超重力定向凝固熔铸炉装置制造方法及图纸

本发明专利技术公开了一种超重力定向凝固熔铸炉装置。包括超重力试验舱和安装在超重力试验舱中的高温加热子系统和坩埚及气冷系统，超重力试验舱安装接线电极和冷却气体阀装置，高温加热子系统固定于超重力试验舱，坩埚及气冷系统置于高温加热子系统；高温加热子系统包括上中下炉体、莫来石保温层、上下加热腔外体、上下加热炉管、坩埚支撑座，高温加热腔体分为上下部分，内部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排气管、冷却底座、冷速调节环、坩埚和排气盖。本发明专利技术用于在超重力环境，解决了高速旋转状态下定向凝固温度梯度熔铸的关键难题，填补了国内技术行业的空白，且装备简单、操作方便。

High gravity directional solidification furnace

【技术实现步骤摘要】
超重力定向凝固熔铸炉装置
本专利技术涉及材料制备、定向凝固
的一种超重力材料试验装置，尤其涉及一种超重力定向凝固熔铸炉装置。
技术介绍
随着现代航空发动机推重比增加和涡轮级数减少，涡轮前燃气进口温度从上世纪70年代的1400-1500K发展到本世纪初的1600-1750K，推重比12-15发动机涡轮前燃气进口温度将高达2000-2200K，这对发动机核心热端部件提出了更高的性能要求。高压涡轮工作叶片作为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。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难以定向凝固熔铸的问题，高转速-高温耦合环境下材料定向凝固熔铸炉，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，使得超重力下制备单晶合金具有了可能。超重力下装置的试验过程必须满足抗高温条件、特殊气氛环境、高G值、冷却气体降温等要求，是确保该装置安全稳定运行的关键技术。本专利技术未来实现上述要求和目的，采用的技术方案是：本专利技术的定向凝固熔铸系统包括超重力试验舱和安装在超重力试验舱中的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底部，坩埚及气冷系统置于高温加热子系统中。超重力试验舱包括舱体接口件、上密封穹顶、舱体吊耳和舱体；舱体内部设有腔体，腔体上端开口，舱体的两侧侧壁向外连接有舱体吊耳，两侧的舱体吊耳铰接连接到超重力离心机的吊篮转臂上，上密封穹顶通过螺栓安装连接到舱体的腔体开口端面并密封连接；上密封穹顶的中央安装有舱体接口件，舱体接口件包括通讯上密封舱盖和通讯舱体，通讯上密封舱盖安装在通讯舱体的上端开口，通讯上密封舱盖和通讯舱体均设有外凸缘，外凸缘台阶面上开设第一螺孔，螺栓穿过第一螺孔连接到上密封穹顶；舱体接口件上还设有上玻璃压装法兰、上法兰紧固螺钉、石英玻璃和真空插座，石英玻璃被上玻璃压装法兰固定安装在通讯上密封舱盖顶部中心的开口处，上玻璃压装法兰通过上法兰紧固螺钉固定于上密封舱盖顶部，通讯上密封舱盖，通讯舱体底部开孔，开孔处安装真空插座；舱体的腔体内底面固定安装有布线支架和供气支架，舱体一侧壁上开设有接线孔和第一安装孔，舱体另一侧壁对称开设有接线孔和第二安装孔，接线孔处安装接线电极，接线电极经过接线孔与舱体内部的布线支架相连，弱信号控制电线经过第一安装孔与布线支架相连；第二安装孔中安装冷却气体阀装置，冷却气体经管路连接到冷却气体阀装置，冷却气体阀装置经供气支架上的管路和舱体内的试验仪器进出气口连通。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；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。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；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；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，且通过下环形槽将坩埚的各个冷却孔下端连通，冷却底座底端开有和下环形槽连通的进气通孔；冷速调节环固定安装于坩埚的定位凸缘块上，冷速调节环顶面开设有一个或者两个垂直的集气槽孔，集气槽孔底端穿过冷速调节环内圈壁面和坩埚的气体排放孔连通；排气盖下端开口，开口内设有上环形槽，坩埚下端安装到排气盖下端开口中，且通过上环形槽将坩埚的各个冷却孔上端连通，排气盖底端开有和上环形槽连通的出气通孔，排气盖的出气通孔和排气管的一端连通；排气管另一端与外界相连通，将冷却气体排出；排气盖下端开口内的中间设置形成凸台，凸台嵌装于坩埚的中心容腔顶端内；所述的坩埚支撑座内部开设有一个通气管道，通气管道用于定向凝固的冷却气体本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种超重力定向凝固熔铸炉装置，其特征在于：/n所述的定向凝固熔铸系统包括超重力试验舱(C)和安装在超重力试验舱(C)中的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(C)底部，坩埚及气冷系统置于高温加热子系统中；/n超重力试验舱(C)包括舱体接口件(C1)、上密封穹顶(C2)、舱体吊耳(C3)和舱体(C7)；舱体(C7)内部设有腔体，腔体上端开口，舱体(C7)的两侧侧壁向外连接有舱体吊耳(C3)，两侧的舱体吊耳(C3)铰接连接到超重力离心机的吊篮转臂上，上密封穹顶(C2)通过螺栓安装连接到舱体(C7)的腔体开口端面并密封连接；上密封穹顶(C2)的中央安装有舱体接口件(C1)，舱体接口件(C1)包括通讯上密封舱盖(C12-4)和通讯舱体(C12-5)，通讯上密封舱盖(C12-4)安装在通讯舱体(C12-5)的上端开口，通讯上密封舱盖(C12-4)和通讯舱体(C12-5)均设有外凸缘，外凸缘台阶面上开设第一螺孔(C12-7)，螺栓穿过第一螺孔(C12-7)连接到上密封穹顶(C2)；舱体接口件(C1)上还设有上玻璃压装法兰(C12-1)、上法兰紧固螺钉(C12-2)、石英玻璃(C12-3)和真空插座(C12-6)，石英玻璃(C12-3)被上玻璃压装法兰(C12-1)固定安装在通讯上密封舱盖(C12-4)顶部中心的开口处，上玻璃压装法兰(C12-1)通过上法兰紧固螺钉(C12-2)固定于上密封舱盖(C12-4)顶部，通讯上密封舱盖(C12-4)，通讯舱体(C12-5)底部开孔，开孔处安装真空插座(C12-6)；舱体(C7)的腔体内底面固定安装有布线支架(C6)和供气支架(C8)，舱体(C7)一侧壁上开设有接线孔(C7-1)和第一安装孔(C7-2)，舱体(C7)另一侧壁对称开设有接线孔和第二安装孔(C7-3)，接线孔(C7-1)处安装接线电极(C5)，接线电极(C5)经过接线孔(C7-1)与舱体(C7)内部的布线支架(C6)相连，弱信号控制电线经过第一安装孔(C7-2)与布线支架(C6)相连；第二安装孔(C7-3)中安装冷却气体阀装置(C9)，冷却气体经管路连接到冷却气体阀装置(C9)，冷却气体阀装置(C9)经供气支架(C8)上的管路和舱体(C7)内的试验仪器进出气口连通；/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)；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所述的坩埚及气冷系统置于坩埚支撑座(21)上的上加热炉管(19)和下加热炉管(20)内部，坩埚及气冷系统包括进气管(29)、冷却底座(26)、冷速调节环(27)、坩埚(25)、排气盖(28)和排气管(30)；坩埚支撑座(21)顶面上安装冷却底座(26)，冷却底座(26)上安装坩埚(25)，坩埚(25)顶端安装排气盖(28)，坩埚(25)中部套装冷速调节环(27)；在坩埚(25)上设置有中心容腔(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(25)主体为柱形结构，坩埚(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(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(2...

【技术特征摘要】
1.一种超重力定向凝固熔铸炉装置，其特征在于：
所述的定向凝固熔铸系统包括超重力试验舱(C)和安装在超重力试验舱(C)中的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(C)底部，坩埚及气冷系统置于高温加热子系统中；
超重力试验舱(C)包括舱体接口件(C1)、上密封穹顶(C2)、舱体吊耳(C3)和舱体(C7)；舱体(C7)内部设有腔体，腔体上端开口，舱体(C7)的两侧侧壁向外连接有舱体吊耳(C3)，两侧的舱体吊耳(C3)铰接连接到超重力离心机的吊篮转臂上，上密封穹顶(C2)通过螺栓安装连接到舱体(C7)的腔体开口端面并密封连接；上密封穹顶(C2)的中央安装有舱体接口件(C1)，舱体接口件(C1)包括通讯上密封舱盖(C12-4)和通讯舱体(C12-5)，通讯上密封舱盖(C12-4)安装在通讯舱体(C12-5)的上端开口，通讯上密封舱盖(C12-4)和通讯舱体(C12-5)均设有外凸缘，外凸缘台阶面上开设第一螺孔(C12-7)，螺栓穿过第一螺孔(C12-7)连接到上密封穹顶(C2)；舱体接口件(C1)上还设有上玻璃压装法兰(C12-1)、上法兰紧固螺钉(C12-2)、石英玻璃(C12-3)和真空插座(C12-6)，石英玻璃(C12-3)被上玻璃压装法兰(C12-1)固定安装在通讯上密封舱盖(C12-4)顶部中心的开口处，上玻璃压装法兰(C12-1)通过上法兰紧固螺钉(C12-2)固定于上密封舱盖(C12-4)顶部，通讯上密封舱盖(C12-4)，通讯舱体(C12-5)底部开孔，开孔处安装真空插座(C12-6)；舱体(C7)的腔体内底面固定安装有布线支架(C6)和供气支架(C8)，舱体(C7)一侧壁上开设有接线孔(C7-1)和第一安装孔(C7-2)，舱体(C7)另一侧壁对称开设有接线孔和第二安装孔(C7-3)，接线孔(C7-1)处安装接线电极(C5)，接线电极(C5)经过接线孔(C7-1)与舱体(C7)内部的布线支架(C6)相连，弱信号控制电线经过第一安装孔(C7-2)与布线支架(C6)相连；第二安装孔(C7-3)中安装冷却气体阀装置(C9)，冷却气体经管路连接到冷却气体阀装置(C9)，冷却气体阀装置(C9)经供气支架(C8)上的管路和舱体(C7)内的试验仪器进出气口连通；
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)；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；
所述的坩埚及气冷系统置于坩埚支撑座(21)上的上加热炉管(19)和下加热炉管(20)内部，坩埚及气冷系统包括进气管(29)、冷却底座(26)、冷速调节环(27)、坩埚(25)、排气盖(28)和排气管(30)；坩埚支撑座(21)顶面上安装冷却底座(26)，冷却底座(26)上安装坩埚(25)，坩埚(25)顶端安装排气盖(28)，坩埚(25)中部套装冷速调节环(27)；在坩埚(25)上设置有中心容腔(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(25)主体为柱形结构，坩埚(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(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(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(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(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(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(25)侧壁两侧对称开设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(25)外部连通；冷却底座(26)上端开口，开口内设有下环形槽(26-2)，坩埚(25)下端安装到冷却底座(26)上端开口中，且通过下环形槽(26-2)将坩埚(25)的各个冷却孔(25-2)下端连通，冷却底座(26)底端开有和下环形槽(26-2)连通的进气通孔(26-1)；冷速调节环(27)固定安装于坩埚(25)的定位凸缘块(25-5)上，冷速调节环(27)顶面开设有一个或者两个垂直的集气槽孔(27-1)，集气槽孔(27-1)底端穿过冷速调节环(27)内圈壁面和坩埚(25)的气体排放孔(25-7)连通；排气盖(28)下端开口，开口内设有上环形槽(28-2)，坩埚(25)下端安装到排气盖(28)下端开口中，且通过上环形槽(28-2)将坩埚(25)的各个冷却孔(25-2)上端连通，排气盖(28)底端开有和上环形槽(28-2)连通的出气通孔(28-1)，排气盖(28)的出气通孔(28-1)和排气管(30)的一端连通；排气管(30)另一端与外界相连通，将冷却气体排出；排气盖(28)下端开口内的中间设置形成凸台(28-3)，凸台(28-3)嵌装于坩埚(25)的中心...

【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