Pb-Bi合金。

在本发明中，所述冷却速率优选为90℃/min。

本发明待合金冷却至室温后，从铸模7中取出，得到IN718合金。

在本发明中，以质量百分比计，所述IN718合金的化学成分优选为C0.03％，Ni51.21％，Mo 3.24％，Nb 5.57％，Cr 18.70％，Al 0.67％；Ti 0.98％，Si 0.20％，Al19.4％。

本发明采用底部壁振式超声结合声场检测方法制备的IN718合金具有以下优点：一、成分均匀；二、相组成恒定；三、初生γ相的尺寸细化为处理前的20％以下；四、共晶Laves相和包晶MC相均转变为独立生长；五、同步声场检测方法为超声处理参数的选择提供了更加准确的依据，实现了以相对简单的工艺流程制备出IN718合金。

下面将结合本发明中的实施例，对本发明中的技术方案进行清楚、完整地描述。显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。

实施例1

本实施例基于三维壁振式可控超声场装置的IN718合金组织优化方法的流程示意图如图1所示。三维壁振式可控超声场装置的示意图如图2～4所示。

步骤一、首先制作上坩埚2和下坩埚4，将Al

IN718合金熔炼前，将纯金属块用砂纸打磨至表面光滑，按比例称取总重254g原料，将难熔的Cr、Nb、Mo纯金属块装入上坩埚2，再将Ni和Fe纯金属块装入下坩埚4；采用高频熔炼，上坩埚2采用20A的电流，下坩埚4采取的电流为23A，熔炼时间均为8min，两个坩埚中的原料全部熔化；再将Al、Cu、Mn、Co、Si、Ti按顺序依次加入下坩埚4，继续以23A的电流将原料全部熔化至1450℃后进行保温；将C原料加入上坩埚2，升温至熔体温度为1600℃时通过拔动上塞杆1将其全部浇入下坩埚4中。

步骤二、铸模7的内壁面均匀涂抹氮化硼脱模剂，用热风枪加热至150℃烘干，冷却至室温后安装铸模及超声系统。首先将铸模7放入外加热-冷却套9中，再将铸模7的两个相互垂直的侧壁面靠紧X轴反推杆8-1和Y轴反推杆8-2，调整X轴反推杆8-1和Y轴反推杆8-2的方向，使得两个反推杆正好通过外加热-冷却套9的定位孔9-5顶在铸模7两个外壁的正中心，通过拧紧X轴反推杆8-1和Y轴反推杆8-2上的螺丝使其固定在实验台面，再将X轴超声杆16和Y轴超声杆17通过气缸推力压紧铸模7的另外两个侧壁；然后再将压板6的孔位穿过铸模7周围的固定螺柱，以螺母安装到铸模上方，用作与Z轴超声杆10形成对抗力以防止铸模组件发生移动；最后控制气缸驱动Z轴超声杆10上移，顶紧铸模7的底面。

采用的压板6的材质为304不锈钢，开口为边长30mm的正方形，压板的固有频率为19.8kHz。铸模7的材质是弹性模量320GPa、密度10.22g/cm

步骤三、在安装好铸模7及超声振动组件后，将内预热块5穿过压板6中心的开口置于铸模7内，再将控温器15上连接的内热电偶5-1和内电阻棒5-4分别插入内预热块5的内测温孔5-2和内加热孔5-3中，将控温器15上连接的外热电偶9-1和外电阻棒9-4分别插入外加热-冷却套9的外测温孔9-2和外加热孔9-3中，开启控温器15上的测温和加热开关，设定铸模7的预热的升温速率为60℃/min，保温温度为900℃。

所述内预热块5的形状为直四棱柱，尺寸为25.9mm×25.9mm×40mm；所述外加热-冷却套9的形状为无顶面的五面长方体，内部尺寸为38.5mm×38.5mm×36mm，壁厚为10mm。且外加热-冷却套9的底面中心设有可由Z轴超声杆10通过的施振孔9-6，直径为20mm，位于底面芯部；前、后、左、右四面分别设有供X轴反推杆8-1、Y轴反推杆8-2、X轴超声杆16和Y轴超声杆17通过的定位孔9-5，定位孔9-5的直径为5mm，位于所在壁面的正中心处。所述内预热块5上设有供内电阻棒5-4插入的内加热孔5-3；所述外加热-冷却套9上设有供外电阻棒9-4插入的外加热孔9-3；所述加热孔5-3的深度为33mm，所述加热孔9-3的深度为36mm。所述内预热块5上设有供内热电偶5-1插入的内测温孔5-2；所述外加热-冷却套9上设有供外热电偶9-1插入的外测温孔9-2；所述内测温孔5-2的深度为20mm，所述外测温孔9-2的深度为23mm。

步骤四、当下坩埚4的温度为1400℃时，关闭内预热块5和外加热-冷却套9的加热电源，并将内预热块5从铸模7中取出。将声信号传感器14和热电偶13与信号采集卡12及计算机11连接，然后将声信号传感器14和热电偶13设于铸模中央。分别在有无超声振动的条件下打开信号采集卡12上声场采集的开关，测试声信号采集电路连接的正确性；关闭声场采集开关，打开温度采集电源，检测温度采集电路是否有效。

步骤五、在IN718所有原料完全混合后，采用高频加热下坩埚4至原料完全熔化，加热电流为26A，加热2min后调小电流值为20A，当温度降到1400℃时，保温3～5min后通过拔起下塞杆3将合金熔体全部浇入铸模7中。所述下塞杆3由电机驱动提起的高度为12mm。

步骤六、超声频率设定为20kHz，初始振幅为18μm。处理合金熔体时，同时开启X轴超声杆16、Y轴超声杆17和Z轴超声杆10的超声振动电源及信号采集卡12上声场和温度采集的开关，当热电偶13检测到温度为1350℃时，立刻开启X轴超声杆16、Y轴超声杆17和Z轴超声杆10的超声振动电源。

步骤七、通过处理声信号传感器14所测得的声谱信号，得到熔体中的总空化声压级SPL，流程示意图如图5。具体过程为：

步骤701：声信号传感器14测得每个采样区间的时域谱，计算机将时域谱通过离散傅里叶变换处理得到频域谱；所述采样区间为0.5s，每个区间采样点数量为10

步骤702：将所述频域谱中的线谱及杂峰谐波分量去除，得到在频率范围内连续平滑变化的连续信号谱；

步骤703：通过连续谱-声压级公式及可将每个频点的信号强度转化为声压级得到每个频点的空化声压级SPL

步骤八、通过计算机11调整X、Y、Z轴方向的超声振动输出功率，改变超声超声杆输出的振幅(A)，进行振幅参数扫描，检测和记录不同振幅条件下的总空化声压SPL并得到最佳振幅A

步骤801：一级振幅扫描：调节超声换能器供电电源，通过改变输出功率来改变超声杆输出振幅A，扫描参数A，扫描区间为(0，50μm)，步长为0.5μm，每个取值点工作0.05s；计算机记录数据点(A，SPL

步骤802：二级振幅扫描：扫描区间为(21.43μm，21.93μm)，步长为0.005μm，每个取值点工作0.025s；计算机记录数据点(A，SPL

步骤803：保持A＝21.51μm施加超声振动，直至温度降低至1120℃时结束超声。

步骤九、外加热-冷却套9上设有可供冷却气体或液体环绕通过的通道9-8、冷却剂进口9-7和冷却剂出口9-9，该冷却通道9-8与加热孔9-3和测温孔9-2都不连通。从关闭超声电源开始，向冷却通道9-8以3L/min的流量注入氮气，通过控温器15监测合金温度，控制冷却速率为90℃/min，将试样冷却至200℃。

步骤十、按照与安装时相反的顺序，即：①断开热电偶13和声信号传感器14与信号采集电路的连接；②松开压板6的螺丝卸载压板；③气动撤出X轴超声杆16、Y轴超声杆17、Z轴超声杆10；④将铸模7从外加热-冷却套9中取出；⑤从铸模7中取出已冷却的IN718合金。

本实施例制备的IN718合金以质量百分比计，化学成分为C 0.03％，Ni51.21％，Mo3.24％，Nb 5.57％，Cr 18.70％，Al 0.67％；Ti 0.98％，Si 0.20％，Al 19.4％。

图7为静态凝固和本发明超声凝固IN718合金的组织形貌对比图。图7的(a)和(c)为静态凝固的IN718合金，图7的(b)和(d)为本发明超声凝固的IN718合金。由图7可以看出，超声凝固的IN718合金组织中初生γ相的晶粒显著细化，晶粒尺寸为静态凝固时的17％；IN718合金经过超声处理后，脆性γ/Laves共晶组织消失；超声处理使得MC碳化物由静态时核壳结构转变为独立生长形态。

图8为静态凝固和本发明超声凝固IN718合金的XRD对比图谱。图8的(a)为静态凝固的IN718合金，图8的(b)为本发明超声凝固的IN718合金。由图8可以看出，超声处理后，IN718合金的相组成并未发生改变。

以上所述仅是本发明的优选实施方式，应当指出，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明原理的前提下，还可以做出若干改进和润饰，这些改进和润饰也应视为本发明的保护范围。