利用强对流超声阵列协同效应的高能束表面改性冷却系统 |
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| 申请号 | CN202310277957.X | 申请日 | 2023-03-21 | 公开(公告)号 | CN116334379A | 公开(公告)日 | 2023-06-27 |
| 申请人 | 哈尔滨工程大学; | 发明人 | 金国; 万思敏; 崔秀芳; 赵耀; 王硕; 马建军; 姜力鹏; | ||||
| 摘要 | 本 发明 提供了一种利用强 对流 超声阵列协同效应的高能束表面改性冷却系统，包括强对流超声发生系统、高能束改性系统和改性气氛保护系统，强对流超声发生系统通过下置的梯形缺口嵌合在载物平台上，内置阵列分布的流场发生装置及超声发生装置；高能束改性系统包括六轴 机械臂 、高能束发生装置、高能束传输装置、高能束改性枪头和熔池状态在线监测器；所述改性气氛保护系统包括气氛保护箱、温湿度 传感器 、空气 质量 检测仪、除尘 净化 系统、 氧 含量检测仪和密封口。本发明强对流超声阵列协同辅助高能束表面改性冷却装置耦合 冷却液 流场对流及液体超声 空泡 效应 ，可实现热敏感材料高能束改性过程中 温度 在线可控均匀化调节。 | ||||||
| 权利要求 | 1.一种利用强对流超声阵列协同效应的高能束表面改性冷却系统，其特征在于，包括强对流超声发生系统(40)、高能束改性系统和改性气氛保护系统；所述强对流超声发生系统(40)通过下方设置的梯形缺口(42)与载物平台(10)上设置的梯台(11)进行嵌合；改性气氛保护系统包括气氛保护箱(1)、温湿度传感器(2)、空气质量检测仪(3)、除尘净化系统(4)、氧含量检测仪(5)和密封口(6)，在气氛保护箱(1)上设置密封口(6)通过软管(16)与氩气瓶(12)和冷却液箱(30)相连，温湿度传感器(2)、空气质量检测仪(3)、除尘净化系统(4)和氧含量检测仪(5)通过数据传输线(15)与控制系统(14)连接； |
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| 说明书全文 | 利用强对流超声阵列协同效应的高能束表面改性冷却系统技术领域[0001] 本发明属于高能束表面改性技术领域，具体为一种利用强对流超声阵列协同效应的高能束表面改性冷却系统。 背景技术[0002] 随着我国在二代导航、高分辨率对地观测、深空探测和载人航天等一系列航天重大科技工程中取得突破性进展，为满足愈发复杂严苛的空间作业任务，一系列新型探测器、新的运载平台等得到研制和开发，对航天材料表面耐氧化、耐磨、耐蚀等性能提出了苛刻的多元化需求。 [0003] 高能束表面强化技术，作为一种较为新型的表面强化技术，因其具有热影响区小、非接触式加热、环保、冶金结合力强、工艺可控性强等优点，在提升航天材料表面性能，实现航空发动机叶片、陀螺仪底座等关键装备的长时、安全运行方面具有广阔的发展前景。然而，高能束表面改性技术在处理航天金属薄壁结构与低熔点合金(铝合金、镁合金等)时，易因基材热集中导致基体变形、稀释、烧损等问题，材料改性效率和质量受到影响，极大的限制了高能束表面改性技术在航天领域的发展。 [0004] 目前，针对高能束表面改性过程中基体热量集中不易散溢的问题，主要的解决方式有改性路径规划、外场辅助调节以及基材温度调控等。其中，基材温度调控方法有气体冷却、自然冷却和水冷板冷却三种，但上述三种冷却方式存在冷却效率低、均匀性差、无法实现对冷却速率在线调整等问题，难以实现基材在改性过程中自身状态的长时稳定，造成改性层状态不一、缺陷大等问题，严重影响了关键部件服役安全性。因此，亟需设计一种冷却效率高、均匀性强、可实现基材温度在线监测的新型高能束表面改性辅助能量调控装置以促进高能束表面改性技术的发展，实现改性层的高质量低形变成型，进一步推进航天材料加工热控制领域的发展。 发明内容[0005] 本发明的目的是为了解决航天金属薄壁结构与低熔点合金材料与高能束表面改性工艺能量匹配差异大的研究难点，而提供一种利用强对流超声阵列协同效应的高能束表面改性冷却系统。 [0006] 本发明利用强对流超声阵列协同效应的高能束表面改性冷却系统包括强对流超声发生系统、高能束改性系统和改性气氛保护系统。所述强对流超声发生系统通过下方设置的梯形缺口与载物平台上设置的梯台进行嵌合；改性气氛保护系统包括气氛保护箱、温湿度传感器、空气质量检测仪、除尘净化系统、氧含量检测仪和密封口，在气氛保护箱上设置密封口通过软管与氩气瓶和冷却液箱相连，温湿度传感器、空气质量检测仪、除尘净化系统和氧含量检测仪通过数据传输线与控制系统连接； [0007] 强对流超声发生系统包括铜制工作台、流场发生装置、超声发生装置、冷却液管口、冷却液和超声振动平台，铜制工作台框架四周及底部分别设置有两个流场发生装置，四个超声发生装置被安装在铜制工作台框架四周，冷却液和超声振动平台置于铜制工作台内，铜制工作台四周各设置了两个冷却液管口，通过软管与冷却液箱相连来调节铜制工作台内冷却液水位高度； [0008] 超声振动平台包括样品载物平台、真空吸附装置、超声辅助装置、液压升降装置、底盘、待改性工件和工件温度传感器，待改性工件通过真空吸附装置被固定在样品载物平台上，样品载物平台可通过液压升降装置调节平台高度； [0009] 所述高能束表面改性系统包括六轴机械臂、高能束发生装置、高能束传输装置、高能束改性枪头和熔池状态在线监测器，高能束改性枪头通过高能束传输装置与高能束发生装置相连，六轴机械臂、熔池状态在线监测器和高能束发生装置通过数据传输线与控制系统连接，高能束改性枪头和熔池状态在线监测器安装在六轴机械臂上，置于待改性工件上方。 [0010] 样品载物平台上的真空吸附装置呈矩形阵列排列； [0011] 在四个超声发生装置置于铜制工作台四周分布的两冷却液管口之间，四个超声辅助装置置于样品载物平台四角下方； [0012] 四个工件温度传感器置于待改性工件四角上方，熔池状态在线监测器固定在六轴机械臂上； [0013] 超声发生装置和超声辅助装置的加载频率分别为20‑40kHz和20‑80kHz。 [0014] 本发明利用强对流超声阵列协同效应的高能束表面改性冷却系统包括强对流超声发生系统、高能束改性系统和改性气氛保护系统。所述强对流超声发生系统通过下方设置的梯形缺口与载物平台上设置的梯台进行嵌合；改性气氛保护系统包括气氛保护箱、温湿度传感器、空气质量检测仪、除尘净化系统、氧含量检测仪和密封口，在气氛保护箱上设置密封口通过软管与氩气瓶和冷却液箱相连，温湿度传感器、空气质量检测仪、除尘净化系统和氧含量检测仪通过数据传输线与控制系统连接。 [0015] 与现有技术相比，本发明的有益效果是： [0016] 本发明适用于航天金属薄壁结构与低熔点合金材料的一种利用强对流超声阵列协同效应的高能束表面改性冷却系统主要包括强对流超声发生系统、高能束改性系统和改性气氛保护系统；创新性的从高能束改性金属薄壁结构与低熔点合金材料辅助能量调控方面入手，耦合冷却液流场对流及液体超声空泡效应，实现热敏感基材温度可控均匀化调节，提高冷却效率。同时，利用工件温度传感器、熔池状态在线监测器与控制系统实现对强对流超声发生系统各项参数的智能控制，实现改性过程中高能束能量输入及基材能量散溢动态匹配，为高能束改性工艺创造出最佳冷却环境，解决航天金属薄壁结构与低熔点合金材料表面高能束改性层成形困难的问题。附图说明 [0017] 图1为本发明利用强对流超声阵列协同效应的高能束表面改性冷却系统的整体结构示意图； [0018] 图2为强对流超声发生系统结构示意图； [0019] 图3为超声振动平台结构示意图； [0020] 图中：1‑气氛保护箱，2‑温湿度传感器，3‑空气质量检测仪，4‑除尘净化系统，5‑氧含量检测仪，6‑密封口，7‑六轴机械臂，8‑高能束改性枪头，9‑熔池状态在线监测器，10‑载物平台，11‑梯台，12‑氩气瓶，13‑高能束发生装置，14‑控制系统，15‑数据传输线，16‑软管，17‑高能束传输装置，30‑冷却液箱，31‑冷却液，32‑冷却装置，33‑水泵，34‑加热装置，40‑强对流超声发生系统，41‑铜制工作台，42‑梯形缺口，43‑流场发生装置，44‑超声发生装置， 45‑冷却液管口，50‑超声振动平台，51‑样品载物平台，52‑真空吸附装置，53‑超声辅助装置，54‑液压升降装置，55‑底盘，56‑待改性工件，57‑工件温度传感器，58‑改性层。 具体实施方式[0021] 具体实施方式一：本实施方式利用强对流超声阵列协同效应的高能束表面改性冷却系统包括强对流超声发生系统40、高能束改性系统和改性气氛保护系统。所述强对流超声发生系统40通过下方设置的梯形缺口42与载物平台10上设置的梯台11进行嵌合；改性气氛保护系统包括气氛保护箱1、温湿度传感器2、空气质量检测仪3、除尘净化系统4、氧含量检测仪5和密封口6，在气氛保护箱1上设置密封口6通过软管16与氩气瓶12和冷却液箱30相连，温湿度传感器2、空气质量检测仪3、除尘净化系统4和氧含量检测仪5通过数据传输线15与控制系统14连接； [0022] 强对流超声发生系统40包括铜制工作台41、流场发生装置43、超声发生装置44、冷却液管口45、冷却液31和超声振动平台50，铜制工作台41框架四周及底部分别设置有两个流场发生装置43，四个超声发生装置44被安装在铜制工作台41框架四周，冷却液31和超声振动平台50置于铜制工作台41内，铜制工作台41四周各设置了两个冷却液管口45，通过软管16与冷却液箱30相连来调节铜制工作台41内冷却液31水位高度； [0023] 超声振动平台50包括样品载物平台51、真空吸附装置52、超声辅助装置53、液压升降装置54、底盘55、待改性工件56和工件温度传感器57，待改性工件56通过真空吸附装置52被固定在样品载物平台51上，样品载物平台51可通过液压升降装置54调节平台高度； [0024] 所述高能束表面改性系统包括六轴机械臂7、高能束发生装置13、高能束传输装置17、高能束改性枪头8和熔池状态在线监测器9，高能束改性枪头8通过高能束传输装置17与高能束发生装置13相连，六轴机械臂7、熔池状态在线监测器9和高能束发生装置13通过数据传输线15与控制系统14连接，高能束改性枪头8和熔池状态在线监测器9安装在六轴机械臂7上，置于待改性工件56上方。 [0025] 本实施方案通过熔池状态在线监测器9与工件温度传感器57的协同作用，实现对改性过程中待改性工件56状态的实时检测，依靠数据传输线15与控制系统14连接，完成对强对流超声发生系统40各参数的智能调控，本发明设计灵活，能够高效可控调节高能束改性过程中待改性工件56温度，解决航天金属薄壁结构与低熔点合金材料表面高能束改性层成形困难的问题。 [0026] 具体实施方式二：本实施方案与具体实施方案一不同的是样品载物平台51上的真空吸附装置52呈矩形阵列排列。 [0027] 具体实施方式三：本实施方案与具体实施方案一或二不同的是四个超声发生装置44置于铜制工作台41四周分布的两冷却液管口45之间，四个超声辅助装置53置于样品载物平台51四角下方。 [0028] 具体实施方式四：本实施方案与具体实施方案一或三之一不同的是四个工件温度传感器57置于待改性工件56四角上方，熔池状态在线监测器9固定在六轴机械臂7上。 [0029] 具体实施方式五：本实施方案与具体实施方案一或四之一不同的是超声发生装置44和超声辅助装置53的加载频率分别为20‑40kHz和20‑80kHz。 [0030] 实施例：本实施例利用强对流超声阵列协同效应的高能束表面改性冷却系统包括强对流超声发生系统40、高能束改性系统和改性气氛保护系统。所述强对流超声发生系统40通过下方设置的梯形缺口42与载物平台10上设置的梯台11进行嵌合；改性气氛保护系统包括气氛保护箱1、温湿度传感器2、空气质量检测仪3、除尘净化系统4、氧含量检测仪5和密封口6，在气氛保护箱1上设置密封口6通过软管16与氩气瓶12和冷却液箱30相连，温湿度传感器2、空气质量检测仪3、除尘净化系统4和氧含量检测仪5通过数据传输线15与控制系统 14连接； [0031] 强对流超声发生系统40包括铜制工作台41、流场发生装置43、超声发生装置44、冷却液管口45、冷却液31和超声振动平台50，铜制工作台41框架四周及底部分别设置有两个流场发生装置43，四个超声发生装置44被安装在铜制工作台41框架四周，冷却液31和超声振动平台50置于铜制工作台41内，铜制工作台41四周各设置了两个冷却液管口45，通过软管16与冷却液箱30相连来调节铜制工作台41内冷却液31水位高度； [0032] 超声振动平台50包括样品载物平台51、真空吸附装置52、超声辅助装置53、液压升降装置54、底盘55、待改性工件56和工件温度传感器57，待改性工件56通过真空吸附装置52被固定在样品载物平台51上，样品载物平台51可通过液压升降装置54调节平台高度； [0033] 所述高能束表面改性系统包括六轴机械臂7、高能束发生装置13、高能束传输装置17、高能束改性枪头8和熔池状态在线监测器9，高能束改性枪头8通过高能束传输装置17与高能束发生装置13相连，六轴机械臂7、熔池状态在线监测器9和高能束发生装置13通过数据传输线15与控制系统14连接，高能束改性枪头8和熔池状态在线监测器9安装在六轴机械臂7上，置于待改性工件56上方。 [0034] 本实施例中改性气氛保护系统通过内置的温湿度传感器2、空气质量检测仪3、除尘净化系统4和氧含量检测仪5将气氛保护箱1内温度控制在25℃±5℃，空气湿度控制在40％‑60％，氧气含量控制在100ppm以内。 [0035] 本实施例中熔池状态在线监测器9与高能束改性枪头8被同时固定在六轴机械臂7上做到同步同位运动，熔池状态在线监测器9与工件温度传感器57分别通过不同数据传输线15与控制系统14连接组成一个独立的镁锂合金基材状态监测模块。 [0036] 本实施例中，镁锂合金基材的尺寸为200×100×10mm，超声振动平台50的可升降高度为5‑20cm，强对流超声发生系统40内冷却液液面高度为0‑15cm，高能束改性时镁锂合金基材温度可在‑196‑200℃之间调节，超声发生装置44和超声辅助装置53的加载频率分别为20‑40kHz和20‑80kHz，高能束改性功率、扫描速度和枪头距离分别为1500W、25mm/s和6cm。 [0037] 综上所述，一种利用强对流超声阵列协同效应的高能束表面改性冷却系统，本发明属于高能束表面改性技术领域，为解决航天金属薄壁结构与低熔点合金材料高能束表面改性能量调控难度大、热物匹配性差的问题而设计。本发明提供了一种利用强对流超声阵列协同效应的高能束表面改性冷却系统，包括强对流超声发生系统、高能束改性系统和改性气氛保护系统，强对流超声发生系统通过下置的梯形缺口嵌合在载物平台上，内置阵列分布的流场发生装置及超声发生装置；高能束改性系统包括六轴机械臂、高能束发生装置、高能束传输装置、高能束改性枪头和熔池状态在线监测器；所述改性气氛保护系统包括气氛保护箱、温湿度传感器、空气质量检测仪、除尘净化系统、氧含量检测仪和密封口。本发明强对流超声阵列协同辅助高能束表面改性冷却装置耦合冷却液流场对流及液体超声空泡效应，可实现热敏感材料高能束改性过程中温度在线可控均匀化调节。 |
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