一種適用于電流作用下類包晶合金模擬物定向凝固結(jié)晶器的制造方法
【專利摘要】一種適用于電流作用下類包晶合金模擬物定向凝固結(jié)晶器屬于電流作用下的類包晶模擬物定向凝固實驗裝置；由于采用熔區(qū)熱端紫銅導(dǎo)熱板和熔區(qū)冷端紫銅導(dǎo)熱板通過硅膠粘接的玻璃片連接，因此不僅可以保證融化區(qū)域的密封性，有利于在融化區(qū)域兩端形成一個穩(wěn)定的溫度梯度GT，而且還避免了側(cè)向散熱，同時與以往機械連接制造的結(jié)晶器相比，該結(jié)晶器更能精準(zhǔn)的控制定向凝固過程中的溫度梯度，解決了電流作用下高熔點類合金模擬物的定向凝固實驗和實時觀察問題。
【專利說明】一種適用于電流作用下類包晶合金模擬物定向凝固結(jié)晶器【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001]一種適用于電流作用下類包晶合金模擬物定向凝固結(jié)晶器屬于電流作用下類包晶合金模擬物定向凝固的實驗裝置。
【背景技術(shù)】
[0002]在眾多的金屬間化合物中，具有多個包晶反應(yīng)的TiAl基合金由于其比強度高、比剛度高以及高溫抗氧化性、抗蠕變性和抗氫脆性良好等特征，使其成為優(yōu)秀的耐熱輕質(zhì)材料，在提升發(fā)動機工作效率等方面將具有很大的應(yīng)用潛力。但是TiAl基合金的室溫塑性差，是限制TiAl基合金推廣和應(yīng)用的主要障礙。目前控制合金材料的凝固過程是提高鑄件性能和開發(fā)新型材料的重要手段，在近年出現(xiàn)的許多新型凝固技術(shù)中，通過將電場、磁場和微重力場等外場引入到凝固過程，將有助于提升現(xiàn)有合金材料的性能，其中電流凝固技術(shù)就是相對比較活躍的研究領(lǐng)域，但是目前的工作大多集中于電流對低熔點合金凝固過程的影響，對于熔點較高和活性較大的TiAl合金這類鈦基合金則涉及較少。
[0003]目前，人們結(jié)合傳質(zhì)學(xué)、傳熱學(xué)以及固液界面凝固動力學(xué)等方面的知識，采用計算機數(shù)值模擬仿真技術(shù)對凝固過程進行了深入的研究，但是對于金屬實際凝固過程的直接實驗觀察驗證則一直停滯不前，這主要是由于金屬凝固過程的溫度相對較高，對其進行原位觀察所需要的設(shè)備要求也非?？量?。雖然現(xiàn)在有學(xué)者利用X射線同步輻射技術(shù)對金屬及其合金的凝固過程進行了實時記錄，但僅僅是對一些低熔點的合金進行了凝固過程的實時觀察，使得研究的局限性較大。類合金有機物具有透明的優(yōu)良光學(xué)特性以及較低的熔化溫度，在常規(guī)條件下就可以對其凝固過程進行實時觀察。另外類合金有機物在凝固規(guī)律上與金屬液體的凝固規(guī)律具有一定的相似性，這可為通過原位觀測類合金有機物的凝固過程，研究類似合金的具體凝固過程提供必要的參考數(shù)據(jù)。為了能夠更加直觀地了解電流對包晶TiAl基合金定向凝固過程的影響，本發(fā)明采用一種透明AMPD-SCN包晶有機物近似代替實際中所采用的TiAl基合金，進行了其凝固過程的物理模擬。從AMPD-SCN 二元相圖分析此有機物的包晶反應(yīng)發(fā)生在5.lat%SCN的成分點，其包晶反應(yīng)溫度為81.4°C。而且在
0.0019&七％至21.18七％的范圍內(nèi)，該有機物都將發(fā)生三相平衡的包晶反應(yīng)。本發(fā)明選用成分為AMPD-4.1%SCN，其液相線溫度達到100°C以上，超過常規(guī)加熱介質(zhì)即沸水的極限溫度，因此具有更高溫度加熱能力和高效率的定向凝固型結(jié)晶器，是保證高熔化溫度類包晶合金模擬物順利進行定向凝固的關(guān)鍵裝置。
[0004]丁宏升等人申請的發(fā)明專利《一種電效應(yīng)驅(qū)動凝固結(jié)晶過程的裝置》，申請?zhí)?201010184719.7中公開了一種在電效應(yīng)驅(qū)動作用下的凝固結(jié)晶裝置，其中涉及到了一種結(jié)晶器。然而該結(jié)晶器采用機械連接的結(jié)構(gòu)，使得融化區(qū)域的封閉性得不到保證，并且采用熱水為加熱工質(zhì)，不利于在融化區(qū)域兩端形成更大的溫度梯度Gt，而且還存在側(cè)向散熱的問題，這些問題又會造成定向凝固過程中的溫度梯度不能被準(zhǔn)確控制，導(dǎo)致電場作用下類包晶合金模擬物定向凝固過程的不穩(wěn)定因素加大。
【發(fā)明內(nèi)容】

[0005]為了解決上述問題，本發(fā)明設(shè)計了一種適用于電流作用下的類包晶合金模擬物定向凝固結(jié)晶器，該結(jié)晶器不僅可以保證融化區(qū)域的密封性，有利于在融化區(qū)域兩端形成一個穩(wěn)定的溫度梯度Gt，而且還避免了側(cè)向散熱，同時與以往機械連接制造的結(jié)晶器相比，該結(jié)晶器更能精準(zhǔn)的控制定向凝固過程中的溫度梯度，解決了電流作用下高熔點類合金模擬物的定向凝固實驗和實時觀察問題。
[0006]本發(fā)明的目的是這樣實現(xiàn)的:
一種適用于電流作用下類包晶合金模擬物定向凝固結(jié)晶器，包括對稱設(shè)置的熔區(qū)熱端紫銅導(dǎo)熱板和熔區(qū)冷端紫銅導(dǎo)熱板，熔區(qū)熱端紫銅導(dǎo)熱板和熔區(qū)冷端紫銅導(dǎo)熱板通過硅膠粘接的玻璃片連接，所述的玻璃片中間部分設(shè)置有融化區(qū)域；所述的熔區(qū)熱端紫銅導(dǎo)熱板上設(shè)置有熔區(qū)熱端紫銅電極接線柱，端部通過硅膠粘接有熱端液體流通傳熱塊，熱端液體流通傳熱塊上連接熱端液體循環(huán)皮管，所述的熱端液體循環(huán)皮管包括上下配置的熱端上油管和熱端下油管，熱端上油管在上，熱端下油管在下；所述的熔區(qū)冷端紫銅導(dǎo)熱板上設(shè)置有熔區(qū)冷端紫銅電極接線柱，端部通過硅膠粘接有冷端液體流通傳熱塊，冷端液體流通傳熱塊上連接冷端液體循環(huán)皮管；所述的冷端液體循環(huán)皮管包括上下配置的冷端上油管和冷端下油管，冷端上油管在上，冷端下油管在下。
[0007]上述的一種適用于電流作用下類包晶合金模擬物定向凝固結(jié)晶器，所述的熱端液體循環(huán)皮管的熱端上油管和熱端下油管均浸入盛有熱端加熱用食用色拉油的熱端油槽中，熱端上油管上安裝有熱端液體循環(huán)油泵；熱端油槽中設(shè)置有熔區(qū)熱端油浴加熱器和熔區(qū)熱端測溫?zé)犭娕?；所述的冷端液體循環(huán)皮管的冷端上油管和冷端下油管均浸入盛有冷端加熱用食用色拉油的 冷端油槽中，冷端上油管上安裝有冷端液體循環(huán)油泵；冷端油槽中設(shè)置有熔區(qū)冷端油浴加熱器和熔區(qū)冷端測溫?zé)犭娕肌?br> [0008]所述的熱端加熱用食用色拉油的沸點為230°C ;冷端加熱用食用色拉油的沸點為230。。。
[0009]所述的熱端液體循環(huán)油泵和冷端液體循環(huán)油泵規(guī)格相同。
[0010]所述的熱端液體循環(huán)油泵和冷端液體循環(huán)油泵的額定功率均為8W，熱端加熱用食用色拉油和冷端加熱用食用色拉油的流動速度均為1.5m.s'
[0011]上述的一種適用于電流作用下類包晶合金模擬物定向凝固結(jié)晶器，在熔區(qū)熱端紫銅電極接線柱和熔區(qū)冷端紫銅電極接線柱之間連接有電場發(fā)生系統(tǒng)，所述的電場發(fā)生系統(tǒng)包括直流電源和靈敏電流計；在熔區(qū)熱端紫銅導(dǎo)熱板和熔區(qū)冷端紫銅導(dǎo)熱板連接部分上方設(shè)置有金相顯微鏡和CXD成像儀，所述的CXD成像儀通過USB接口連接計算機。
[0012]所述的直流電源為WYJ-60V150A直流穩(wěn)壓電源；
所述的金相顯微鏡為MM-1C透、反射正置型金相顯微鏡；
所述的CXD成像儀最高分辨率為2048 X 1536，圖像采集速度為I張/s ;
所述的計算機為臺式計算機、筆記本電腦、單片機、DSP或ARM。
[0013]上述的一種適用于電流作用下類包晶合金模擬物定向凝固結(jié)晶器，表面加工尺寸精度為IT5。
[0014]由于本發(fā)明由于采用熔區(qū)熱端紫銅導(dǎo)熱板和熔區(qū)冷端紫銅導(dǎo)熱板通過硅膠粘接的玻璃片連接，因此不僅可以保證融化區(qū)域的密封性，有利于在融化區(qū)域兩端形成一個穩(wěn)定的溫度梯度Gt，而且還避免了側(cè)向散熱，同時與以往機械連接制造的結(jié)晶器相比，該結(jié)晶器更能精準(zhǔn)的控制定向凝固過程中的溫度梯度，解決了電流作用下高熔點類合金模擬物的定向凝固實驗和實時觀察問題。
【專利附圖】

【附圖說明】
[0015]圖1是本發(fā)明結(jié)晶器的結(jié)構(gòu)示意圖。
[0016]圖2是本發(fā)明結(jié)晶器與熱/冷端油浴循環(huán)溫度控制系統(tǒng)連接后的結(jié)構(gòu)示意圖。
[0017]圖3是本發(fā)明結(jié)晶器與電場發(fā)生系統(tǒng)和顯微成像系統(tǒng)連接后的結(jié)構(gòu)示意圖。
[0018]圖4是電流作用下類包晶合金模擬物定向凝固穩(wěn)定生長區(qū)中各相結(jié)晶生長形貌(t=0s)o
[0019]圖5是電流作用下類包晶合金模擬物定向凝固穩(wěn)定生長區(qū)中各相結(jié)晶生長形貌(t=3s)0
[0020]圖6是電流作用下類包晶合金模擬物定向凝固穩(wěn)定生長區(qū)中各相結(jié)晶生長形貌(t=6s)。
[0021]圖7是電流作用下類包晶合金模擬物定向凝固穩(wěn)定生長區(qū)中各相結(jié)晶生長形貌(t=9s)。
[0022]圖中:1熔區(qū)熱端紫銅導(dǎo)熱板、2玻璃片、3熔區(qū)熱端紫銅電極接線柱、4熱端液體流通傳熱塊、51熱端液體循環(huán)皮管、52冷端液體循環(huán)皮管、6熱端液體循環(huán)油泵、71熔區(qū)熱端油浴加熱器、72熔區(qū)熱端測溫?zé)犭娕肌?熱端加熱用食用色拉油、9融化區(qū)域、10熔區(qū)冷端紫銅導(dǎo)熱板、11熔區(qū)冷端紫銅電極接線柱、12冷端`液體流通傳熱塊、131熔區(qū)冷端油浴加熱器、132熔區(qū)冷端測溫?zé)犭娕肌?4冷端加熱用食用色拉油、15冷端液體循環(huán)油泵、171金相顯微鏡、172CXD成像儀、19直流電源、20USB接口、21計算機、24靈敏電流計。
【具體實施方式】
[0023]下面結(jié)合附圖對本發(fā)明【具體實施方式】作進一步詳細(xì)描述。
[0024]本實施例的適用于電流作用下類包晶合金模擬物定向凝固結(jié)晶器結(jié)構(gòu)示意圖如圖1所示，該結(jié)晶器包括對稱設(shè)置的熔區(qū)熱端紫銅導(dǎo)熱板I和熔區(qū)冷端紫銅導(dǎo)熱板10，熔區(qū)熱端紫銅導(dǎo)熱板I和熔區(qū)冷端紫銅導(dǎo)熱板10通過硅膠粘接的玻璃片2連接，所述的玻璃片2中間部分設(shè)置有融化區(qū)域9 ;所述的熔區(qū)熱端紫銅導(dǎo)熱板I上設(shè)置有熔區(qū)熱端紫銅電極接線柱3，端部通過硅膠粘接有熱端液體流通傳熱塊4，熱端液體流通傳熱塊4上連接熱端液體循環(huán)皮管51，所述的熱端液體循環(huán)皮管51包括上下配置的熱端上油管和熱端下油管，熱端上油管在上，熱端下油管在下；所述的熔區(qū)冷端紫銅導(dǎo)熱板10上設(shè)置有熔區(qū)冷端紫銅電極接線柱11，端部通過硅膠粘接有冷端液體流通傳熱塊12，冷端液體流通傳熱塊12上連接冷端液體循環(huán)皮管52 ;所述的冷端液體循環(huán)皮管52包括上下配置的冷端上油管和冷端下油管，冷端上油管在上，冷端下油管在下。
[0025]在使用的過程中，本發(fā)明結(jié)晶器還要與熱端油浴循環(huán)溫度控制系統(tǒng)與冷端油浴循環(huán)溫度控制系統(tǒng)相連接。連接熱端油浴循環(huán)溫度控制系統(tǒng)與冷端油浴循環(huán)溫度控制系統(tǒng)后的結(jié)構(gòu)示意圖如圖2所示。
[0026]所述的熱端液體循環(huán)皮管51的熱端上油管和熱端下油管均浸入盛有熱端加熱用食用色拉油8的熱端油槽中，熱端上油管上安裝有熱端液體循環(huán)油泵6 ;熱端油槽中設(shè)置有熔區(qū)熱端油浴加熱器71和熔區(qū)熱端測溫?zé)犭娕?2 ；
所述的冷端液體循環(huán)皮管52的冷端上油管和冷端下油管均浸入盛有冷端加熱用食用色拉油14的冷端油槽中，冷端上油管上安裝有冷端液體循環(huán)油泵15 ;冷端油槽中設(shè)置有熔區(qū)冷端油浴加熱器131和熔區(qū)冷端測溫?zé)犭娕?32。
[0027]其中:所述的熱端加熱用食用色拉油8的沸點為230°C;冷端加熱用食用色拉油14的沸點為230°C。
[0028]所述的熱端液體循環(huán)油泵6和冷端液體循環(huán)油泵15規(guī)格相同，額定功率均為8W，使熱端加熱用食用色拉油8和冷端加熱用食用色拉油14的流動速度均為1.5m.s'
[0029]在使用的過程中，本發(fā)明結(jié)晶器還要連接電場發(fā)生系統(tǒng)和顯微成像系統(tǒng)，如圖3所示。具體為:在熔區(qū)熱端紫銅電極接線柱3和熔區(qū)冷端紫銅電極接線柱11之間連接有電場發(fā)生系統(tǒng)，所述的電場發(fā)生系統(tǒng)包括直流電源19和靈敏電流計24 ;在熔區(qū)熱端紫銅導(dǎo)熱板I和熔區(qū)冷端紫銅導(dǎo)熱板10連接部分上方設(shè)置有金相顯微鏡171和CXD成像儀172，所述的CXD成像儀172通過USB接口 20連接計算機21。
[0030]所述的直流電源19為WYJ-60V150A直流穩(wěn)壓電源；
所述的金相顯微鏡171為MM-1C透、反射正置型金相顯微鏡；
所述的CXD成像儀172最高分辨率為2048 X 1536，圖像采集速度為I張/s ;
所述的計算機21為臺式計算機、筆記本電腦、單片機、DSP或ARM。
[0031]上述適用于電流作用下類包晶合金模擬物定向凝固結(jié)晶器，表面加工尺寸精度為IT5。
[0032]本發(fā)明結(jié)晶器的工作原理如下:
本實驗用的定向凝固結(jié)晶器最終要使融化區(qū)域9兩端形成一個溫度梯度GT，融化區(qū)域9的熱端通過熱端液體流通傳熱塊4、熱端液體循環(huán)皮管51、冷端液體循環(huán)皮管52、熱端液體循環(huán)油泵6、熔區(qū)熱端油浴加熱器71、熔區(qū)熱端測溫?zé)犭娕?2、熱端加熱用食用色拉油8提供熱源；融化區(qū)域9的冷端通過冷端液體流通傳熱塊12、熔區(qū)冷端油浴加熱器131、熔區(qū)冷端測溫?zé)犭娕?32、冷端加熱用食用色拉油14、冷端液體循環(huán)油泵15提供熱源。其中熱端液體流通傳熱塊4與冷端液體流通傳熱塊12內(nèi)部均有U型腔，以保證傳熱塊充分受熱。
[0033]由于本實驗所用到的亞包晶合金模擬物的熔點在100°C以上，所以熱端加熱用食用色拉油8以及冷端加熱用食用色拉油14采用沸點為230°C的食用色拉油,這樣可以使受熱液體達到100°C以上的溫度，從而保證亞包晶合金模擬物能夠熔化，和滿足亞包晶合金模擬物定向凝固生長所需的溫度梯度Gt以及一定的過熱度。
[0034]定向凝固結(jié)晶器除了要保證一定的溫度梯度，還需要避免側(cè)向散熱，本實驗的結(jié)晶器上的融化區(qū)域9側(cè)向的玻璃片2是通過導(dǎo)熱硅膠與載玻片粘連的。由于導(dǎo)熱硅膠在280°C以內(nèi)具有良好的傳熱性，所以可以充分保證在融化區(qū)域9兩側(cè)在縱向方向上與融化區(qū)域9內(nèi)保持相同的溫度梯度，這對保證合金模擬物按照溫度梯度的方向生長具有非常重要的意義。另一方面導(dǎo)熱硅膠絕緣性非常好，這樣就避免了熱端的正極與冷端的負(fù)極不被短路。
[0035]由于本發(fā)明由于采用熔區(qū)熱端紫銅導(dǎo)熱板和熔區(qū)冷端紫銅導(dǎo)熱板通過硅膠粘接的玻璃片連接，因此不僅可以保證融化區(qū)域9的密封性，有利于在融化區(qū)域9兩端形成一個穩(wěn)定的溫度梯度Gt，而且還避免了側(cè)向散熱，同時與以往機械連接制造的結(jié)晶器相比，該結(jié)晶器更能精準(zhǔn)的控制定向凝固過程中的溫度梯度，解決了電流作用下高熔點類合金模擬物的定向凝固實驗和實時觀察問題。為電流作用下的物理模擬定向?qū)嶒灥捻樌M行提供了一個十分良好的研究平臺。
[0036]使用本發(fā)明結(jié)晶器，在0.2mA.πιπ-2的直流電流作用下，對AMPD-4.lat%SCN類包晶合金模擬物進行定向凝固結(jié)晶，得到的結(jié)果按照時間順序，在0s、3s、6s和9s的結(jié)果分別如圖4、圖5、圖6、圖7所示。
[0037]最先形成的包晶β相枝晶主軸的前端出現(xiàn)了分叉，使得一次枝晶變得更細(xì)，這是由于在電流作用下溶質(zhì)SCN在固液界面前端發(fā)生了溶質(zhì)富集，增加了固液界面前端的成分過冷現(xiàn)象，從而造成了界面穩(wěn)定性降低，促進了分支。
【權(quán)利要求】
1.一種適用于電流作用下類包晶合金模擬物定向凝固結(jié)晶器，其特征在于，包括對稱設(shè)置的熔區(qū)熱端紫銅導(dǎo)熱板(I)和熔區(qū)冷端紫銅導(dǎo)熱板(10)，熔區(qū)熱端紫銅導(dǎo)熱板(I)和熔區(qū)冷端紫銅導(dǎo)熱板(10)通過硅膠粘接的玻璃片(2)連接，所述的玻璃片(2)中間部分設(shè)置有融化區(qū)域(9);所述的熔區(qū)熱端紫銅導(dǎo)熱板(I)上設(shè)置有熔區(qū)熱端紫銅電極接線柱(3)，端部通過硅膠粘接有熱端液體流通傳熱塊(4)，熱端液體流通傳熱塊(4)上連接熱端液體循環(huán)皮管(51)，所述的熱端液體循環(huán)皮管(51)包括上下配置的熱端上油管和熱端下油管，熱端上油管在上，熱端下油管在下；所述的熔區(qū)冷端紫銅導(dǎo)熱板(10)上設(shè)置有熔區(qū)冷端紫銅電極接線柱(11 )，端部通過硅膠粘接有冷端液體流通傳熱塊(12)，冷端液體流通傳熱塊(12)上連接冷端液體循環(huán)皮管(52);所述的冷端液體循環(huán)皮管(52)包括上下配置的冷端上油管和冷端下油管，冷端上油管在上，冷端下油管在下。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種適用于電流作用下類包晶合金模擬物定向凝固結(jié)晶器，其特征在于，所述的熱端液體循環(huán)皮管(51)的熱端上油管和熱端下油管均浸入盛有熱端加熱用食用色拉油(8)的熱端油槽中，熱端上油管上安裝有熱端液體循環(huán)油泵(6);熱端油槽中設(shè)置有熔區(qū)熱端油浴加熱器(71)和熔區(qū)熱端測溫?zé)犭娕?72);所述的冷端液體循環(huán)皮管(52)的冷端上油管和冷端下油管均浸入盛有冷端加熱用食用色拉油(14)的冷端油槽中，冷端上油管上安裝有冷端液體循環(huán)油泵(15);冷端油槽中設(shè)置有熔區(qū)冷端油浴加熱器(131)和熔區(qū)冷端測溫?zé)犭娕?132)。
3.根據(jù)權(quán)利要求2所述的一種適用于電流作用下類包晶合金模擬物定向凝固結(jié)晶器，其特征在于，所述的熱端加熱用食用色拉油(8)的沸點為230°C ;冷端加熱用食用色拉油(14)的沸點為2300C ο
4.根據(jù)權(quán)利要求2所述的一種適用于電流作用下類包晶合金模擬物定向凝固結(jié)晶器，其特征在于，所述的熱端液體循環(huán)油泵(6)和冷端液體循環(huán)油泵(15)規(guī)格相同。
5.根據(jù)權(quán)利要求4所述的一 種適用于電流作用下類包晶合金模擬物定向凝固結(jié)晶器，其特征在于，所述的熱端液體循環(huán)油泵(6)和冷端液體循環(huán)油泵(15)的額定功率均為8W，熱端加熱用食用色拉油(8)和冷端加熱用食用色拉油(14)的流動速度均為1.5m.s'
6.根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種適用于電流作用下類包晶合金模擬物定向凝固結(jié)晶器，其特征在于，在熔區(qū)熱端紫銅電極接線柱(3)和熔區(qū)冷端紫銅電極接線柱(11)之間連接有電場發(fā)生系統(tǒng)，所述的電場發(fā)生系統(tǒng)包括直流電源(19)和靈敏電流計(24);在熔區(qū)熱端紫銅導(dǎo)熱板(I)和熔區(qū)冷端紫銅導(dǎo)熱板(10)連接部分上方設(shè)置有金相顯微鏡(171)和CCD成像儀(172)，所述的CCD成像儀(172)通過USB接口(20)連接計算機(21)。
7.根據(jù)權(quán)利要求6所述的一種適用于電流作用下類包晶合金模擬物定向凝固結(jié)晶器，其特征在于， 所述的直流電源(19)為WYJ-60V150A直流穩(wěn)壓電源； 所述的金相顯微鏡(171)為MM-1C透、反射正置型金相顯微鏡； 所述的CXD成像儀(172)最高分辨率為2048X 1536，圖像采集速度為I張/s ; 所述的計算機(21)為臺式計算機、筆記本電腦、單片機、DSP或ARM。
8.根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種適用于電流作用下類包晶合金模擬物定向凝固結(jié)晶器，其特征在于，表面加工尺寸精度為IT5。
【文檔編號】C30B30/02GK103510152SQ201310453384
【公開日】2014年1月15日 申請日期:2013年9月29日 優(yōu)先權(quán)日:2013年9月29日
【發(fā)明者】丁宏升, 孫宏喆, 陳占興, 王永喆, 王國田 申請人:哈爾濱工業(yè)大學(xué)