CN110788302A - 适合超重力定向凝固使用的气冷系统 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种适合超重力定向凝固使用的气冷系统。包括进气管、坩埚支撑体、冷却底座、冷速调节环、坩埚、排气盖和排气管；坩埚支撑体置于最底部，坩埚支撑体顶面上安装冷却底座，冷却底座上安装坩埚，坩埚顶端安装排气盖，坩埚中部套装冷速调节环；在坩埚上设置有中心容腔、冷却孔、温度梯度调节块、热量辐射槽、定位凸缘块、散热槽和气体排放孔；坩埚支撑体内部开设有通气管道，通气管道下端穿出坩埚支撑体底部外壁和进气管一端连接，进气管另一端与冷却气源相连。本发明为超重力环境下定向凝固提供一种特殊的坩埚结构和气冷系统设计，解决了超重力定向凝固过程中温度梯度难实现的关键难题，结构简单，安全系数较高。
Description
技术领域
本发明涉及定向凝固技术领域，尤其涉及一套适合超重力定向凝固使用的气冷系统。
背景技术
高压涡轮工作叶片作为航空发动机和燃气轮机热端部件关键组成部分之一，服役时长期工作在高温、高压、高转速、交变负载等耦合加载条件下，是发动机中工作条件最恶劣的转动部件，其使用可靠性直接影响整机性能。在高温合金的发展过程中，工艺对高温合金的发展起着很大的推动作用。通常为了提高高温合金的综合力学性能，采用两种途径：其一是加入大量合金化元素，通过合理的热处理工艺使之产生固溶强化、沉淀强化及晶界强化等，从而保证高温合金具有从室温到高温的良好强度、表明稳定性和较好的塑性；其二是从凝固工艺入手，采用定向凝固工艺，制备晶界平行于主应力轴从而消除有害横向晶界的柱状晶高温合金或制备消除所有晶界的单晶高温合金。定向及单晶叶片由于消除横向晶界或完全消除晶界，晶体沿[001]特定方向生长，提高初熔温度及固溶处理窗口温度，增加γ数量并细化，大幅度提高了性能，提高使用温度。目前，几乎所有先进航空发动机均采用单晶高温合金。工业上广泛应用的快速凝固法制备单晶合金，其温度梯度只能达到100K/cm左右，凝固速率很低，导致凝固组织粗大，偏析严重，致使材料的性能千里没有得到充分发挥。微重力下的晶体生长，由于重力加速度减小而有效的抑制了重力造成的无规则热质对流，从而获得溶质分布高度均匀的晶体，但由于成本太高，无法工业化。超重力下的晶体生长，通过增大重力加速度而加强浮力对流，当浮力对流增强到一定程度时，就转化为层流状态，即重新层流化，同样抑制了无规则的热质对流。在加速旋转过程中造成液相强迫对流，由于极大的改变热质传输过程而引起了界面形貌的显著变化，导致糊状区宽度显著减小。液相快速流动引起界面前沿液相中的温度梯度极大的提高，非常有利于液相溶质的均匀混合和材料的平界面生长，枝晶生长形态发生显著的变化，由原来具有明显主轴的枝晶变为无明显主轴的穗状晶，穗状晶具有细密的显微组织。但超重力环境下制备单晶合金的关键是，必须研发一套气冷系统方案，解决超重力定向凝固过程中温度梯度难实现的关键难题。
发明内容
本发明需要解决的是针对上述超重力定向凝固过程中温度梯度难实现的关键难题，提供一套一种适合超重力定向凝固使用的坩埚结构和气冷系统，提供的气冷系统方案简单、使用方便、安全系数高。
本发明采用的技术方案是：
本发明包括进气管、坩埚支撑体、冷却底座、冷速调节环、坩埚、排气盖和排气管；坩埚支撑体置于最底部，坩埚支撑体顶面上安装冷却底座，冷却底座上安装坩埚，坩埚顶端安装排气盖，坩埚中部套装冷速调节环；在坩埚上设置有中心容腔、冷却孔、温度梯度调节块、热量辐射槽、定位凸缘块、散热槽和气体排放孔；所述的坩埚主体为柱形结构，坩埚顶面中央开设有圆柱盲孔作为中心容腔，中心容腔灌充待超重力定向凝固的金属熔液/金属试样；中心容腔周围的坩埚顶面沿圆周开设多个垂直通孔作为冷却孔，多个冷却孔沿周向间隔均布，冷却孔下端通入冷却气体；每个冷却孔中均安装有用于实现和调节定向凝固温度梯度的温度梯度调节块，温度梯度调节块和冷却孔孔壁之间存在间隙，温度梯度调节块在冷却孔能沿轴向上下移动；坩埚下部周面固定有环形的凸块作为定位凸缘块，定位凸缘块下部的外周柱面开设多个散热槽，散热槽从坩埚主体内壁径向向外延伸定位凸缘块外壁；定位凸缘块上方的坩埚外周柱面开设多个热量辐射槽，多个热量辐射槽沿周向间隔均布，相邻两个冷却孔之间的坩埚外周柱面均有一个热量辐射槽；在定位凸缘块顶面处的坩埚侧壁两侧对称开设通孔作为气体排放孔，气体排放孔将冷却孔和坩埚外部连通；坩埚支撑体内部开设有通气管道，通气管道下端穿出坩埚支撑体底部外壁和进气管一端连接，进气管另一端与冷却气源相连；冷却底座上端开口，开口内设有下环形槽，坩埚下端安装到冷却底座上端开口中，且通过下环形槽将坩埚的各个冷却孔下端连通，冷却底座底端开有和下环形槽连通的进气通孔，坩埚支撑体的通气管道上端穿出坩埚支撑体顶面和冷却底座的进气通孔连通；冷速调节环固定安装于坩埚的定位凸缘块上，冷速调节环顶面开设有一个或者两个垂直的集气槽孔，集气槽孔底端穿过冷速调节环内圈壁面和坩埚的气体排放孔连通；排气盖下端开口，开口内设有上环形槽，坩埚下端安装到排气盖下端开口中，且通过上环形槽将坩埚的各个冷却孔上端连通，排气盖底端开有和上环形槽连通的出气通孔，排气盖的出气通孔和排气管的一端连通；排气管另一端与外界相连通，将冷却气体排出。
所述的散热槽贯穿出定位凸缘块外壁，散热槽底部贯穿出定位凸缘块底面。
所述的热量辐射槽轴向贯穿出坩埚本体顶面，散热槽径向外侧部贯穿出坩埚本体外周面。
所述的排气盖下端开口内的中间设置形成凸台，凸台嵌装于坩埚的中心容腔顶端内。
所述的坩埚用于超重力环境下定向凝固过程的金属熔液/金属试样盛装。
所述的坩埚采用高强陶瓷材料。
所述的冷却气体为液氮、压缩空气等，冷却气体温度不高于5℃，压力不高于5Mpa。
本发明的有益效果是：
本发明为超重力环境下的定向凝固装置提供一套定向凝固过程中实现温度梯度精确控制的气冷系统设计，解决超重力定向凝固过程中温度梯度难实现的关键难题。
本发明方案具有结构简单，操作方案且安全系数较高的优点。结构适合 1g-2500g超重力环境，温度从室温-1700℃。
附图说明
图1是气冷系统的总图；
图2是坩埚正面剖视图；
图3是图2中标A部位的局部放大剖视图；
图4是坩埚俯视图；
图5是图2中A-A的剖视图；
图6是坩埚的立体图。
图7是坩埚支撑体的剖视图；
图8是冷却底座的剖视图；
图9是冷速调节环的剖视图；
图10是排气盖的剖视图；
图11是气冷系统安装到超重力定向凝固试验加热系统中的安装布置结构图。
图中：坩埚25、中心容腔25-1、冷却孔25-2、温度梯度调节块25-3、热量辐射槽25-4、定位凸缘块25-5、散热槽25-6、气体排放孔25-7；进气管29、坩埚支撑体21、冷却底座26、冷速调节环27、坩埚25、排气盖28、排气管30；通气管道21-1、进气通孔26-1、下环形槽26-2、集气槽孔27-1、出气通孔28-1、上环形槽28-2、凸台28-3。
具体实施方式
下面结合附图和实施例对本发明作进一步说明。
如图1所示，具体实施的气冷系统包括进气管29、坩埚支撑体21、冷却底座26、冷速调节环27、坩埚25、排气盖28和排气管30；坩埚支撑体21置于最底部，坩埚支撑体21顶面上安装冷却底座26，冷却底座26上安装坩埚25，坩埚25顶端安装排气盖28，坩埚25中部套装冷速调节环27；由进气管、冷却底座、冷速调节环、坩埚、排气盖和排气管为定向凝固装置提供一个定向凝固所需的温度梯度控制系统。
如图2和图6所示，在坩埚25上设置有中心容腔25-1、冷却孔25-2、温度梯度调节块25-3、热量辐射槽25-4、定位凸缘块25-5、散热槽25-6和气体排放孔25-7；坩埚25主体为柱形结构，坩埚25顶面中央开设有圆柱盲孔作为中心容腔25-1，中心容腔25-1灌充待超重力定向凝固的金属熔液/金属试样；中心容腔25-1周围的坩埚25顶面沿圆周开设多个垂直通孔作为冷却孔25-2，多个冷却孔25-2沿周向间隔均布，冷却孔25-2下端通入冷却气体；每个冷却孔25-2 中均安装有用于实现和调节定向凝固温度梯度的温度梯度调节块4，温度梯度调节块4和冷却孔25-2孔壁之间存在间隙，温度梯度调节块4在冷却孔25-2能沿轴向上下移动；具体实施中，冷却孔25-2和坩埚支撑座21的通气管道21-1上端出口相连，经通气管道21-1向冷却孔25-2中通入冷却气体。冷却孔25-2为冷却气体在坩埚壁扩散的通道，主要是利用冷却气体带走热量，实现冷却坩埚的目的。
如图2所示，坩埚25下部周面固定有环形的凸块作为定位凸缘块25-5，定位凸缘块25-5和坩埚25主体一体成型，定位凸缘块25-5下部的外周柱面开设多个散热槽25-6，具体实施中散热槽25-6的数量为冷却孔25-2的两倍，散热槽 25-6从坩埚25主体内壁径向向外延伸定位凸缘块25-5外壁，并贯穿出定位凸缘块25-5外壁，散热槽25-6底部贯穿出定位凸缘块25-5底面；散热槽25-6在坩埚25的定位凸缘块25-5下端形成一个空腔，增强坩埚25下部的散热效果，有利于坩埚凝固过程中温度梯度的形成。定位凸缘块25-5除了开设散热槽25-6 下部的上部部分在超重力定向凝固熔铸炉加热系统中安装坩埚25时辅助确定位置，防止超重力下坩埚25安装晃动。
如图2和图3所示，定位凸缘块25-5上方的坩埚25外周柱面开设多个热量辐射槽25-4，多个热量辐射槽25-4沿周向间隔均布，具体实施中热量辐射槽 25-4的数量和冷却孔25-2的数量相同，相邻两个冷却孔25-2之间的坩埚25外周柱面均有一个热量辐射槽25-4，热量辐射槽25-4轴向贯穿出坩埚25顶面，散热槽25-6径向外侧部贯穿出坩埚25外周面；具体实施中，热量辐射槽25-4 与超重力定向凝固熔铸炉加热系统中的上加热炉管、下加热炉管和发热体配合，用来加热坩埚。
如图2和图3和图5所示，在定位凸缘块25-5顶面处的坩埚25侧壁两侧对称开设通孔作为气体排放孔25-7，气体排放孔25-7将冷却孔25-3和坩埚25 外部连通，气体排放孔25-7与冷却孔25-3形成一个冷却气体通路，用于排放冷却气体，同时防止高温下冷却气体膨胀对坩埚25产生的破坏；
如图7所示，坩埚支撑体21的作用是支撑坩埚和加热系统在超重力下产生的压力，坩埚支撑体21内部开设有通气管道21-1，通气管道21-1下端穿出坩埚支撑体21底部外壁和进气管29一端连接，进气管29另一端通过超重力实验舱内部的通气支架与超重力实验舱外的冷却气源相连，为冷却系统提供冷却气体。
如图8所示，冷却底座26用来连接坩埚和坩埚支撑体，冷却底座26上端开口，开口内设有下环形槽26-2，下环形槽26-2的圆周尺寸和坩埚25的冷却孔25-2圆周相一致，坩埚25下端安装到冷却底座26上端开口中，且通过下环形槽26-2将坩埚25的各个冷却孔25-2下端连通，冷却底座26底端开有和下环形槽26-2连通的进气通孔26-1，坩埚支撑体21的通气管道21-1上端穿出坩埚支撑体21顶面和冷却底座26的进气通孔26-1连通。具体实施中，冷却底座26 上端开口内设有内外两道下环形槽26-2，两道下环形槽26-2连接相通，外圈的一道下环形槽26-2和坩埚25的冷却孔25-2圆周对应连通，内圈的一道下环形槽26-2开设进气通孔26-1。
如图9所示，冷速调节环27固定安装于坩埚25的定位凸缘块25-5上，冷速调节环27底面和定位凸缘块25-5顶面紧贴，被定位凸缘块25-5顶面承托，冷速调节环27顶面开设有一个或者两个垂直的集气槽孔27-1，集气槽孔27-1 的数量和坩埚25的气体排放孔25-7数量相同，集气槽孔27-1顶端穿出冷速调节环27和坩埚25外部连通，集气槽孔27-1底端穿过冷速调节环27内圈壁面和坩埚25的气体排放孔25-7连通，用来收集冷却坩埚后的气体；
如图10所示，排气盖28下端开口，开口内设有上环形槽28-2，上环形槽 28-2的圆周尺寸和坩埚25的冷却孔25-2圆周也相一致，坩埚25下端安装到排气盖28下端开口中，且通过上环形槽28-2将坩埚25的各个冷却孔25-2上端连通，为冷却气体提供气路，排气盖28底端开有和上环形槽28-2连通的出气通孔28-1，排气盖28的出气通孔28-1和排气管30的一端连通，用于排出冷却气体；排气管30另一端通过超重力实验舱内部的通气支架、超重力离心机滑环与外界相连通，将冷却气体排出。
具体实施中，排气盖28下端开口内的中间设置形成凸台28-3，凸台28-3 嵌装于坩埚25的中心容腔25-1顶端内，能固定坩埚防止超重力作用下坩埚晃动。
坩埚25用于超重力环境下定向凝固过程的金属熔液/金属试样盛装。
坩埚25采用高强陶瓷材料，使坩埚具有足够的强度和刚度，确保安装到定向熔铸炉后在超重力下能正常工作。坩埚材料具有极低的孔隙率，确保定向凝固过程中，高温熔体在超重力下不能够从坩埚中渗出，以方便灵活地适用于各种类型的超重力定向凝固熔铸炉。
冷却气体为液氮、压缩空气等，冷却气体温度不高于5℃，压力不高于5Mpa，压力可控可调。根据温度梯度要求，冷却气体类型可以改变。
本发明能适合1g-2500g超重力环境，温度从常温-1700℃。
本发明的工作过程如下：
具体实施在定向凝固过程中，是将坩埚25安装于超重力环境中在超重力下工作，施加超重力方向沿坩埚25轴向向下方向。具体是安装于超重力定向凝固熔铸炉的加热系统中，如图11所示。
在超重力定向凝固试验的加热阶段，在没有冷却气体通入情况下，发热体产生的热量，通过热量辐射槽25-4辐射和热传导到坩埚25外壁，进而加热坩埚25对中心容腔25-1中的金属试样进行加热，熔化坩埚中的试样。
在超重力定向凝固试验的凝固阶段，冷却气体经进气管29进入坩埚支撑体 21内部的通气管道21-1，再经进气通孔26-1进入下环形槽26-2，进而通入到坩埚25的各个冷却孔25-2，进而从冷却孔25-2下端进入坩埚25内部，对坩埚25 开始进行冷却。初始温度梯度调节块25-3位于冷却孔25-2的底部，冷却气体的压力推动温度梯度调节块25-3，并从温度梯度调节块25-3和冷却孔25-2孔壁之间的间隙中流经到冷却孔25-2顶部，使得由下到上通过冷却孔25-2孔壁热传导对中心容腔25-1进行冷却。
对于凝固阶段的控制，温度梯度调节块25-3在冷却孔25-2的移动过程中分别受超重力的重量、与冷却孔25-2孔壁之间的摩擦力以及冷却气体的压力影响，温度梯度调节块25-3两端受力存在压差，通过设置超重力作用下温度梯度调节块25-3的超重量、温度梯度调节块25-3移动过程中与坩埚25的冷却孔25-2孔壁之间的摩擦力以及冷却气体的压力，根据需要可结合使温度梯度调节块25-3 在压差作用下上下调节移动，来实现超重力定向凝固过程中的温度梯度。这样能够实现由下到上的中心容腔25-1逐渐温度降低冷却，使得在中心容腔25-1 已经熔化的金属试样由下到上按照需要逐渐凝固，实现了定向凝固。
试验过程中，通过改变超重力大小、冷却气体流量、时间、温度梯度调节块的重量等措施，与超重力定向熔铸炉加热系统配合，实现不同的温度梯度要求。通过冷却底座对坩埚底部冷却，并将分散气体的收集到坩埚冷却孔；冷速调整环收集坩埚下部的冷却气体，并根据温区要求调整位置，实现不同温区要求。
冷却实施定向凝固后，坩埚25的冷却孔25-2内已经实施流经过的冷却气体从冷却孔25-2顶端进入上环形槽28-2，收集在上环形槽28-2中，进而经出气通孔28-1后由排气管30排出。
但是当温度梯度调节块25-3在冷却孔25-2中堵塞时，冷却气体的压力从气体排放孔25-7的小径孔再经过冷速调节环27的集气槽孔27-1流通到坩埚25 外部，避免了冷却气体的压力不断增大，避免了内部压力无限增大导致的安全问题。
根据通入冷却气体的流量、压力和超重力大小，通过调整冷速调节环27沿坩埚25的定位凸缘块25-5的高度来改变坩埚沿超重力方向的温度分布，实现能够根据实验要求精确控制定向凝固时的温度梯度，并能外排压力过高的坩埚 25内部冷却气体。
Claims (7)
1.一种适合超重力定向凝固使用的气冷系统，其特征在于：包括进气管(29)、坩埚支撑体(21)、冷却底座(26)、冷速调节环(27)、坩埚(25)、排气盖(28)和排气管(30)；坩埚支撑体(21)置于最底部，坩埚支撑体(21)顶面上安装冷却底座(26)，冷却底座(26)上安装坩埚(25)，坩埚(25)顶端安装排气盖(28)，坩埚(25)中部套装冷速调节环(27)；在坩埚(25)上设置有中心容腔(25-1)、冷却孔(25-2)、温度梯度调节块(25-3)、热量辐射槽(25-4)、定位凸缘块(25-5)、散热槽(25-6)和气体排放孔(25-7)；所述的坩埚(25)主体为柱形结构，坩埚(25)顶面中央开设有圆柱盲孔作为中心容腔(25-1)，中心容腔(25-1)灌充待超重力定向凝固的金属熔液/金属试样；中心容腔(25-1)周围的坩埚(25)顶面沿圆周开设多个垂直通孔作为冷却孔(25-2)，多个冷却孔(25-2)沿周向间隔均布，冷却孔(25-2)下端通入冷却气体；每个冷却孔(25-2)中均安装有用于实现和调节定向凝固温度梯度的温度梯度调节块(4)，温度梯度调节块(4)和冷却孔(25-2)孔壁之间存在间隙，温度梯度调节块(4)在冷却孔(25-2)能沿轴向上下移动；坩埚(25)下部周面固定有环形的凸块作为定位凸缘块(25-5)，定位凸缘块(25-5)下部的外周柱面开设多个散热槽(25-6)，散热槽(25-6)从坩埚(25)主体内壁径向向外延伸定位凸缘块(25-5)外壁；定位凸缘块(25-5)上方的坩埚(25)外周柱面开设多个热量辐射槽(25-4)，多个热量辐射槽(25-4)沿周向间隔均布，相邻两个冷却孔(25-2)之间的坩埚(25)外周柱面均有一个热量辐射槽(25-4)；在定位凸缘块(25-5)顶面处的坩埚(25)侧壁两侧对称开设通孔作为气体排放孔(25-7)，气体排放孔(25-7)将冷却孔(25-3)和坩埚(25)外部连通；
坩埚支撑体(21)内部开设有通气管道(21-1)，通气管道(21-1)下端穿出坩埚支撑体(21)底部外壁和进气管(29)一端连接，进气管(29)另一端与冷却气源相连；冷却底座(26)上端开口，开口内设有下环形槽(26-2)，坩埚(25)下端安装到冷却底座(26)上端开口中，且通过下环形槽(26-2)将坩埚(25)的各个冷却孔(25-2)下端连通，冷却底座(26)底端开有和下环形槽(26-2)连通的进气通孔(26-1)，坩埚支撑体(21)的通气管道(21-1)上端穿出坩埚支撑体(21)顶面和冷却底座(26)的进气通孔(26-1)连通；冷速调节环(27)固定安装于坩埚(25)的定位凸缘块(25-5)上，冷速调节环(27)顶面开设有一个或者两个垂直的集气槽孔(27-1)，集气槽孔(27-1)底端穿过冷速调节环(27)内圈壁面和坩埚(25)的气体排放孔(25-7)连通；排气盖(28)下端开口，开口内设有上环形槽(28-2)，坩埚(25)下端安装到排气盖(28)下端开口中，且通过上环形槽(28-2)将坩埚(25)的各个冷却孔(25-2)上端连通，排气盖(28)底端开有和上环形槽(28-2)连通的出气通孔(28-1)，排气盖(28)的出气通孔(28-1)和排气管(30)的一端连通；排气管(30)另一端与外界相连通，将冷却气体排出。
2.根据权利要求1所述的一种适合超重力定向凝固使用的气冷系统，其特征在于：所述的散热槽(25-6)贯穿出定位凸缘块(25-5)外壁，散热槽(25-6)底部贯穿出定位凸缘块(25-5)底面。
3.根据权利要求1所述的一种适合超重力定向凝固使用的气冷系统，其特征在于：所述的热量辐射槽(25-4)轴向贯穿出坩埚本体(25)顶面，散热槽(25-6)径向外侧部贯穿出坩埚本体(25)外周面。
4.根据权利要求1所述的一种适合超重力定向凝固使用的气冷系统，其特征在于：所述的排气盖(28)下端开口内的中间设置形成凸台(28-3)，凸台(28-3)嵌装于坩埚(25)的中心容腔(25-1)顶端内。
5.根据权利要求1所述的一种适合超重力定向凝固使用的气冷系统，其特征在于：所述的坩埚(25)用于超重力环境下定向凝固过程的金属熔液/金属试样盛装。
6.根据权利要求1所述的一种适合超重力定向凝固使用的气冷系统，其特征在于：所述的坩埚(25)采用高强陶瓷材料。
7.根据权利要求1所述的一种适合超重力定向凝固使用的气冷系统，其特征在于：所述的冷却气体为液氮、压缩空气等，冷却气体温度不高于5℃，压力不高于5Mpa。
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