專利名稱：一種高梯度雙區(qū)加熱定向凝固裝置的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及金屬材料凝固加工領(lǐng)域，是一種高梯度雙區(qū)加熱定向凝固裝置。
背景技術(shù)：
定向凝固是使金屬或合金由熔體中定向生長晶體的一種工藝方法，用于制備單晶、柱狀晶和自生復(fù)合材料。定向凝固技術(shù)采用強制一維散熱，使凝固過程沿溫度梯度方向定向進行，獲得定向凝固組織。定向凝固技術(shù)經(jīng)歷了發(fā)熱鑄型(EP)法、功率降低(PD)法、高速凝固(HRS)法和液態(tài)金屬冷卻(LMC)法等發(fā)展過程。
在理論研究上，為了系統(tǒng)考察合金平面狀、胞狀和樹枝狀組織及其性能，要求設(shè)備在很大范圍內(nèi)調(diào)節(jié)結(jié)晶生長速度以及固液界面前沿液相中的溫度梯度；在生產(chǎn)上，為了獲得成分均勻的柱狀晶組織，盡量抑制二次分枝的生長，要求有大的凝固速率R和更高的溫度梯度GL作為前提條件，同時還要盡量降低合金元素的燒損。在定向凝固過程中，定向凝固組織的控制對材料的性能有著至關(guān)重要的作用，而定向凝固組織與材料成形過程中的溫度梯度、抽拉速度有著密切的關(guān)系。但是傳統(tǒng)的定向凝固設(shè)備在試樣抽拉的過程中不能始終保持對樣品的激冷、形成高的溫度梯度，為了保證定向生長，必須限定相當?shù)偷某槔俣?，從而?dǎo)致很低的冷卻速率，使得材料內(nèi)部定向組織粗大、偏析嚴重，并出現(xiàn)大量橫向晶界，嚴重制約了材料性能的進一步發(fā)揮；而且裝置的定向凝固系統(tǒng)多采用同步齒合來完成動力的傳輸和調(diào)速，不但系統(tǒng)顯得過于龐大，而且連續(xù)抽拉調(diào)速范圍小，限制了金屬定向組織的研究范圍；同時傳統(tǒng)的定向凝固裝置多是單區(qū)加熱，不利于獲得高溫度梯度，要獲得高溫度梯度，則整個試樣需同時過熱，造成合金嚴重?zé)龘p。

發(fā)明內(nèi)容
為了克服現(xiàn)有定向凝固設(shè)備中的溫度梯度低，連續(xù)抽拉調(diào)速范圍小和系統(tǒng)過于龐大的缺陷，本發(fā)明提出了一種高梯度定向凝固裝置。
本發(fā)明包括加熱系統(tǒng)、冷卻系統(tǒng)、真空系統(tǒng)、抽拉系統(tǒng)、控制系統(tǒng)，其特征在于1.加熱系統(tǒng)采用雙區(qū)加熱結(jié)構(gòu)，該加熱結(jié)構(gòu)由兩個加熱體組成，分別位于液固界面處和熔化區(qū)域，并在液固界面處和熔化區(qū)域形成兩個分別獨立控制的加熱源，以提高液固界面前沿液相中的溫度。
2.抽拉系統(tǒng)設(shè)置機械抽拉和手動抽拉兩種方式，可分別實現(xiàn)慢速抽拉運動和快速抽拉運動，其中機械抽拉采用交流伺服電機，通過蝸桿渦輪傳動系統(tǒng)進行控制。在交流伺服電機傳動主軸上安裝有電磁離合器，以電磁閥吸合方式控制聯(lián)軸器的工作連接位置，進而實現(xiàn)機械抽拉方式和手動抽拉方式之間的轉(zhuǎn)換。
3.冷卻系統(tǒng)的結(jié)晶器為雙層結(jié)構(gòu)，內(nèi)部安裝鍍鉻銅制冷卻水套，防止冷卻介質(zhì)與銅套發(fā)生反應(yīng)。
該設(shè)備通過對定向凝固設(shè)備的改造來加強熱輸入，同時也強化熱輸出，從而增加鑄件局部的熱流密度來實現(xiàn)高溫度梯度。在進行設(shè)備改造的時候，具體考慮到溫度梯度、可調(diào)速范圍和系統(tǒng)的精密程度，利用高梯度雙區(qū)加熱定向凝固技術(shù)，采用高頻加熱方法和合理的冷凝系統(tǒng)，實現(xiàn)高梯度寬抽拉速度的定向凝固，使制備優(yōu)良材質(zhì)成為可能。
(四)說明書附圖附

圖1是雙區(qū)加熱高梯度定向凝固裝置的結(jié)構(gòu)示意圖。
附圖2是加熱系統(tǒng)簡圖。
附圖3是加熱體結(jié)構(gòu)簡圖。
附圖4是結(jié)晶器結(jié)構(gòu)簡圖。
附圖5是抽拉系統(tǒng)示意圖。
其中1-爐體 2-加熱系統(tǒng) 3-結(jié)晶器4-冷卻液 5-抽拉桿6-滑座 7-導(dǎo)軌 8-爐體支架 9-真空系統(tǒng) 10-測溫?zé)犭娕?1-定滑輪 12-托架13-配重塊 14-伺服電機15-襯套16-水冷電極17-爐體底板18-石墨電極板 19-上加熱體20-下加熱體21-溝槽22-隔熱擋板23-內(nèi)腔 24-試樣25-聯(lián)接頭26-外腔27-動密封 28-齒輪副 29-限位開關(guān)30-手動手輪31-上座32-絲杠33-底座具體實施例方式本實施例包括爐體1、加熱系統(tǒng)、冷卻系統(tǒng)、真空系統(tǒng)、抽拉系統(tǒng)、控制系統(tǒng)，實施中爐體1包括爐體底板17、測溫?zé)犭娕?0。
爐體1為不銹鋼焊接而成，安裝在支架8上，其外形為圓筒形，采用雙層結(jié)構(gòu)，以便通水冷卻，爐門為側(cè)開門，通過螺栓與爐體相聯(lián)。爐體的頂蓋上開有觀察孔，孔內(nèi)安裝石英玻璃，并設(shè)有防護罩。在爐體下方有兩個套有陶瓷管的測溫?zé)犭娕?0，并將該陶瓷管穿入到加熱系統(tǒng)2內(nèi)部。安裝在爐體底部有金屬水冷電極16，通過螺栓與石墨電極板18和爐體底板17緊固在一起，爐體底板的固定處用密封圈密封。
爐體支架8為一鋼制焊件，是整個設(shè)備的支撐件。爐體底板17上有一開孔，沿孔的中心軸線，在底板17上方安裝加熱系統(tǒng)2，在底板17下方安裝水冷結(jié)晶器3，該連接部位采用動密封27密封。
加熱系統(tǒng)包括上加熱體19、下加熱體20、水冷電極16和襯套15。
加熱系統(tǒng)2通過螺栓固定在爐體底板17上面，固定處用密封圈密封。
為提高液固界面前沿液相中的溫度，本實施例采用雙區(qū)加熱方式，即熔化加熱及保溫系統(tǒng)2由兩個加熱體組成(附圖2)在液固界面處設(shè)置下加熱體20，構(gòu)成下區(qū)加熱源；在熔化區(qū)域設(shè)置上加熱體19，構(gòu)成上區(qū)加熱源，以保持合金液的總體過熱溫度，減小合金元屬的燒損。兩個加熱系統(tǒng)分別是獨立控制。
加熱體19、20采用石墨電阻加熱，其形狀為法蘭結(jié)構(gòu)的圓筒，上加熱體19通過石墨電極板18與水冷電極16連接，并固定在爐體底板17上；下加熱體20直接與水冷電極連接并固定在爐體底板17上。加熱體的圓筒壁上開有回轉(zhuǎn)溝槽21，溝槽穿透筒壁，沿筒壁軸向呈“之”字形回轉(zhuǎn)，以增加電流在加熱體中的傳輸長度和傳輸密度，增加了電阻，從而增強了加熱功率。加熱體外圍有防熱輻射能力強而又耐高溫的光滑的石墨保溫隔熱襯套15，起到對加熱體進行熱屏蔽的作用，輔助形成所需分布特征的溫度場，同時減小橫向溫度梯度GL。
冷卻系統(tǒng)(附圖4)主要由水冷結(jié)晶器3組成。
結(jié)晶器3是一筒壁為空心的雙層結(jié)構(gòu)圓筒空心筒壁構(gòu)成了結(jié)晶器3的外腔26，圓筒中孔構(gòu)成了結(jié)晶器3的內(nèi)腔23；在結(jié)晶器3的上端覆蓋石墨氈隔熱擋板22，內(nèi)腔盛裝合金冷卻液4，外腔通入循環(huán)冷卻水，采用傳統(tǒng)的低進高出式循環(huán)水路。
爐體1、結(jié)晶器3、金屬電極16和真空系統(tǒng)9均采用循環(huán)冷卻水強制冷卻。冷卻水來自于供水水槽，為了安全起見，在供水水槽設(shè)有一個限位傳感器，當水量不足時，系統(tǒng)發(fā)生報警提示，這時總電源可自動關(guān)閉。
真空系統(tǒng)采用現(xiàn)有技術(shù)，真空系統(tǒng)9和爐體1相連通，工作時設(shè)備的冷爐極限真空度可達6.65×10-3Pa，熱態(tài)真空度不低于1×10-1Pa。
抽拉系統(tǒng)包括絲杠32、齒輪副28、限位開關(guān)29、抽拉桿5、滑座6、伺服電機14、齒輪副28、托架12和直線軸承導(dǎo)軌7。
抽拉系統(tǒng)設(shè)置在爐體支架8內(nèi)部，與爐體連接部位用密封圈密封。
抽拉系統(tǒng)設(shè)有機械抽拉和手動抽拉兩種運動方式。絲杠32一端通過絲杠副與和伺服電機14連接，另一端通過齒輪副28與手輪30連接機械抽拉以伺服電機14驅(qū)動絲杠32，手動抽拉以手輪30通過齒輪副28帶動絲杠32旋轉(zhuǎn)，通過絲杠和絲杠副之間的嚙合，將絲杠32的旋轉(zhuǎn)運動轉(zhuǎn)化為直線運動，并帶動與之連接的滑座6，使滑座6沿直線軸承導(dǎo)軌7上下運動。
齒輪副28通過托架12固定在爐體支架8上。兩根相互平行的直線軸承導(dǎo)軌7與分別位于絲杠32兩側(cè)，并與絲杠32平行，該直線軸承導(dǎo)軌的上端固定在上座31上，下端固定在底座33內(nèi)；托架12和滑座6套裝在直線軸承導(dǎo)軌7上，并使滑座6沿直線軸承導(dǎo)軌7上下運動。為了平衡托架12在導(dǎo)軌7上的重力運動，通過安裝在爐體支架8上的定滑輪11懸掛平衡配重塊13。
抽拉桿5的下端通過螺紋固定在滑座6上，可隨滑座6同步上下運動，其上端部的上下運動行程設(shè)定為向上運動時，行程不可越過爐體底板17；向下運動時，行程不可越過水冷結(jié)晶器3底部，在滑座6上設(shè)置一限位開關(guān)29，以控制抽拉桿5的運動行程。試樣24的直徑與抽拉桿相同，通過位于抽拉桿5的上端部的聯(lián)接頭25固定在抽拉桿5上。
抽拉桿5的中心線與結(jié)晶器3型腔的中心線完全重合，以保證抽拉桿5及固定在其上的試樣24能夠在滑座的帶動下6自如地出入結(jié)晶器3，實現(xiàn)凝固。
在交流伺服電機傳動主軸上安裝有電磁離合器，以電磁閥吸合方式控制聯(lián)軸器的工作連接位置，進而實現(xiàn)機械抽拉方式和手動抽拉方式之間的轉(zhuǎn)換，以滿足試樣的快速升降和液淬的制備要求。
該系統(tǒng)可實現(xiàn)在一定范圍內(nèi)無極調(diào)速，運動平穩(wěn)可靠，長時間運行無噪音，無爬行蠕動現(xiàn)象。
控制系統(tǒng)主要實現(xiàn)對真空系統(tǒng)、加熱系統(tǒng)、交流伺服調(diào)速電機等的動力和邏輯控制，整個系統(tǒng)所涉及到的邏輯都是由可編程序控制。具體有溫度控制系統(tǒng)和速度控制系統(tǒng)。
兩個加熱體的溫度控制系統(tǒng)各為獨立的兩段式加熱控制回路，控溫主回路采用單相可控硅交流調(diào)壓方式，將經(jīng)過二次調(diào)壓的大電流加到電阻加熱體上來加熱。加熱系統(tǒng)的主回路串有快速熔斷器作為可控硅的短路或過載保護。測溫系統(tǒng)的控制部分采用ZSC系列溫度程序控制儀控溫，與熱電偶(W-Re325熱電偶)配合使用，控制溫度按預(yù)設(shè)曲線變化。
速度控制系統(tǒng)負責(zé)控制運動方向和調(diào)速。裝置的運行邏輯均由可編程序控制器統(tǒng)一管理，所有控制指令均由控制柜來設(shè)置，以提高系統(tǒng)的可靠性。
將抽拉機構(gòu)的電機開關(guān)、升降動作按紐、調(diào)速、脈沖設(shè)定和抽拉速度的數(shù)顯表均設(shè)置在控制柜的面板上。電源(SIT)的開關(guān)以及功率、電壓、電流和頻率顯示亦設(shè)置在控制柜的面板上。
權(quán)利要求
1.一種高梯度雙區(qū)加熱定向凝固裝置，包括加熱系統(tǒng)、冷卻系統(tǒng)、真空系統(tǒng)、抽拉系統(tǒng)、控制系統(tǒng)，其特征在于a.加熱系統(tǒng)包括兩個分別獨立控制的加熱體(19)、(20)，其中上加熱體(19)位于在熔化區(qū)域，下加熱體(20)位于液固界面處。b.抽拉系統(tǒng)設(shè)置機械抽拉和手動抽拉兩種方式，其中機械抽拉采用交流伺服電機，通過蝸桿渦輪傳動系統(tǒng)進行控制。c.冷卻系統(tǒng)的結(jié)晶器(3)為雙層結(jié)構(gòu)，內(nèi)部安裝有冷卻水套。
2.如權(quán)利要求1所述高梯度雙區(qū)加熱定向凝固裝置，其特征在于在交流伺服電機傳動主軸上安裝有電磁離合器。
3.如權(quán)利要求1所述高梯度雙區(qū)加熱定向凝固裝置，其特征在于上加熱體(19)和下加熱體(20)的溫度控制系統(tǒng)采用各為獨立的兩段式加熱控制回路。
4.如權(quán)利要求3所述高梯度雙區(qū)加熱定向凝固裝置，其特征在于直線軸承導(dǎo)軌(7)由兩根相互平行、分別位于絲杠(31)兩側(cè)的導(dǎo)軌組成，并與絲杠(31)平行。
全文摘要
本發(fā)明涉及高梯度雙區(qū)加熱定向凝固裝置。為了克服現(xiàn)有技術(shù)中存在的溫度梯度低，連續(xù)抽拉調(diào)速范圍小和系統(tǒng)龐大的缺陷，本發(fā)明的加熱系統(tǒng)由兩個加熱體組成，分別在液固界面處和熔化區(qū)域形成兩個分別獨立控制的加熱源；抽拉系統(tǒng)包括機械抽拉運動系統(tǒng)和手動抽拉運動系統(tǒng)，兩者之間的轉(zhuǎn)換采用電磁離合方式；結(jié)晶器為雙層結(jié)構(gòu)，內(nèi)部安裝有鍍鉻銅冷卻水套。由于本發(fā)明所采用的技術(shù)方案，在對定向凝固設(shè)備的改造中，加強了熱輸入和熱輸出，從而增加鑄件局部的熱流密度以實現(xiàn)高溫度梯度。使用中，可根據(jù)溫度梯度、可調(diào)速范圍和系統(tǒng)的精密程度，利用本發(fā)明，采用高頻加熱方法和合理的冷凝系統(tǒng)，實現(xiàn)高梯度寬抽拉速度的定向凝固，使制備優(yōu)良材質(zhì)成為可能。
文檔編號B22D27/04GK1597189SQ200410073039
公開日2005年3月23日 申請日期2004年8月31日 優(yōu)先權(quán)日2004年8月31日
發(fā)明者李金山, 胡銳, 陳忠偉, 寇宏超, 畢曉勤, 傅恒志 申請人:西北工業(yè)大學(xué)