CN101562920B - 高温度梯度定向凝固锥形石墨感应加热器 - Google Patents

Abstract

本发明是一种高温度梯度定向凝固锥形石墨感应加热器，所包括的高频感应线圈(7)和发热体(1)均为锥形，并且在发热体小直径端的端头处为直筒；将发热体的小直径端置于辐射挡板(3)之上，坩锅(6)一端穿过辐射挡板的中孔，与抽拉系统(9)连接，另一端置于发热体(1)内；高频感应线圈(7)套在发热体(1)外，与高频感应电源(10)连接。本发明通过发热体(1)小直径端对试样熔化界面处进行集中强化加热，并将过热局限在界面前沿较小的区域，使定向凝固过程中刚玉坩埚不会因长时间过热而损坏，缩短了最高温度区域与凝固界面的距离，提高了固/液界面前沿的温度梯度，从而改善材料组织，提高材料综合性能，并且适用于大尺寸的定向凝固试样。

Description

高温度梯度定向凝固锥形石墨感应加热器

一、技术领域

本发明涉及定向凝固高温度梯度的获得技术，具体是一种高温度梯度定向凝固锥形石墨感应加热器。

二、背景技术

航空燃气涡轮发动机的发展一直依赖于高温合金的发展，而定向凝固技术的应用是高温合金发展过程中的一个里程碑，它使高温合金的制造技术进入了新的时期。采用定向技术所制备出的具有柱状乃至单晶组织的高温合金燃汽涡轮发动机叶片，具有优良的抗热冲击性能、较长的疲劳性能、较高的蠕变抗力和中温塑性，因而提高了叶片的使用寿命和使用温度。在定向凝固过程中，凝固界面前沿液相的温度梯度和凝固速率是决定凝固组织形态的重要参数。通过提高温度梯度，一方面可以提高凝固速率，另一方面可以得到更长的，枝晶组织排列整齐的样件。定向凝固技术的发展都是以提高凝固界面前沿温度梯度为主要目标的。通过强制加热和冷却条件，获得高的温度梯度，从而使样件的定向组织细化，成分偏析程度降低，生长缺陷明显减少，综合性能得到提高，同时，提高了生产效率，降低生产成本。

定向凝固技术中的加热条件是一个非常关键的部分，其加热方式通常有电磁感应与石墨发热体组合的加热方式或石墨电阻加热方式。由于石墨具有良好的导热性、导电性、且不导磁，因此它是优良的定向凝固的石墨发热体。目前，工业上通常采用石墨加热方法来生产高温合金叶片。石墨加热方法中有石墨电阻加热和石墨感应加热两种方式，其中石墨电阻加热控温容易，加热熔体不受外场干扰，定向组织生长稳定，但石墨电阻加热的组件机构复杂、故障多，难维护，且升、降温速度非常慢，延长了生产周期。石墨感应加热，升、降温速度快，石墨发热体极大地屏蔽了电磁场对液相的搅拌，定向组织生长稳定，但是目前工业上所采用石墨加热方法所获得的固/液界面前沿温度梯度通常小于100K/cm，这使得材料组织粗大，成分偏析严重，缺陷较多，大大降低了样件的力学性能。

对现有的石墨加热定向凝固装置研究分析发现，其加热体都基本采用直筒形状，使得石墨发热体的最高过热温度区域处于石墨发热体的中部位置，这样增加了最高过热温度位置与凝固界面的距离，从而降低了温度梯度。

西北工业大学在申请号为200710017592.8的发明专利申请中提出了一种高温度梯度定向凝固的复合感应加热装置，该复合感应加热装置的加热器由内衬和高频线圈构成，内衬焊接于高频线圈一端为集中加热区，内衬上端线圈构成预加热区，并且两者集于一体之上，形成复合感应加热器，且该复合感应加热器中直接装配试样，将高频感应线圈感应的涡流直接作用于试样上加热，且集中加热区对熔化界面处进行集中加热来提高温度梯度，具有加热速度快，温度梯度高的优点。但是，该加热装置在加热试样的同时，也使试样受到电磁搅拌力的作用，试样组织的定向生长受到影响，在大尺寸试样中尤为明显。所以该装置所采用的加热器只能用于实验室条件下制备小尺寸试样。

三、发明内容

为了克服目前石墨加热定向凝固装置温度梯度低，生产的样件力学性能受到限制的不足，本发明提出了一种高温度梯度定向凝固锥形石墨感应加热器。

本发明包括高频感应线圈、石墨发热体以及石墨发热体的上盖，与抽拉系统、结晶器、高频感应线圈和坩埚共同位于炉体中。辐射挡板位于结晶器之上，坩锅一端穿过辐射挡板的中孔，与抽拉系统连接，另一端置于石墨发热体内；高频感应线圈套在石墨发热体外，与高频电源连接。本发明的特征在于，高频感应线圈每圈的内径不同，形成由多匝线圈绕成的锥形；石墨发热体的外形及内腔亦为与高频感应线圈相应的锥形，并且在石墨发热体小直径端的端头处为直筒；石墨发热体上盖位于石墨发热体大端。

石墨发热体壳体的壁厚为等厚，该壁厚Δ应大于高频电流的穿透深度δ。石墨发热体锥形小直径端的内径稍大于坩埚外径，小直径端的外径为其内径与两倍壁厚值之和。大直径端的内径根据试件要达到的预热温度以及高频感应电源的加热功率来取值。大直径端外径为其内径与两倍壁厚值之和。石墨发热体高度根据试样长度确定，至少使试样长度的一半处于石墨发热体中。石墨发热体顶端加上盖以减小加热试样的热量散失。上盖的内径与石墨发热体最小内径相同。

高频感应线圈为多匝的锥形，每匝之间有间隙，其总高度略低于石墨发热体高度，匝数根据电源匹配和线圈总高度而定。所用的铜管尺寸根据高频电源频率而定，内径的最小尺寸为3mm，壁厚为0.5mm。

高频感应线圈内表面与石墨发热体外表面有一定的间隙，其间隙的取值范围随着石墨发热体外径的变化而变化，为1.5～6mm，当石墨发热体外径在φ30mm以下时，采用1.5～2.5mm的间隙；当在φ30mm以上时，采用2.5～6mm间隙。由于该线圈为锥形，故该间隙值随着锥形直径的增大而逐渐增大。高频感应线圈的内径为石墨发热体外径与该间隙值之和。

本发明将感应线圈接入高频交流电流后对在感应线圈内的石墨发热体进行感应加热，加热后的石墨发热体通过热辐射将热量传递给试样以完成加热。通过石墨发热体小端对试样熔化界面处进行集中强化加热，并将过热局限在界面前沿较小的区域，使定向凝固过程中刚玉坩埚不会因长时间过热而损坏。缩短了最高温度区域与凝固界面的距离，使固/液界面前沿的温度梯度得到了提高，从而改善材料组织，提高材料综合性能，并且适用于工业上大尺寸的定向凝固试样。

四、附图说明

图1是本发明所使用装置的结构示意图。

图2是本发明石墨感应加热器的结构示意图。

图3是本发明石墨发热体的结构示意图。

图4是本发明高频感应线圈的结构示意图。

图5是实施方式的结构示意图。图中：

1.石墨发热体    2.炉体    3.辐射挡板    4.结晶器    5.上盖    6.坩埚7.高频感应线圈    8.真空系统    9.抽拉系统    10.高频感应电源

五、具体实施方式

实施例一

本实施例包括炉体1、抽拉系统9、结晶器4、坩埚6和石墨感应加热器，其中：石墨感应加热器由高频感应线圈7、石墨制成的石墨发热体1及石墨发热体的上盖5组成；石墨发热体1为中空的锥形，高频感应线圈7亦为相应的锥形，并且石墨发热体1位于高频感应线圈7内，通过高频感应线圈7小端对石墨发热体1的小端进行集中感应加热，石墨发热体1的小端再对坩埚6进行集中辐射强化加热；高频感应线圈7大端和石墨发热体1的大端对坩埚6进行预加热；上盖5位于石墨发热体1的大直径端。

本实施例的试样长度为80mm，石墨发热体1的高度为50mm，坩埚6外径为8mm，电源高频感应电源10的频率f为25kHz。

具体实施中：

石墨发热体1用高纯优质石墨制成，其上下壁厚一致。根据石墨发热体的壁厚稍大于高频电流的穿透深度δ，故取石墨发热体1的壁厚Δ为11mm。由坩埚6外径为8mm，取石墨发热体1小直径端的内径为10mm，外径为32mm，且小端端头是高度为10mm的等径直筒。石墨发热体1大直径端内径为20mm，外径为42mm。试样长度为80mm，石墨发热体1的高度为50mm。石墨发热体上盖5的材质与石墨发热体1的材质相同，其高度为10mm，上盖的内径与石墨发热体小直径端的内径相同，外径同石墨发热体大直径端的外径。

高频感应线圈7所用的紫铜管尺寸为φ4×1mm。高频感应线圈7每匝间的间隙为3mm，其总高度为42mm，略低于石墨发热体高度；匝数根据电源匹配和线圈总高度取5匝。

高频感应线圈内表面与石墨发热体外表面有一定的间隙，其间隙的取值范围随着石墨发热体外径的增加而增加。本实施例中，石墨发热体1大直径端的外径为42mm，该处的外表面与高频感应线圈内表面的间隙值取6mm；小直径端的外径为32mm，该处的外表面与高频感应线圈内表面的间隙值取1.5mm。

在确定高频感应线圈的内径时，需考虑高频感应线圈内表面与石墨发热体外表面之间的间隙。高频感应线圈的最大内径d₆为54mm，最小内径d₃为35mm；位于最大直径和最小直径中间的三匝线圈分别取中间值，故从小直径端开始依次为40mm，45mm，50mm。

安装时，石墨感应加热器与抽拉系统9、结晶器4、坩埚6共同位于炉体2中，坩埚6一端穿过辐射挡板3的中心孔置于结晶器4内，与抽拉系统9连接，另一端位于石墨发热体1的中心。高频感应线圈7的两端分别与高频感应电源10连接。锥形石墨发热体1的小直径端与辐射挡板3接触。

本发明将高频感应线圈7绕制成与石墨发热体1相应的锥形，通过高频感应线圈7的小直径端对石墨发热体1的小端进行强化加热，大直径端部分对石墨发热体大端进行预加热。在石墨发热体1的小直径端处有一段等径直筒，通过该段可以对试样进行强化加热，使得最高温度区域处于石墨发热体1的小直径端附近，减小了与凝固界面的距离，提高了温度梯度；石墨发热体1的大直径端对试样进行预热及熔化，使试样在较高的抽拉速度下也能获得足够的过热度。

Claims (5)

1.一种高温度梯度定向凝固锥形石墨感应加热器，包括高频感应线圈(7)、石墨发热体(1)以及石墨发热体(1)的上盖，并且所述的高频感应线圈(7)、石墨发热体(1)与抽拉系统(9)、结晶器(4)和坩埚(6)共同位于炉体(2)中，辐射挡板(3)位于结晶器(4)之上，坩锅(6)一端穿过位于辐射挡板(3)中心的孔，与抽拉系统(9)连接，另一端置于石墨发热体(1)内；高频感应线圈(7)套在石墨发热体(1)外，与高频感应电源(10)连接，其特征在于所述石墨感应加热器的高频感应线圈(7)每圈的内径不同，形成由多匝线圈绕成的锥形；石墨发热体(1)的外形及内腔均为与高频感应线圈(7)相应的锥形，并且在石墨发热体(1)小直径端的端头处为直筒；发热体上盖(5)位于石墨发热体的大直径端。

2.如权利要求1所述高温度梯度定向凝固锥形石墨感应加热器，其特征在于所述锥形石墨发热体(1)小直径端的内径大于坩埚(6)的外径。

3.如权利要求1所述高温度梯度定向凝固锥形石墨感应加热器，其特征在于所述锥形高频感应线圈(7)内表面与石墨发热体(1)外表面之间的间隙为1.5～6mm，并且随着锥形直径的增大而增大。

4.如权利要求1所述高温度梯度定向凝固锥形石墨感应加热器，其特征在于高频感应线圈(7)和石墨发热体(1)的小直径端置于辐射挡板(3)之上。

5.如权利要求3所述高温度梯度定向凝固锥形石墨感应加热器，其特征在于所述的锥形高频感应线圈(7)内表面与石墨发热体(1)外表面之间的间隙，当石墨发热体(1)外径在30mm以下时，该间隙为1.5～2.5mm；当石墨发热体(1)外径在30mm以上时，该间隙为2.5～6mm。

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