CN105855528A - 金属凝固试样高通量的制备装置和制备方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种金属凝固试样高通量的制备装置和制备方法，该装置包括其包括坩埚、电阻炉、塞棒、测温元件、窄缝状喷嘴、阵列冷却台、移动系统、微机控制系统，坩埚、塞棒和测温元件都位于电阻炉中，对金属试样进行控温熔炼；坩埚底部和窄缝状喷嘴连接，使熔化的金属从窄缝状喷嘴中流出薄层流体；阵列冷却台位于窄缝状喷嘴的正下方，阵列冷却台和位于其底部的移动系统相连，微机控制系统控制电阻炉、塞棒、测温元件和移动系统。本发明可用于快速筛选最优工艺参数和凝固组织，利于材料基因库的快速建立。
Description
技术领域
本发明涉及一种金属制备装置和方法，特别是涉及一种金属凝固试样高通量的制备装置和制备方法。
背景技术
材料基因工程是目前研究的热点。通过模拟和实验相结合的方法建立材料的数据库，即材料基因库，在此基础上来快速设计材料，极大缩短材料的研发周期和应用周期。而在建立材料基因库的过程中，因为材料众多，需要建立的材料基因库非常庞大。如何快速而准确的建立是目前需要解决的关键问题。高通量方法为研究材料基因库的快速建立提供了一种非常高效的解决办法。在数值计算设定一定范围的基础上，高通量制备材料将是非常关键的一步，在制备材料的同时，还得为下面的高通量表征做好准备，起着承上启下的作用。
众所周知，材料的最终性能是由材料中的组织形貌、相组成、溶质分布和各种缺陷决定的。几乎在所有的材料，尤其是金属材料的生产及加工过程中都会经历一个由液态到固态的凝固过程，而凝固过程将对材料的最终性能起决定性作用。因此，通过开发金属凝固试样的高通量的制备装置和方法，来快速筛选最优加工工艺和凝固组织是非常有必要的。本发明将提供一种通过流出液态金属薄层，在同等条件下高通量制备不同凝固条件的金属试样的装置和方法。
发明内容
本发明所要解决的技术问题是提供一种金属凝固试样高通量的制备装置和制备方法，其可用于快速筛选最优工艺参数和凝固组织，利于材料基因库的快速建立。
本发明是通过下述技术方案来解决上述技术问题的：一种金属凝固试样高通量的制备装置，其特征在于，其包括坩埚、电阻炉、塞棒、测温元件、窄缝状喷嘴、阵列冷却台、移动系统、微机控制系统，坩埚、塞棒和测温元件都位于电阻炉中，对金属试样进行控温熔炼，坩埚底部和窄缝状喷嘴连接，使熔化的金属从窄缝状喷嘴中流出薄层流体，阵列冷却台位于窄缝状喷嘴的正下方，阵列冷却台和位于其底部的移动系统相连，微机控制系统控制电阻炉、塞棒、测温元件和移动系统，微机控制系统包括相互连接的监控台和控制器，移动系统与监控台连接。
优选地，所述塞棒可以进行垂直上下移动来控制流量，移动速率控制在0-1m/s。一定适合范围内速率可调，使得流量的范围在一个合理的区间内，用于匹配不同黏度母材都可以顺利流出并获得想要的流量，而且能够匹配不同的平台移动速度，实现不同生产率，还可以改变每层之间的融合状态。
优选地，所述窄缝状喷嘴缝宽为0.1-50mm，长度为5-2000mm；从喷嘴中流出的金属液流速控制在0-10m/s。不同的金属母材液体，有不同的黏度，润湿角等不同的物性，实现不同母材同速率或者实现同母材不同速率都需要留下合理并且可用的工艺窗口区间，通过对常见金属母材物性参数的相关计算，所选取的范围不仅利于实验的顺利进行，也能够反映出不同参数对最终效果的影响。
优选地，所述阵列冷却台上设有预热陶瓷平台、不锈钢平台、水冷铜平台，阵列冷却台通过采用不同材料的平台和设定不同温度来使位于不同平台的金属薄层以不同的冷却速率凝固，冷却速度范围为10-3-103K/s；同时在每一平台上设置拉伸测试模具、硬度测试和金相分析膜具、模量测试模具，为后续通量表征和力学测试做好准备，本发明包括但不限于预热陶瓷平台、不锈钢平台、水冷铜平台，同时每一平台上也不包括但不限于拉伸测试模具、硬度测试和金相分析膜具、模量测试模具，可根据具体需要进行改变。由于该方法的广泛适应性和高效的生产效率，配备不同的材料的实验平台，而不同材料的用途根据自身性能的特点和差异决定，随配备不同的测设方法，在提高生产效率的基础上，进一步提高表征和测量的效率。
优选地，所述微机控制系统控制电阻炉和测温元件来使试样加热到设定温度；微机控制系统控制移动系统，使阵列冷却台在垂直于窄缝状喷嘴长度方向上进行移动，移动速度为0-100m/s。平台移动速度的改变，有效且高效的控制每层金属母材的厚度，移动速度影响重复操作的时间，直接影响金属母材的凝固状态，使得该实验平台的适用金属材料范围大大扩展，实验数据丰富。
优选地，所述测温元件实时检测坩埚内金属母材温度，提供过热度的相关数据反馈到微机控制系统，母材温度异常或偏离适合温度不利于工作时，停止工作或温度下降过快或过慢，不能按原有时间进行时，通过控制器调整塞棒，可适当增加或减少金属液流出的速度，完成本次实验，并提供温度变化曲线以便于下次的改善。
优选地，所述微机控制系统在日常工作时，通过控制器对各关键工件实现控制，实现自动完成所有工序，并储存分析数据。
优选地，所述移动系统的多维度运动和移速的可调，在塞棒调节流速的基础上，用以实现调整同流速下不同厚度薄层，还可以进一步控制每次移动覆盖薄层之间的时间间隔，控制每层金属母材之间不同的结合时间和状态，进行深一步的实验研究。
优选地，所述监控台会在实验时实时显示金属液温度，塞棒移动相关数据，平台移动数据等相关关键数据，反馈实验信息给实验者，检测实验的进行。
本发明还提供了一种金属凝固试样高通量的制备方法，其特征在于，其包括以下步骤：
步骤一：在坩埚中加入需要熔炼的金属母材；
步骤二：在微机控制系统中设定电阻炉温度，通过电阻炉加热熔化坩埚中的金属母材；
步骤三：当坩埚中的金属母材完全熔化后，通过微机控制系统控制塞棒向上移动，通过控制塞棒移动速度，使得金属液体流速均匀，最终直至金属液体不能匀速流出时停止，使金属液在自身重力作用下从窄缝状喷嘴流出薄层；
步骤四：启动移动系统，带动阵列冷却台按设定轨迹和速度进行移动，进而批量得到所需不同凝固条件的试样。
本发明的积极进步效果在于：本发明可用于快速筛选最优工艺参数和凝固组织，利于材料基因库的快速建立。本发明实验适用的金属母材多样，控制实验变量简单有效，可以较快速的就某一变量或某几个参数进行大量的实验，借助检测手段，可迅速有效的建立起某一变量参数的影响模型，构建先关的数据库，快速的筛选出最优工艺，建立期工艺参数与凝固组织之间的关系，加速材料基因库的建立。
附图说明
图1为本发明金属凝固试样高通量的制备装置的结构示意图。
图2为本发明阵列冷却台俯视示意图。
具体实施方式
下面结合附图给出本发明较佳实施例，以详细说明本发明的技术方案。
如图1所示，本发明金属凝固试样高通量的制备装置包括坩埚1、电阻炉2、塞棒3、测温元件4、窄缝状喷嘴5、阵列冷却台6、移动系统7、微机控制系统，坩埚1、塞棒3和测温元件4都位于电阻炉2中，对金属试样进行控温熔炼；坩埚1底部和窄缝状喷嘴5连接，使熔化的金属从窄缝状喷嘴5中流出薄层流体；阵列冷却台6位于窄缝状喷嘴5的正下方，阵列冷却台6和位于其底部的移动系统7相连，微机控制系统控制电阻炉2、塞棒3、测温元件4和移动系统7，微机控制系统包括相互连接的监控台8和控制器9，移动系统7与监控台8连接。
测温元件实时检测坩埚内金属母材温度，提供过热度的相关数据反馈到微机控制系统，母材温度异常或偏离适合温度不利于工作时，即停止工作或温度下降过快或过慢，不能按原有时间进行时，通过控制器调整塞棒，可适当增加或减少金属液流出的速度，完成本次实验，并提供温度变化曲线以便于下次的改善。
微机控制系统在日常工作时，通过程序设置，通过控制器对各关键工件实现控制，实现自动完成所有工序，并储存分析数据。
移动系统的多维度运动和移速的可调，在塞棒调节流速的基础上，用以实现调整同流速下不同厚度薄层，还可以进一步控制每次移动覆盖薄层之间的时间间隔，控制每层金属母材之间不同的结合时间和状态，进行深一步的实验研究。
监控台会在实验时实时显示金属液温度，塞棒移动相关数据，平台移动数据等相关关键数据，反馈实验信息给实验者，检测实验的进行。
控制器一方面可以控制实验台关键部件的运动，另一方面还可以通过手动直接操作控制器，干预实验的进行和紧急停机，当面对试验过程与程序设置有所偏差以及实验中其他的一些意外情况，实验人员可以通过控制器直接进行所需操作，使得本套实验装置可以灵活处理不同的实验情况，也增加了实验的安全性。
塞棒可以进行垂直上下移动来控制流量，移动速率控制在0-1m/s。
窄缝状喷嘴缝宽为0.1-50mm，长度为5-2000mm；从喷嘴中流出的金属液流速控制在0-10m/s。
如图2所示，阵列冷却台上设有预热陶瓷平台13、不锈钢平台14、水冷铜平台15，阵列冷却台通过采用不同材料的平台和设定不同温度来使位于不同平台的金属薄层以不同的冷却速率凝固，冷却速度范围为10-3-103K/s；同时在每一平台上设置拉伸测试模具10、硬度测试和金相分析膜具11、模量测试模具12，为后续通量表征和力学测试做好准备，本发明包括但不限于预热陶瓷平台13、不锈钢平台14、水冷铜平台15，同时每一平台上也不包括但不限于拉伸测试模具10、硬度测试和金相分析膜具11、模量测试模具12，可根据具体需要进行改变。
微机控制系统控制电阻炉和测温元件来使试样加热到设定温度；微机控制系统控制移动系统，使阵列冷却台在垂直于窄缝状喷嘴长度方向上进行移动，移动速度为0-100m/s。
为解决上述技术问题，还提供了一种金属凝固试样高通量的制备方法，其包括以下步骤：
步骤一：在坩埚中加入需要熔炼的金属母材；
步骤二：在微机控制系统中设定电阻炉温度，通过电阻炉加热熔化坩埚中的金属母材；将温度设定于金属母材理论熔点以上至少20摄氏度，至多不高于50摄氏度。
步骤三：当坩埚中的金属母材完全熔化后，通过微机控制系统控制塞棒向上移动，通过控制塞棒移动速度，使得金属液体流速均匀，最终直至金属液体不能匀速流出时停止，使金属液在自身重力作用下从窄缝状喷嘴流出薄层。
步骤四：启动移动系统，带动阵列冷却台按设定轨迹和速度进行移动，进而批量得到所需不同凝固条件的试样。
以轻质钢为实验材料作为一个实施例进行说明，具体如下：在坩埚1中加入轻质钢母材，然后通过电阻炉加热到1600 oC并保温1小时来完全熔化母材；通过微机控制系统使塞棒向上移动1cm，进而使液态金属液在自身重力作用下从窄缝状喷嘴流出薄层。在液态金属薄层流出的同时，移动系统带动阵列冷却台按设定轨迹和移动速度进行移动，得到不同冷速和形状的凝固试样；待试样冷却后取出，分别进行拉伸测试、硬度测试和金相分析、模量测试。
所述塞棒可以进行垂直上下移动来控制流量，移动速率控制在0-1m/s。所述窄缝状喷嘴缝宽为0.1-50mm，长度为5-2000mm；从喷嘴中流出的金属液流速控制在0-10m/s。所述阵列冷却台每一列通过采用不同材料和设定不同温度（见图2）来使每一列的金属薄层以不同的冷却速率凝固，冷却速度范围为10-3-103K/s；同时在每一列上设置多种形状的模具，为后续通量表征和力学测试做好准备。图2中所示为3×3矩阵，但本发明包括但不限于3×3矩阵，可根据具体需要进行改变；所述微机控制系统控制电阻炉和测温元件来使试样加热到设定温度；微机控制系统控制移动系统，使阵列冷却台在垂直于窄缝状喷嘴长度方向上进行移动，移动速度为0-100m/s。本发明通过在坩埚底部可以放置窄缝状喷嘴，从窄缝状喷嘴中流出液态金属薄层，薄层在一个移动的阵列冷却台上凝固，进而以高通量的方式制备出不同冷却速率和不同形状的凝固试样。本发明可用于快速筛选最优工艺参数和凝固组织。
以上所述的具体实施例，对本发明的解决的技术问题、技术方案和有益效果进行了进一步详细说明，所应理解的是，以上所述仅为本发明的具体实施例而已，并不用于限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内，所做的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。
Claims (10)
1.一种金属凝固试样高通量的制备装置，其特征在于，其包括坩埚、电阻炉、塞棒、测温元件、窄缝状喷嘴、阵列冷却台、移动系统、微机控制系统，坩埚、塞棒和测温元件都位于电阻炉中，对金属试样进行控温熔炼，坩埚底部和窄缝状喷嘴连接，使熔化的金属从窄缝状喷嘴中流出薄层流体，阵列冷却台位于窄缝状喷嘴的正下方，阵列冷却台和位于其底部的移动系统相连，微机控制系统控制电阻炉、塞棒、测温元件和移动系统，微机控制系统包括相互连接的监控台和控制器，移动系统与监控台连接。
2.如权利要求1所述的金属凝固试样高通量的制备装置，其特征在于，所述塞棒可以进行垂直上下移动来控制流量，移动速率控制在0-1m/s。
3.如权利要求1所述的金属凝固试样高通量的制备装置，其特征在于，所述窄缝状喷嘴的缝宽为0.1-50mm，长度为5-2000mm；从喷嘴中流出的金属液流速控制在0-10m/s。
4.如权利要求1所述的金属凝固试样高通量的制备装置，其特征在于，所述阵列冷却台上设有预热陶瓷平台、不锈钢平台、水冷铜平台，阵列冷却台通过采用不同材料的平台和设定不同温度来使位于不同平台的金属薄层以不同的冷却速率凝固，冷却速度范围为10-3-103K/s；同时在每一平台上设置拉伸测试模具、硬度测试和金相分析膜具、模量测试模具，为后续通量表征和力学测试做好准备。
5.如权利要求1所述的金属凝固试样高通量的制备装置，其特征在于，所述微机控制系统控制电阻炉和测温元件来使试样加热到设定温度；微机控制系统控制移动系统，使阵列冷却台在垂直于窄缝状喷嘴长度方向上进行移动，移动速度为0-100m/s。
6.如权利要求1所述的金属凝固试样高通量的制备装置，其特征在于，所述测温元件实时检测坩埚内金属母材温度，提供过热度的相关数据反馈到微机控制系统，母材温度异常或偏离适合温度不利于工作时，停止工作或温度下降过快或过慢，不能按原有时间进行时，通过控制器调整塞棒，可适当增加或减少金属液流出的速度，完成本次实验，并提供温度变化曲线以便于下次的改善。
7.如权利要求1所述的金属凝固试样高通量的制备装置，其特征在于，所述微机控制系统在日常工作时，通过控制器对各关键工件实现控制，实现自动完成所有工序，并储存分析数据。
8.如权利要求1所述的金属凝固试样高通量的制备装置，其特征在于，所述移动系统的多维度运动和移速的可调，在塞棒调节流速的基础上，用以实现调整同流速下不同厚度薄层，还可以进一步控制每次移动覆盖薄层之间的时间间隔，控制每层金属母材之间不同的结合时间和状态，进行深一步的实验研究。
9.如权利要求1所述的金属凝固试样高通量的制备装置，其特征在于，所述监控台会在实验时实时显示金属液温度，塞棒移动相关数据，平台移动数据等相关关键数据，反馈实验信息给实验者，检测实验的进行。
10.一种金属凝固试样高通量的制备方法，其特征在于，其包括以下步骤：
步骤一：在坩埚中加入需要熔炼的金属母材；
步骤二：在微机控制系统中设定电阻炉温度，通过电阻炉加热熔化坩埚中的金属母材；
步骤三：当坩埚中的金属母材完全熔化后，通过微机控制系统控制塞棒向上移动，通过控制塞棒移动速度，使得金属液体流速均匀，最终直至金属液体不能匀速流出时停止，使金属液在自身重力作用下从窄缝状喷嘴流出薄层；
步骤四：启动移动系统，带动阵列冷却台按设定轨迹和速度进行移动，进而批量得到所需不同凝固条件的试样。
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