一种玻璃包覆悬浮深过冷快速定向凝固装置及其凝固方法制造方法及图纸

本发明专利技术公开了一种玻璃包覆悬浮深过冷快速定向凝固装置及其凝固方法。凝固装置包括封闭炉体，封闭炉体内设有玻璃管、玻璃管夹持器、滚珠丝杠、感应加热器、隔热模壳和水冷铜模。将封闭炉体内的玻璃管置于夹持器上，夹持器由滚珠丝杠带动；玻璃管内装有合金原料，玻璃管封闭端处于加热器内轴线位置上；安装后将封闭炉体抽真空并充入氩气；启动加热器的电源加热使合金原料悬浮熔化，并净化合金熔体，继续加热使合金熔体过热；调低加热器的电流得到深过冷合金熔体；深过冷合金熔体在重力的作用下进入由水冷铜模和隔热模壳形成的型腔，实现块体样品的快速单向生长。本发明专利技术操作过程不使用昂贵的Ga‑In‑Sn液态合金，生产成本低，操作简单方便。

A suspension of glass coated high undercooling rapid directional solidification device and solidification method

The invention discloses a suspended undercooling rapid directional solidification device and solidification method of glass coated. The solidification device comprises a closed furnace body, the furnace body is provided with a sealed glass tube, glass tube holder, ball screw, induction heater, heat insulation shell and water-cooled. The sealed glass tube is arranged in the furnace body holder, the holder is driven by ball screw; glass tube containing alloy material, the glass tube at the closed end of the axis position in the heater; after the installation of the closed furnace vacuum and filled with argon; start power heating heater to alloy material suspension melting, and purification of alloy melt, continue to heat the alloy melt overheating; current lower heaters are highly Undercooled Alloy Melt; Undercooled Alloy Melt into the cavity formed by the water-cooled copper mold and the mold shell insulation under the action of gravity, to achieve rapid unidirectional growth of bulk samples. The operational process of the invention does not use the Ga In Sn liquid alloy is expensive, low production cost, simple and convenient operation.

【技术实现步骤摘要】
一种玻璃包覆悬浮深过冷快速定向凝固装置及其凝固方法
本专利技术涉及一种深过冷定向凝固技术，属于金属材料制备加工
具体涉及一种玻璃包覆悬浮深过冷快速定向凝固装置及凝固方法。
技术介绍
超细柱状晶组织融合了细晶和柱状晶的特点，表现出优异的力学性能。如具有超细柱状晶的低合金钢，其抗拉强度、延伸率和室温冲击韧性分别高达1.84GPa、15%和226J，其韧性比铸态试样提高16倍（Y.Kimura,T.Inoue,F.Yin,K.Tsuzaki.Inversetemperaturedependenceoftoughnessinanultrafinegrain-structuresteel.Science,2008,320:1057-1060）。目前，超细柱状晶组织主要通过轧制和拉拔技术获得，其成形加工工艺复杂、生产成本也比较高，并且对一些难加工尤其是脆性合金材料适用性差。作为一种控制晶体取向的手段，定向凝固技术可在固相和液相中建立起特定方向的温度梯度，从而使熔体沿着与热流相反的方向凝固，一次形成柱状晶组织。然而，传统的定向凝固技术获得的冷却速率十分有限，所制备样品的柱状晶组织也比较粗大。快速定向凝固技术兼备了快速凝固和定向凝固的优点，可以获得超细柱状晶组织。作为常规快速凝固技术，熔体快淬法在一定的工艺条件下可以获得主轴垂直于带面的径向尺寸细小的柱状晶，但样品的厚度一般不超过0.5mm，严重阻碍其应用和发展。深过冷快速定向凝固技术在形核前可获得很大的过冷度，有效克服了熔体快淬法存在的不足，能生长出足够长的样品（李军正，黄斌，李建国.基于Co-Ni-Ga铁磁形状记忆合金的深过冷定向凝固棒材及其制备方法.专利号：CN201010292281.4，授权日：2011年01月05）。该技术将金属用玻璃净化剂包覆后置于石英坩埚中加热融化获得深过冷熔体，然后用Ga-In-Sn液态合金激发石英坩埚底部实现快速定向凝固。但是，由于被玻璃净化剂包覆的熔融金属在坩埚底部缺乏异质核心，该方法难以获得细柱状晶；此外，该制备过程中熔融金属与Ga-In-Sn之间隔着石英坩埚和玻璃净化剂，二者都是热的不良导体，不利于激发快速定向凝固。
技术实现思路
本专利技术要解决的技术问题是：针对现有深过冷快速定向凝固技术难以获得细柱状晶以及激发困难的缺陷，本专利技术提供一种玻璃包覆悬浮深过冷快速定向凝固装置及凝固方法。本专利技术技术方案不采用坩埚就可以将合金包覆在熔融玻璃内部而获得深过冷熔体，且合金熔体可以直接与铜模激发体接触，不但可以利用铜模壁提供的衬底获得细柱状晶，还易于实现块体样品的快速定向生长，生产成本低，操作简单方便。为了解决上述问题，本专利技术采取的技术方案为：本专利技术提供一种玻璃包覆悬浮深过冷快速定向凝固装置，所述深过冷快速定向凝固装置包括封闭炉体（1），封闭炉体（1）内设有一端封闭的玻璃管（2）、玻璃管夹持器（3）、滚珠丝杠（4）、感应加热器（5）、隔热模壳（6）和水冷铜模（7）；所述感应加热器（5）的上方设有一端封闭的玻璃管（2），玻璃管（2）通过玻璃管夹持器（3）控制上下移动，玻璃管夹持器（3）由滚珠丝杠（4）带动；在感应加热器（5）的下方设有隔热模壳（6），隔热模壳（6）下部设有水冷铜模（7）；所述隔热模壳（6）和水冷铜模（7）形成型腔。根据上述的玻璃包覆悬浮深过冷快速定向凝固装置，所述玻璃管（2）为高硼硅玻璃管；玻璃管（2）内装有合金原料。根据上述的玻璃包覆悬浮深过冷快速定向凝固装置，所述高硼硅玻璃管（2）的外直径为6～20mm，壁厚为0.5～3mm。根据上述的玻璃包覆悬浮深过冷快速定向凝固装置，所述感应加热器（5）由铜管绕制而成，呈圆锥形。根据上述的玻璃包覆悬浮深过冷快速定向凝固装置，所述感应加热器（5）的感应线圈匝数为3～6匝，圆锥形的锥角为60～150°。根据上述的玻璃包覆悬浮深过冷快速定向凝固装置，所述水冷铜模（7）呈盘形。另外，提供一种利用上述凝固装置进行玻璃包覆悬浮深过冷快速定向凝固方法，所述凝固方法包括以下步骤：a、将封闭炉体内部一下端封闭的玻璃管置于玻璃管夹持器上，玻璃管夹持器由滚珠丝杠带动；玻璃管内装有常规合金原料，玻璃管封闭端处于感应加热器内轴线位置上；各设备安装后将封闭炉体抽真空至10-3Pa，然后充入氩气至5×104Pa；b、启动感应加热器电源，提高感应加热器的电流至60～120A，玻璃管内的合金原料悬浮熔化，玻璃管与合金原料接触的部分逐渐软化并净化合金熔体；继续提高感应加热器的电流至100～150A，在此电流条件下合金熔体过热，保温2～4min；c、保温后降低感应加热器的电流至60～120A，在此电流条件下降低合金熔体的温度保温2～4min分钟；降温后再次提高感应加热器的电流至100～150A，使玻璃管内的合金熔体进行第二次过热，在此电流条件下保温2～4min分钟；d、步骤c第二次保温后，调低感应加热器的电流至60～110A，得到深过冷合金熔体；e、在步骤b至步骤d循环过热过程中以1mm·min-1的速度上下移动玻璃管夹持器的位置，使合金熔体处于玻璃管内的适当位置；最后关闭感应加热器电源，玻璃管内的深过冷合金熔体在重力的作用下进入下方由水冷铜模和隔热模壳形成的型腔，实现块体样品的快速单向生长，得到圆盘状样品。根据上述的玻璃包覆悬浮深过冷快速定向凝固方法，所述玻璃管为高硼硅玻璃管，高硼硅玻璃管的外直径为6～20mm，壁厚为0.5～3mm；玻璃管内装有常规合金原料。根据上述的玻璃包覆悬浮深过冷快速定向凝固方法，所述感应加热器由铜管绕制而成，呈圆锥形；所述感应加热器的感应线圈匝数为3～6匝，圆锥形的锥角为60～150°。根据上述的玻璃包覆悬浮深过冷快速定向凝固方法，所述水冷铜模（7）呈盘形。本专利技术的积极有益效果：1、与现有技术相比，本专利技术技术方案中不采用坩埚，就能够将合金包覆在熔融玻璃内部而获得深过冷熔体，且合金熔体能够直接与铜模激发体接触，不但可以利用铜模壁提供的衬底获得细柱状晶，还易于实现块体样品的快速定向生长，生产成本低，操作简单方便。2、本专利技术技术方案利用深过冷熔体与铜模激发体接触时铜模壁提供的衬底进行形核，易于获得细柱状晶；还可以在铜模表面刷形核涂料进一步细化柱状晶。3、本专利技术技术方案利用熔融玻璃粘度较大而合金溶液粘度小的特点，通过关闭感应加热器电源使合金熔体在重力作用下迅速进入隔热膜壳和水冷铜模形成的型腔，从而实现合金熔体与激发体直接接触、深过冷快速定向凝固的易于激发。4、本专利技术技术方案利用锥形感应加热器实现玻璃包覆悬浮深过冷处理，深过冷处理装置不使用石英坩埚，并且快速定向凝固激发过程中不使用昂贵的Ga-In-Sn液态合金，生产成本低，操作简单方便。附图说明：图1本专利技术玻璃包覆悬浮深过冷快速定向凝固装置的结构示意图。图1中：1为封闭炉体，2为一端封闭的玻璃管，3为玻璃管夹持器，4为滚珠丝杠，5为感应加热器，6为隔热模壳，7为水冷铜模。具体实施方式：以下结合实施例进一步阐述本专利技术，但并不限制本专利技术的内容。实施例1：参见附图1，本专利技术玻璃包覆悬浮深过冷快速定向凝固装置，包括封闭炉体（1），封闭炉体（1）内设有一端封闭的玻璃管（2）、玻璃管夹持器（3）、滚珠丝杠（4）、感应加热器（5）、隔热模壳（6）和水冷铜模本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种玻璃包覆悬浮深过冷快速定向凝固装置，其特征在于：所述深过冷快速定向凝固装置包括封闭炉体（1），封闭炉体（1）内设有一端封闭的玻璃管（2）、玻璃管夹持器（3）、滚珠丝杠（4）、感应加热器（5）、隔热模壳（6）和水冷铜模（7）；所述感应加热器（5）的上方设有一端封闭的玻璃管（2），玻璃管（2）通过玻璃管夹持器（3）控制上下移动，玻璃管夹持器（3）由滚珠丝杠（4）带动；在感应加热器（5）的下方设有隔热模壳（6），隔热模壳（6）下部设有水冷铜模（7）；所述隔热模壳（6）和水冷铜模（7）形成型腔。

【技术特征摘要】
1.一种玻璃包覆悬浮深过冷快速定向凝固装置，其特征在于：所述深过冷快速定向凝固装置包括封闭炉体（1），封闭炉体（1）内设有一端封闭的玻璃管（2）、玻璃管夹持器（3）、滚珠丝杠（4）、感应加热器（5）、隔热模壳（6）和水冷铜模（7）；所述感应加热器（5）的上方设有一端封闭的玻璃管（2），玻璃管（2）通过玻璃管夹持器（3）控制上下移动，玻璃管夹持器（3）由滚珠丝杠（4）带动；在感应加热器（5）的下方设有隔热模壳（6），隔热模壳（6）下部设有水冷铜模（7）；所述隔热模壳（6）和水冷铜模（7）形成型腔。2.根据权利要求1所述的玻璃包覆悬浮深过冷快速定向凝固装置，其特征在于：所述玻璃管（2）为高硼硅玻璃管；玻璃管（2）内装有合金原料。3.根据权利要求2所述的玻璃包覆悬浮深过冷快速定向凝固装置，其特征在于：所述高硼硅玻璃管（2）的外直径为6～20mm，壁厚为0.5～3mm。4.根据权利要求1所述的玻璃包覆悬浮深过冷快速定向凝固装置，其特征在于：所述感应加热器（5）由铜管绕制而成，呈圆锥形。5.根据权利要求4所述的玻璃包覆悬浮深过冷快速定向凝固装置，其特征在于：所述感应加热器（5）的感应线圈匝数为3～6匝，圆锥形的锥角为60～150°。6.根据权利要求1所述的玻璃包覆悬浮深过冷快速定向凝固装置，其特征在于：所述水冷铜模（7）呈盘形。7.一种利用权利要求1所述凝固装置进行玻璃包覆悬浮深过冷快速定向凝固方法，其特征在于，所述凝固方法包括以下步骤：a、将封闭炉体内部一下端封闭的玻璃管置于玻璃管夹持器上，玻璃管夹持器由滚珠丝杠带动；玻璃管内装有常规合金原料，玻璃管封闭端...

【专利技术属性】
技术研发人员：王成铎，李松杰，孙玉福，张少军，
申请(专利权)人：郑州大学，
类型：发明
国别省市：河南,41