CN102528003A - 一种用于定向凝固的封闭式水流直冷装置与方法 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及定向凝固领域，具体为一种用于金属材料定向凝固过程中的封闭式水流直接冷却所使用的装置与方法，解决常规定向凝固实验中难以获得高温度梯度的问题。该装置的夹具由位于侧面的侧管、位于下部的下管、位于上部的上管连通形成三通的一体结构，侧管的端部为出水端，下管的端部为进水端；夹具上管的端部内壁与鼓形铜垫相对应，试棒从上管端部伸至夹具中，鼓形铜垫置于试棒与夹具上管的端部内壁之间，夹具上盖罩扣于鼓形铜垫和上管外侧，夹具上盖与上管通过螺纹连接紧固，形成密封。水流从夹具的下管端部流入，经侧管端部流出，试棒直接浸入水流中，冷却水在封闭的管道中流动，通过快速流动的水流直接冷却试棒，从而获得温度梯度。

Description

一种用于定向凝固的封闭式水流直冷装置与方法
技术领域
本发明涉及定向凝固领域，具体为一种用于金属材料定向凝固过程中的封闭式水流直接冷却所使用的装置与方法。
背景技术
目前，在定向凝固过程中常用的下端冷却方式分为两种：一种是开放式冷却，包括液态金属冷却和大型水槽冷却，其特征是试样下端直接浸入冷却液中，因而冷却效果好，可获得较高的温度梯度，但设备复杂，造价较高，常用于大型实验或规模化生产；另一种为封闭式水流间接冷却，其特征是采用导热系数高的金属制作夹具，外侧焊接铜管或在夹具上钻孔通入水流以冷却夹具，再通过夹持试棒下端，利用夹具与试棒表面之间的传热，间接冷却试样。这种水流间接冷却设备简易，多用于小型定向凝固实验，但由于水流不能直接冷却试样下端，而依靠夹具内表面与试棒外表面之间的面接触传热，因而冷却效果较差，难以获得较高的温度梯度。另外，由于试棒尺寸及表面加工质量的差异对于面接触传热影响极大，因而即便是同一批实验，不同试棒获得的冷却效果也难以保证一致。
发明内容
本发明的目的在于提供一种用于定向凝固的封闭式水流直冷装置与方法，解决常规定向凝固实验中难以获得高温度梯度的问题。
本发明的技术方案如下：
一种用于定向凝固的封闭式水流直冷装置，该装置设有试棒、鼓形铜垫、夹具上盖、夹具、侧管，具体结构如下：
夹具由位于侧面的侧管、位于下部的下管、位于上部的上管连通形成三通的一体结构，侧管的端部为出水端，下管的端部为进水端；夹具上管的端部内壁与鼓形铜垫相对应，试棒从上管端部伸至夹具中，鼓形铜垫置于试棒与夹具上管的端部内壁之间，夹具上盖罩扣于鼓形铜垫和上管外侧，夹具上盖与上管通过螺纹连接紧固，形成密封。
所述的用于定向凝固的封闭式水流直冷装置，在上管外侧设置固定支架、固定螺栓，固定螺栓穿过固定支架顶持固定支架于上管上，固定螺栓与固定支架通过螺纹连接。
所述的用于定向凝固的封闭式水流直冷装置，上管端部的内壁为内锥面或内球面，内锥面或内球面的开口为自下至上逐渐变大。
所述的用于定向凝固的封闭式水流直冷装置，在下管上设有流量计、水阀。
所述装置用于定向凝固的封闭式水流直冷的方法，水流从夹具的下管端部流入，经侧管端部流出，试棒直接浸入水流中，冷却水在封闭的管道中流动，通过快速流动的水流直接冷却试棒，从而获得温度梯度。
所述的用于定向凝固的封闭式水流直冷的方法，通过固定螺栓的紧固与松开，实现试棒的抽拉与淬火。
所述的用于定向凝固的封闭式水流直冷的方法，通过调节水流流量实现冷速的控制。
所述的用于定向凝固的封闭式水流直冷的方法，具体步骤如下：
(1)试棒夹持与密封
试棒下端依次套上鼓形铜垫和夹具上盖后，插入夹具，并通过螺纹拧紧夹具上盖于夹具上，压紧鼓形铜垫，从而实现试棒的紧固密封与夹持；定向凝固结束后，拧开夹具上盖，即可取出试棒；
(2)夹具固定与淬火
通过固定支架上的固定螺栓顶住夹具，实现夹具的固定，并通过电机与传动机构带动固定支架上下移动，从而实现定向凝固所需的试棒抽拉动作；当需要进行试棒淬火时，松开固定螺栓，使夹具与试棒在重力作用下一起掉入下方的淬火液中；
(3)水流流量调节
通过在进水管上装配水阀与流量计，控制水流流量的大小，从而实现冷却速度的调节和控制。
本发明与现有技术相比，其优点主要有：
1、本发明通过快速流动的水流直接冷却试棒，显著提高了冷却效率，可获得较高的温度梯度；
2、本发明通过冷却水流在封闭的管道里流动，不至于产生蒸汽或飞溅，使用过程中安全性能好。
3、本发明装置具有结构简单、加工与使用成本低(装备中唯一的消耗品鼓形铜垫为工业标准件，市价约0.1元/只)以及操作方便的特点，可使用自来水进行冷却；
4、由于螺纹强大的紧固力及铜垫良好的延展性，该装置中的夹具密封性能良好，对试棒加工的尺寸精度和表面质量的要求均不高。以内径夹具为例，试棒直径在
Figure BDA0000037057130000032
之间均可良好密封；
5、由于黄铜熔点较高，在定向凝固过程中不会因受热而丧失密封功能，因此本发明装置可用于包括高熔点合金在内的各种金属的定向凝固实验。
附图说明
图1为本发明装置结构示意图。
图2为本发明夹具结构主视图。
图3为本发明夹具结构左视图。
图中：1.试棒；2.鼓形铜垫；3.夹具上盖；4.固定支架；5.固定螺栓；6.夹具；7.流量计；8.水阀；9.侧管；10.下管；11.上管。
具体实施方式
如图1-3所示，本发明用于定向凝固的封闭式水流直冷装置主要包括：试棒1、鼓形铜(黄铜)垫2、夹具上盖3、固定支架4、固定螺栓5、夹具6、流量计7、水阀8、侧管9等，具体结构如下：
夹具6由位于侧面的侧管9、位于下部的下管10、位于上部的上管11连通形成三通的一体结构，侧管9的端部为出水端，下管10的端部为进水端。在下管10上设有流量计7、水阀8，在上管11外侧设置固定支架4、固定螺栓5，固定螺栓5穿过固定支架4顶持固定支架4于上管11上，固定螺栓5与固定支架4通过螺纹连接。
夹具上管11的端部内壁与鼓形铜垫2相对应，试棒1从上管11端部伸至夹具6中，鼓形铜垫2置于试棒1与夹具上管11的端部内壁之间，夹具上盖3罩扣于鼓形铜垫2和上管11外侧，夹具上盖3与上管11通过螺纹连接紧固，从而实现密封。
本发明中，上管11端部的内壁为内锥面或内球面，内锥面或内球面的开口为自下至上逐渐变大。
本发明用于定向凝固的封闭式水流直冷的方法，水流从夹具6的下管10端部流入，经侧管9端部流出，试棒1直接浸入水流中，冷却水在封闭的管道中流动，通过快速流动的水流直接冷却试棒1，从而获得较高的温度梯度。通过固定螺栓4的紧固与松开，可实现试棒的抽拉与淬火；通过调节水流流量可实现冷速的控制。
具体如下：
1.试棒夹持与密封
装置的装配结构如图1所示，试棒1下端依次套上鼓形铜垫2和夹具上盖3后，插入夹具6，并通过螺纹拧紧夹具上盖3于夹具6上，压紧鼓形铜垫2，从而实现试棒1的紧固密封与夹持；定向凝固结束后，拧开夹具上盖3，即可取出试棒1。
2.夹具固定与淬火
通过固定支架4上的固定螺栓5顶住夹具6，实现夹具6的固定，并通过电机与传动机构带动固定支架4上下移动，从而实现定向凝固所需的试棒抽拉动作。当需要进行试棒淬火时，松开固定螺栓5，使夹具6与试棒1在重力作用下一起掉入下方的淬火液中。
3.水流流量调节
该装置的冷却效果与水流大小密切相关，通过在进水管上装配水阀8与流量计7，可控制水流流量的大小，从而实现冷却速度的调节和控制。
实施例
本实施例中，试棒的材质为镍基高温合金，试棒直径为
Figure BDA0000037057130000041
试棒的加热温度为1600℃，水流流量为0.8m3/h，试棒冷却的温度梯度可达400℃/cm，可获得定向效果良好的高温合金凝固组织。

Claims (8)

1.一种用于定向凝固的封闭式水流直冷装置，其特征在于，该装置设有试棒、鼓形铜垫、夹具上盖、夹具、侧管，具体结构如下：
夹具由位于侧面的侧管、位于下部的下管、位于上部的上管连通形成三通的一体结构，侧管的端部为出水端，下管的端部为进水端；夹具上管的端部内壁与鼓形铜垫相对应，试棒从上管端部伸至夹具中，鼓形铜垫置于试棒与夹具上管的端部内壁之间，夹具上盖罩扣于鼓形铜垫和上管外侧，夹具上盖与上管通过螺纹连接紧固，形成密封。
2.按照权利要求1所述的用于定向凝固的封闭式水流直冷装置，其特征在于，在上管外侧设置固定支架、固定螺栓，固定螺栓穿过固定支架顶持固定支架于上管上，固定螺栓与固定支架通过螺纹连接。
3.按照权利要求1所述的用于定向凝固的封闭式水流直冷装置，其特征在于，上管端部的内壁为内锥面或内球面，内锥面或内球面的开口为自下至上逐渐变大。
4.按照权利要求1所述的用于定向凝固的封闭式水流直冷装置，其特征在于，在下管上设有流量计、水阀。
5.一种利用权利要求1所述装置用于定向凝固的封闭式水流直冷的方法，其特征在于，水流从夹具的下管端部流入，经侧管端部流出，试棒直接浸入水流中，冷却水在封闭的管道中流动，通过快速流动的水流直接冷却试棒，从而获得温度梯度。
6.按照权利要求5所述的用于定向凝固的封闭式水流直冷的方法，其特征在于，通过固定螺栓的紧固与松开，实现试棒的抽拉与淬火。
7.按照权利要求5所述的用于定向凝固的封闭式水流直冷的方法，其特征在于，通过调节水流流量实现冷速的控制。
8.按照权利要求5所述的用于定向凝固的封闭式水流直冷的方法，其特征在于，具体步骤如下：
(1)试棒夹持与密封
试棒下端依次套上鼓形铜垫和夹具上盖后，插入夹具，并通过螺纹拧紧夹具上盖于夹具上，压紧鼓形铜垫，从而实现试棒的紧固密封与夹持；定向凝固结束后，拧开夹具上盖，即可取出试棒；
(2)夹具固定与淬火
通过固定支架上的固定螺栓顶住夹具，实现夹具的固定，并通过电机与传动机构带动固定支架上下移动，从而实现定向凝固所需的试棒抽拉动作；当需要进行试棒淬火时，松开固定螺栓，使夹具与试棒在重力作用下一起掉入下方的淬火液中；
(3)水流流量调节
通过在进水管上装配水阀与流量计，控制水流流量的大小，从而实现冷却速度的调节和控制。
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