大溫度梯度布里奇曼爐的制作方法
【專利摘要】本發(fā)明公開了一種大溫度梯度布里奇曼爐，包括爐體，所述爐體的爐殼與爐膛之間填充有氣凝膠隔熱陶瓷層；所述爐膛由上至下依次包括：上部中溫區(qū)，中部高溫區(qū)，中部梯度區(qū)和下部低溫區(qū)；所述上部中溫區(qū)、中部高溫區(qū)和下部低溫區(qū)各自設有內部集成測溫熱電偶的控溫加熱器；所述中部梯度區(qū)側壁包裹有帶孔的隔熱耐火層；所述爐膛內還設有用于放置試樣的樣品架，所述樣品架頂部與一單軸位移器連接。本發(fā)明可以根據(jù)不同金屬的物理性質，方便的調節(jié)高溫區(qū)、低溫區(qū)的控溫溫度，獲得適合不同金屬的生長溫度場，并結合單軸位移控制器控制拉伸速度，維持樣品架上金屬熔體凝固的界面穩(wěn)定性。實現(xiàn)對金屬凝固過程的實時穩(wěn)定觀察。
【專利說明】大溫度梯度布里奇曼爐

【技術領域】
[0001]本發(fā)明涉及一種適于同步輻射線站觀察金屬熔體凝固生長界面用大溫度梯度布里奇曼爐，屬于凝固研究【技術領域】。

【背景技術】
[0002]由于其金屬熔體本身可見光的不可穿透性，關于其凝固過程的直接觀察在很長一段時間內都難以進行。傳統(tǒng)上都采用有機溶質或部分銨鹽的凝固結晶過程模擬金屬溶體的凝固過程[Timmermans J.J Phys Chem Solids 18 (1961) 1-8, W Huang, L Wang,Solidificat1n Science and Technology,Brunei University Press,London,2011,243]。然而，這種方法畢竟是采用一個完全不同的體系模擬另一個體系的凝固過程，其凝固生長情況不能完全反應金屬凝固過程的特征。此外，有機溶質體系的選擇也決定了模擬的近似程度。到目前為止，僅有幾十中溶質被證明可以用于模擬金屬熔體的不同凝固特征。有機物與金屬材料在一些重要的物理化學性能上的明顯差別，使得研究者們不能完全依據(jù)有機物凝固的觀察結果來推理金屬合金的凝固組織形成過程。
[0003]隨著同步光源的發(fā)展，國內外研究者利用第三代的同步輻射光源成功的對金屬凝固過程中的枝晶生長行為進行研究。同步輻射X射線成像技術具有高能量、高亮度、高分辨率以及單色性好等優(yōu)點，能夠滿足對枝晶生長的實時成像要求。但觀察金屬凝固組織不但對光源質量有要求，對凝固環(huán)境的創(chuàng)建也有一定的要求。鑒于國內同步輻射光源線站大多能量偏小，開放時間有限，空間不足，配套設施不夠完善，因此對用于金屬凝固研究用的配套爐體要求較高。目前，國內大連理工大學開發(fā)的一系列同步輻射用爐或者體積較大，或者實際使用溫度較低，難以提供穩(wěn)定、可靠的高溫度梯度凝固環(huán)境。而歐洲及日本[J.CrystalGrowth 374(2013)23-30]同步福射線站提供的同步福射用布里奇曼爐能提供一定的溫度梯度，體積較小。但由于加熱體采用在陶瓷基板上鋪設加熱線圈的傳統(tǒng)方式，加熱體維護困難，可靠性低。


【發(fā)明內容】

[0004]本發(fā)明的目的在于針對現(xiàn)有同步輻射線站觀察金屬熔體凝固生長界面用爐技術存在的不足，提供一種體積小、運行可靠、凝固生長溫度場及生長速度可控的小型布里奇曼爐。
[0005]為實現(xiàn)上述目的，本發(fā)明的技術方案是設計一種適于同步輻射線站觀察金屬熔體凝固生長界面用大溫度梯度布里奇曼爐，包括爐體，所述爐體的爐殼與爐膛之間填充有氣凝膠隔熱陶瓷層；
[0006]所述爐膛由上至下依次包括:上部中溫區(qū)，中部高溫區(qū)，中部梯度區(qū)和下部低溫區(qū)；
[0007]所述上部中溫區(qū)、中部高溫區(qū)和下部低溫區(qū)各自設有內部集成測溫熱電偶的控溫加熱器；
[0008]所述中部梯度區(qū)側壁包裹有帶孔的隔熱耐火層，所述隔熱耐火層由氣凝膠陶瓷板制成；
[0009]所述爐膛內還設有用于放置試樣的樣品架，所述樣品架頂部與一單軸位移器連接。
[0010]優(yōu)選的，所述中部高溫區(qū)的測溫熱電偶在中部梯度區(qū)上方5mm處；所述下部低溫區(qū)的測溫熱電偶在中部梯度區(qū)下方5mm處。
[0011]優(yōu)選的，所述爐膛的頂部設有由高鋁纖維棉制成并用于封閉爐膛的隔熱簾，能夠有效的防止爐膛的煙囪效應，確保高溫區(qū)保持恒溫高溫，有利于研究對象的熔化和溫度均勻。
[0012]優(yōu)選的，所述下部低溫區(qū)還設有用于其冷卻的冷卻水管。
[0013]優(yōu)選的，所述控溫加熱器設有接線端子。
[0014]爐膛由氣凝膠隔熱陶瓷層封閉，能降低爐膛對環(huán)境溫度的熱交換，防止熱量向大氣傳遞而造成熱量損失，維持各溫區(qū)的溫度穩(wěn)定，使得本發(fā)明梯度布里奇曼爐能在較小的體積內，提供較高的爐膛溫度，并能降低爐殼的表面溫度，還能降低各溫區(qū)之間的熱傳遞，從而增加梯度區(qū)的溫度梯度。
[0015]上部中溫區(qū)、中部高溫區(qū)和下部低溫區(qū)設有內部集成測溫熱電偶的控溫加熱器，可有效控制熔體溫度及中部梯度區(qū)的溫度梯度。
[0016]中部梯度區(qū)側壁包裹有帶孔的隔熱耐火層，該隔熱耐火層用于阻擋中部高溫區(qū)的熱量向中部梯度區(qū)的輻射、對流和傳導，以減小中部高溫區(qū)的溫差，維持溫度場的穩(wěn)定。由于空氣的導熱系數(shù)較小，隔熱耐火層的中間通氣孔能有效的阻止中部高溫區(qū)的熱量向中部梯度區(qū)傳遞，增大中部梯度區(qū)的溫度梯度。
[0017]中部梯度區(qū)上下各5mm處設置有測溫熱電偶，能實時監(jiān)測爐膛內部、梯度區(qū)兩側的溫度并提供數(shù)據(jù)記錄。
[0018]爐膛內部有放置試樣的樣品架,可放置一定尺寸的金屬試樣。
[0019]樣品架的頂部連接有單軸位移控制器，可和溫度梯度一起控制金屬熔體的凝固速度，并控制金屬熔體的凝固生長方式。
[0020]下部低溫區(qū)設有用于其冷卻的冷卻水管，可進一步增大中部梯度區(qū)的溫度梯度。
[0021]本發(fā)明可以根據(jù)不同金屬的物理性質，方便的調節(jié)高溫區(qū)、低溫區(qū)的控溫溫度，獲得適合不同金屬的生長溫度場，并結合單軸位移控制器控制拉伸速度，維持樣品架上金屬熔體凝固的界面穩(wěn)定性。實現(xiàn)對金屬凝固過程的實時穩(wěn)定觀察。

【專利附圖】

【附圖說明】
[0022]圖1是本發(fā)明的示意圖。

【具體實施方式】
[0023]下面結合附圖和實施例，對本發(fā)明的【具體實施方式】作進一步描述。以下實施例僅用于更加清楚地說明本發(fā)明的技術方案，而不能以此來限制本發(fā)明的保護范圍。
[0024]本發(fā)明具體實施的技術方案是:
[0025]如圖1所示，一種適于同步輻射線站觀察金屬熔體凝固生長界面用大溫度梯度布里奇曼爐，包括爐體，所述爐體的爐殼15與爐膛之間填充有氣凝膠隔熱陶瓷層3 ;爐體內的爐膛由上至下包括:上部中溫區(qū)11，中部高溫區(qū)12，中部梯度區(qū)13和下部低溫區(qū)14四部分。爐膛的頂部由高鋁纖維棉制成的隔熱簾2封閉，能夠有效的防止爐膛的煙囪效應，確保高溫區(qū)保持恒溫高溫，有利于研究對象的熔化和溫度均勻。爐膛底部由氣凝膠隔熱層封閉，防止熱量向大氣傳遞，造成熱量損失，維持低溫區(qū)的溫度穩(wěn)定。上部中溫區(qū)11、中部高溫區(qū)12和下部低溫區(qū)14均設有內部集成測溫熱電偶的控溫加熱器(上部控溫加熱器4，中部控溫加熱器5，下部控溫加熱器9)，并連接PID控溫器對加熱體進行精確控溫。中部梯度區(qū)13采用帶孔的氣凝膠陶瓷板制成的隔熱耐火層7，該耐火層內側尺寸與爐膛尺寸一致，以保證樣品架I的上下移動不受干擾，該隔熱耐火層7用于阻擋中部高溫區(qū)12的熱量向中部梯度區(qū)13的輻射、對流和傳導，以減小中部高溫區(qū)12的溫差，維持溫度場的穩(wěn)定。由于空氣的導熱系數(shù)較小，隔熱耐火層7的中間通氣孔能有效的阻止中部高溫區(qū)12的熱量向中部梯度區(qū)13傳遞，增大中部梯度區(qū)13的溫度梯度。為進一步增大中部梯度區(qū)13的溫度梯度，下部低溫區(qū)14還通有用于冷卻的冷卻水管8，冷卻水的流量可經(jīng)由溫度控制器控制。通過調整中部高溫區(qū)12溫度及下部低溫區(qū)14溫度可在較窄的梯度區(qū)實現(xiàn)較大的溫度梯度，滿足不同合金凝固生長所需的溫度需求。爐膛內設樣品架1，其上方與單軸位移器16相連，能實現(xiàn)樣品架I的下降。爐膛內部，中部梯度區(qū)13上下兩側裝有高溫區(qū)測溫熱電偶和低溫區(qū)測溫熱電偶6，用于實時監(jiān)測并記錄梯度區(qū)的溫度梯度。
[0026]本發(fā)明可以根據(jù)不同金屬的物理性質，方便的調節(jié)高溫區(qū)、低溫區(qū)的控溫溫度，獲得適合不同金屬的生長溫度場，并結合單軸位移控制器控制拉伸速度，維持樣品架上金屬熔體凝固的界面穩(wěn)定性。實現(xiàn)對金屬凝固過程的實時穩(wěn)定觀察。
[0027]以上所述僅是本發(fā)明的優(yōu)選實施方式，應當指出，對于本【技術領域】的普通技術人員來說，在不脫離本發(fā)明技術原理的前提下，還可以做出若干改進和潤飾，這些改進和潤飾也應視為本發(fā)明的保護范圍。
【權利要求】
1.適于同步輻射線站觀察金屬熔體凝固生長界面用大溫度梯度布里奇曼爐，包括爐體，其特征在于，所述爐體的爐殼與爐膛之間填充有氣凝膠隔熱陶瓷層； 所述爐膛由上至下依次包括:上部中溫區(qū)，中部高溫區(qū)，中部梯度區(qū)和下部低溫區(qū)； 所述上部中溫區(qū)、中部高溫區(qū)和下部低溫區(qū)各自設有內部集成測溫熱電偶的控溫加熱器； 所述中部梯度區(qū)側壁包裹有帶孔的隔熱耐火層，所述隔熱耐火層由氣凝膠陶瓷板制成； 所述爐膛內還設有用于放置試樣的樣品架，所述樣品架頂部與一單軸位移器連接。
2.根據(jù)權利要求1所述的大溫度梯度布里奇曼爐，其特征在于，所述中部高溫區(qū)的測溫熱電偶在中部梯度區(qū)上方5mm處；所述下部低溫區(qū)的測溫熱電偶在中部梯度區(qū)下方5mm處。
3.根據(jù)權利要求2所述的大溫度梯度布里奇曼爐，其特征在于，所述爐膛的頂部設有由高鋁纖維棉制成并用于封閉爐膛的隔熱簾。
4.根據(jù)權利要求3所述的大溫度梯度布里奇曼爐，其特征在于，所述下部低溫區(qū)還設有用于其冷卻的冷卻水管。
5.根據(jù)權利要求4所述的大溫度梯度布里奇曼爐，其特征在于，所述控溫加熱器設有接線端子。
【文檔編號】G01N25/04GK104165898SQ201410415167
【公開日】2014年11月26日 申請日期:2014年8月21日 優(yōu)先權日:2014年8月21日
【發(fā)明者】夏明許 申請人:共慧冶金設備科技(蘇州)有限公司