搭载于超重力离心机的定向凝固熔铸系统技术方案

本发明专利技术公开了一种搭载于超重力离心机的定向凝固熔铸系统。定向凝固熔铸系统包括高温加热子系统和坩埚及气冷系统，高温加热子系统固定于超重力试验舱中，坩埚及气冷系统置于高温加热子系统中；高温加热子系统包括上中下炉体以及莫来石保温层、上下加热腔外体、上下加热炉管、坩埚支撑座和发热体，高温加热腔体分为上下部分，内部加工有螺旋状凹槽并装有发热体；坩埚支撑座内部有冷却气体通入的通气管道；坩埚及气冷系统包括进气管、冷却底座、冷速调节环、坩埚、排气盖和排气管。本发明专利技术配合超重力环境，解决了高速旋转状态下定向凝固熔铸温度梯度的关键难题，填补了国内技术行业的空白，且装备简单、操作方便。

Directional solidification melting and casting system mounted on high gravity centrifuge

【技术实现步骤摘要】
搭载于超重力离心机的定向凝固熔铸系统
本专利技术涉及高温加热领域，尤其涉及一种搭载于超重力离心机的定向凝固熔铸系统。
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。单晶合金可以通过在超重力环境下进行制备，但现有技术缺少了了超重力环境下实现定向凝固的温度梯度控制系统，缺少了超重力环境下实现定向凝固熔铸系统。
技术实现思路
本专利技术需要解决的是针对上述超重力、高温试验条件下材料定向凝固熔铸过程中样品加热难的问题，高转速-高温耦合环境下材料定向凝固熔铸，提供一种装配简单、使用方便、安全系数高，且可用于超重力工况的定向温度梯度凝固系统，使得超重力下制备单晶合金具有了可能。本专利技术采用的技术方案是：本专利技术的定向凝固熔铸系统包括高温加热子系统和坩埚及气冷系统，高温加热子系统固定于超重力试验舱中，坩埚及气冷系统置于高温加热子系统中。所述的高温加热子系统包括安装底座和布置在安装底座上的从上到下依次布置连接的上炉体、中炉体、下炉体以及莫来石保温层、上加热腔外体、下加热腔外体、上加热炉管、下加热炉管、坩埚支撑座和发热体；上炉体主要由上隔热盖、上腔体外壳、上腔体中壳、上腔体隔热层、上腔体下固定盖组成，上腔体外壳、上腔体中壳、上腔体隔热层分别从外到内安装形成上炉三层结构，上隔热盖和上腔体下固定盖分别安装于上炉三层结构的上端和下端使得上炉三层结构固定连接，上腔体外壳和上腔体中壳之间以及上腔体中壳和上腔体隔热层之间均有间隙作为空气隔热层；中炉体主要由中隔热盖、中腔体外壳、中腔体中壳、中腔体隔热层、中腔体下固定盖组成，中腔体外壳、中腔体中壳、中腔体隔热层分别从外到内安装形成中炉三层结构，中隔热盖和中腔体下固定盖分别安装于中炉三层结构的上端和下端使得中炉三层结构固定连接，中腔体外壳和中腔体中壳之间以及中腔体中壳和中腔体隔热层之间均有间隙作为空气隔热层；上炉体的上腔体下固定盖和中炉体的中隔热盖之间固定连接；下炉体主要由下隔热盖、下腔体外壳、下腔体中壳、下腔体隔热层、下腔体下固定盖组成，下腔体外壳、下腔体中壳、下腔体隔热层分别从外到内安装形成下炉三层结构，下隔热盖和下腔体下固定盖分别安装于下炉三层结构的上端和下端使得下炉三层结构固定连接，下腔体下固定盖底部通过螺栓螺钉固定于安装底座，安装底座固定于超重力离心机的超重力实验舱底座上，下腔体外壳和下腔体中壳之间以及下腔体中壳和下腔体隔热层之间均有间隙作为空气隔热层；中炉体的中腔体下固定盖和下炉体的下隔热盖之间固定连接。坩埚支撑座置于下炉体的下腔体隔热层底部，并底部固定于安装底座，加热腔体置于坩埚支撑座上，加热腔体包括上加热腔外体、下加热腔外体、上加热炉管和下加热炉管，上加热腔外体和下加热腔外体均为套筒结构，上加热腔外体和下加热腔外体分别位于上下同轴固定对接，上加热炉管、下加热炉管分别套装于上加热腔外体、下加热腔外体中，上加热腔外体、下加热腔外体在上炉体的上腔体隔热层、中炉体的中腔体隔热层、下炉体的下腔体隔热层之间填充有莫来石保温层；上加热炉管和下加热炉管的外壁均加工有螺旋状凹槽，螺旋状凹槽装有螺旋状的发热体，发热体产生的热量均匀辐射到上加热炉管和下加热炉管组成的加热炉管，在加热炉管中央形成高温区。工作过程中发热体产生热量，通过辐射加热上加热炉管和下加热炉管，在加热炉管中央形成高温区，通过改变不同高度位置的螺旋状凹槽螺距进而改变不同高度位置的发热体在加热炉管间距，配合坩埚支撑座通气管道通入的冷却气体温度和流量，从坩埚底部开始冷却，形成一个沿超重力方向的温度梯度。所述的上加热炉管和下加热炉管采用高强度、低导热系数的陶瓷制作。所述的超重力实验舱内还安装有承力架、信号采集器和布线架，高温加热子系统的上加热炉管和下加热炉管内安装待定向凝固的材料试样，并设置有温度传感器，温度传感器连接信号采集器，信号采集器输出的导线通过布线架与弱信号导电滑环连接，再与地面测控中心连接；高温加热子系统设置有一路强电独立回路，一路强电独立回路控制加热内部不同高度位置的发热体进行高温加热，将地面一个强电独立回路通过离心离心机主轴导电滑环接入超重力实验舱的布线架；高温加热子系统设置有一路冷却气体回路，一路冷却气体独立回路控制通入的冷却气体流量，将地面一个冷却气体独立回路通过离心离心机主轴导电滑环接入超重力实验舱的冷却气体管路支架和排气管。所述的坩埚及气冷系统置于坩埚支撑座上的上加热炉管和下加热炉管内部，坩埚及气冷系统包括进气管、冷却底座、冷速调节环、坩埚、排气盖和排气管；坩埚支撑座顶面上安装冷却底座，冷却底座上安装坩埚，坩埚顶端安装排气盖，坩埚中部套装冷速调节环；在坩埚上设置有中心容腔、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；所述的坩埚主体为柱形结构，坩埚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侧壁两侧对称开设通孔作为气体排放孔，气体排放孔将冷却孔和坩埚外部连通；坩埚支撑座内部开设有通气管道，通气管道下端穿出坩埚支撑座底部外壁和进气管一端连接，进气管另一端与冷却气源相连；冷却底座上端开口，开口内设有下环形槽，坩埚下端安装到冷却底座上端开口中，且本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种搭载于超重力离心机的定向凝固熔铸系统，其特征在于：所述的定向凝固熔铸系统包括高温加热子系统和坩埚及气冷系统，高温加热子系统固定于超重力试验舱中，坩埚及气冷系统置于高温加热子系统中；/n所述的高温加热子系统包括安装底座(23)和布置在安装底座(23)上的从上到下依次布置连接的上炉体、中炉体、下炉体以及莫来石保温层(16)、上加热腔外体(17)、下加热腔外体(18)、上加热炉管(19)、下加热炉管(20)、坩埚支撑座(21)和发热体(22)；上炉体主要由上隔热盖(1)、上腔体外壳(2)、上腔体中壳(3)、上腔体隔热层(4)、上腔体下固定盖(5)组成，上腔体外壳(2)、上腔体中壳(3)、上腔体隔热层(4)分别从外到内安装形成上炉三层结构，上隔热盖(1)和上腔体下固定盖(5)分别安装于上炉三层结构的上端和下端使得上炉三层结构固定连接，上腔体外壳(2)和上腔体中壳(3)之间以及上腔体中壳(3)和上腔体隔热层(4)之间均有间隙作为空气隔热层；中炉体主要由中隔热盖(6)、中腔体外壳(7)、中腔体中壳(8)、中腔体隔热层(9)、中腔体下固定盖(10)组成，中腔体外壳(7)、中腔体中壳(8)、中腔体隔热层(9)分别从外到内安装形成中炉三层结构，中隔热盖(6)和中腔体下固定盖(10)分别安装于中炉三层结构的上端和下端使得中炉三层结构固定连接，中腔体外壳(7)和中腔体中壳(8)之间以及中腔体中壳(8)和中腔体隔热层(9)之间均有间隙作为空气隔热层；上炉体的上腔体下固定盖(5)和中炉体的中隔热盖(6)之间固定连接；下炉体主要由下隔热盖(11)、下腔体外壳(12)、下腔体中壳(13)、下腔体隔热层(14)、下腔体下固定盖(15)组成，下腔体外壳(12)、下腔体中壳(13)、下腔体隔热层(14)分别从外到内安装形成下炉三层结构，下隔热盖(11)和下腔体下固定盖(15)分别安装于下炉三层结构的上端和下端使得下炉三层结构固定连接，下腔体下固定盖(15)底部通过螺栓螺钉固定于安装底座(23)，安装底座(23)固定于超重力离心机的超重力实验舱底座上，下腔体外壳(12)和下腔体中壳(13)之间以及下腔体中壳(13)和下腔体隔热层(14)之间均有间隙作为空气隔热层；中炉体的中腔体下固定盖(10)和下炉体的下隔热盖(11)之间固定连接；/n坩埚支撑座(21)置于下炉体的下腔体隔热层(14)底部，并底部固定于安装底座(23)，加热腔体置于坩埚支撑座(21)上，加热腔体包括上加热腔外体(17)、下加热腔外体(18)、上加热炉管(19)和下加热炉管(20)，上加热腔外体(17)和下加热腔外体(18)均为套筒结构，上加热腔外体(17)和下加热腔外体(18)分别位于上下同轴固定对接，上加热炉管(19)、下加热炉管(20)分别套装于上加热腔外体(17)、下加热腔外体(18)中，上加热腔外体(17)、下加热腔外体(18)在上炉体的上腔体隔热层(4)、中炉体的中腔体隔热层(9)、下炉体的下腔体隔热层(14)之间填充有莫来石保温层(16)；上加热炉管(19)和下加热炉管(20)的外壁均加工有螺旋状凹槽(22-1)，螺旋状凹槽(22-1)装有螺旋状的发热体(22)，发热体(22)产生的热量均匀辐射到上加热炉管(19)和下加热炉管(20)组成的加热炉管，在加热炉管中央形成高温区。/n...

【技术特征摘要】
1.一种搭载于超重力离心机的定向凝固熔铸系统，其特征在于：所述的定向凝固熔铸系统包括高温加热子系统和坩埚及气冷系统，高温加热子系统固定于超重力试验舱中，坩埚及气冷系统置于高温加热子系统中；
所述的高温加热子系统包括安装底座(23)和布置在安装底座(23)上的从上到下依次布置连接的上炉体、中炉体、下炉体以及莫来石保温层(16)、上加热腔外体(17)、下加热腔外体(18)、上加热炉管(19)、下加热炉管(20)、坩埚支撑座(21)和发热体(22)；上炉体主要由上隔热盖(1)、上腔体外壳(2)、上腔体中壳(3)、上腔体隔热层(4)、上腔体下固定盖(5)组成，上腔体外壳(2)、上腔体中壳(3)、上腔体隔热层(4)分别从外到内安装形成上炉三层结构，上隔热盖(1)和上腔体下固定盖(5)分别安装于上炉三层结构的上端和下端使得上炉三层结构固定连接，上腔体外壳(2)和上腔体中壳(3)之间以及上腔体中壳(3)和上腔体隔热层(4)之间均有间隙作为空气隔热层；中炉体主要由中隔热盖(6)、中腔体外壳(7)、中腔体中壳(8)、中腔体隔热层(9)、中腔体下固定盖(10)组成，中腔体外壳(7)、中腔体中壳(8)、中腔体隔热层(9)分别从外到内安装形成中炉三层结构，中隔热盖(6)和中腔体下固定盖(10)分别安装于中炉三层结构的上端和下端使得中炉三层结构固定连接，中腔体外壳(7)和中腔体中壳(8)之间以及中腔体中壳(8)和中腔体隔热层(9)之间均有间隙作为空气隔热层；上炉体的上腔体下固定盖(5)和中炉体的中隔热盖(6)之间固定连接；下炉体主要由下隔热盖(11)、下腔体外壳(12)、下腔体中壳(13)、下腔体隔热层(14)、下腔体下固定盖(15)组成，下腔体外壳(12)、下腔体中壳(13)、下腔体隔热层(14)分别从外到内安装形成下炉三层结构，下隔热盖(11)和下腔体下固定盖(15)分别安装于下炉三层结构的上端和下端使得下炉三层结构固定连接，下腔体下固定盖(15)底部通过螺栓螺钉固定于安装底座(23)，安装底座(23)固定于超重力离心机的超重力实验舱底座上，下腔体外壳(12)和下腔体中壳(13)之间以及下腔体中壳(13)和下腔体隔热层(14)之间均有间隙作为空气隔热层；中炉体的中腔体下固定盖(10)和下炉体的下隔热盖(11)之间固定连接；
坩埚支撑座(21)置于下炉体的下腔体隔热层(14)底部，并底部固定于安装底座(23)，加热腔体置于坩埚支撑座(21)上，加热腔体包括上加热腔外体(17)、下加热腔外体(18)、上加热炉管(19)和下加热炉管(20)，上加热腔外体(17)和下加热腔外体(18)均为套筒结构，上加热腔外体(17)和下加热腔外体(18)分别位于上下同轴固定对接，上加热炉管(19)、下加热炉管(20)分别套装于上加热腔外体(17)、下加热腔外体(18)中，上加热腔外体(17)、下加热腔外体(18)在上炉体的上腔体隔热层(4)、中炉体的中腔体隔热层(9)、下炉体的下腔体隔热层(14)之间填充有莫来石保温层(16)；上加热炉管(19)和下加热炉管(20)的外壁均加工有螺旋状凹槽(22-1)，螺旋状凹槽(22-1)装有螺旋状的发热体(22)，发热体(22)产生的热量均匀辐射到上加热炉管(19)和下加热炉管(20)组成的加热炉管，在加热炉管中央形成高温区。


2.根据权利要求1所述的一种搭载于超重力离心机的定向凝固熔铸系统，其特征在于：工作过程中发热体(22)产生热量，通过辐射加热上加热炉管(19)和下加热炉管(20)，在加热炉管中央形成高温区，通过改变不同高度位置的螺旋状凹槽(22-1)螺距进而改变不同高度位置的发热体(22)在加热炉管间距，配合坩埚支撑座(21)通气管道(21-1)通入的冷却气体温度和流量，从坩埚底部开始冷却，形成一个沿超重力方向的温度梯度。


3.根据权利要求1所述的一种搭载于超重力离心机的定向凝固熔铸系统，其特征在于：所述的上加热炉管(19)和下加热炉管(20)采用高强度、低导热系数的陶瓷制作。


4.根据权利要求1所述的一种搭载于超重力离心机的定向凝固熔铸系统，其特征在于：所述的超重力实验舱内还安装有承力架、信号采集器和布线架，高温加热子系统的上加热炉管(19)和下加热炉管(20)内安装待定向凝固的材料试样，并设置有温度传感器，温度传感器连接信号采集器，信号采集器输出的导线通过布线架与弱信号导电滑环连接，再与地面测控中心连接；
高温加热子系统设置有一路强电独立回路，一路强电独立回路控制加热内部不同高度位置的发热体(22)进行高温加热，将地面一个强电独立回路通过离心离心机主轴导电滑环接入超重力实验舱的布线架；
高温加热子系统设置有一路冷却气体回路，一路冷却气体独立回路控制通入的冷却气体...

【专利技术属性】
技术研发人员：韦华，谢亚丹，王江伟，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