一种能够局部强化加热的定向凝固装置制造方法及图纸

一种能够局部强化加热的定向凝固装置，包括上炉体和下炉体。在上炉体内，由上炉体的中心向外，依次有坩埚、电阻环、钨筒和屏蔽层，并且坩埚、电阻环和钨筒均位于屏蔽层内。在钨筒和电阻环的上表面，分别有电源线接出；钨筒的电源线与电阻环的电源线分别独立的与电源连接，并通过钨筒对位于坩埚内的试样整体加热，通过位于坩埚下部的电阻环对坩埚内的试样局部强化加热。两个热电偶分别位于钨筒上部和电阻环的下部，分别用于测量钨筒和电阻环的温度。本实用新型专利技术将整体加热和局部强化加热相结合，使试样在固／液界面前沿获得高温度梯度的同时充分熔化，降低了低熔点元素的烧损、扩大了适用材料类型和试样尺寸，并消除了传统感应加热引起的熔体强制对流。（*该技术在2020年保护过期，可自由使用*）

【技术实现步骤摘要】

本专利技术涉及定向凝固材料制备领域，具体是一种能够局部强化加热的定向凝固装置。
技术介绍
定向凝固技术可使材料凝固组织按特定方向排列，获得定向及单晶组织，改善材 料性能。在材料的定向凝固过程中，高的温度梯度是获得超细化组织、减小成分偏析、控制 显微缺陷及相分布的保证。此外，高温度梯度可以在保证优化凝固组织的同时提高抽拉速 率，从而提高生产效率。因此，高的温度梯度是定向凝固设备追求的目标。定向凝固技术的 发展历史就是不断提高定向凝固设备温度梯度的历史。而大的温度梯度的获得可以通过强 化加热和冷却条件。因此，各国学者及工程技术人员沿着这两条思路专利技术了一系列提高固 /液界面前沿温度梯度的方法。目前，在工业生产上广泛应用的定向凝固方法主要有快速凝固法(HRS)和液态金 属冷却法(LMC)。HRS法是通过感应或者电阻加热对试样进行整体加热熔化，然后将铸件以 一定的抽拉速率从炉子中移出完成定向凝固，温度梯度为60 100°C /cm。LMC法与HRS 的主要区别在于冷却介质采用低熔点液态金属进行强制冷却，温度梯度可达100 300°C / cm。然而，HRS法和LMC法因为都是对试样进行全熔，因此，如果通过强化加热来提高温度梯 度将会引起合金中低熔点元素的烧损。高能束区熔定向凝固法虽可以得到高的温度梯度， 但是，只适用于小尺寸试样的定向凝固。例如，西北工业大学凝固技术国家重点实验室张 军、崔春娟等人利用电子束悬浮区熔定向凝固制备了 Si/TaSi2共晶自生复合场发射材料， 其温度梯度为350 500°C /cm。西北工业大学凝固技术国家重点实验室在LMC法的基础上发展了一种新型的定 向凝固技术——区域熔化液态金属冷却法((ZMLMC))。局部加热技术使固/液界面前沿得 到充分的强化加热，从而可以获得高达1300°C/cm的温度梯度。但是，在抽拉速率较高的情 况下，ZMLMC法采用的区域感应加热方式对试样的熔化能力滞后抽拉速率，从而导致实样不 能充分熔化，这就限制了冷却速率的进一步提高。本专利技术针对LMC法和ZMLMC法存在的不足，提出了一种局部强化电阻加热高梯度 定向凝固装置。该装置将LMC法与区熔技术相结合，不但可以得到高达600°C /cm温度梯 度，而且保证了试样完全熔化并降低了低熔点元素的烧损。另外，由于采用电阻加热，使适 用范围扩大到了不导电材料，而且电阻加热不会像感应加热引起强制对流，可以获得稳定 的晶体生长，从而便于凝固理论研究。
技术实现思路
为克服现有技术中存在的或者对试样进行整体加热熔化导致温度梯度较低；或者 区域感应加热使试样不能充分熔化的不足，本专利技术提出了一种能够局部强化加热的定向凝固装置。本专利技术包括电源线、热电偶、隔热板、结晶器、炉体、液态金属、抽拉系统、坩埚、钨 筒和屏蔽层，炉体包括上炉体和下炉体，在下炉体内，由下炉体的中心向外，依次有抽拉系 统和结晶器，在结晶器内装有液态金属；抽拉系统穿过下炉体的炉底，与伺服电机相连；在 结晶器的底部有两个冷却水入口 ；在上炉体内，由上炉体的中心向外，依次有坩埚、钨筒和 屏蔽层，坩埚一端穿过上炉体底部的中心孔，与位于下炉体内中心的抽拉系统相连；并通过 热电偶测量钨筒的温度；其特征在于，所述的局部强化电阻加热高梯度定向凝固装置还包 括电阻环和钽电极；电阻环位于隔热板上方钨筒内、套装在坩埚的外圆周上；钽电极的一 端与固定在上炉体壁上的水冷电源线连接，另一端的端面上有凹槽，电阻环未封闭端嵌入 该凹槽内构成闭合回路；电阻环上接有热电偶。所述的电阻环为圆周上有开口的套筒。电阻环与钨筒和坩埚之间不干涉；电阻环 与隔热板之间有间隙；电阻环的轴线与炉体的中心线重合。所述的钨筒的电源线与电阻环的电源线分别独立的与电源连接。本专利技术的有益效果是本专利技术综合了 ZMLMC法和HRS法的优点，通过钨筒对对试样 进行整体加热，通过电阻环对试样固液界面前沿进行局部强化加热并用液态金属冷却。整 体加热保证试样充分熔化，这样即使在高速抽拉时也不会在试样中出现未溶颗粒；固液界 面前沿的局部强化加热使设备可以提供高的温度梯度，因此，本专利技术在保证试样完全熔化 的同时可以得到高的温度梯度。具体的效果如表一所示。同时电阻环的材料、高度、厚度和 内径均能够根据试样的尺寸及所需要的温度梯度进行调整。由于采用电阻加热，该装置不仅适用于导电材料，还适用于陶瓷、半导体、陶瓷基 复合材料等不导电材料。另外，钨筒和电阻环采用两台直流电源分别供电，两者的功率可以 单独调节，从而，方便实现对试样的整体加热和局部强化加热。直流供电也保证了在加热过 程中不会形成电磁扰动，减少了定向凝固过程中熔体的流动，便于定向凝固理论研究。表一不同定向凝固装置制备试样熔化效果及定向情况比较 附图说明图1是本专利技术所结合装置的示意图。图2是本专利技术电阻环加热体的结构示意图。图3是本专利技术电阻环加热体的俯视图。1.电源线 2.热电偶 3.隔热板4.结晶器5.液态金属6.抽拉系统7.下炉体 8.冷却水入口 9.坩埚 10.钨筒 11.屏蔽层 12.试样13.电阻环 14.上炉体 15.钽电极具体实施方式实施例一本实施例是一种能够局部强化加热的定向凝固装置，包括电源线1、热电偶2、隔 热板3、结晶器4、炉体、液态金属5、抽拉系统6、坩埚9、钨筒10、屏蔽层11、电阻环13和钽 电极15。本实施例加热的合金为DZ125定向凝固镍基高温合金，局部强化温度为2000°C， 整体加热温度为1500°C，在保证试样完全熔化的基础上获得600°C /cm的温度梯度。炉体包括上炉体14和下炉体7，在下炉体7内，由下炉体的中心向外，依次有抽拉 系统6和结晶器4，在结晶器4内装有液态金属5 ；抽拉系统6穿过下炉体7的炉底，与伺服 电机相连；在结晶器4的底部有两个冷却水入口 8。在上炉体14内，由上炉体的中心向外，依次有坩埚9、电阻环13、钨筒10和屏蔽层 11，并且坩埚9、电阻环13和钨筒10均位于屏蔽层11内。在钨筒10和电阻环13的上表 面，分别有电源线1接出；钨筒10的电源线与电阻环13的电源线分别独立的与电源连接， 并通过钨筒10对位于坩埚9内的试样12整体加热，通过位于坩埚9下部的电阻环13对坩 埚内的试样12局部强化加热。坩埚9 一端穿过上炉体14底部的中心孔，与位于下炉体7 内中心的抽拉系统6相连。两个热电偶2分别位于钨筒10上部和电阻环13的下部，分别 用于测量钨筒10和电阻环13的温度。在上炉体14和下炉体7之间有隔热板3。用钽制作的电阻环13为圆周上有开口的套筒。电阻环13的外径小于钨筒10的 内径，内径大于坩埚9的外径。电阻环13位于隔热板上方的钨筒10内、套装在坩埚9的外 圆周上，并且电阻环13与钨筒10和坩埚9之间不干涉；电阻环与隔热板之间有间隙；电阻 环的轴线与炉体的中心线重合。电阻环13的高度和厚度根据所加热的温度和固/液界面 前沿的温度梯度确定，其确定原则为电阻环13在所需要的温度梯度下不发生软化。本实施 例中，电阻环13的高度为IOmm ；电阻环13的厚度为0. 5mm。钽电极15为杆状，用于固定电阻环13并连接电源线。钽电极15的一端与固定在 上炉体壁上的水冷电源线连接；钽电极15另一端的端面上有凹槽，电阻环13未封闭端嵌本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种能够局部强化加热的定向凝固装置，包括电源线（１）、热电偶（２）、隔热板（３）、结晶器（４）、炉体、液态金属（５）、抽拉系统（６）、坩埚（９）、钨筒（１０）和屏蔽层（１１），炉体包括上炉体（１４）和下炉体（７），在下炉体（７）内，由下炉体的中心向外，依次有抽拉系统（６）和结晶器（４），在结晶器（４）内装有液态金属（５）；抽拉系统（６）穿过下炉体（７）的炉底，与伺服电机相连；在结晶器（４）的底部有两个冷却水入口８；在上炉体（１４）内，由上炉体的中心向外，依次有坩埚（９）、钨筒（１０）和屏蔽层（１１），坩埚（９）一端穿过上炉体（１４）底部的中心孔，与位于下炉体（７）内中心的抽拉系统（６）相连；并通过热电偶（２）测量钨筒（１０）的温度；其特征在于，所述的局部强化电阻加热高梯度定向凝固装置还包括电阻环（１３）和钽电极（１５）；电阻环（１３）位于隔热板（３）上方钨筒（１０）内、套装在坩埚（９）的外圆周上；钽电极（１５）的一端与电源线连接；钽电极（１５）另一端的端面上有凹槽，电阻环（１３）未封闭端嵌入该凹槽内构成闭合回路；电阻环（１３）上接有热电偶（２）。

【技术特征摘要】

【专利技术属性】
技术研发人员：张军，刘林，傅恒志，黄太文，王常帅，赵新宝，
申请(专利权)人：西北工业大学，
类型：实用新型
国别省市：87[]