一种高通量且连续快速制备合金样品的装置及方法制造方法及图纸

本发明专利技术一种高通量且连续快速制备合金样品的装置及方法，该装置包括转动系统、配料系统、加热熔化系统、凝固冷却系统、取样系统、PLC控制系统；配料区、加热熔化区、凝固冷却区、取样区位于转动台上。置于配料区上方的存料器由PLC控制按照预先设定合金成分配比给转动到该区的坩埚进行配料；分别置于加热熔化区和冷却凝固区上方的熔化腔体和冷却装置分别用于熔化和凝固坩埚内合金；置于取样区下方的样品顶出装置用于取出坩埚内凝固样品，从而在转动台上形成配料‑加热熔化‑冷却凝固‑取样循环式一体化合金样品制备。本发明专利技术装置结构紧凑、自动化程度高，缩短了材料从原料配比、多炉熔炼和制备的时间进程，可高通量且连续快速制备合金样品。

A High-throughput and Continuous Rapid Method for Preparing Alloy Samples

The invention provides a device and method for high flux and continuous rapid preparation of alloy samples. The device comprises a rotating system, a batching system, a heating and melting system, a solidification and cooling system, a sampling system and a PLC control system. The batching area, a heating and melting area, a solidification and cooling area and a sampling area are located on a rotating table. The storage placed above the batching area is controlled by PLC to proportionate the crucible rotated to the area according to the pre-set alloy composition ratio; the melting chamber and cooling device placed above the heating melting area and cooling solidification area are respectively used to melt and solidify the alloy in the crucible; and the sample ejector placed below the sampling area is used to extract the solidified sample in the crucible, so that the crucible can be solidified on the rotating table. Formation of batching, heating, melting, cooling and solidification, sampling and cyclic integration of alloy sample preparation. The device has compact structure and high automation, shortens the time course of material mixing, multi-furnace smelting and preparation, and can prepare alloy samples continuously and rapidly with high flux.

【技术实现步骤摘要】
一种高通量且连续快速制备合金样品的装置及方法
本专利技术涉及合金制备
，特别是涉及一种高通量且连续快速制备合金样品的装置及方法。
技术介绍
金属材料在军用和民用领域有着广泛应用，需求量巨大。但是，金属材料的研发可简单归纳为“试错法”，即依据已有的理论或经验，对目标材料的组分配比给出预测范围，接着进行小批量制备，然后根据对制备样品的表征结果进行组分调整优化，再一次进行制备和表征，经过多次循环最终才能获得目标材料，“试错法”周期长和成本高，已成为制约经济社会发展和技术进步的瓶颈。目前制约轻金属材料的关键问题是强度和耐蚀性问题，一般采用调整合金元素成分及热处理工艺等方法来改善单炉熔炼合金的综合性能。但现有的一次熔炼只能制备一种成分合金的方法，效率低、周期长、成本高。因此材料研究方法亟需革新，发展可加速新材料从发现到应用的新方法和新技术受到了国内外的广泛关注“材料高通量实验”即在较短的时间内完成大量样品的制备与表征，其主导思想是以量变引起质变，将传统实验中采用的顺序迭代法转变为高通量实验的并行处理法，从而大幅度提高材料研发效率，缩短研发周期，从而达到逐步推进材料“按需设计”的终极目标。
技术实现思路
为了解决上述问题，本专利技术的目的是提供一种可大幅度缩短合金材料从设计到制备应用的时间进程、降低开发成本、工艺简单、可高通量且连续快速制备合金样品的装置及方法，从而实现配料-熔化-冷却凝固-取样循环式一体化合金样品快速制备。本专利技术提供了如下技术方案：一种高通量且连续快速制备合金样品的装置，该装置包括转动系统、自动配料系统、加热熔化系统、冷却凝固系统、取样系统、PLC控制系统；其中，所述转动系统，用于控制坩埚按照需求依次循环经过不同功能区域，所述功能区域包括配料区、加热熔化区、冷却凝固区和取样区；所述自动配料系统，用于将配料系统通过PLC控制按照预先设定的合金成分配比在线完成给转动到该功能区的坩埚进行配料；所述加热熔化系统，用于将坩埚的合金原料熔化，进行融合；所述冷却凝固系统，用于将融合后的合金冷却凝固；所述取样系统，用于将凝固的合金，进行取样分析；所述PLC控制系统，用于控制所述的配料系统、熔化系统、冷却凝固系统及取样系统协同完成配料-熔化-凝固-取样循环式一体化合金样品快速制备。进一步，所述的配料系统包括三轴机械手、存料器和支撑台；其中，所述三轴机械手包括基座、X轴导轨、Y轴导轨、齿轮、Z轴导轨和伺服电机；所述X轴导轨安装在所述基座的顶部，所述Y轴导轨通过连接件活动连接在所述X轴导轨上，且所述X轴导轨与所述Y轴导轨水平夹角为90度，所述齿轮设置在所述Y轴导轨上，所述Z轴导轨垂直设置在所述Y轴导轨一侧，并与所述齿轮固接，所述X轴导轨、Y轴导轨和Z轴导轨均设置有提供动力的伺服电机；所述的支撑台设置在所述Z轴导轨的底部，所述支撑台上设有至少一个所述存料器，所述存料器位于所述坩埚上方；所述X轴导轨、Y轴导轨和Z轴导轨的伺服电机均与所述PLC控制系统控制连接。进一步，所述加热熔化系统包括加热线圈、熔化腔体、热电偶、升降机构、气体保护机构和连接柱；其中，所述熔化腔体上分别设置有进气口和出气口，所述加热线圈和热电偶均设置在所述熔化腔体的外侧壁上，所述熔化腔体通过是所述连接柱安装在所述升降机构上，所述气体保护机构与所述进气口连接，所述熔化腔体位于所述坩埚的正上方，所述加热线圈、热电偶、升降机构和气体保护机构均与所述PLC控制系统控制连接。进一步，所述的冷却凝固系统包括冷风喷吹装置和托板，所述冷风喷吹装置通过连接柱与托板连接，所述冷风喷吹装置位于转动台冷却凝固区坩埚正上方，所述冷风喷吹装置与所述PLC控制系统控制连接。进一步，所述的取样系统包括抬升气缸、顶出面板和可推式顶杆，所述抬升气缸与所述PLC控制系统控制连接，所述气缸设置在位于所述转动系统的取样区正下方，所述顶出面板固接在所述抬升气缸的输出端的顶部，所述可推式顶杆活动设置在所述取样区的面板，所述坩埚安装在所述可推式顶杆顶部，所述抬升气缸与所述PLC控制系统控制连接。进一步，所述的升降机构包括电机、升降托板、丝杆、立柱、联轴器和支架；其中，所述升降托板通过连接安装在所述支架的立柱上，所述丝杆设置在所述支架的立柱中间，并与所述升降托板驱动连接，所述电机设置在所述支架的底部，所述电机输出轴通过所述联轴器与所述丝杆传动连接，所述电机与所述PLC控制系统控制连接。本专利技术的另一目的一种提供使用上述的装置的制备合金的方法，该方法包括以下步骤：步骤1：根据实验需求将一定数量的坩埚分别固定在转动台4个区域内的可推式顶杆；步骤2：根据目标合金将不同的高纯金属放入独立的存料器中，在PLC控制系统的计算机中输入需要放入各个坩埚内目标合金的含量及成分配比，自动计算各坩埚内各金属元素加入量；步骤3：通过PLC控制，支撑台上的存料器在机械手的移动下完成配料区内各坩埚内合金元素配比；步骤4：待配料区的配料工序完成后，所述PLC控制转动台顺时针转动，使配料区内的坩埚转动到加热熔化区，此时升降托板下移，使缠绕有加热线圈的熔化腔体罩住加热熔化区内的坩埚，形成密封空间，同时启动气体保护机构，将惰性气体通过进气口通入熔化腔体，在惰性气体保护作用下对坩埚内的合金加热熔化；与此同时，转动到配料区内的坩埚的配料工作同时进行；步骤5：待配料区的配料工序和加热熔化区的熔化工序完成后，所述PLC控制系统再次控制转动台顺时针转动，使加热熔化区内的坩埚转动到冷却凝固区，在喷气冷却装置作用下完成坩埚内熔融合金的冷却凝固；同时，对转动到加热熔化区的坩埚内合金进行加热熔化工序，对转动到配料区的坩埚进行配料工序；步骤6：待配料区的配料工序、加热熔化区的熔化工序及冷却凝固区的凝固工序完成后，转动台顺时针转动，使冷却凝固区内的坩埚转动到取样区，在抬升气缸及顶出面板的作用下顶出坩埚内凝固的合金块；同时，转动到冷却凝固区、加热熔化区及配料区内的坩埚分别进行各自工序；步骤7：待配料区的配料工序、加热熔化区的熔化工序、冷却凝固区的凝固工序及取样区的取样工序均完成后，转动台顺时针转动，对由取样区转动到配料区的坩埚进行配料，对由配料区转动到加热熔化区的坩埚内合金进行熔化，对由加热熔化区转动到冷却凝固区的坩埚内合金液进行凝固，对由冷却凝固区转动到取样区的坩埚内凝固合金块进行取样，从而形成配料-熔化-冷却凝固-取样循环式、一体化、高通量且连续快速制备合金样品。进一步，所述可推式顶杆下端通过转动台通孔并延伸到距离转动台底面5~200mm。与现有技术相比，本专利技术的积极进步效果在于：一、本专利技术可循环高效制备出大量成分含量不断变化（或成分含量不变化）的合金材料，显著提高样品制备效率；二、实现了配料-熔化-冷却凝固-取样循环式、一体化、高通量且连续快速制备合金样品，不依赖人工；专利技术装置体积小、新颖高效、可控性强；三、本专利技术所制备的单体样品体积小，与传统单炉熔炼所制备的合金样品相比，用料量显著减少。附图说明图1为本专利技术一种高通量且连续快速制备合金样品的装置结构示意图。图2为一种高通量且连续快速制备合金样品的装置局部结构示意图。图3为一种高通量且连续快速制备合金样品的装置的主视图。图4为一种高通量且连续快速制备合金样品的装置的俯视图。图5为转动台底部结构示意图。本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种高通量且连续快速制备合金样品的装置，其特征在于，该装置包括转动系统、自动配料系统、加热熔化系统、冷却凝固系统、取样系统、PLC控制系统；其中，所述转动系统，用于控制坩埚按照需求依次循环经过不同功能区域，所述功能区域包括配料区、加热熔化区、冷却凝固区和取样区；所述自动配料系统，用于将配料系统通过PLC控制按照预先设定的合金成分配比在线完成给转动到该功能区的坩埚进行配料；所述加热熔化系统，用于将坩埚的合金原料熔化，进行融合；所述冷却凝固系统，用于将融合后的合金冷却凝固；所述取样系统，用于将凝固的合金，进行取样分析；所述PLC控制系统，用于控制所述的配料系统、熔化系统、冷却凝固系统及取样系统协同完成配料‑熔化‑凝固‑取样循环式一体化合金样品快速制备。

【技术特征摘要】
1.一种高通量且连续快速制备合金样品的装置，其特征在于，该装置包括转动系统、自动配料系统、加热熔化系统、冷却凝固系统、取样系统、PLC控制系统；其中，所述转动系统，用于控制坩埚按照需求依次循环经过不同功能区域，所述功能区域包括配料区、加热熔化区、冷却凝固区和取样区；所述自动配料系统，用于将配料系统通过PLC控制按照预先设定的合金成分配比在线完成给转动到该功能区的坩埚进行配料；所述加热熔化系统，用于将坩埚的合金原料熔化，进行融合；所述冷却凝固系统，用于将融合后的合金冷却凝固；所述取样系统，用于将凝固的合金，进行取样分析；所述PLC控制系统，用于控制所述的配料系统、熔化系统、冷却凝固系统及取样系统协同完成配料-熔化-凝固-取样循环式一体化合金样品快速制备。2.根据权利要求1所述的装置，其特征在于，所述转动系统包括转动台（5）、驱动电机（1）、驱动轴（33）和联轴器（2）；其中，所述驱动电机（1）与所述驱动轴（33）一端固接，所述驱动轴（33）的另一端与所述联轴器（2）固接，所述联轴器（2）与所述转动台（5）的底部传动连接；所述转动台（5）分为4个区域，每个区域内均设置有坩埚（6）；所述转动台（5）分为4个区域依次与所述功能区相对应，所述驱动电机（1）与所述PLC控制系统控制连接。3.根据权利要求1所述的装置，其特征在于，所述的配料系统包括三轴机械手、存料器（13）和支撑台（14）；其中，所述三轴机械手包括基座（7）、X轴导轨（8）、Y轴导轨（9）、齿轮（10）、Z轴导轨（11）和伺服电机（12）；所述X轴导轨（8）安装在所述基座（7）的顶部，所述Y轴导轨（9）通过连接件活动连接在所述X轴导轨（8）上，且所述X轴导轨（8）与所述Y轴导轨（9）水平夹角为90度，所述齿轮（10）设置在所述Y轴导轨（9）上，所述Z轴导轨（11）垂直设置在所述Y轴导轨（9）一侧，并与所述齿轮（10）固接，所述X轴导轨（8）、Y轴导轨（9）和Z轴导轨（11）均设置有提供动力的伺服电机（12）；所述的支撑台（14）设置在所述Z轴导轨（11）的底部，所述支撑台（14）上设有至少一个所述存料器（13），所述存料器（13）位于所述坩埚（6）上方；所述X轴导轨（8）、Y轴导轨（9）和Z轴导轨（11）的伺服电机（12）均与所述PLC控制系统控制连接。4.根据权利要求1所述的装置，其特征在于，所述加热熔化系统包括加热线圈（18）、熔化腔体（17）、热电偶（20）、升降机构、气体保护机构和连接柱（16）；其中，所述熔化腔体（17）上分别设置有进气口（21）和出气口（19），所述加热线圈（18）和热电偶（20）均设置在所述熔化腔体（17）的外侧壁上，所述熔化腔体（17）通过是所述连接柱（16）安装在所述升降机构上，所述气体保护机构与所述进气口（21）连接，所述熔化腔体（17）位于所述坩埚（6）的正上方，所述升降机构和气体保护机构均与所述PLC控制系统控制连接。5.根据权利要求1所述的装置，其特征在于，所述的冷却凝固系统包括冷风喷吹装置（22）和托板（15），所述冷风喷吹装置（22）通过连接柱（16）与托板（15）连接，所述冷风喷吹装置（22）位于转动台（5）冷却凝固区坩埚（6）正上方，所述冷风喷吹装置（22）与所述PLC控制系统控制连接。6.根据权利要求1所述的装置，其特征在于，所述的取样系统包括抬升气缸（3）、顶出面板（4）和可推式顶杆（30），所述抬升气缸（3）与所述PLC控制系统控制连...

【专利技术属性】
技术研发人员：李静媛，祁明凡，陈雨来，洪慧平，谢建新，
申请(专利权)人：北京科技大学，
类型：发明
国别省市：北京,11