适合超重力定向凝固使用的坩埚装置制造方法及图纸

本发明专利技术公开了一种适合超重力定向凝固使用的坩埚装置。坩埚本体主体柱形，坩埚本体开设有中心容腔，中心容腔灌充金属试样；中心容腔周围设多个冷却孔，每个冷却孔中均安装有温度梯度调节块，温度梯度调节块在冷却孔轴向移动；坩埚本体下部有定位凸缘块，定位凸缘块下部的外周柱面开设多个散热槽；定位凸缘块上方的坩埚本体外周柱面开设多个热量辐射槽；在定位凸缘块顶面处的坩埚本体侧壁开设一个或者两个小通孔作为气体排放孔，气体排放孔将冷却孔和坩埚本体外部缓冲连通。本发明专利技术为超重力环境下定向凝固提供一种特殊的坩埚结构设计，解决了超重力定向凝固过程中温度梯度难实现的关键难题，结构简单，安全系数较高。

Crucible device suitable for high gravity directional solidification

The invention discloses a crucible device suitable for directional solidification of high gravity. The main body of the crucible is cylindrical, and the crucible body is provided with a central cavity filled with metal samples; a plurality of cooling holes are arranged around the central cavity, and a temperature gradient adjusting block is installed in each cooling hole, and the temperature gradient adjusting block moves axially in the cooling hole; the lower part of the crucible body is provided with a positioning flange block, and a plurality of heat sinks are arranged on the outer cylinder surface of the lower part of the positioning flange block; the positioning flange The crucible on the top of the block is provided with a plurality of heat radiation grooves on the cylinder surface of the outer body; one or two small through holes are provided on the side wall of the crucible body at the top surface of the positioning flange block as the gas discharge holes, which connect the cooling holes with the external buffer of the crucible body. The invention provides a special crucible structure design for directional solidification in the high gravity environment, solves the key problem of difficult realization of temperature gradient in the process of directional solidification in the high gravity environment, has simple structure and high safety coefficient.

【技术实现步骤摘要】
适合超重力定向凝固使用的坩埚装置
本专利技术涉及坩埚、冶金、定向凝固
，尤其涉及一种适合超重力定向凝固使用的坩埚装置。
技术介绍
高压涡轮工作叶片作为航空发动机和燃气轮机热端部件关键组成部分之一，服役时长期工作在高温、高压、高转速、交变负载等耦合加载条件下，是发动机中工作条件最恶劣的转动部件，其使用可靠性直接影响整机性能。在高温合金的发展过程中，工艺对高温合金的发展起着很大的推动作用。通常为了提高高温合金的综合力学性能，采用两种途径：其一是加入大量合金化元素，通过合理的热处理工艺使之产生固溶强化、沉淀强化及晶界强化等，从而保证高温合金具有从室温到高温的良好强度、表明稳定性和较好的塑性；其二是从凝固工艺入手，采用定向凝固工艺，制备晶界平行于主应力轴从而消除有害横向晶界的柱状晶高温合金或制备消除所有晶界的单晶高温合金。定向及单晶叶片由于消除横向晶界或完全消除晶界，晶体沿[001]特定方向生长，提高初熔温度及固溶处理窗口温度，增加γ数量并细化，大幅度提高了性能，提高使用温度。目前，几乎所有先进航空发动机均采用单晶高温合金。工业上广泛应用的快速凝固法制备单晶合金，其温度梯度只能达到100K/cm左右，凝固速率很低，导致凝固组织粗大，偏析严重，致使材料的性能千里没有得到充分发挥。微重力下的晶体生长，由于重力加速度减小而有效的抑制了重力造成的无规则热质对流，从而获得溶质分布高度均匀的晶体，但由于成本太高，无法工业化。超重力下的晶体生长，通过增大重力加速度而加强浮力对流，当浮力对流增强到一定程度时，就转化为层流状态，即重新层流化，同样抑制了无规则的热质对流。在加速旋转过程中造成液相强迫对流，由于极大的改变热质传输过程而引起了界面形貌的显著变化，导致糊状区宽度显著减小。液相快速流动引起界面前沿液相中的温度梯度极大的提高，非常有利于液相溶质的均匀混合和材料的平界面生长，枝晶生长形态发生显著的变化，由原来具有明显主轴的枝晶变为无明显主轴的穗状晶，穗状晶具有细密的显微组织。但超重力环境下制备单晶合金的关键是，必须研发适合超重力下定向凝固装置使用的坩埚。
技术实现思路
本专利技术需要解决的是针对上述超重力定向凝固过程中温度梯度难实现的关键难题，提供一种特殊的坩埚结构设计方案，提供的坩埚设计方案简单、使用方便、安全系数高。本专利技术采用的技术方案是：本专利技术包括坩埚本体和设置在坩埚本体上的中心容腔、冷却孔、温度梯度调节块、热量辐射槽、定位凸缘块、散热槽和气体排放孔；所述的坩埚本体主体为柱形结构，坩埚本体顶面中央开设有圆柱盲孔作为中心容腔，中心容腔灌充待超重力定向凝固的金属熔液/金属试样；中心容腔周围的坩埚本体顶面沿圆周开设多个垂直通孔作为冷却孔，多个冷却孔沿周向间隔均布，冷却孔下端通入冷却气体；每个冷却孔中均安装有用于实现和调节定向凝固温度梯度的温度梯度调节块，温度梯度调节块和冷却孔孔壁之间存在间隙，温度梯度调节块在冷却孔能沿轴向上下移动；坩埚本体下部周面固定有环形的凸块作为定位凸缘块，定位凸缘块下部的外周柱面开设多个散热槽，散热槽从坩埚本体主体内壁径向向外延伸定位凸缘块外壁；定位凸缘块上方的坩埚本体外周柱面开设多个热量辐射槽，多个热量辐射槽沿周向间隔均布，相邻两个冷却孔之间的坩埚本体外周柱面均有一个热量辐射槽；在定位凸缘块顶面处的坩埚本体侧壁开设一个或者两个小通孔作为气体排放孔，气体排放孔将冷却孔和坩埚本体外部缓冲连通。所述的散热槽贯穿出定位凸缘块外壁，散热槽底部贯穿出定位凸缘块底面。所述的热量辐射槽轴向贯穿出坩埚本体顶面，散热槽径向外侧部贯穿出坩埚本体外周面。所述的坩埚本体用于超重力环境下定向凝固过程的金属熔液/金属试样盛装。所述的坩埚本体采用高强陶瓷材料。所述的冷却气体为液氮、压缩空气等，冷却气体温度不高于5℃，压力不高于5Mpa。本专利技术的有益效果是：为超重力环境下的定向凝固装置提供一种特殊的坩埚结构设计方案，能用于安装超重力的加热装置中帮助实现超重力定向凝固过程中温度梯度，帮助辅助实现解决了超重力定向凝固过程中温度梯度难实现的关键难题。本专利技术具有结构简单，操作方案且安全系数较高的优点，适合1g-2500g超重力环境，温度从室温-1700℃。附图说明图1是坩埚装置正面剖视图；图2是坩埚装置俯视图；图3是图1中标A部位的局部放大剖视图；图4是图1中A-A的剖视图；图5是坩埚装置的立体图。图6是与坩埚装置配合的超重力气冷系统的结构图。图中：坩埚本体25、中心容腔25-1、冷却孔25-2、温度梯度调节块25-3、热量辐射槽25-4、定位凸缘块25-5、散热槽25-6、气体排放孔25-7。具体实施方式下面结合附图和实施例对本专利技术作进一步说明。如图1所示，具体实施包括坩埚本体25和设置在坩埚本体25上的中心容腔25-1、冷却孔25-2、温度梯度调节块25-3、热量辐射槽25-4、定位凸缘块25-5、散热槽25-6和气体排放孔25-7；坩埚本体25主体为柱形结构，坩埚本体25顶面中央开设有圆柱盲孔作为中心容腔25-1，中心容腔25-1灌充待超重力定向凝固的金属熔液/金属试样；中心容腔25-1周围的坩埚本体25顶面沿圆周开设多个垂直通孔作为冷却孔25-2，多个冷却孔25-2沿周向间隔均布，冷却孔25-2下端通入冷却气体；每个冷却孔25-2中均安装有用于实现和调节定向凝固温度梯度的温度梯度调节块4，温度梯度调节块4和冷却孔25-2孔壁之间存在间隙，温度梯度调节块4在冷却孔25-2能沿轴向上下移动；具体实施中，冷却孔25-2和坩埚支撑座的通气管道上端出口相连，经通气管道向冷却孔25-2中通入冷却气体。冷却孔25-2为冷却气体在坩埚壁扩散的通道，主要是利用冷却气体带走热量，实现冷却坩埚的目的。如图1和图5所示，坩埚本体25下部周面固定有环形的凸块作为定位凸缘块25-5，定位凸缘块25-5和坩埚本体25主体一体成型，定位凸缘块25-5下部的外周柱面开设多个散热槽25-6，具体实施中散热槽25-6的数量为冷却孔25-2的两倍，散热槽25-6从坩埚本体25主体内壁径向向外延伸定位凸缘块25-5外壁，并贯穿出定位凸缘块25-5外壁，散热槽25-6底部贯穿出定位凸缘块25-5底面；散热槽25-6在坩埚本体25的定位凸缘块25-5下端形成一个空腔，增强坩埚本体25下部的散热效果，有利于坩埚凝固过程中温度梯度的形成。定位凸缘块25-5除了开设散热槽25-6下部的上部部分在超重力定向凝固熔铸炉加热系统中安装坩埚本体25时辅助确定位置，防止超重力下坩埚本体25安装晃动。如图1和图3所示，定位凸缘块25-5上方的坩埚本体25外周柱面开设多个热量辐射槽25-4，多个热量辐射槽25-4沿周向间隔均布，具体实施中热量辐射槽25-4的数量和冷却孔25-2的数量相同，相邻两个冷却孔25-2之间的坩埚本体25外周柱面均有一个热量辐射槽25-4，热量辐射槽25-4轴向贯穿出坩埚本体25顶面，散热槽25-6本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种适合超重力定向凝固使用的坩埚装置，其特征在于：包括坩埚本体(25)和设置在坩埚本体(25)上的中心容腔(25-1)、冷却孔(25-2)、温度梯度调节块(25-3)、热量辐射槽(25-4)、定位凸缘块(25-5)、散热槽(25-6)和气体排放孔(25-7)；所述的坩埚本体(25)主体为柱形结构，坩埚本体(25)顶面中央开设有圆柱盲孔作为中心容腔(25-1)，中心容腔(25-1)有待超重力定向凝固的金属熔液/金属试样；中心容腔(25-1)周围的坩埚本体(25)顶面沿圆周开设多个垂直通孔作为冷却孔(25-2)，多个冷却孔(25-2)沿周向间隔均布，冷却孔(25-2)下端通入冷却气体；每个冷却孔(25-2)中均安装有用于实现和调节定向凝固温度梯度的温度梯度调节块(4)，温度梯度调节块(4)和冷却孔(25-2)孔壁之间存在间隙，温度梯度调节块(4)在冷却孔(25-2)能沿轴向上下移动；坩埚本体(25)下部周面固定有环形的凸块作为定位凸缘块(25-5)，定位凸缘块(25-5)下部的外周柱面开设多个散热槽(25-6)，散热槽(25-6)从坩埚本体(25)主体内壁径向向外延伸定位凸缘块(25-5)外壁；定位凸缘块(25-5)上方的坩埚本体(25)外周柱面开设多个热量辐射槽(25-4)，多个热量辐射槽(25-4)沿周向间隔均布，相邻两个冷却孔(25-2)之间的坩埚本体(25)外周柱面均有一个热量辐射槽(25-4)；在定位凸缘块(25-5)顶面处的坩埚本体(25)侧壁开设一个或者两个小通孔作为气体排放孔(25-7)，气体排放孔(25-7)将冷却孔(25-3)和坩埚本体(25)外部缓冲连通。/n...

【技术特征摘要】
1.一种适合超重力定向凝固使用的坩埚装置，其特征在于：包括坩埚本体(25)和设置在坩埚本体(25)上的中心容腔(25-1)、冷却孔(25-2)、温度梯度调节块(25-3)、热量辐射槽(25-4)、定位凸缘块(25-5)、散热槽(25-6)和气体排放孔(25-7)；所述的坩埚本体(25)主体为柱形结构，坩埚本体(25)顶面中央开设有圆柱盲孔作为中心容腔(25-1)，中心容腔(25-1)有待超重力定向凝固的金属熔液/金属试样；中心容腔(25-1)周围的坩埚本体(25)顶面沿圆周开设多个垂直通孔作为冷却孔(25-2)，多个冷却孔(25-2)沿周向间隔均布，冷却孔(25-2)下端通入冷却气体；每个冷却孔(25-2)中均安装有用于实现和调节定向凝固温度梯度的温度梯度调节块(4)，温度梯度调节块(4)和冷却孔(25-2)孔壁之间存在间隙，温度梯度调节块(4)在冷却孔(25-2)能沿轴向上下移动；坩埚本体(25)下部周面固定有环形的凸块作为定位凸缘块(25-5)，定位凸缘块(25-5)下部的外周柱面开设多个散热槽(25-6)，散热槽(25-6)从坩埚本体(25)主体内壁径向向外延伸定位凸缘块(25-5)外壁；定位凸缘块(25-5)上方的坩埚本体(25)外周柱面开设多个热量辐射槽(25-4)，多个热量辐射槽(25-4)沿周向间隔均布，相邻两个冷却孔(25-...

【专利技术属性】
技术研发人员：韦华，谢亚丹，王江伟，卢士亮，林伟岸，张泽，陈云敏，
申请(专利权)人：浙江大学，
类型：发明
国别省市：浙江;33