電流高通量制備金屬凝固和熱處理試樣的裝置和方法
【專利摘要】本發(fā)明公開了一種電流高通量制備金屬凝固和熱處理試樣的裝置和方法，該裝置包括電源、電極、電阻爐、坩堝、測溫元件，坩堝和測溫元件位于電阻爐中，用于對金屬試樣進行控溫加熱和冷卻，電極位于坩堝的上方。本發(fā)明可用于快速篩選最優(yōu)電流施加工藝參數(shù)，省去了澆注步驟，省去了多次實驗過程中操作不確定性因素，也避免了實驗過程中參數(shù)的波動不穩(wěn)定而帶來的溫度誤差；本發(fā)明所提供的裝置采用統(tǒng)一集中測溫，統(tǒng)一外場電流參數(shù)處理減少了實驗參數(shù)的波動，能更準確地測得電流處理金屬熔體下溫度的研究。
【專利說明】
電流高通量制備金屬凝固和熱處理試樣的裝置和方法
技術領域
[0001]本發(fā)明涉及一種制備金屬凝固和熱處理試樣的裝置和方法，特別是涉及一種電流高通量制備金屬凝固和熱處理試樣的裝置和方法。【背景技術】
[0002]材料的性能是由材料中的組織形貌、相組成、溶質(zhì)分布等決定的。而金屬材料的凝固過程以及后續(xù)的熱處理過程都對金屬材料的組織形貌、相組成以及溶質(zhì)分布產(chǎn)生重要影響，尤其是凝固過程起決定性作用。因此，通過控制金屬材料的凝固過程以及后續(xù)的熱處理可明顯地改善材料的性能。
[0003]目前，在金屬試樣的凝固和熱處理過程中施加電流是研究的熱點之一。這主要是因為電流在金屬的凝固過程中的施加可以產(chǎn)生明顯的細晶組織，在熱處理過程中也具有很好的改性作用。但是，由于金屬材料種類眾多，即使同種材料，其元素和含量的變化也會使材料性能千差萬別，通過對單個試樣施加電流來找到針對該材料的最優(yōu)電流施加參數(shù)和工藝是非常緩慢的過程，同時由于在不同的時間進行實驗，很難保證每次單次實驗的條件和其他實驗保持一致。因此，如何在相同條件下快速找到在凝固和熱處理過程中針對某種特定成分材料的最佳電流施加參數(shù)和工藝將是非常有必要的。高通量制備試樣是解決此問題的一種很好的方法。通過同時對相同條件下的試樣施加不同的電流參數(shù)來批量對試樣進行處理，將會極大的提高材料的制備效率。已有研究表明，在金屬材料的凝固和熱處理過程中施加電流時，輸入金屬材料的電流密度是影響材料的關鍵參數(shù)。
【發(fā)明內(nèi)容】

[0004]本發(fā)明所要解決的技術問題是提供一種電流高通量制備金屬凝固和熱處理試樣的裝置和方法，其可用于快速篩選最優(yōu)電流施加工藝參數(shù)，省去了澆注步驟，省去了多次實驗過程中操作不確定性因素，也避免了實驗過程中參數(shù)的波動不穩(wěn)定而帶來的溫度誤差； 本發(fā)明所提供的裝置，采用統(tǒng)一集中測溫，統(tǒng)一外場電流參數(shù)處理減少了實驗參數(shù)的波動， 能更準確地測得電流處理金屬熔體下溫度的研究。
[0005]本發(fā)明是通過下述技術方案來解決上述技術問題的:一種電流高通量制備金屬凝固和熱處理試樣的裝置，其包括電源、電極、電阻爐、坩堝、測溫元件，采用串聯(lián)方式將坩堝和測溫元件置于電阻爐中，對金屬試樣統(tǒng)一同時控制加熱及冷卻，采用不同電極設置于坩堝的上下位置，測溫元件置于坩堝內(nèi)以便精準測量出試樣實驗溫度；電極將電流導入金屬試樣中。
[0006]優(yōu)選地，所述電源提供電流強度0-10000A的直流電，或者電流強度0-10000A、頻率 0-2000HZ的交流電，或者電流強度0-10000A、頻率O-lOOOOHz、脈寬0-100s的脈沖電流。
[0007]優(yōu)選地，所述電極以平行或者上下的方式來導入電流。
[0008]優(yōu)選地，所述電阻爐根據(jù)設定的加熱速率和降溫速率進行加熱或冷卻，加熱速率范圍為1-100 °C/s，降溫速率范圍為0-100 °C/s。
[0009]優(yōu)選地，所述電流高通量制備金屬凝固和熱處理試樣的裝置控制不同多組處理參數(shù)電流；同時，試樣同時采取多種不同性質(zhì)，不同材質(zhì)金屬；以及設置不同電極位置制備金屬凝固和熱處理試樣。
[0010]優(yōu)選地，所述測溫元件是一個溫度采集記錄儀，實時監(jiān)控待測的金屬熔體內(nèi)部監(jiān)測點的溫度測量值，并輸出溫度測量信息。
[0011]本發(fā)明還提供了一種電流高通量制備金屬凝固和熱處理試樣的方法，其包括以下步驟:步驟一:在坩堝中加入需要處理的同種或不同種金屬母材；步驟二:選用不同研究參數(shù)對象電極和金屬母材裝置好，置于不同電阻爐內(nèi)；步驟三:分別打開各組電阻爐，按參數(shù)設定不同電阻爐升溫及降溫程序溫度曲線;對所需研究金屬試樣進行不同程序升溫、保溫和冷卻；步驟四:按步驟三在試樣升溫、保溫和冷卻的過程中設定施加不同參數(shù)電流處理，同時所述溫度采用溫度采集記錄儀實時監(jiān)控待測的金屬熔體內(nèi)部監(jiān)測點的溫度測量值，并輸出溫度測量信息。
[0012]本發(fā)明的積極進步效果在于:本發(fā)明可用于快速篩選最優(yōu)電流施加工藝參數(shù)，省去了澆注步驟，省去了多次實驗過程中操作不確定性因素，也避免了實驗過程中參數(shù)的波動不穩(wěn)定而帶來的溫度誤差;本發(fā)明所提供的裝置采用統(tǒng)一集中測溫，統(tǒng)一外場電流參數(shù)處理減少了實驗參數(shù)的波動，能更準確地測得電流處理金屬熔體下溫度的研究，結構簡單， 成本低?！靖綀D說明】
[0013]圖1為本發(fā)明電流高通量制備金屬凝固和熱處理試樣的裝置的結構示意圖。
[0014]圖2上下變直徑電極串聯(lián)施加電流高通量制備凝固金屬試樣裝置示意圖。
[0015]圖3平行變直徑電極串聯(lián)施加電流高通量制備凝固金屬試樣裝置示意圖。【具體實施方式】
[0016]下面結合附圖給出本發(fā)明較佳實施例，以詳細說明本發(fā)明的技術方案。
[0017]如圖1所示，本發(fā)明電流高通量制備金屬凝固和熱處理試樣的裝置包括電源1、電極2、電阻爐3、坩堝4、測溫元件5,采用串聯(lián)方式將多組坩堝4和測溫元件5置于電阻爐中，對金屬試樣統(tǒng)一同時控制加熱及冷卻，采用不同電極2設置于坩堝4的上下位置，測溫元件5置于坩堝4內(nèi)以便精準測量出試樣實驗溫度;電極將電流導入金屬試樣中。[〇〇18] 電源提供電流強度0-10000A的直流電，或者電流強度0-10000A、頻率0-2000HZ的交流電，或者電流強度0-10000A、頻率O-lOOOOHz、脈寬O-lOOs的脈沖電流，提供的電流范圍廣，方便使用。[〇〇19]電極以平行或者上下的方式來導入電流，這樣防止產(chǎn)生干擾。
[0020]電阻爐根據(jù)設定的加熱速率和降溫速率進行加熱或冷卻，加熱速率范圍為1-100 °C/s，降溫速率范圍為0-100 °C/s，這樣提高加熱速度或冷卻速度。
[0021]本發(fā)明可控制不同多組處理參數(shù)電流；同時，試樣可同時采取多種不同性質(zhì)，不同材質(zhì)金屬；以及設置不同電極位置制備金屬凝固和熱處理試樣。
[0022]測溫元件可以是一個溫度采集記錄儀，實時監(jiān)控待測的金屬熔體內(nèi)部監(jiān)測點的溫度測量值，并輸出溫度測量信息。[〇〇23]本發(fā)明電流高通量制備金屬凝固和熱處理試樣的方法包括以下步驟:步驟一:在坩堝中加入需要處理的同種或不同種金屬母材。
[0024]步驟二:選用不同研究參數(shù)對象電極(電極材質(zhì)，電極橫截面直徑等)和金屬母材裝置好，置于不同電阻爐內(nèi)。[〇〇25]步驟三:分別打開各組電阻爐，按參數(shù)設定不同電阻爐升溫及降溫程序溫度曲線 (1號位電阻爐加熱速率15 °e/s，降溫速率10 °e/s ;2號位電阻爐加熱速率15 °e/s，降溫速率 15°G/s ;三號位電阻爐加熱速率15°7s，降溫速率20°C/s等，以此類推)對所需研究金屬試樣進行不同程序升溫、保溫和冷卻。[〇〇26]步驟四:按步驟三在試樣升溫、保溫和冷卻的過程中設定施加不同電流參數(shù)(頻率，大小等)處理，同時所述溫度采用溫度采集儀記錄實時監(jiān)控待測的金屬熔體內(nèi)部監(jiān)測點的溫度測量值，并輸出溫度測量信息。
[0027]以鋁硅合金為材料，實施例1具體步驟如下:S11、在坩堝中加入需要處理的鋁硅合金。
[0028] S12、在每個試樣中放置不同直徑的不銹鋼平行電極，平行電極之間為串聯(lián)連接 (如圖3所示)，置于不同電阻爐內(nèi)。
[0029] S13、分別打開各組電阻爐，按參數(shù)設定不同電阻爐升溫及降溫程序溫度曲線(各電阻爐加熱速率10 °7s升溫至700°C，保溫30分鐘，2°C/s降溫速率，與此同時施加100A直流電直至鋁硅合金試樣凝固)。[〇〇3〇] S14、采用溫度采集記錄儀(一種測溫元件)實時監(jiān)控待測的金屬熔體內(nèi)部監(jiān)測點的溫度測量值，并輸出溫度測量信息;冷卻取出試樣進行金相分析，統(tǒng)計對比晶粒尺寸，得出所需優(yōu)化參數(shù)。[0031 ]以不銹鋼合金為實驗材料，實施例2，具體步驟如下:S21、在坩堝中加入不同直徑的不銹鋼合金母材。
[0032] S22、在每個試樣上下兩端放置等直徑的不銹鋼電極，電極之間為串聯(lián)連接，置于不同電阻爐內(nèi)。
[0033] S23、分別打開各組電阻爐，按參數(shù)設定不同電阻爐升溫及降溫程序溫度曲線(各電阻爐加熱速率5 °e/s升溫至900°C，恒溫30分鐘，2°C/s降溫速率，與此同時施加100A直流電直至溫度降至l〇〇°C。)S24、采用溫度采集記錄儀(一種測溫元件)實時監(jiān)控待測的金屬熔體內(nèi)部監(jiān)測點的溫度測量值，并輸出溫度測量信息;冷卻取出試樣進行拉伸分析，對比屈服強度，得出所需優(yōu)化參數(shù)。[〇〇34]本發(fā)明將通過串聯(lián)試樣的方式在同等條件下批量處理金屬試樣，已達到快速篩選最優(yōu)工藝參數(shù)的目的。本發(fā)明通過導線將每個試樣進行串聯(lián)，調(diào)整電極直徑或者試樣直徑來改變輸入電流的密度，進而以高通量的方式在不同電流密度條件下批量制備出凝固或熱處理試樣。本發(fā)明可用于快速篩選最優(yōu)電流施加工藝參數(shù)。
[0035]以上所述的具體實施例，對本發(fā)明的解決的技術問題、技術方案和有益效果進行了進一步詳細說明，所應理解的是，以上所述僅為本發(fā)明的具體實施例而已，并不用于限制本發(fā)明，凡在本發(fā)明的精神和原則之內(nèi)，所做的任何修改、等同替換、改進等，均應包含在本發(fā)明的保護范圍之內(nèi)。
【主權項】
1.一種電流高通量制備金屬凝固和熱處理試樣的裝置，其特征在于，所述電流高通量 制備金屬凝固和熱處理試樣的裝置包括電源、電極、電阻爐、坩堝、測溫元件，采用串聯(lián)方式 將坩堝和測溫元件置于電阻爐中，對金屬試樣統(tǒng)一同時控制加熱及冷卻，采用不同電極設 置于坩堝的上下位置，測溫元件置于坩堝內(nèi)以便精準測量出試樣實驗溫度；電極將電流導 入金屬試樣中。2.如權利要求1所述的電流高通量制備金屬凝固和熱處理試樣的裝置，其特征在于，所 述電源提供電流強度0-10000A的直流電，或者電流強度0-10000A、頻率0-2000HZ的交流電， 或者電流強度0-10000A、頻率O-lOOOOHz、脈寬0-100s的脈沖電流。3.如權利要求1所述的電流高通量制備金屬凝固和熱處理試樣的裝置，其特征在于，所 述電極以平行或者上下的方式來導入電流。4.如權利要求1所述的電流高通量制備金屬凝固和熱處理試樣的裝置，其特征在于，所 述電阻爐根據(jù)設定的加熱速率和降溫速率進行加熱或冷卻，加熱速率范圍為1-100 °C/s， 降溫速率范圍為0-100 °C/s。5.如權利要求1所述的電流高通量制備金屬凝固和熱處理試樣的裝置，其特征在于，所 述電流高通量制備金屬凝固和熱處理試樣的裝置控制不同多組處理參數(shù)電流；同時，試樣 同時采取多種不同性質(zhì)，不同材質(zhì)金屬；以及設置不同電極位置制備金屬凝固和熱處理試 樣。6.如權利要求1所述的電流高通量制備金屬凝固和熱處理試樣的裝置，其特征在于，所 述測溫元件是一個溫度采集記錄儀，實時監(jiān)控待測的金屬熔體內(nèi)部監(jiān)測點的溫度測量值， 并輸出溫度測量信息。7.—種電流高通量制備金屬凝固和熱處理試樣的方法，其特征在于，其包括以下步驟:步驟一:在坩堝中加入需要處理的同種或不同種金屬母材；步驟二:選用不同研究參數(shù)對象電極和金屬母材裝置好，置于不同電阻爐內(nèi)；步驟三:分別打開各組電阻爐，按參數(shù)設定不同電阻爐升溫及降溫程序溫度曲線;對所 需研究金屬試樣進行不同程序升溫、保溫和冷卻；步驟四:按步驟三在試樣升溫、保溫和冷卻的過程中設定施加不同參數(shù)電流處理，同時 所述溫度采用溫度采集記錄實時監(jiān)控待測的金屬熔體內(nèi)部監(jiān)測點的溫度測量值，并輸出溫 度測量信息。
【文檔編號】C22F3/02GK105970134SQ201610284043
【公開日】2016年9月28日
【申請日】2016年5月4日
【發(fā)明人】翟啟杰, 張云虎, 孫杰, 仲紅剛, 徐智帥, 宋長江, 龔永勇, 李仁興, 李莉娟
【申請人】上海大學