專利名稱：一種強(qiáng)脈沖電流定向凝固裝置的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本實(shí)用新型涉及一種凝固裝置，具體地說，涉及一種強(qiáng)脈沖電流定向凝固裝置。
背景技術(shù)：
現(xiàn)有的定向凝固裝置均采用布里奇曼法，通過控制定向凝固過程中的溫度梯度和 晶粒生長速率，來獲得較好的凝固組織晶粒取向。同時通過盡可能提高凝固過程中固液界 面的溫度梯度和生長速率來細(xì)化組織結(jié)構(gòu)，以此來獲得徑向尺寸細(xì)小，同時晶粒生長方向 一致的凝固組織。但其設(shè)備結(jié)構(gòu)復(fù)雜，而且比較難于實(shí)現(xiàn)。通過脈沖發(fā)生裝置，利用電場力引起液相和固相的相對運(yùn)動，促進(jìn)枝晶破碎使晶 粒增多來細(xì)化晶粒，這種工藝方法由于與金屬材料沒有接觸，能夠很好的實(shí)現(xiàn)無污染細(xì)化 晶粒。相關(guān)資料表明，各種電場細(xì)晶技術(shù)、磁場細(xì)晶技術(shù)均能較好地達(dá)到細(xì)化凝固組織晶粒 的目的。而現(xiàn)有的脈沖電流晶粒細(xì)化裝置只是對熔融金屬自然凝固進(jìn)行處理，在細(xì)化晶粒 的同時無法獲得晶粒取向一致的組織。在中國專利200710177552. X中公開了一種復(fù)合磁場下金屬材料高溫處理方法與 裝置，并對這種復(fù)合磁場下金屬材料高溫處理方法與裝置作了詳細(xì)描述。其對金屬熔體施 加同軸同向的脈沖磁場和超導(dǎo)強(qiáng)磁場，控制晶粒尺寸和晶體取向。利用超導(dǎo)強(qiáng)磁場抑制熔 體中stocks重力沉降和自然對流來引導(dǎo)材料沿著一定的晶體取向凝固，利用脈沖磁場抑 制熔體中Marangoni對流作用，細(xì)化晶粒。該方法由于需要通過超導(dǎo)強(qiáng)磁場控制晶粒取向， 其裝置設(shè)計(jì)復(fù)雜，生產(chǎn)成本亦較高，且超導(dǎo)強(qiáng)磁場電磁輻射亦較大，對工作環(huán)境會造成一定 的污染。

實(shí)用新型內(nèi)容本實(shí)用新型要解決的技術(shù)問題是提供一種在定向凝固過程中既能控制晶粒取向， 同時又能細(xì)化晶粒尺寸的強(qiáng)脈沖電流定向凝固裝置。為解決上述技術(shù)問題，本實(shí)用新型強(qiáng)脈沖電流定向凝固裝置是由脈沖電流發(fā)生裝 置和定向凝固裝置兩部分構(gòu)成，脈沖電流發(fā)生裝置向熔融金屬提供電流脈沖，不斷沖擊生 長中的晶粒組織，導(dǎo)致晶粒細(xì)小；定向凝固裝置產(chǎn)生金屬凝固過程中的溫度梯度，得到晶粒 生長方向一致的凝固組織。所述的脈沖電流發(fā)生裝置，屬于在時間上壓縮能量的電容儲能高功率脈沖電源， 采用放電回路短接的方式，通過控制系統(tǒng)控制充放電開關(guān)，使儲存能量在極短時間內(nèi)完成 釋放，獲得極高的脈沖電流峰值。所述的定向凝固裝置，由加熱控制器、抽拉傳動機(jī)構(gòu)、懸臂臺、固定支架、水冷裝置 和定向結(jié)晶爐組成加熱控制器通過熱電偶實(shí)時測量并反饋爐體溫度，實(shí)現(xiàn)對爐體溫度的 自動調(diào)節(jié)；抽拉傳動機(jī)構(gòu)控制定向結(jié)晶爐的垂直運(yùn)動速度；懸臂臺連接抽拉傳動機(jī)構(gòu)和固 定定向結(jié)晶爐。所述的定向凝固裝置中的固定支架位于定向結(jié)晶爐殼體下方，固定于水平臺面上，獨(dú)立于其它裝置。其上端設(shè)有試樣夾持機(jī)構(gòu)，用于固定盛放剛玉坩堝的冷端電極。使用 時，盛放金屬溶體的剛玉坩堝嵌套在冷端電極上，完全排除了以往抽拉金屬棒料時抽拉傳 動機(jī)構(gòu)的抖動對其金屬溶體定向凝固晶粒組織取向的影響。所述的定向凝固裝置中的水冷結(jié)構(gòu)，由水冷套、過水槽塊及進(jìn)水管、出水管組成， 位于定向結(jié)晶爐的下部，中間填充有隔熱材料，以防止熱量向冷卻水套和爐體傳導(dǎo)；水冷結(jié) 構(gòu)用以冷卻剛玉坩堝的端部，將試樣周圍多余熱量帶走，提供較大的溫度梯度。使用時，通 過調(diào)節(jié)冷卻水的溫度和流動速度，以及與定向結(jié)晶爐的爐體溫度，實(shí)現(xiàn)液態(tài)金屬合金液固 界面的大溫差，以滿足實(shí)驗(yàn)所需溫度梯度的要求。為了解決金屬凝固過程中，能同時對熔融金屬施加強(qiáng)電流脈沖實(shí)現(xiàn)細(xì)晶和大溫度 梯度實(shí)現(xiàn)定向凝固。使用時保持定向凝固裝置不變，將脈沖電流發(fā)生裝置正(負(fù))極通過 帶螺紋導(dǎo)線接頭接入用以嵌套剛玉坩堝的冷端電極上，負(fù)(正)極通過一耐高溫電極直接 通入剛玉坩堝中的熔融金屬中實(shí)現(xiàn)短路連接，根據(jù)電脈沖參數(shù)調(diào)節(jié)指令，實(shí)現(xiàn)定向凝固過 程中對脈沖電流的控制。本實(shí)用新型強(qiáng)脈沖電流定向凝固裝置是定向凝固技術(shù)和電變質(zhì)脈沖處理技術(shù)的 結(jié)合。在定向凝固過程中同時施加脈沖電流，且脈沖電源的正負(fù)兩端可交換連接在冷端電 極和熱端電極，均可達(dá)到細(xì)晶目的。設(shè)備裝置簡單靈活，節(jié)約生產(chǎn)成本，效率大大提高，使材 料在一次加熱過程中能同時完成晶粒尺寸和晶粒取向的控制，減少成分偏析與纖微疏松， 有利于提高金屬合金的使用性能，獲得特殊性能要求的金屬材料。還可以減少電磁輻射的 傷害，減輕環(huán)境的負(fù)擔(dān)。本實(shí)用新型的冷端電極夾持在固定支架上，完全排除了以往抽拉金 屬棒料時抽拉傳動機(jī)構(gòu)的抖動對金屬熔體定向凝固晶粒組織取向的影響。
以下結(jié)合附圖對本實(shí)用新型強(qiáng)脈沖電流定向凝固裝置作進(jìn)一步詳細(xì)說明。


圖1為本實(shí)用新型強(qiáng)脈沖電流定向凝固裝置結(jié)構(gòu)的示意圖。圖2為本實(shí)用新型強(qiáng)脈沖電流定向凝固裝置中抽拉傳動機(jī)構(gòu)沿A-A線的剖視圖。圖3為本實(shí)用新型強(qiáng)脈沖電流定向凝固裝置中懸臂臺結(jié)構(gòu)沿B-B線的剖視圖。圖4為本實(shí)用新型強(qiáng)脈沖電流定向凝固裝置中定向結(jié)晶爐結(jié)構(gòu)的示意圖。圖5為本實(shí)用新型強(qiáng)脈沖電流定向凝固裝置中爐體支架和水冷套結(jié)構(gòu)的剖視圖。圖6為本實(shí)用新型強(qiáng)脈沖電流定向凝固裝置中支撐體俯視圖。圖中1.加熱控制器2.直流電機(jī)3.抽拉傳動機(jī)構(gòu)4.支撐體5.絲杠6.水 冷套7.定向結(jié)晶爐 8.螺桿 9.長螺桿 10.懸臂臺11.固定支架 12.脈沖電源 13.直齒圓柱齒輪14.蝸輪蝸桿15.冷端電極16.隔熱材料17.保溫材料18.外電 熱絲19.熱電偶20.螺紋管21.熱端電極22.內(nèi)電熱23.耐火泥漿涂層24.爐體 支架25.進(jìn)水管
具體實(shí)施方式
如
圖1，是強(qiáng)脈沖電流定向凝固裝置的結(jié)構(gòu)，它由脈沖電流發(fā)生裝置和定向凝固裝 置構(gòu)成。所述的脈沖電流發(fā)生裝置是向熔融金屬提供電流脈沖，不斷沖擊生長中的晶粒組 織，導(dǎo)致晶粒細(xì)??；所述的定向凝固裝置是提供金屬凝固過程中的溫度梯度，得到晶粒生長方向一致的凝固組織。其結(jié)構(gòu)主要包括抽拉傳動機(jī)構(gòu)3、支撐體4、懸臂臺10、水冷套6、隔 熱材料16、定向結(jié)晶爐7和固定支架11、冷端電極15、熱端電極21、熱電偶19、加熱控制器 1、脈沖電源12部分組成。并保持熱端電極21、定向結(jié)晶爐7、冷端電極15三者同軸向。圖2展示了本實(shí)用新型強(qiáng)脈沖電流定向凝固裝置中抽拉傳動機(jī)構(gòu)沿A-A線的剖視 圖，其采用抽拉傳動機(jī)構(gòu)的減速原理。其中，抽拉傳動機(jī)構(gòu)3通過直齒圓柱齒輪13和蝸輪 蝸桿14兩級減速傳動降低直流電機(jī)2的轉(zhuǎn)速，再通過絲杠5傳動將蝸輪的轉(zhuǎn)動轉(zhuǎn)變?yōu)橹?體4垂直方向的直線運(yùn)動，從而帶動懸臂臺10上的定向結(jié)晶爐7上下運(yùn)動，控制定向結(jié)晶 爐7的垂直運(yùn)動速度。圖3給出了本實(shí)用新型強(qiáng)脈沖電流定向凝固裝置中懸臂臺結(jié)構(gòu)沿B-B線的剖視 圖。所述的懸臂臺(10)的下端與支撐體(4)的端部使用定位銷連接，可固定在任意位置， 懸臂臺10上端通過四根長螺桿9與爐體支架24進(jìn)行連接，定向結(jié)晶爐7和與水冷套6用 螺桿8進(jìn)行連接固定，使支撐體4、懸臂臺10、水冷套6、爐體支架24和定向結(jié)晶爐7成為一 體，實(shí)現(xiàn)通過抽拉傳動機(jī)構(gòu)3來直接控制定向結(jié)晶爐7的垂直運(yùn)動的速度。如圖6所示，使 用時可通過調(diào)節(jié)定位銷的位置、長螺桿9的旋合長度等來調(diào)節(jié)支撐體4、懸臂臺10、水冷套 6、爐體支架24和定向結(jié)晶爐7之間的相對位置來滿足實(shí)驗(yàn)的要求。水冷套6和定向結(jié)晶爐7之間填充有隔熱材料16，以避免熱量向冷卻水套過多輻 射或向支架傳導(dǎo)，隔熱材料為高鋁耐火纖維棉氈，可在1000°c -1250°C下長期使用。如圖5 所示，為提高電脈沖定向結(jié)晶爐7的軸向溫度梯度，在爐體底部設(shè)置有水冷套6，選用導(dǎo)熱 性能較好的銅材作為它的主要材料。通過調(diào)節(jié)進(jìn)水管25中冷卻水的溫度和流動速度，以及 與定向結(jié)晶爐7的爐體溫度，實(shí)現(xiàn)液態(tài)金屬合金液固界面的大溫差，以滿足實(shí)驗(yàn)所需溫度 梯度的要求。使用時，當(dāng)工件在抽拉系統(tǒng)的作用下逐漸推出爐膛時，在水冷套6的激冷作用 下而較快冷卻，使金屬的固-液平面沿著爐管軸線向上推進(jìn)。圖4是本實(shí)用新型強(qiáng)脈沖電流定向凝固裝置中定向結(jié)晶爐結(jié)構(gòu)的示意圖。所述的 定向結(jié)晶爐7為井式中空爐，是利用電流通過電阻體產(chǎn)生的熱量來加熱爐具。其采用外圈 穩(wěn)恒加熱，內(nèi)圈補(bǔ)償加熱的方式來保證爐膛溫度場分布的均勻性，外圈為馬弗膽，內(nèi)圈爐膛 由耐高溫高鋁陶瓷管構(gòu)成。爐體由內(nèi)電熱絲22、外電熱絲18、保溫材料17及爐壁構(gòu)成。選 用0Cr25A115作為發(fā)熱體材料，在空氣中將FeCrAl電阻絲加熱到500°C左右并保溫4 5h， 使材料表面逐漸形成氧化鋁保護(hù)層，以提高電熱元件的使用壽命。內(nèi)電熱絲22環(huán)繞于螺紋 管20上，螺紋管20材料為電熔剛玉管。爐管外壁上預(yù)制有螺紋槽，將外電熱絲18繞成螺 旋狀裝進(jìn)外圈中，起到加強(qiáng)保溫性能，穩(wěn)定爐溫的作用。繞好電熱絲后，在爐管外壁分?jǐn)?shù)次 涂抹上厚度為5mm左右的耐火泥漿涂層23，并干燥固化，以避免電熱絲在高溫下受熱變形 而脫離螺紋槽，造成相鄰電熱絲接觸而短路，此外還可使電熱絲與空氣隔離，有效減輕電熱 絲氧化，提高使用壽命。剛玉螺紋管、馬弗膽及爐壁之間用硅酸鋁耐火纖維充分填實(shí)，保證 其定向結(jié)晶爐7良好的保溫性能。加熱控制器1采用基于單片機(jī)的PID方法來控制定向結(jié)晶爐的爐體溫度。合理地 設(shè)定PID算法控制器中的參數(shù)，在爐體內(nèi)部即可以達(dá)到較好的加熱和散熱的動態(tài)平衡，從 而使其溫度達(dá)到動態(tài)恒定。加熱控制器1通過導(dǎo)線與熱電偶19和定向結(jié)晶爐7電阻絲連 接，熱電偶19插入定向結(jié)晶爐7的內(nèi)壁，根據(jù)熱電偶19測量到的定向結(jié)晶爐7爐體溫度， 并反饋至加熱控制器1，通過實(shí)時調(diào)整定向結(jié)晶爐7內(nèi)圈電熔剛玉管加熱的通電和斷電狀態(tài)，達(dá)到控制定向結(jié)晶爐7內(nèi)部溫度的目的。固定支架11置于懸臂架下方的水平臺面上，獨(dú)立于抽拉傳動機(jī)構(gòu)，并與抽拉初始 狀態(tài)時懸臂臺10位置保持一定的距離；冷端電極15固定在固定支架上端，材料為45鋼，其 下端車削出內(nèi)螺紋，熱端電極21固定于懸臂架上，在實(shí)驗(yàn)過程中，剛玉坩堝嵌套在冷端電 極15上，脈沖電源的正(負(fù))極連接在與冷端電極下端內(nèi)螺紋等徑的外螺紋接頭上，旋入 螺紋即可完成冷端電極的接入；脈沖電源的負(fù)(正)極通過高溫電極直接接入熱端電極。脈沖電源12屬于在時間上壓縮能量的電容儲能高功率脈沖電源，采用放電回路 短接的方式，使儲存能量在500ns內(nèi)完成釋放，可以獲得極高的脈沖電流峰值，提高固液界 面處的溫度梯度，提高形核率，從而達(dá)到細(xì)化晶粒的目的。電脈沖參數(shù)為脈沖電源電容 0-120 μ F，脈沖電壓峰值為3000V，脈沖工作頻率0. 25-2. 5Hz，脈沖峰值電流可達(dá)0. IMA級。 使用時，接通脈沖電源，冷端電極15與熱端電極21通過剛玉坩堝中的熔融金屬構(gòu)成閉合回 路，并與固定支架11 一起保持不動，定向結(jié)晶爐7、隔熱材料16、水冷套6作為整體位于抽 拉控制系統(tǒng)懸臂臺10上，由抽拉傳動機(jī)構(gòu)3控制定向結(jié)晶爐的垂直運(yùn)動速度，實(shí)現(xiàn)熔融金 屬相對于定向結(jié)晶爐7的定向移動。同時根據(jù)電脈沖參數(shù)調(diào)節(jié)指令，對金屬溶體施加電流 脈沖，完成金屬試樣的定向凝固與晶粒細(xì)化。本實(shí)用新型結(jié)合定向凝固技術(shù)和電變質(zhì)脈沖 處理技術(shù)，在金屬熔體的一次凝固過程中同時控制細(xì)晶作用和控制晶粒取向作用。裝置結(jié) 構(gòu)簡單，節(jié)約生產(chǎn)成本，提高效率；還可以減少電磁輻射的傷害，減輕環(huán)境的負(fù)擔(dān)。
權(quán)利要求一種強(qiáng)脈沖電流定向凝固裝置，包括加熱控制器(1)、直流電機(jī)(2)、抽拉傳動機(jī)構(gòu)(3)、支撐體(4)、水冷套(6)、定向結(jié)晶爐(7)、懸臂臺(10)、固定支架(11)和脈沖電源(12)，其特征在于所述的加熱控制器(1)通過導(dǎo)線與熱電偶(19)和定向結(jié)晶爐(7)電阻絲連接，熱電偶(19)插入定向結(jié)晶爐(7)的內(nèi)壁，根據(jù)熱電偶(19)測量到的定向結(jié)晶爐(7)爐體溫度，并反饋至加熱控制器(1)控制定向結(jié)晶爐(7)內(nèi)部溫度。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的強(qiáng)脈沖電流定向凝固裝置，其特征在于所述的懸臂臺(10) 的下端與支撐體(4)的端部使用定位銷連接，可固定在任意位置，懸臂臺(10)上端通過四 根長螺桿(9)與爐體支架(24)連接，定向結(jié)晶爐(7)與水冷套(6)用螺桿(8)連接固定， 使支撐體(4)、懸臂臺(10)、水冷套(6)、爐體支架(24)和定向結(jié)晶爐(7)成為一體。
3.根據(jù)權(quán)利要求1所述的強(qiáng)脈沖電流定向凝固裝置，其特征在于所述的固定支架(11)位于定向結(jié)晶爐(7)殼體下方，與懸臂臺(10)位置保持一定的距離，冷端電極(15)由 夾持機(jī)構(gòu)固定在固定支架(11)上端，熱端電極(21)固定于懸臂架上，剛玉坩堝嵌套在冷端 電極(15)上，并保持熱端電極(21)、定向結(jié)晶爐(7)、冷端電極(15)三者同軸。
4.根據(jù)權(quán)利要求1所述的強(qiáng)脈沖電流定向凝固裝置，其特征在于所述的抽拉傳動機(jī) 構(gòu)⑶通過直齒圓柱齒輪(13)和蝸輪蝸桿(14)兩級減速傳動降低直流電機(jī)(2)的轉(zhuǎn)速， 再通過絲杠(5)傳動將蝸輪的轉(zhuǎn)動轉(zhuǎn)變?yōu)橹误w(4)垂直方向的直線運(yùn)動，帶動懸臂臺 (10)上的定向結(jié)晶爐(7)上下運(yùn)動，控制定向結(jié)晶爐(7)的垂直運(yùn)動速度，直線運(yùn)動速度為 10-1000 μm/s0
5.根據(jù)權(quán)利要求1所述的強(qiáng)脈沖電流定向凝固裝置，其特征在于所述的水冷套(6) 設(shè)置在固定支架(11)的上部與定向結(jié)晶爐(7)之間填充有隔熱材料(16)，隔熱材料為高鋁 耐火纖維棉氈；通過調(diào)節(jié)進(jìn)水管(25)中冷卻水的溫度和流動速度與定向結(jié)晶爐(7)的爐體 溫度，實(shí)現(xiàn)液態(tài)金屬合金液_固界面的大溫差。
6.根據(jù)權(quán)利要求1所述的強(qiáng)脈沖電流定向凝固裝置，其特征在于所述的定向結(jié)晶爐 (7)，外圈為馬弗膽，內(nèi)圈爐膛為耐高溫高鋁陶瓷管，爐體由內(nèi)電熱絲(22)、外電熱絲(18)、 保溫材料(17)及爐壁構(gòu)成，內(nèi)電熱絲(22)環(huán)繞于螺紋管(20)上，爐管外壁設(shè)有螺紋槽，將 外電熱絲(18)繞成螺旋狀裝進(jìn)外圈中，繞好電熱絲后，在爐管外壁涂抹厚度為5mm的耐火 泥漿涂層(23)，并干燥固化，剛玉螺紋管、馬弗膽及爐壁之間用硅酸鋁耐火纖維充分填實(shí)， 保證定向結(jié)晶爐(7)的保溫性能。
7.根據(jù)權(quán)利要求1所述的強(qiáng)脈沖電流定向凝固裝置，其特征在于所述的脈沖電源(12)向熔融金屬提供強(qiáng)脈沖電流，脈沖電源(12)輸出的正、負(fù)極分別與冷端電極(15)和熱 端電極(21)聯(lián)接，通過剛玉坩堝中的熔融金屬構(gòu)成閉合放電回路；冷端電極(15)下端設(shè)有 內(nèi)螺紋，脈沖電源(12)的正(負(fù))極通過外螺紋導(dǎo)線接頭，與冷端電極(15)通過螺紋旋合 完成電極連接。
專利摘要本實(shí)用新型公開了一種強(qiáng)脈沖電流定向凝固裝置，包括加熱控制器、抽拉傳動機(jī)構(gòu)、支撐體、定向結(jié)晶爐、懸臂臺、固定支架和脈沖電源，加熱控制器通過導(dǎo)線與熱電偶和定向結(jié)晶爐電阻絲連接，熱電偶插入定向結(jié)晶爐內(nèi)壁，根據(jù)熱電偶測量并實(shí)時傳輸?shù)蕉ㄏ蚪Y(jié)晶爐內(nèi)部溫度值，實(shí)時調(diào)整定向結(jié)晶爐內(nèi)圈電熔剛玉管加熱的通電和斷電狀態(tài)，達(dá)到控制定向結(jié)晶爐內(nèi)部溫度的目的。脈沖電源通過導(dǎo)線與冷熱端電極連接，根據(jù)電脈沖參數(shù)調(diào)節(jié)指令，完成對脈沖電流的控制；在設(shè)備簡便的前提下獲得晶粒尺寸細(xì)小、取向一致的柱狀凝固組織，效果顯著，還可減少電磁輻射的傷害，減輕環(huán)境的負(fù)擔(dān)。
文檔編號B22D27/02GK201711521SQ201020236710
公開日2011年1月19日 申請日期2010年6月24日 優(yōu)先權(quán)日2010年6月24日
發(fā)明者胡鵬, 艾昌輝, 趙志龍 申請人:西北工業(yè)大學(xué)