具有集成的氣體遞送系統(tǒng)的超聲裝置制造方法
【專利摘要】本發(fā)明公開了用于脫氣和用于從熔融金屬移除雜質(zhì)的方法。這些方法可以包括在熔融金屬浴中運行超聲裝置，以及將吹掃氣體通過所述超聲裝置的尖部加入至所述熔融金屬浴中。
【專利說明】具有集成的氣體遞送系統(tǒng)的超聲裝置
[0001]對相關(guān)申請的引用
[0002]本申請作為PCT國際專利申請在2012年10月10日提交，并且要求在2011年10月11日提交的美國專利申請?zhí)?3/270,401的優(yōu)先權(quán)，所述申請的內(nèi)容通過引用完整地結(jié)合于此。
[0003]版權(quán)
[0004]本文所包括的材料中的所有權(quán)利，包括版權(quán)，歸屬于 申請人:并且為 申請人:的財產(chǎn)。 申請人:保留并保有本文所包括的材料的所有權(quán)利，并且僅許可連同授權(quán)的專利副本一起復(fù)制該材料，并且不能用于其他用途。
【背景技術(shù)】
[0005]特定金屬制品的加工和澆鑄可以需要含有熔融金屬的浴(bath)，并且依賴于具體的金屬，該熔融金屬的浴可以保持在700°C至1200°C的范圍內(nèi)或更高的溫度。許多設(shè)備或裝置可以在用于所需金屬制品的制造或澆鑄的熔融金屬浴中使用。需要這些設(shè)備或裝置更好地耐受在熔融金屬浴中遇到的升高的溫度，有益地具有更長的壽命并且被限制為與特定的熔融金屬無反應(yīng)性。
[0006]此外，熔融金屬可以具有溶解在其中的一種或多種氣體和/或存在于其中的雜質(zhì)，并且這些氣體和/或雜質(zhì)可以不利地影響所需金屬制品的最終制造和澆鑄，和/或從而得到的金屬制品自身的物理性質(zhì)。減少存在于熔融金屬浴中的溶解的氣體或雜質(zhì)的量的嘗試還未完全成功。因此，需要改進(jìn)的方法以將氣體和/或雜質(zhì)從熔融金屬移除。
[0007]概述
[0008]提供該概述從而以簡化形式介紹選出的概念，其在下面在詳述中進(jìn)一步描述。該概述不意圖識別所要求保護(hù)的主題的必需的或必要的特征。該概述也不預(yù)期用于限制所要求保護(hù)的主題的范圍。
[0009]本發(fā)明針對用于減少在熔融金屬浴中的溶解的氣體(和/或各種雜質(zhì))的量的方法(例如，超聲脫氣)。在一個實施方案中，該方法可以包括在熔融金屬浴中運行超聲裝置，并且將吹掃氣體引入至緊鄰超聲裝置的熔融金屬浴中。例如，溶解的氣體可以包括氫，熔融金屬浴可以包括鋁或銅(包括其合金)，并且吹掃氣體可以包含氬和/或氮。可以將吹掃氣體在約50cm(或25cm,或15cm,或5cm,或2cm)內(nèi)，或通過超聲裝置的尖部加入至熔融金屬浴中?？梢詫⒋祾邭怏w以每kg/小時的來自熔融金屬浴的輸出在約0.1至約150L/分鐘的范圍內(nèi)，或另外地或備選地，在約10至約500mL/小時的范圍內(nèi)的吹掃氣體的速率加入或引入至熔融金屬浴中。
[0010]本發(fā)明還公開了超聲裝置，并且這些超聲裝置可以在許多不同的應(yīng)用中使用，包括超聲脫氣和晶粒細(xì)化。作為實例，超聲裝置可以包括超聲換能器；連接至超聲換能器的探頭，所述探頭包括尖部；以及氣體遞送系統(tǒng)，所述氣體遞送系統(tǒng)包括氣體入口、通過探頭的氣流通道，和位于探頭尖部處的氣體出口。在一個實施方案中，探頭可以是伸長的探頭，所述伸長的探頭包括第一端和第二端，第一端連接至超聲換能器并且第二端包括尖部。此外，探頭可以包含不銹鋼、鈦、鈮、陶瓷等，或任何這些材料的組合。在另一個實施方案中，超聲探頭可以是具有通過其的集成氣體遞送系統(tǒng)的單一賽隆(Sialon)探頭。在另一個實施方案中，超聲裝置可以包括多個探頭組件和/或每個超聲換能器多個探頭。
[0011]上述概述和以下詳述都提供實例并且僅是示例性的。因此，上述概述和以下詳述不應(yīng)被認(rèn)為是限制性的。此外，除了本文中所述那些以外還可以提供多個特征或變化。例如，特定實施方案可以針對詳述中描述的多個特征組合和子組合。
[0012]附圖簡述
[0013]結(jié)合在本公開中并構(gòu)成其一部分的附圖示例本發(fā)明的多個實施方案。在附圖中:
[0014]圖1顯示本發(fā)明的一個實施方案中的超聲裝置的部分截面圖。
[0015]圖2顯示本發(fā)明的另一個實施方案中的超聲裝置的部分截面圖。
[0016]圖3顯示本發(fā)明的另一個實施方案中的超聲裝置的部分截面圖。
[0017]圖4顯示本發(fā)明的另一個實施方案中的超聲裝置的部分截面圖。
[0018]圖5是示例與鋁的理論密度比較實施例1-4中的每一個的密度的百分比差異的柱狀圖。
[0019]圖6是示例實施例1-4中的每一個的以ppm計的氫含量的柱狀圖。
[0020]圖7是實施例5-8的氫濃度作為時間的函數(shù)的曲線圖。
[0021]詳述
[0022]以下詳述參考附圖。在可能的情況下，在附圖和以下描述中使用相同或類似的標(biāo)號來指代相同或類似的元件。雖然可以描述本發(fā)明的實施方案，但是改進(jìn)、調(diào)整和其他執(zhí)行是可能的。例如，可以對附圖中示例的元件進(jìn)行置換，加入，或修改，并且本文所述的方法可以通過置換，重排，或向已公開的方法增加階段來改變。因此，以下詳述不限制本發(fā)明的范圍。
[0023]術(shù)語“一個(a) ”、“一種(an) ”和“所述(the) ”預(yù)期包括復(fù)數(shù)個備選，例如，至少一個。例如，除非另外說明，“一個超聲裝置”、“一個伸長的探頭”、“一個吹掃氣體”等意在包括以下各項中的一個或超過一個的組合:超聲裝置(例如，一個或兩個或更多個超聲裝置)、伸長的探頭(例如，一個或兩個或更多個伸長的探頭)、吹掃氣體(例如，一種或兩種或更多種吹掃氣體)等。
[0024]本文提及的所有出版物和專利通過引用用于描述和公開的目的結(jié)合于此，例如，所述出版物中描述的可以與本發(fā)明一起使用的結(jié)構(gòu)和方法。提供貫穿本文討論的出版物僅是用于它們早于本申請的遞交日的公開。本文中沒有任何內(nèi)容解釋為承認(rèn)發(fā)明人沒有資格通過在先發(fā)明的方式而早于這些公開。
[0025] 申請人:在本發(fā)明中公開了數(shù)種類型的范圍。當(dāng) 申請人:公開或要求保護(hù)任何類型的范圍時， 申請人:的意圖是單獨地公開或要求保護(hù)這樣的范圍可以合理涵蓋的每個可能的數(shù)字，包括范圍的端點以及其中涵蓋的任何子范圍和子范圍的組合。例如，在本發(fā)明的實施方案中，可以將吹掃氣體以約I至約50L/分鐘的范圍內(nèi)的速率加入至熔融金屬浴。通過公開流速在約I至約50L/分鐘的范圍內(nèi)， 申請人:意在列舉流速可以是約1、約2、約3、約4、約5、約6、約7、約8、約9、約10、約11、約12、約13、約14、約15、約16、約17、約18、約19、約20、約21、約22、約23、約24、約25、約26、約27、約28、約29、約30、約31、約32、約33、約34、約35、約36、約37、約38、約39、約40、約41、約42、約43、約44、約45、約46、約47、約48、約49或約50L/分鐘。另外，流速可以在約I至約50L/分鐘的任何范圍內(nèi)(例如，速率在約2至約20L/分鐘的范圍內(nèi))，并且這還包括約I至約50L/分鐘之間之間的范圍的任何組合。同樣，本文公開的所有其他范圍應(yīng)當(dāng)以類似方式解釋。
[0026]本發(fā)明的實施方案可以提供用于熔融金屬的超聲脫氣的系統(tǒng)、方法和/或裝置。這種熔融金屬可以包括，但不限于，鋁、銅、鋼、鋅、鎂等，或這些及其他金屬的組合(例如，合金)。因此，本發(fā)明不限于任何具體的金屬或金屬合金。制品由熔融金屬的加工或澆鑄可以需要含有熔融金屬的浴，并且該熔融金屬的浴可以保持在升高的溫度。例如，熔融銅可以保持在約1100°c的溫度，而熔融鋁可以保持在約750°C的溫度。
[0027]如本文所使用的，術(shù)語“浴”、“熔融金屬浴”等意在包括可以容納熔融金屬的任何容器，包括器皿、坩堝、料槽、流動槽、熔爐、鑄桶等。術(shù)語浴和熔融金屬浴用于涵蓋浴，連續(xù)的、半連續(xù)的等的操作以及，例如，其中熔融金屬通常是靜態(tài)的(例如，通常結(jié)合坩堝)以及其中熔融金屬通常是運動的(例如，通常結(jié)合流動槽)。
[0028]許多設(shè)備或裝置可以用于監(jiān)測，測試，或改變浴中的熔融金屬的條件，以及用于所需金屬制品的最終制造和澆鑄。需要這些設(shè)備或裝置以更好地耐受熔融金屬浴中遇到的升高的溫度，有利地具有更長的壽命并限制為與熔融金屬是非反應(yīng)性的，不論金屬是(或金屬包含)鋁，或是銅，或是鋼，或是鋅，或是鎂等。
[0029]此外，熔融金屬可以具有溶解在其中的一種或多種氣體，并且這些氣體可以不利地影響所需的金屬制品的最終制造和澆鑄，和/或所獲得的金屬制品自身的物理性質(zhì)。例如，溶解在熔融金屬中的氣體可以包含氫、氧、氮、二氧化硫等，或其組合。在一些情況中，有利的可以是移除氣體，或減少熔融金屬中氣體的量。作為實例，溶解的氫在鋁(或銅，或其他金屬或合金)的澆鑄中可能是有害的，并且因此，由鋁(或銅，或其他金屬或合金)制備的完成的制品的性質(zhì)可以通過減小在鋁(或銅，或其他金屬或合金)的熔融浴中帶入的氫的量而改善?；谫|(zhì)量，超過0.2ppm,超過0.3ppm,或超過0.5ppm的溶解的氫對于所得的鋁(或銅，或其他金屬或合金)棒和其他制品的澆鑄速率和品質(zhì)可能具有有害的影響。氫可以通過其在含有熔融鋁(或銅，或其他金屬或合金)的浴上方的氣氛中的存在而進(jìn)入熔融鋁(或銅，或其他金屬或合金)浴，或其可以在熔融鋁(或銅，或其他金屬或合金)浴中使用的鋁(或銅，或其他金屬或合金)給料原料中存在。
[0030]減小在熔融金屬浴中的溶解的氣體的量的嘗試未完全成功。通常，這些方法包括附加的和昂貴的設(shè)備以及有潛在危險的材料。例如，在金屬澆鑄工業(yè)中使用以減小熔融金屬的溶解的氣體含量的方法可以由如石墨的材料制成的轉(zhuǎn)子組成，并且可以將這些轉(zhuǎn)子放置在熔融金屬浴內(nèi)。可以將氯氣在鄰近熔融金屬浴內(nèi)的轉(zhuǎn)子的位置處另外地加入至熔融金屬浴。貫穿本文，該方法將被稱為"常規(guī)"方法，并且在工業(yè)中通常被稱為旋轉(zhuǎn)氣體吹掃。雖然常規(guī)方法在某些情況下可以成功地減少，例如，熔融金屬浴中的溶解的氫的量，但該常規(guī)方法具有顯著的缺點，至少其成本高，復(fù)雜，以及潛在危險并潛在環(huán)境有害的氯氣的使用。
[0031]另外地，熔融金屬可以具有在其中存在的雜質(zhì)，并且這些雜質(zhì)可以不利地影響所需的金屬制品的最終制造和澆鑄，和/或所獲得的金屬制品自身的物理性質(zhì)。例如，熔融金屬中的雜質(zhì)可以包括在熔融金屬中不需要也不希望存在的堿金屬或其他金屬。本領(lǐng)域技術(shù)人員將認(rèn)識到，小百分比的特定金屬存在于多種金屬合金中，并且這樣的金屬將不被認(rèn)為是雜質(zhì)。作為非限制性實例，雜質(zhì)可以包括鋰、鈉、鉀、鉛等，或其組合。各種雜質(zhì)可以通過它們在熔融金屬浴中使用的引入金屬給料原料中的存在進(jìn)入熔融金屬浴(鋁、銅，或其他金屬或合金)。
[0032]本發(fā)明的實施方案可以提供用于減小熔融金屬浴中的溶解的氣體的量的方法，或者換言之，用于將熔融金屬脫氣的方法。一個這樣的方法可以包括在熔融金屬浴中運行超聲裝置，并且將吹掃氣體引入至緊鄰超聲裝置處的熔融金屬浴中。溶解的氣體可以是或可以包括氧、氫、二氧化硫等，或其組合。例如，溶解的氣體可以是或可以包括氫。熔融金屬浴可以包含鋁、銅、鋅、鋼、鎂等，或其混合物和/或組合(例如，包括鋁、銅、鋅、鋼、鎂等的多種合金)。在一些實施方案中，熔融金屬浴可以包含鋁，而在其他實施方案中，熔融金屬浴可以包含銅。因此，浴中的熔融金屬可以是鋁或，備選地，熔融金屬可以是銅。
[0033]此外，本發(fā)明的實施方案可以提供用于減少熔融金屬浴中存在的雜質(zhì)的量的方法，或換言之，用于移除雜質(zhì)的方法。一種這樣的方法可以包括在熔融金屬浴中運行超聲裝置，并且將吹掃氣體引入至緊鄰超聲裝置的熔融金屬浴中。雜質(zhì)可以是或可以包含鋰、鈉、鉀、鉛等，或其組合。例如，雜質(zhì)可以是或可以包含鋰或，備選地，鈉。熔融金屬浴可以包含鋁、銅、鋅、鋼、鎂等，或其混合物和/或組合(例如，包括鋁、銅、鋅、鋼、鎂等的多種合金)。在一些實施方案中，熔融金屬浴可以包含鋁，而在其他實施方案中，熔融金屬浴可以包含銅。因此，浴中的熔融金屬可以是鋁或，備選地，熔融金屬可以是銅。
[0034]在本文公開的脫氣的方法和/或移除雜質(zhì)的方法中采用的吹掃氣體可以包含氮、氦、氖、氬、氪和/或氙中的一種或多種，但是不限于此。預(yù)期的是，任何合適的氣體可以用作吹掃氣體，前提是該氣體不明顯地與熔融金屬浴中的一種或多種特定金屬反應(yīng)或溶解在其中。另外地，可以采用氣體的混合物或組合。根據(jù)本文公開的一些實施方案，吹掃氣體可以是或可以包含惰性氣體；備選地，吹掃氣體可以是或可以包含稀有氣體；備選地，吹掃氣體可以是或可以包含氦、氖、氬，或其組合；備選地，吹掃氣體可以是或可以包括氦；備選地，吹掃氣體可以是或可以包括氖；或備選地，吹掃氣體可以是或可以包括氬。另外地， 申請人:預(yù)期，在一些實施方案中，常規(guī)脫氣技術(shù)可以與本文公開的超聲脫氣方法一起使用。因此，在一些實施方案中，吹掃氣體還可以包括氯氣，如將氯氣單獨地或與氮、氦、氖、氬、氪和/或氙中的至少一種組合地作為吹掃氣體使用。
[0035]然而，在本發(fā)明的其他實施方案中，用于脫氣或用于減少熔融金屬浴中的溶解的氣體的量的方法可以在基本上不存在氯氣，或不存在氯氣的情況下進(jìn)行。如本文所使用的，基本上不存在是指基于所用的吹掃氣體的量可以使用不超過按重量計5%氯氣。在一些實施方案中，本文公開的方法可以包括引入吹掃氣體，并且該吹掃氣體可以選自由以下各項組成的組:氮、氦、氖、氬、氪、氙，以及它們的組合。
[0036]引入至熔融金屬浴中的吹掃氣體的量可以依賴多種因素而改變。通常，根據(jù)本發(fā)明的實施方案，在將熔融金屬脫氣的方法中(和/或在用于從熔融金屬移除雜質(zhì)的方法中)引入的吹掃氣體的量可以落在約0.1至約150標(biāo)準(zhǔn)升/分鐘(L/分鐘)的范圍內(nèi)。在一些實施方案中，引入的吹掃氣體的量可以在約0.5至約100L/分鐘，約I至約100L/分鐘，約I至約50L/分鐘，約I至約35L/分鐘，約I至約25L/分鐘，約I至約IOL/分鐘，約1.5至約20L/分鐘，約2至約15L/分鐘，或約2至約IOL/分鐘的范圍內(nèi)。這些體積流速以標(biāo)準(zhǔn)升/分鐘為單位，即，在標(biāo)準(zhǔn)溫度(21.10C )和壓力(IOlkPa)。[0037]在連續(xù)或半連續(xù)熔融金屬操作中，引入至熔融金屬浴中的吹掃氣體的量可以基于熔融金屬輸出或生產(chǎn)率而改變。因此，根據(jù)這樣的實施方案，在將熔融金屬脫氣的方法中(和/或在從熔融金屬移除雜質(zhì)的方法中)引入的吹掃氣體的量可以落在每kg/小時的熔融金屬約10至約500mL/小時的吹掃氣體(mL吹掃氣體/kg熔融金屬)的范圍內(nèi)。在一些實施方案中，吹掃氣體的體積流速與熔融金屬的輸出速率的比例可以在約10至約400mL/kg的范圍內(nèi)；備選地,約15至約300mL/kg ;備選地,約20至約250mL/kg ;備選地,約30至約200mL/kg ;備選地,約40至約150mL/kg ;或備選地,約50至約125mL/kg。如上，吹掃氣體的體積流速是在標(biāo)準(zhǔn)溫度(21.10C )和壓力(IOlkPa)。
[0038]按照本發(fā)明的實施方案的用于將熔融金屬脫氣的方法可以有效地將存在于熔融金屬浴中的大于約10重量百分?jǐn)?shù)的溶解的氣體移除，S卩，熔融金屬浴中的溶解的氣體的量可以從采用脫氣方法之前存在的溶解的氣體的量下降大于約10重量百分?jǐn)?shù)。在一些實施方案中，所存在的溶解的氣體的量可以從采用脫氣方法之前存在的溶解的氣體的量下降大于約15重量百分?jǐn)?shù)，大于約20重量百分?jǐn)?shù)，大于約25重量百分?jǐn)?shù)，大于約35重量百分?jǐn)?shù)，大于約50重量百分?jǐn)?shù)，大于約75重量百分?jǐn)?shù)，或大于約80重量百分?jǐn)?shù)。例如，如果溶解的氣體是氫，含有招或銅的熔融浴中大于約0.3ppm或0.4ppm或0.5ppm(基于質(zhì)量)的氫的水平可以是有害的，并且通常，熔融金屬中的氫含量可以是約0.4ppm,約0.5ppm,約0.6ppm,約 0.7ppm,約 0.8ppm,約 0.9ppm,約 Ippm,約 1.5ppm,約 2ppm,或大于 2ppm。預(yù)期的是，采用本發(fā)明的實施方案中公開的方法可以將熔融金屬浴中的溶解的氣體的量減小至小于約0.4ppm ;備選地,減小至小于約0.3ppm ;備選地,減小至小于約0.2ppm ;備選地,減小至約0.1至約0.4ppm的范圍內(nèi)；備選地，減小至約0.1至約0.3ppm的范圍內(nèi)；或者備選地，減小至約0.2至約0.3ppm的范圍內(nèi)。在這些和其他實施方案中，溶解的氣體可以是或可以包括氫，并且熔融金屬浴可以是或可以包含鋁和/或銅。
[0039]針對脫氣的方法(例如，減少在包含熔融金屬的浴中的溶解的氣體的量)或移除雜質(zhì)的方法的本發(fā)明的實施方案可以包括在熔融金屬浴中運行超聲裝置。超聲裝置可以包括超聲換能器和伸長的探頭，并且探頭可以包括第一端和第二端。第一端可以連接至超聲換能器，并且第二端可以包括尖部，并且伸長的探頭的尖部可以包含鈮。下面將進(jìn)一步討論可以在本文公開的工藝和方法中采用的超聲裝置的示例性和非限制性實例的細(xì)節(jié)。當(dāng)屬于超聲脫氣方法或用于移除雜質(zhì)的方法時，可以將吹掃氣體引入至熔融金屬浴中，例如，在鄰近超聲裝置的位置處。通常，可以將吹掃氣體在鄰近超聲裝置的尖部的位置處引入至熔融金屬浴中。預(yù)期的是，可以將吹掃氣體在超聲裝置的尖部約I米內(nèi)，如，例如，在超聲裝置的尖部的約IOOcm內(nèi)，約50cm內(nèi)，約40cm內(nèi)，約30cm內(nèi)，約25cm內(nèi)，或約20cm內(nèi))引入至的熔融金屬浴中。在一些實施方案中，可以將吹掃氣體在超聲裝置的尖部的約15cm內(nèi)引入至熔融金屬浴中；備選地，在約IOcm內(nèi)；備選地，在約8cm內(nèi)；備選地，在約5cm內(nèi)；備選地，在約3cm內(nèi)；備選地，在約2cm內(nèi)；或備選地，在約Icm內(nèi)。在特別的實施方案中，可以將吹掃氣體在鄰近超聲裝置的尖部處或通過超聲裝置的尖部引入至熔融金屬浴中。
[0040]雖然不希望通過該理論限制， 申請人:相信在超聲裝置的使用與吹掃氣體在緊鄰處的結(jié)合之間可以存在協(xié)同效應(yīng)，這導(dǎo)致在含有熔融金屬的浴中的溶解的氣體的量上的顯著下降。 申請人:相信由超聲裝置產(chǎn)生的超聲能可以在熔體中產(chǎn)生氣穴氣泡，溶解的氣體可以擴(kuò)散至其中。然而， 申請人:相信，在不存在吹掃氣體的情況下，許多氣穴氣泡可以在到達(dá)熔融金屬浴的表面前破裂。 申請人:相信吹掃氣體可以減少在到達(dá)表面前破裂的氣穴氣泡的量，和/或可以增加含有溶解的氣體的氣泡的尺寸，和/或可以增加熔融金屬浴中氣泡的數(shù)目，和/或可以增加將含有溶解的氣體的氣泡運輸至熔融金屬浴的表面的速率。與實際機(jī)制無關(guān)， 申請人:相信，超聲裝置與緊鄰的吹掃氣體源的結(jié)合使用可以在將溶解的氣體從熔融金屬浴移除上提供協(xié)同的改進(jìn)，并且提供熔融金屬中的溶解的氣體的量的協(xié)同的減少。同樣，雖然不希望由理論限定， 申請人:相信超聲裝置可以在超聲裝置的尖部的附近內(nèi)產(chǎn)生氣穴氣泡。例如，對于具有直徑為約2至5cm的尖部的超聲裝置，在破裂前氣穴氣泡可以在超聲裝置的尖部的約15cm，約10cm，約5cm，約2cm，或約Icm內(nèi)。如果將吹掃氣體在過于遠(yuǎn)離超聲裝置的尖部的距離處加入，吹掃氣體可能不能擴(kuò)散至氣穴氣泡中。因此，雖然不希望由理論限制， 申請人:相信，有益的是，將吹掃氣體在超聲裝置的尖部的約25cm或約20cm內(nèi)引入至熔融金屬浴中，并且更有益地，在超聲裝置的尖部的約15cm內(nèi)，約IOcm內(nèi)，約5cm內(nèi)，約2cm內(nèi)，或約Icm內(nèi)。
[0041]根據(jù)本發(fā)明的實施方案的超聲裝置可以與熔融金屬如鋁或銅接觸，例如，如在美國專利公布號2009/0224443中所公開的，所述申請通過引用完整地結(jié)合于此。在用于減少熔融金屬中的溶解的氣體含量(例如，氫)的超聲裝置中，當(dāng)裝置暴露于熔融金屬時，鈮或其合金可以用作用于該裝置的保護(hù)屏障，或作為直接暴露于熔融金屬的裝置的組件。
[0042]本發(fā)明的實施方案可以提供用于增加與熔融金屬直接接觸的組件的壽命的系統(tǒng)和方法。例如，本發(fā)明的實施方案可以使用鈮以減少與熔融金屬接觸的材料的分解，導(dǎo)致成品中顯著的品質(zhì)提升。換言之，本發(fā)明的實施方案可以通過使用鈮作為保護(hù)屏障增加與熔融金屬接觸的材料或組件的壽命或?qū)ζ溥M(jìn)行防護(hù)。鈮可以具有可以有助于提供本發(fā)明的前述實施方案的性質(zhì)，例如其高熔點。此外，當(dāng)暴露于約200°C以上的溫度時，鈮還可以形成保護(hù)性氧化物屏障。
[0043]此外，本發(fā)明的實施方案可以提供用于增加與熔融金屬直接接觸或與其接合的組件的壽命的系統(tǒng)和方法。因為鈮與特定熔融金屬具有低的反應(yīng)性，使用鈮可以防止基質(zhì)材料分解。因此，本發(fā)明的實施方案可以使用鈮減少基質(zhì)材料的分解，這導(dǎo)致成品中顯著的品質(zhì)提升。因此，鈮與熔融金屬結(jié)合可以將鈮的高熔點與其與熔融金屬如鋁和/或銅的低的反應(yīng)性結(jié)合。
[0044]在一些實施方案中，鈮或其合金可以在包括超聲換能器和伸長的探頭的超聲裝置中使用。伸長的探頭可以包括第一端和第二端，其中第一端可以連接到超聲換能器而第二端可以包含尖部。根據(jù)該實施方案，伸長的探頭的尖部可以包含鈮(例如，鈮或其合金)。該超聲裝置可以在如上所述的超聲脫氣方法中使用。超聲換能器可以產(chǎn)生超聲波，并且連接到換能器的探頭可以將超聲波發(fā)射至包含熔融金屬，如鋁、銅、鋅、鋼、鎂等，或其混合物和/或組合(例如，包括鋁、銅、鋅、鋼、鎂等的多種合金)的浴中。
[0045]圖1示例鈮和其他材料在超聲裝置300中的使用，其可以用于減少熔融金屬中的溶解的氣體含量。超聲裝置300可以包括超聲換能器360，用于增加的輸出的增壓器350，和連接至換能器360的超聲探頭組件302。超聲探頭組件302可以包括伸長的超聲探頭304和超聲介質(zhì)312。超聲裝置300和超聲探頭304通?？梢允菆A柱形的，但這不是必須的。超聲探頭304可以含有第一端和第二端，其中第一端包括連接到超聲換能器360的超聲探頭軸306。超聲探頭304和超聲探頭軸306可以由多種材料構(gòu)成。示例性材料可以包括，但不限于，不銹鋼、鈦、鈮、陶瓷(例如，賽隆、碳化硅、碳化硼、氮化硼、氮化硅、氮化鋁、氧化鋁、氧化鋯等)等，或其組合。超聲探頭304的第二端可以包括超聲探頭尖部310。超聲探頭尖部310可以包含鈮。備選地，尖部310可以基本上由鈮構(gòu)成或由鈮構(gòu)成。鈮可以與一種或多種其他金屬成為合金，或鈮可以是鍍在或覆蓋在另一種材料的基層上的層。例如，尖部310可以包括內(nèi)層和外層，其中內(nèi)層可以包含陶瓷或金屬材料(例如，鈦)而外層可以包含鈮。在該實施方案中，包含鈮的外層的厚度鈮可以小于約25微米，或小于約10微米，或備選地，在約2至約8微米的范圍內(nèi)。例如，包含鈮的外層的厚度可以在約3至約6微米的范圍內(nèi)。
[0046]超聲探頭軸306和超聲探頭尖部310可以通過連接器308連接。連接器308可以代表用于聯(lián)結(jié)軸306和尖部310的裝置。例如，可以將軸306和尖部310栓合或焊接在一起。在一個實施方案中，連接器308可以表示軸306包含凹進(jìn)的螺紋并且尖部310可以擰入軸306中。預(yù)期的是，超聲探頭軸306和超聲探頭尖部310可以包含不同的材料。例如，超聲探頭軸306可以是或可以包含鈦和/或鈮，而超聲探頭尖部310可以是或可以包含鈮。備選地，超聲探頭軸306可以是或可以包含鈦和/或陶瓷(例如，賽隆、碳化硅、碳化硼、氮化硼、氮化硅、氮化鋁、氧化鋁、氧化鋯等)，而超聲探頭尖部310可以是或可以包含陶瓷(例如，賽隆，碳化硅，碳化硼，氮化硼，氮化硅，氮化鋁，氧化鋁，氧化鋯等)。
[0047]在其他實施方案中，超聲探頭304可以是單一部件，例如，超聲探頭軸306和超聲探頭尖部310是具有相同結(jié)構(gòu)的單一部件。在這樣的情況下，超聲探頭可以包含，例如，鈮或其合金，陶瓷(例如，賽隆、碳化硅、碳化硼、氮化硼、氮化硅、氮化鋁、氧化鋁、氧化鋯等)，或其他合適的材料。
[0048]再次參考圖1，超聲裝置300可以包括內(nèi)管328、中心管324、外管320和保護(hù)管340。這些管或通道可以環(huán)繞超聲探頭304的至少一部分并且通?？梢杂扇魏魏线m的金屬或陶瓷材料構(gòu)成?？梢灶A(yù)期的是，超聲探頭尖部310將被置于熔融金屬浴中；然而，預(yù)期的是，保護(hù)管340的一部分也可以被浸入熔融金屬中。因此，保護(hù)管340可以是或可以包含鈦、鈮、陶瓷(例如，賽隆、碳化硅、碳化硼、氮化硼、氮化硅、氮化鋁、氧化鋁、氧化鋯等)，或這些材料中的超過一種的組合。在管328、324、320和340內(nèi)含有的可以是流體322、326和342，如圖1所示。流體可以是液體或氣體(例如，氬)，其用途可以是為超聲裝置300提供冷卻并且，特別地，為超聲探頭尖部310和保護(hù)管340提供冷卻。
[0049]超聲裝置300可以包括端蓋344。端蓋可以橋接保護(hù)管340與探頭尖部310之間的空隙并且可以減少或防止熔融金屬進(jìn)入超聲裝置300。類似于保護(hù)管340，端蓋344可以是或可以包含，例如，鈦、鈮、陶瓷(例如，賽隆、碳化硅、碳化硼、氮化硼、氮化硅、氮化鋁、氧化鋁、氧化鋯等)，或這些材料中超過一種的組合。
[0050]超聲探頭尖部310、保護(hù)管340或端蓋344，或全部三個，可以包含鈮。鈮可以單獨使用，鈮可以與一種或多種其他金屬形成合金，或鈮可以是鍍在或覆蓋在另一種材料的基層上的一層。例如，超聲探頭尖部310，保護(hù)管340或端蓋344，或全部三個，可以包括內(nèi)層和外層，其中內(nèi)層可以包含陶瓷或金屬材料并且外層可以包含鈮?？梢灶A(yù)期的是，鈮在超聲裝置的部件上的存在可以提高裝置的壽命，當(dāng)與熔融金屬接觸時可以提供低的化學(xué)反應(yīng)性或沒有化學(xué)反應(yīng)，可以在熔融金屬的熔化溫度提供強(qiáng)度，并且可以具有傳播超聲波的能力。根據(jù)本發(fā)明的一些實施方案，當(dāng)超聲裝置的尖部310不包含鈮時，尖部在熔融金屬浴(例如，鋁或銅的)中可以在僅約15-30分鐘后顯示腐蝕或分解。相反，當(dāng)超聲裝置的尖部包含鈮時，尖部可以在至少I小時以上以后不顯示或顯示最小的腐蝕或分解，例如，在至少2小時后，在至少3小時后，在至少4小時后，在至少5小時后，在至少6小時后，在至少12小時后，在至少24小時后，在至少48小時后，或在至少72小時后不顯示腐蝕或分解。
[0051]在另一個實施方案中，超聲探頭尖部310、保護(hù)管340或端蓋344，或全部三個，可以包含陶瓷，如賽隆、碳化硅、碳化硼、氮化硼、氮化硅、氮化鋁、氧化鋁和/或氧化鋯等。此夕卜，超聲探頭軸306可以包含陶瓷，或備選地，鈦。
[0052]圖2示例另一個超聲裝置400，其可以包含鈮、陶瓷如賽隆、碳化硅、碳化硼、氮化硼、氮化硅、氮化鋁、氧化鋁，和/或氧化鋯，或其他合適的材料。超聲裝置400可以包括超聲換能器460，用于增加的輸出的增壓器450，和連接至換能器460的超聲探頭組件402。增壓器450可以允許以大于約1: 1，例如，約1.2: I至約10: 1，或約1.4: I至約5: I的增強(qiáng)的水平增大輸出?？梢圆捎镁哂懈叨菻的增壓器夾具組件451，其中高度H可以按需要改變以容納不同的長度的超聲探頭。超聲探頭組件402可以包含如圖1所示的伸長的超聲探頭以及超聲探頭尖部410。超聲探頭和尖部可以由多種材料制造，如上所述，包括，但不限于，不銹鋼、鈦、鈮、陶瓷等，或其組合，包括其混合物，其合金，及其涂料。
[0053]超聲裝置400可以包括用于將吹掃氣體在鄰近超聲裝置400的位置處引入(例如，至熔融金屬浴中)的設(shè)備。預(yù)期的是，外部吹掃氣體噴射系統(tǒng)(未顯示)可以置于熔融金屬浴中，并且噴射位點可以在圖1和/或圖2的超聲裝置附近。備選地，超聲裝置可以包括吹掃氣體出口，以使得可以將吹掃氣體在超聲裝置的尖部附近或尖部處排出。例如，可以將吹掃氣體通過超聲裝置的端蓋和/或通過超聲裝置的探頭排出。再次參見圖2，超聲裝置可以包括吹掃氣體入口端口 424和噴射室425，其連接至吹掃氣體遞送通道413?？梢詫⒋祾邭怏w遞送至位于超聲裝置400的尖部410處或附近的吹掃氣體遞送空間414，并通過其排出。預(yù)期的是，吹掃氣體遞送空間414或吹掃氣體出口可以在超聲裝置400的尖部410的約IOcm內(nèi)，如,例如,在超聲裝置的尖部的約5cm內(nèi)，約3cm內(nèi)，約2cm內(nèi)，約1.5cm內(nèi)，約Icm內(nèi)，或約0.5cm內(nèi)。
[0054]另外地，超聲裝置400可以包括超聲冷卻器系統(tǒng)429，其可以設(shè)計為將超聲尖部和/或超聲探頭和/或超聲探頭組件保持在更接近室溫的溫度(例如，溫度可以在約15°C至約75°C，或約20°C至約35°C的范圍內(nèi))，與超聲裝置的尖部410的外表面所經(jīng)受的熔融金屬的升高的溫度相反。預(yù)期的是，如果超聲探頭和組件包含鈮、陶瓷如賽隆、碳化硅、碳化硼、氮化硼、氮化硅、氮化鋁、氧化鋁和/或氧化鋯，或其他合適的材料，則可以不需要超聲冷卻器系統(tǒng)。圖2的超聲冷卻器系統(tǒng)429可以類似于圖1中所示的系統(tǒng)，包括，例如，內(nèi)管328、中心管324、外管320、保護(hù)管340和流體322、326和342，其設(shè)計為對超聲裝置提供冷卻和/或溫度控制。流體可以是液體或氣體，并且預(yù)期的是，流體可以是與吹掃氣體相同的物質(zhì)。
[0055]圖3示例再另一個超聲裝置500，其可以包含鈮、陶瓷如賽隆、碳化硅、碳化硼、氮化硼、氮化硅、氮化鋁、氧化鋁，和/或氧化鋯，或其他合適的材料。超聲裝置500可以包括超聲換能器560，用于增加的輸出的增壓器550，和連接至換能器560的超聲探頭組件510。增壓器550可以允許以大于約1: 1，例如，約1.2: I至約10: 1，或約1.4: I至約5: I的增強(qiáng)的水平增大輸出。超聲探頭510可以是單一部件，或者超聲探頭510可以包括超聲探頭軸和任選的(和可替換的)超聲探頭尖511，這類似于圖1中所示的。超聲探頭和尖可以由多種材料制造，如前所述，其包括，但不限于，不銹鋼、鈦、鈮、陶瓷等，或其組合，包括其混合物，其合金，及其涂料。
[0056]超聲裝置500可以包括用于將吹掃氣體在超聲裝置500附近和/或超聲探頭尖部511附近的位置處引入(例如，至熔融金屬浴中)的設(shè)備。如上，預(yù)期的是，可以將外部吹掃氣體噴射系統(tǒng)(未顯示)置于熔融金屬浴中，并且噴射位點可以在圖3的超聲裝置附近。備選地，超聲裝置可以包括吹掃氣體出口，以使得可以將吹掃氣體在超聲裝置的尖部處或附近排出。例如，可以將吹掃氣體通過超聲裝置的探頭/尖部排出。再次參考圖3，超聲裝置可以包括吹掃氣體入口端口 522，其在具有增壓器550，上部殼體520，下部支持殼體521，和下部支持殼體罩523的室中。上部殼體520可以是氣密的和/或防漏的。吹掃氣體入口端口 522可以連接至吹掃氣體遞送通道524，其可以被容納在超聲探頭510內(nèi)。可以將吹掃氣體遞送至位于超聲裝置500的尖部511處的吹掃氣體噴射點525 (或吹掃氣體出口端口)，并且通過其排出。因此，在該實施方案中，超聲裝置500可以包括超聲探頭510，其包括在超聲探頭的尖部處具有吹掃氣體噴射點的吹掃氣體噴射系統(tǒng)。
[0057]任選地，超聲裝置500可以包括超聲冷卻器系統(tǒng)，如以上關(guān)于圖1和/或圖2所述的，但這不是必須的。
[0058]另一個超聲裝置在圖4中示出。超聲裝置600可以包括超聲換能器660，用于增加的輸出的增壓器650，和連接至換能器660和增壓器650的超聲探頭610。增壓器650可以與換能器660通訊，并且可以允許以大于約1: 1，例如，約1.2: I至約10: 1，或約1.4: I至約5: I的增強(qiáng)的水平的增大輸出。在一些實施方案中，增壓器可以是或可以包含金屬，如鈦。超聲探頭610可以是單一部件，或超聲探頭610可以包括超聲探頭軸和任選的(和可替換的)超聲探頭尖部，類似于圖1中所示的。超聲探頭610在形狀和設(shè)計上不限制為一端連接至換能器660和/或增壓器650，并且另一端包括探頭的尖部的伸長的探頭(例如，通常是圓柱形的)。在一個實施方案中，探頭通?？梢允菆A柱形的，然而，可以將探頭的中部用夾具或其他固定機(jī)構(gòu)固定至換能器/增壓器，以致探頭具有兩個尖部，這兩個尖部都不與換能器/增壓器直接相連。而在另一個實施方案中，探頭可以是另一種幾何形狀，如球形，或在末端具有球形部分的圓柱形等。
[0059]超聲探頭610可以由如前所述的多種材料構(gòu)成，包括但不限于，不銹鋼、鈦、鈮、陶瓷等，或其組合，包括其混合物，其合金，及其涂料。在特定實施方案中，超聲探頭610可以是或可以包含陶瓷材料。例如，超聲探頭可以是或可以包含賽隆、碳化硅、碳化硼、氮化硼、氮化硅、氮化鋁、氧化鋁、氧化鋯，或其組合；備選地，賽?。粋溥x地，碳化硅；備選地，碳化硼；備選地，氮化硼；備選地，氮化硅；備選地，氮化鋁；備選地，氧化鋁；或備選地，氧化鋯。在一些實施方案中，超聲探頭610可以是單一部件，例如，探頭是單一部件，其從與換能器/增壓器相連的端部至探頭尖部具有相同的結(jié)構(gòu)或組成。
[0060]可以在本文公開的實施方案中使用的典型的賽隆是含有元素硅(Si)、鋁(Al)、氧
(O)和氮(N)的陶瓷合金。此外，如本領(lǐng)域技術(shù)人員將認(rèn)識到的，存在α-賽隆和β-賽隆分級。超聲探頭610可以包含賽隆，并且此外，其中至少20% (按重量計)可以是α-賽隆(或β_賽隆)。雖然不希望受制于理論， 申請人:相信使用至少20% (按重量計)，或30%(按重量計)，或在約20%至約50%的范圍內(nèi)的重量百分?jǐn)?shù)的β -賽隆可以提供更強(qiáng)和更耐久的超聲探頭(例如，較不易破損)。
[0061 ] 超聲裝置600可以包括用于將吹掃氣體在超聲裝置600附近和/或超聲探頭尖部附近的位置處引入(例如，吹掃氣體到熔融金屬浴中)的設(shè)備。如上，預(yù)期的是，外部吹掃氣體噴射系統(tǒng)(未顯示)可以位于熔融金屬浴中，并且噴射位點可以在圖4的超聲裝置附近。備選地，超聲裝置可以包含氣體遞送系統(tǒng)，以致氣體可以在超聲裝置的尖部處或附近排出。例如，可以將氣體通過超聲裝置的探頭/尖部排出。再次參見圖4，超聲裝置600可以包括增壓器650中的室中的氣體入口端口 622。氣體入口端口 622可以連接至氣體遞送通道624，其可以從增壓器650延伸至超聲探頭610的尖部。氣體入口端口 622和增壓器650的一部分可以被容納在氣密的和/或防漏的殼體內(nèi)。可以將氣體遞送至位于超聲探頭610的尖部處的氣體噴射點625 (或氣體出口)，并通過其排出。因此，在該實施方案中，超聲裝置600可以包括超聲探頭610，其包括在超聲探頭的尖部處具有氣體噴射點的氣體遞送系統(tǒng)。
[0062]氣體遞送通道624在圖4中顯示為在增壓器650和超聲探頭610最接近增壓器的部分具有較大的流徑，而在氣體噴射點625處具有較小的流徑，雖然這不是必須的。例如，氣體遞送通道624的尺寸可以是與從氣體入口端口 622至位于超聲探頭610的尖部處的氣體噴射點625基本上相同的尺寸(例如，在+/-10-20%內(nèi))。
[0063]雖然不希望通過理論限定， 申請人:相信在氣體噴射點處相對于超聲探頭的橫截面面積的較小的流徑(例如，橫截面面積)可以導(dǎo)致極好的脫氣，因為當(dāng)氣體離開探頭時其速度更高。在一些實施方案中，超聲探頭的橫截面面積與氣體遞送通道的橫截面面積(即，在氣體噴射點或氣體出口處)之比可以在約30: I至約1000: 1，約60: I至約1000: 1，或約60: I至約750: I的范圍內(nèi)。在其他實施方案中，超聲探頭的橫截面面積與氣體遞送通道的橫截面面積(即，在氣體噴射點或氣體出口處)之比可以在約60: I至約700: 1，約100: I至約700: I，或約200: I至約1000: I的范圍內(nèi)。在這些和其他實施方案中，超聲探頭(例如，單一的伸長的探頭)的長度直徑比(L/D)可以在約5: I至約25: 1，約5: I至約12: 1，約7: I至約22: 1，約10: I至約20: 1，或約11: I至約18: I的范圍內(nèi)。
[0064]在針對含有陶瓷材料如賽隆的超聲探頭的實施方案中，有益的是，采用固定螺帽603作為用于將超聲探頭610固定至增壓器650和換能器660的裝置。與冷縮配合陶瓷配件相比，固定螺帽603可以提供極好的耐久性和壽命。固定螺帽603可以由多種材料制造，如，例如，鈦、不銹鋼等，并且可以含有小螺距(內(nèi))螺紋用于牢固的固定，從而減輕了對更易于破損的帶螺紋的陶瓷探頭的需要。此外，增壓器650可以具有外螺紋，在其上可以將固定螺帽603 (并且因此探頭610)牢固地固定。通常，同樣有益的是，將固定螺帽的尺寸和/或重量在機(jī)械方面可行的情況下保持為盡可能的低，以致探頭的超聲振動性能不受不利影響。
[0065]在特定實施方案中，探頭610可以在探頭的連接側(cè)具有大的曲率半徑615。雖然不希望通過理論限定，但 申請人:相信在探頭的連接側(cè)處(例如，最接近固定螺帽處)的較小的曲率半徑可以導(dǎo)致探頭增加的破損，特別是以在脫氣過程中增加氣穴和極好地去除溶解的氣體所需的較高的超聲功率和/或振幅。在本文中預(yù)期的特別的實施方案中，曲率半徑615可以為至少約1/2”，至少約5/8”，至少約3/4”，至少約I”等。這樣的曲率半徑可以是理想的，而無論探頭的實際尺寸(例如，多個探頭直徑)如何。
[0066]任選地，超聲裝置600可以包含超聲冷卻器系統(tǒng)，如以上關(guān)于圖1和/或圖2所述的，但這不是必須的。再次參見圖4，超聲裝置600，備選地，可以任選地包括熱保護(hù)殼體640。該殼體通常可以由任何合適的金屬和/或陶瓷材料制造?？梢灶A(yù)期的是，超聲探頭610將置于熔融金屬浴中；因此，熱保護(hù)殼體可以用于遮蓋增壓器650的一部分、固定螺帽603以及超聲探頭610的一部分，使其免于過熱。如果需要，可以將冷卻介質(zhì)在熱保護(hù)殼體640內(nèi)和/或環(huán)繞其循環(huán)。冷卻介質(zhì)可以是液體(例如，水)或氣體(例如，氬，氮，空氣等)。
[0067]本文公開的超聲裝置，包括圖1-4中示例的那些，可以在一定范圍的功率和頻率運行。對于探頭直徑為約I”以下的超聲裝置，運行功率通?？梢栽诩s60至約275瓦的范圍內(nèi)。作為實例，對于3/4”探頭直徑，可以使用在約60至約120瓦的范圍內(nèi)的運行功率，并且對于I”探頭直徑，可以使用在約120至約250瓦的范圍內(nèi)的運行功率。雖然不限定至任何特別的頻率，超聲裝置可以運行于，并且超聲脫氣方法可以進(jìn)行于，典型地可以在約10至約50kHz,約15至約40kHz,或約20kHz的范圍內(nèi)的頻率。
[0068]雖然已經(jīng)描述了本發(fā)明的特定實施方案，但是可以存在其他實施方案。此外，在不背離本發(fā)明的情況下，任何公開的方法的階段可以以任何方式改進(jìn)，包括通過重排多個階段和/或插入或取消階段。雖然說明書包括實施例，但本發(fā)明的范圍由以下權(quán)利要求給出。此外，雖然已經(jīng)以專用于結(jié)構(gòu)特征和/或方法動作的語言描述了說明書，但是權(quán)利要求不限于上述特征或動作。相反，上述的具體特征和動作作為本發(fā)明的示例實施方案公開。
實施例
[0069]實施例1-4
[0070]在實施例1-4中，進(jìn)行一系列測試以證明可以通過所公開的方法實現(xiàn)在鋁的熔融浴中的溶解的氫的量的減少。在使用任何脫氣技術(shù)之前，取得鋁的對照樣品并測試(實施例I)。鋁的熔融金屬浴在約1350° F(732°C)的溫度操作。之后采用傳統(tǒng)脫氣技術(shù)，旋轉(zhuǎn)氣體吹掃，以確定傳統(tǒng)除氫方法的效果(實施例2)。實施例3采用本文公開的超聲脫氣方法，即，超聲裝置結(jié)合吹掃氣體弓I入。在實施例3中，超聲裝置包含鈮尖部，并且將超聲裝置的尖部置于鋁浴中。超聲裝置以20，OOOHz (頻率)在熔融鋁浴中運行。與超聲裝置的運行同時地，將吹掃氣體氬以約4.7標(biāo)準(zhǔn)升/分鐘(L/分鐘)的速率引入至熔融金屬浴中。將氬沿超聲裝置的尖部(噴射點與尖部之間的距離小于約2cm)注入。實施例4采用超聲脫氣方法結(jié)合傳統(tǒng)脫氣技術(shù)。
[0071]允許實施例1 (不進(jìn)行脫氣)、實施例2 (在傳統(tǒng)脫氣之后)、實施例3 (在超聲脫氣之后)和實施例4 (在超聲和傳統(tǒng)脫氣之后)的鋁樣品在真空下冷卻并固化。之后，測量來自每個實施例的一立方厘米(lcc = ImL)立方體以確定每個實施例的鋁的質(zhì)量并且因此確定每個實施例的鋁的密度。鋁具有2.7g/cc的理論密度，氫氣在鋁中的存在將減小該密度。圖5顯示與鋁的理論密度比較，實施例1-4中的每一個的密度的百分比差異。在圖5中，每個樣品越接近鋁的理論密度(即，低于在鋁的密度的百分?jǐn)?shù)越低)，脫氣程序越有效。如圖5中所不,超聲方法(實施例3)與傳統(tǒng)技術(shù)(實施例2) —樣有效,并且組合使用兩者(實施例4)可以提供微小的另外提聞。
[0072]還評估了實施例1-4的鋁樣品的ppm氫含量(基于質(zhì)量)。分析在真空下冷卻并固化的澆鑄樣品的氫含量。氫含量分析總結(jié)在圖6中。在圖6中，以ppm計的氫含量越低，脫氣程序越有效。如圖6所示，超聲程序(實施例3)在除氫方面比傳統(tǒng)技術(shù)(實施例2)更有效，并且組合使用兩者(實施例4)未表現(xiàn)出提供任何另外的益處。不再依賴于圖6的數(shù)據(jù)。 申請人:相信在所列出的PPm氫含量的確定中存在分析誤差。
[0073]實施例5-8
[0074]在實施例5-8中，進(jìn)行系列測試以確定根據(jù)所公開的方法可以將鋁的熔融浴中的溶解的氫脫氣的相對速度。首先，將小量的鋁熔融在金屬浴中，之后保持在約1350° F(732°C)的溫度。使用Alspek單元測定以mL/100g為單位的氫含量的基線讀數(shù)。Alspek單元利用半電解池中的分壓的原理確定熔融鋁中的溶解的氫的量。將超聲裝置的尖部放置在鋁浴中，并且將吹掃氣體氬以約I標(biāo)準(zhǔn)升/分鐘(L/分鐘)的速率加入至熔融金屬浴中。對于實施例5-7，超聲裝置以3: I增壓并在20，OOOHz運行，雖然可以使用高達(dá)并且包括40，000Hz，或更高。對于實施例5，使用基線超聲振幅，以及基線功率水平用于超聲功率供應(yīng)(瓦)；對于實施例6，超聲振幅為基線的2倍，并且超聲功率供應(yīng)的功率水平為基線的1.9倍；并且對于實施例7，超聲振幅為基線的3倍，并且超聲功率供應(yīng)的功率水平為基線的3.6倍。對于實施例8，不使用超聲裝置，僅加入氬吹掃氣體。使用Alspek單元隨時間監(jiān)測氫的水平，并記錄。在每個實驗之間，將氫加入至鋁浴中，并且測定氬氣的加入之前的基線。
[0075]在實施例5-8中使用與圖3中所示的類似的超聲裝置。該超聲裝置不具有冷卻組件，并且將吹掃氣體通過超聲探頭的尖部注入。超聲探頭的直徑為I" (2.5cm)，并且探頭和尖部(作為單一部件)都由含有鉿和鈦的鈮合金制造。
[0076]圖7示例以mL氫/IOOg鋁合金計的氫濃度作為在氬吹掃氣體的加入(和超聲裝置的激活，如果使用的話)之后的時間的函數(shù)的曲線圖。圖7顯示，與僅使用吹掃氣體而不使用超聲裝置的實施例8比較，實施例5-7的每一個明顯更快地將氫從鋁中脫除(使用吹掃氣體和超聲裝置)。實施例6-7表現(xiàn)地稍好于對于超聲功率供應(yīng)使用較低超聲振幅和較低基線功率水平的實施例5。
[0077]實施例9-10
[0078]實施例9-10是大規(guī)模試驗，其測定在使用鋁合金5154(含鎂)的連續(xù)澆鑄實驗中使用吹掃氣體和超聲裝置移除氫和鋰/鈉雜質(zhì)的效果。金屬浴的溫度保持在約1350。F (732 °C)的溫度。
[0079]使用分光計測定以重量百分?jǐn)?shù)計的鈉和鋰濃度，并且使用用于熔融鋁的Alscan氫分析儀測定氫濃度。實施例9為對照實驗，并且在實施例9的熔融鋁合金中的占優(yōu)勢的鈉和鋰濃度分別為0.00083% (8.3ppm)和0.00036% (3.6ppm)。實施例9中的氫濃度為
0.41mL/100g。
[0080]在實施例10中使用實施例5-8的超聲裝置并且在20，000Hz運行。在實施例10中，結(jié)合超聲裝置的運行，將氬氣以每kg/小時的熔融金屬輸出約80-85mL/小時(即，80_85mL吹掃氣體/kg熔融金屬)的體積流速加入至熔融金屬浴中。在使用超聲裝置和氬吹掃氣體之后，熔融鋁合金中的鈉濃度低于0.0001% (Ippm)的最小檢測極限，并且熔融鋁合金中的鋰濃度為0.0003% (3ppm)。實施例10中的氫濃度為0.35mL/100g，減少約15%。
[0081]實施例11[0082]在實施例11中，進(jìn)行測試以測定在含有熔融鋁的流動槽中、在大約1300° F(7000C )運行的類似于圖4中所示的具有單一的賽隆探頭的超聲裝置的使用壽命或耐久性。
[0083]除了與超聲裝置不相關(guān)的3小時維護(hù)停機(jī)外，超聲裝置和探頭連續(xù)運行。伸長的探頭的直徑為3/4"，由賽隆制造，并且以約20kHz (19.97kHz)運行。功率水平為60至90瓦。使用數(shù)字量規(guī)在使用前后測量探頭的長度。將探頭尖部浸入含有熔融鋁的流動槽中達(dá)約50小時，同時超聲裝置以約20KHz運行。在該實驗過程中不使用吹掃氣體，因為認(rèn)為其對該測試的目的是不必要的。在50小時運行時間后，測量到探頭的腐蝕為0.0182”。這換算為3.64xl0_4英寸/小時的腐蝕速率。通常，超聲探頭可以耐受高達(dá)約1/4”的腐蝕，之后其被認(rèn)為是不適于使用。這導(dǎo)致實施例11的陶瓷探頭具有超過686小時，或超過28天的連續(xù)運行的理論壽命。
[0084]該探頭壽命遠(yuǎn)優(yōu)于未被如本文所述的那樣設(shè)計、配置或構(gòu)建的其他金屬和陶瓷超聲探頭的壽命。
【權(quán)利要求】
1.一種超聲裝置，所述超聲裝置包括: 超聲換能器； 連接至所述超聲換能器的探頭，所述探頭包括尖部；和 氣體遞送系統(tǒng)，所述氣體遞送系統(tǒng)包括: 氣體入口， 氣流通道，所述氣流通道通過所述探頭，以及 氣體出口，所述氣體出口位于所述探頭的所述尖部。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的超聲裝置，其中所述探頭包含不銹鋼、鈦、鈮、陶瓷，或它們的組合。
3.根據(jù)權(quán)利要求2所述的超聲裝置，其中所述探頭是單一部件。
4.根據(jù)權(quán)利要求3所述的超聲裝置，其中所述探頭包含賽隆、碳化硅、碳化硼、氮化硼、氮化硅、氮化鋁、氧化鋁、氧化鋯，或它們的組合。
5.根據(jù)權(quán)利要求4所述的超聲裝置，其中所述探頭包含賽隆。
6.根據(jù)權(quán)利要求1所述的超聲裝置，其中所述探頭是伸長的探頭，并且所述伸長的探頭用固定螺帽固定至所述超聲換能器。
7.根據(jù)權(quán)利要求1所述的超聲裝置，其中所述探頭是伸長的探頭，并且所述伸長的探頭的長度直徑比在約5: I至約25: I的范圍內(nèi)。
8.根據(jù)權(quán)利要求1所述的超聲裝置，其中所述探頭是伸長的探頭，并且所述伸長的探頭的所述尖部的橫截面面積與所述``氣體出口的橫截面面積的比在約30: I至約1000: I的范圍內(nèi)。
9.根據(jù)權(quán)利要求1所述的超聲裝置，其中所述超聲裝置還包括熱保護(hù)系統(tǒng)，所述熱保護(hù)系統(tǒng)環(huán)繞所述探頭的至少一部分。
10.根據(jù)權(quán)利要求9所述的超聲裝置，其中流體在所述熱保護(hù)系統(tǒng)內(nèi)循環(huán)。
11.根據(jù)權(quán)利要求1所述的超聲裝置，其中所述超聲裝置還包括所述超聲換能器與所述探頭之間的增壓器。
12.根據(jù)權(quán)利要求11所述的超聲裝置，其中所述氣體入口在所述增壓器中。
13.一種用于減少熔融金屬浴中的溶解的氣體和/或雜質(zhì)的量的方法，所述方法包括: (a)在所述熔融金屬浴中運行超聲裝置，所述超聲裝置包括: 超聲換能器； 連接到所述超聲換能器的探頭，所述探頭包括尖部；和 吹掃氣體遞送系統(tǒng)，所述氣體遞送系統(tǒng)包括: 吹掃氣體入口， 通過所述探頭的吹掃氣體流通道，和 所述探頭的尖部處的吹掃氣體出口 ；和 (b)將吹掃氣體通過所述吹掃氣體遞送系統(tǒng)以在約0.1至約150L/分鐘的范圍內(nèi)的速率引入至所述熔融金屬浴中。
14.根據(jù)權(quán)利要求13所述的方法，其中: 所述溶解的氣體包括氧、氫、二氧化硫，或它們的組合； 所述雜質(zhì)包括堿金屬；所述熔融金屬浴包括鋁、銅、鋅、鋼、鎂，或它們的組合； 所述吹掃氣體包括氮、氦、氖、氬、氪、氙、氯，或它們的組合；或 它們的任意組合。
15.根據(jù)權(quán)利要求13所述的方法，其中將所述吹掃氣體以在每kg/小時的來自所述熔融金屬浴的輸出約10至約500mL/小時的吹掃氣體的范圍內(nèi)的速率引入至所述熔融金屬浴中。
16.根據(jù)權(quán)利要求13所述的方法，其中: 將所述吹掃氣體以在約I至約50L/分鐘的范圍內(nèi)的速率引入至所述熔融金屬浴中； 所述溶解的氣體包括氫； 所述熔融金屬浴包括鋁、銅，或它們的組合；所述吹掃氣體包括氬、氮，或它們的組合；或者 它們的任意組合。
17.根據(jù)權(quán)利要求16所述的方法，其中將所述吹掃氣體以在約I至約IOL/分鐘的范圍內(nèi)的速率引入至所述熔融金屬浴中。
18.根據(jù)權(quán)利要 求16所述的方法，其中將所述吹掃氣體以在每kg/小時的來自所述熔融金屬浴的輸出約30至約200mL/小時的吹掃氣體的范圍內(nèi)的速率引入至所述熔融金屬浴中。
【文檔編號】B06B3/00GK103889598SQ201280050001
【公開日】2014年6月25日 申請日期:2012年10月10日 優(yōu)先權(quán)日:2011年10月11日
【發(fā)明者】維克多·F·朗德基斯特, 凱文·S·姬爾 申請人:南線有限責(zé)任公司