CN102507033A

CN102507033A - 液态金属冷却定向凝固过程中铸件温度的测量方法

Info

Publication number: CN102507033A
Application number: CN2011103199386A
Authority: CN
Inventors: 许庆彦; 唐宁; 张航; 柳百成
Original assignee: Tsinghua University
Current assignee: Tsinghua University
Priority date: 2011-10-20
Filing date: 2011-10-20
Publication date: 2012-06-20
Anticipated expiration: 2031-10-20
Also published as: CN102507033B

Abstract

液态金属冷却定向凝固过程中铸件温度的测量方法属于铸件的测温领域，其特征在于采用超细热电偶丝，在偶头上用陶瓷浆料涂敷，以减小测量滞后与误差，把所述热电偶丝埋在型壳中，在尽量防止与冷却金属接触的同时也避免引出线在型壳外对辐射的干扰，在几何条件允许使用刚性引出线时，使用整体不分节陶瓷绝缘管密封防止与冷却金属接触，在热区以外的液态冷却金属中采用不锈钢波纹管，也可用浆料直接涂敷偶丝的暴露部分，实现密封。相应地提出了偶丝从测温点到型壳上端面或下端面的引线方法。本发明在准确采集铸件指定点温度的同时可保证液态冷却金属不会侵入热电偶保护层以防止偶丝短路。

Description

液态金属冷却定向凝固过程中铸件温度的测量方法

技术领域

本发明涉及特种工艺过程中的铸件温度测定，属实验测温领域。

背景技术

在定向凝固和单晶叶片生产中，目前广泛应用的是“高速凝固(HRS)法”。但温度梯度往往达不到要求，特别是对于大尺寸燃气轮机叶片的生产，HRS法的上述缺点十分突出。液态金属冷却(LMC)定向凝固技术用于制备叶片开始于20世纪70年代，以低熔点液态金属(Sn、Al等)作为冷却区域的冷却介质，将模壳直接浸入液态金属中，冷却效果比较稳定，温度梯度和凝固速率较高，获得的铸件组织细密、杂晶缺陷较少，因而成为近年来的研究热点。但是，由于LMC工艺的影响因素复杂，温度场变化机理和凝固规律尚待研究，工艺尚不成熟，通过实验测温来研究铸件内的温度场就有很大的必要。然而，由于模壳和铸件在真空炉内处于抽拉运动状态，且模壳与加热套、挡板间的距离很近，热电偶必须有柔性引出线，而过多的引出线又会影响辐射散热，使得实验得到的温度场与实际生产中的不一致；另一方面，由于模壳浸入液态金属，热电偶也随之浸入，会使偶丝与液态金属接触，形成短路；再加上定向凝固热区温度一般要超过高温合金熔点，因此必须有一种既柔性又密封，而且耐1600℃以上高温，在运动中始终不受挡板阻隔，并且成本低的测温方法。目前，国内尚无比较成型的LMC铸件温度测定方法。因此，测温问题一直是LMC工艺研究者的重大技术难关。2007年于靖在博士论文中(高温合金叶片定向凝固过程微观组织数值模拟.北京：清华大学机械工程系，2007：79)使用了一种热电偶测温方法，基本上可以适应模壳的抽拉运动，但是不能避免金属液接触偶丝，只能用于无液态金属冷却的工艺；1976年A.F.Giamei用保护管从坩埚顶部插入，采用公用极偶丝减少了偶丝数量，实现了LMC试样的测温，但此方法要求铸件形状简单，测温点必须在同一条竖直线上，对试样内部温度场干扰较大，且依赖于专门的实验设备来实现，不能适用于生产用炉的抽拉运动。

发明内容

本发明的目的是提供一种使用常用实验材料，在准确采集铸件指定点温度的同时，保证液态冷却金属不会侵入热电偶保护层导致偶丝短路的热电偶测温方法。

本发明的技术方案如下：

液态金属冷却定向凝固过程中铸件温度的测量方法之一，其特征在于，是一种上引出埋线式测量方法，依次含有以下步骤：

步骤(1)，把带有椭圆截面的陶瓷绝缘管的热电偶丝水平的伸入型壳测温点并埋在铸件中，所述的热电偶丝是一种超细的铂铑热电偶丝，直径为0.1mm到0.2mm，椭圆截面的陶瓷绝缘管长轴为1.5mm，在所述超细铂铑热电偶丝的偶头上用浆料涂敷，代替保护管，以减小测量滞后与误差，铸件放在加热套内；

步骤(2)，从测温点到所述型壳上端面的热电偶丝采用分节的所述椭圆截面的陶瓷绝缘管，并埋入所述型壳中，从所述型壳的上端面引到热区上盖之间，也采用分节的所述椭圆截面的陶瓷绝缘管并向上弯折盘旋，从所述热区上盖边缘的缝隙引出到接线盘。

液态金属冷却定向凝固过程中铸件温度的测量方法之二，其特征在于，是一种上引出直线式测量方法，依次含有以下步骤：

步骤(2)，从测温点到所述型壳上端面采用几段不分节的所述椭圆截面的陶瓷绝缘管，所述各椭圆截面的陶瓷绝缘管之间的交界处用浆料密封，并将最后一段所述椭圆截面的陶瓷绝缘管用所述浆料固定在所述型壳的上端面上，从所述型壳上端面向上弯曲盘旋，并从所述热区上盖边缘的缝隙引出到接线盘。

液态金属冷却定向凝固过程中铸件温度的测量方法之三，其特征在于，是一种下引出埋线式测量方法，依次含有以下步骤：

步骤(2)，从测温点到所述型壳下端面的热电偶丝采用分节的所述椭圆截面的陶瓷绝缘管，从所述型壳的下端面经结晶盘上表面再连接到所述结晶盘下表面外侧的所述分节的椭圆截面的陶瓷绝缘管全部采用所述浆料密封并粘固在所述结晶盘的侧面，再用外加有不锈钢波纹管的所述分节的椭圆截面的陶瓷绝缘管依次经表面加有浮动挡板的冷却金属液体内部从所述浮动挡板的上端面引出再连接到接线盘。

液态金属冷却定向凝固过程中铸件温度的测量方法之四，其特征在于是一种下引出直线式测量方法，依次含有以下步骤：

步骤(2)，从测温点到上表面与所述型壳下端面相连的结晶盘的下表面外侧采用几段不分节的所述椭圆截面的陶瓷绝缘管，在交界处用所述浆料密封，从所述椭圆截面的陶瓷绝缘管下表面开始采用外加有不锈钢波纹管的分节陶瓷绝缘管经过上表面浮动挡板的冷却液态金属后再从所述浮动挡板上表面引出后连接到接线盘。

本发明与现有技术相比，具有以下优点：该方法可用于在准确采集铸件指定点温度的同时，保证液态冷却金属(Sn、Al等)不会侵入热电偶保护层导致偶丝短路，并且使得热电偶丝能适应型壳的抽拉运动。此方法只使用常用实验材料，无需专门器材，易于实现；可大大提高测温实验成功率；降低了实验成本；减少了测温器材本身对辐射传热的干扰；不会由于热电偶敷设而限制抽拉工艺范围。

附图说明

图1上引出埋线式示意图。

图2上引出直线式示意图。

图3下引出埋线式示意图。

图4下引出直线式示意图。

图中：1-热区上盖，2-加热套，3-型壳，4-铸件，5-热电偶丝，6-绝缘陶瓷管，7-浆料，8-冷却液态金属，9-浮动挡板，10-固定挡板，11-结晶盘，12-热电偶头，13-不锈钢波纹管；

具体实施方式

本发明的思路是：

1)将带有陶瓷绝缘管的热电偶头伸入铸件，在偶头上用陶瓷浆料涂敷，代替保护管，这样，铸件金属与电偶焊头之间只间隔一层浆料，减小了测温滞后与误差。

2)将带有分节绝缘管的电偶丝埋在型壳中，既可防止液态金属接触偶丝，又可避免引出线在模壳外对辐射的干扰。

3)在几何条件允许刚性引出线的情况下，采用整体不分节绝缘管实现密封，防止液态金属接触偶丝。

4)在热区以外，温度低于钢的熔点的部分，例如液态冷却金属中，采用不锈钢波纹管，实现引出偶丝柔性部分的密封。

5)在以上密封方法都难以实行的引线上，用浆料直接涂敷偶丝的暴露部分，实现密封。此法需要用手工小心操作，确保密封，还要小心避免干燥后的浆料开裂或在炉内受热应力而开裂。

6)使用超细热电偶(偶丝直径0.1-0.2mm，长圆截面绝缘管长径1.5mm左右)，便于涂敷或埋入壳中，并可减小引出线在模壳外对辐射的干扰。

定向凝固多用于高温合金铸件，而高温合金熔化浇注温度一般都很高，目前能用于高温合金测温的偶丝是钨铼热电偶和铂铑热电偶。钨铼电偶丝的价格便宜，但塑性差，铂铑电偶丝塑性好，变形时不易折断。本发明针对不同塑性的偶丝，将偶丝引出方向分为两种，型壳上端引出和型壳下端引出。上端引出要求热电偶丝塑性好不易断；下引出需要较多的浆料涂敷。

从测温点到型壳上端或下端的引线方法也分为两种，一种是完全埋入型壳，另一种是在型壳外采用无分节的直绝缘管引出。如果模壳形状和偶丝塑性允许，应尽量采用第一种，可以完全避免对辐射传热的干扰；第二种仍然会产生一定干扰，且需要较多的浆料涂敷。基于以上两种不同点，根据具体实验条件，本发明有4种不同实现方式。

1)上引出埋线式。从测温点到型壳上端的偶丝采用分节绝缘管，埋入型壳。从型壳上端到热区上盖之间仍采用分节绝缘管，并弯折盘旋，以保证模壳下拉时偶丝有足够的连接长度。从上盖边缘缝隙引出至接线盘。

2)上引出直线式。从测温点经过几段不分节的直绝缘管引至型壳上端，段与段之间的交界处用浆料密封，并将最后一段用浆料固定在型壳上端。应根据模壳形状，尽量减少段数。从模壳上端往上的部分用分节绝缘管按方式1)引出。

3)下引出埋线式。从测温点到型壳下端的偶丝采用分节绝缘管，埋入型壳。采用分节绝缘管，从型壳下端到结晶盘下表面，全部用浆料密封并粘固在结晶盘上，再用分节绝缘管外加不锈钢波纹管经冷却过金属液内部，引到热区外侧，出液面，再连至接线盘。波纹管与结晶盘下表面连接处需用其他方法加固，并用浆料保证密封。

4)下引出直线式。采用类似方式2)的办法，用直绝缘管引至模壳下端，在采用类似方式3)的办法从模壳下端引至接线盘。

Claims

1.液态金属冷却定向凝固过程中铸件温度的测量方法，其特征在于，是一种上引出埋线式测量方法，依次含有以下步骤：

步骤(1)，把带有椭圆截面的陶瓷绝缘管的热电偶丝水平的伸入型壳测温点并埋在铸件中，所述的热电偶丝是一种超细的铂铑热电偶丝，直径为0.1mm到0.2mm，所述椭圆截面的陶瓷绝缘管长轴为1.5mm，在所述超细铂铑热电偶丝的偶头上用浆料涂敷，代替保护管，以减小测量滞后与误差，铸件放在加热套内；

2.液态金属冷却定向凝固过程中铸件温度的测量方法，其特征在于，是一种上引出直线式测量方法，依次含有以下步骤：

步骤(2)，从测温点到所述型壳上端面采用几段不分节的所述椭圆截面的陶瓷绝缘管，各所述椭圆截面的陶瓷绝缘管之间的交界处用所述浆料密封，并将最后一段所述椭圆截面的陶瓷绝缘管用所述浆料固定在所述型壳的上端面上，从所述型壳上端面向上弯曲盘旋，并从所述热区上盖边缘的缝隙引出到接线盘。

3.液态金属冷却定向凝固过程中铸件温度的测量方法，其特征在于，是一种下引出埋线式测量方法，依次含有以下步骤：

步骤(2)，从测温点到所述型壳下端面的热电偶丝采用分节的所述椭圆截面的陶瓷绝缘管，从所述型壳的下端面经结晶盘上表面再连接到所述结晶盘下表面外侧的所述分节的椭圆截面的陶瓷绝缘管全部采用所述浆料密封并粘固在所述结晶盘的外侧面，再用外加有不锈钢波纹管的所述分节的椭圆截面的陶瓷绝缘管依次经表面加有浮动挡板的冷却金属液体内部从所述浮动挡板的上端面引出再连接到接线盘。

4.液态金属冷却定向凝固过程中铸件温度的测量方法，其特征在于是一种下引出直线式测量方法，依次含有以下步骤：

步骤(2)，从测温点到上表面与所述型壳下端面相连的结晶盘的下表面外侧采用几段不分节的所述椭圆截面的陶瓷绝缘管，在交界处用所述浆料密封，从所述椭圆截面的陶瓷绝缘管下表面开始采用外加有不锈钢波纹管的所述分节的椭圆截面的陶瓷绝缘管经过上表面加有浮动挡板的冷却液态金属后再从所述浮动挡板上表面引出后连接到接线盘。