CN101636015A - 高温度梯度低熔体流动电磁感应加热装置 - Google Patents

Abstract

本发明涉及高温度梯度低熔体流动电磁感应加热装置，高频感应器(4)为两匝，其上下表面均为斜面，形成了内锥形；两匝高频感应器之间有绝缘板(6)，并且沿半径方向有断路槽。高频感应器内圆处的厚度为外圆处厚度的1/4。漏斗形的石墨加热体(3)一端的内径和外径均大于另一端的内径和外径，并且大端与小端之间45°斜面过渡。加热体(3)小端的内径大于陶瓷坩埚(1)的外径。高频感应器(4)的刃形部位对石墨加热体(3)的小端强制感应加热，在熔体固/液界面前沿获得很高的温度梯度。石墨加热体(3)的大端对陶瓷坩埚(1)中的试棒预热，使高抽拉速率下试棒充分熔化和过热，在定向凝固过程中实现了高温度梯度低熔体流动。

Description

高温度梯度低熔体流动电磁感应加热装置

一、技术领域

本发明涉及材料领域的定向凝固控制，具体是一种高温度梯度低熔体流动电磁感应加热装置。

二、背景技术

由Bridgman提出的定向凝固技术是近代先进材料加工技术的重大发展。与普通铸造方法得到的铸件相比，定向凝固所得柱状晶组织大大减少了偏析、疏松等铸造缺陷，形成了与主应力轴平行的晶粒，消除了横向晶界并大幅度改善了结构材料的性能。在实际生产中，定向凝固技术的应用提高了高温合金的高温强度、热疲劳性能、蠕变和持久特性，使具有单向受力要求的航空发动机叶片力学性能有了新的飞跃。同时，该技术还用于半导体、磁性材料、光学晶体、超导体等许多功能材料的制备，如磁性材料铁等，应用定向凝固技术可以使其柱状晶沿磁化轴方向生长，从而得到具有优良磁学性能的铸件。因此，定向凝固技术和装置的不断改进，是推动高性能先进材料发展的重要手段。定向凝固过程中固/液界面前沿液相中的温度梯度和晶体生长速率是定向凝固技术的重要工艺参数，其中温度梯度与生长速率的比值是控制晶体生长形态的重要判据。在提高温度梯度的条件下，可以适当增加生长速率，获得所要求的晶体形态，并且细化凝固组织，改善铸件质量，同时还可以提高定向凝固铸件的生产率。所以，定向凝固技术的发展都是以提高固/液界面前沿温度梯度为目标的。

加热方式是决定温度梯度高低的关键因素，目前实验室和工业生产定向凝固过程中的加热方式主要有电阻加热和电磁感应加热。电阻加热是使用具有高熔点和高导电率的材料如钽等作为发热体加热试棒，该方法具有温度场分布均匀、加热温度高且不会对熔体产生外场干扰等优点。但是，钽等加热体价格昂贵，实验过程中对真空度要求很高，且加热和冷却速率很慢。由于电阻加热主要靠辐射传热，加热面积大，难以使热量集中并在局部获得大的热流密度，因而温度梯度很低。电磁感应加热是将试样放置在感应线圈之中，处于交变磁场的金属或半导体内部感应产生涡流，利用涡流和磁滞损耗产生热量。由于电磁感应加热过程中热量完全产生于试棒本身，能量密度大，容易实现窄熔区、大过热，因而可以获得高的加热速率和高的温度梯度。但是，电磁力对熔体的强制搅拌使试棒中难以获得稳定生长的定向凝固组织。

目前，定向凝固过程多采用石墨电阻加热的方式，该方法由于石墨价格相对低廉且控温容易，因此受到了广泛关注，但石墨电阻加热的机构复杂，故障频繁且难以维护，同时所得温度梯度仍然较低，仅有100K/cm左右。西北工业大学在申请号为200810017988.7的专利申请文件中提出了电磁感应结合石墨加热的方法，实现了升温速率快且屏蔽了大部分电磁搅拌力，获得了较好的定向凝固组织。分析发现，该方法虽然通过改变石墨发热体的形状获得了200K/cm左右较高的温度梯度，但由于电磁感应器和石墨发热体高度较大，加热面积大，难以使固/液界面前沿的熔体获得集中加热，因此温度梯度的提高有限。同时，石墨发热体的厚度对电磁场的屏蔽和对试棒的加热能力影响较大：石墨发热体过厚，磁场屏蔽好但温度梯度下降；石墨发热体过薄，温度梯度高但熔体中的电磁搅拌力大，不利于定向凝固组织的获得。

三、发明内容

为了克服现有技术中存在的加热过程中升温和降温速率慢，温度梯度低，电磁感应加热搅拌力太大，不利于定向组织生长的不足，本发明提出了一种高温度梯度低熔体流动电磁感应加热装置。

本发明包括石墨感应加热装置、陶瓷坩埚、水冷结晶器、真空室、真空抽取系统、下拉系统和高频感应加热电源。其中，石墨感应加热装置由线圈、高频感应器、石墨加热体和上隔热保温板组成。线圈为两匝，套在高频感应器外圆表面凹槽内，通过焊接组织与高频感应器无缝连接。

高频感应器为两匝圆环形，内孔直径大于石墨加热体小端的外径，外圆周表面有线圈的安装槽。两匝高频感应器是由两个结构相同、方向相反的单匝高频感应器组合而成。单匝高频感应器的一个表面从外向内逐渐减薄，成为斜面，另一个表面为平面，并且在单匝高频感应器的外圆周表面有一圈线圈的安装槽；将两个单匝高频感应器的平面贴合在一起，形成了本发明的内锥形高频感应器。高频感应器内圆处的厚度为外圆处厚度的1/4。为防止短路，在两个相贴合的单匝高频感应器之间加装绝缘板。高频感应器上沿半径方向有断路槽。

石墨加热体为中空回转体，一端的内径和外径均大于另一端的内径和外径，形成了大端和小端，并且大端与小端之间45°斜角过渡，使石墨加热体呈漏斗形。加热体小端的内径大于陶瓷坩埚的外径。

安装时：

将凹形辐射挡板置于储有冷却用液态金属的水冷结晶器上。将线圈嵌入高频感应器外圆周上的线圈安装槽内并焊接牢固；将石墨加热体的小端装入双匝高频感应器内孔中，并使线圈内圆锥形的刃形处与石墨加热体小端的外壁配合；上隔热保温板置于石墨加热体的大端之上，形成了石墨感应加热装置。将石墨感应加热装置置于辐射挡板之上。高频感应器通过线圈与高频感应加热电源相连接。陶瓷坩埚穿过凹形辐射挡板、石墨加热体和上隔热保温板的中孔与下拉系统相连接，并与石墨加热体小端的内壁、凹形辐射挡板内壁和上隔热保温板内壁同陶瓷坩埚之间保有1.5～2mm的间隙。将以上组件共同置于真空室中。

本发明将感应加热器加工成内锥形，其刃形部位对漏斗形石墨加热体的小端强制感应加热，在漏斗形石墨加热体的小端获得很高的热流密度，使漏斗形石墨加热体小端部位辐射加热陶瓷坩埚中的试棒，在熔体固/液界面前沿获得了很高的温度梯度。漏斗形石墨加热体的大端对陶瓷坩埚中的试棒预热，保证高抽拉速率下试棒的充分熔化和过热。同时，经过对漏斗形石墨加热体小端厚度的设计，屏蔽了电磁力对试棒中熔体的强制搅拌。利用本装置，能够在TiAl合金、高温合金中获得400～700K/cm的高温度梯度，并在低熔体流动下使凝固组织中获得了细密挺直的柱状晶生长。因此，电磁感应加热条件下，本装置在定向凝固过程中实现了高温度梯度低熔体流动。

四、附图说明

图1是高温度梯度低熔体流动电磁感应加热装置结构示意图，

图2是石墨加热体的结构示意图，

图3是单匝内锥形高频感应器俯视图，

图4是单匝内锥形高频感应器A-A截面图，

图5是双匝内锥形高频感应器结构示意图，

图6是感应加热装置的结构示意图，

图7是具体实施例的结构示意图。图中：

1.陶瓷坩埚  2.上隔热保温板  3.漏斗形石墨加热体    4.高频感应器

5.线圈      6.绝缘板        7.高频感应加热电源    8.真空抽取系统

9.真空室       10.凹形辐射挡板          11.冷却用液态金属      12.水冷结晶器

13.下拉系统    14.焊接组织

五、具体实施方式

本实施例包括石墨感应加热装置、陶瓷坩埚1、水冷结晶器12、真空室9、真空抽取系统8、下拉系统13和高频感应加热电源7。高频感应加热电源7的频率为200KHZ，陶瓷坩埚1的外径为9mm。

如附图6中所示，石墨感应加热装置由线圈、高频感应器4、石墨加热体3和上隔热保温板2组成。线圈为两匝，采用6mm的中空紫铜管制成，套在高频感应器外圆表面凹槽内，通过焊接组织14与高频感应器无缝连接。

圆环形的高频感应器4用紫铜制成，为两匝，其外圆周表面有直径为6mm的弧形凹槽，用于安装线圈5；高频感应器4内孔直径大于石墨加热体小端的外径。两匝高频感应器是由两个结构相同、方向相反的单匝高频感应器组合而成。单匝高频感应器的一个表面从外向内逐渐减薄，成为斜面，另一个表面为平面；并且在单匝高频感应器的外圆周表面有一圈线圈5的安装槽；将两个单匝高频感应器的平面贴合在一起，形成了本实施例的内锥形高频感应器4。高频感应器内圆处的厚度为外圆处厚度的1/4。本实施例中，高频感应器4的外圆处厚度为6mm，内圆处的厚度为1.5mm，并且外圆与内圆之间光滑过渡，使高频感应器的内圆形成了锥形；为防止短路，在两个相贴合的单匝高频感应器4之间加装绝缘板6。高频感应器4上沿半径方向有宽度为1.5mm的断路槽，并且两匝高频感应器的断路槽的位置相对应。

用高纯电极石墨制成的石墨加热体3为中空回转体，其上半部的内径和外径均大于下半部的内径和外径，形成了大端和小端，并且大端与小端之间45°斜角过渡，使石墨加热体呈漏斗形。石墨加热体3小端的内径大于陶瓷坩埚的外径。本实施例中，为了确保辐射加热的效率，石墨加热体3的内壁与陶瓷坩埚(1)外壁之间的距离为1.5mm。石墨加热体3小端的高度为13mm，壁厚为9mm。石墨加热体3的大端高度为5mm，壁厚为7mm。石墨加热体3小端装入双匝高频感应器内孔中。

石墨加热体3小端的内壁、凹形辐射挡板10中孔内壁和上隔热保温板2中孔内壁同陶瓷坩埚1之间保有1.5～2mm间隙。内锥形高频感应器4的内径同石墨加热体3的外径之间有1.5～2mm的距离。

安装时：

将凹形辐射挡板10置于储有冷却用液态金属11的水冷结晶器12上。将线圈5嵌入高频感应器4外圆周上的线圈安装槽内并焊接牢固；将石墨加热体3的小端装入双匝高频感应器内孔中，并使线圈内圆锥形的刃形处与石墨加热体3小端的外壁配合；上隔热保温板2置于石墨加热体3的大端之上，形成了石墨感应加热装置。将石墨感应加热装置置于辐射挡板10之上。高频感应器4通过电极与高频感应加热电源7相连接。陶瓷坩埚1穿过凹形辐射挡板10、石墨加热体3和上隔热保温板2的中孔与下拉系统13相连接，并与石墨加热体3小端的内壁、凹形辐射挡板10内壁和上隔热保温板2内壁同陶瓷坩埚1之间保有1.5～2mm的间隙。将以上组件共同置于真空室9中。

本实施例将感应加热器4加工成内锥形，其刃形部位对漏斗形石墨加热体3的小端强制感应加热，在漏斗形石墨加热体3的小端获得很高的热流密度，使漏斗形石墨加热体3小端部位辐射加热陶瓷坩埚1中的试棒，在熔体固/液界面前沿获得了很高的温度梯度。漏斗形石墨加热体3的大端对陶瓷坩埚1中的试棒预热，保证高抽拉速率下试棒的充分熔化和过热。同时，经过对漏斗形石墨加热体3小端厚度的设计，屏蔽了电磁力对试棒中熔体的强制搅拌。利用本装置，在TiAl合金、高温合金中获得了400～700K/cm的高温度梯度，凝固组织中获得了细密挺直的柱状晶生长且未观察到流动对枝晶生长的影响。因此，电磁感应加热条件下，利用本装置在定向凝固过程中实现了高温度梯度低熔体流动。

Claims (4)

1.一种高温度梯度低熔体流动电磁感应加热装置，包括石墨感应加热装置、陶瓷坩埚(1)、水冷结晶器(12)、真空室(9)、真空抽取系统(8)、下拉系统(13)和高频感应加热电源(7)，辐射挡板(10)置于储有冷却用液态金属(11)的水冷结晶器(12)上，由线圈(5)、高频感应器(4)、石墨加热体(3)和上隔热保温板(2)组成的石墨感应加热装置置于辐射挡板(10)之上，高频感应器(4)通过线圈与高频感应加热电源(7)相连接，陶瓷坩埚(1)穿过凹形辐射挡板(10)、石墨加热体(3)和上隔热保温板(2)的中孔与下拉系统(13)相连接，并将以上组件置于真空室(9)中，其特征在于：

a.高频感应器(4)是由两个结构相同、方向相反的单匝高频感应器组合而成；单匝高频感应器的一个表面从外向内逐渐减薄，成为斜面，另一个表面为平面；将两个单匝高频感应器的平面贴合在一起，形成了内锥形高频感应器(4)；在两个相贴合的单匝高频感应器之间有绝缘板(6)；高频感应器(4)沿半径方向有断路槽；

b.石墨加热体(3)一端的内径和外径均大于另一端的内径和外径，形成了大端和小端，并且大端与小端之间45°斜角过渡。

2.如权利要求1所述高温度梯度低熔体流动电磁感应加热装置，其特征在于高频感应器(4)内圆处的厚度为外圆处厚度的1/4。

3.如权利要求1所述高温度梯度低熔体流动电磁感应加热装置，其特征在于线圈内圆锥形的刃形处与石墨加热体(3)小端的外壁配合。

4.如权利要求1所述高温度梯度低熔体流动电磁感应加热装置，其特征在于石墨加热体(3)小端的内壁、凹形辐射挡板(10)内壁和上隔热保温板(2)内壁同陶瓷坩埚(1)之间保有1.5～2mm的间隙。

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