CN110842168B - 搭载于超重力离心机的定向凝固熔铸系统 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种搭载于超重力离心机的定向凝固熔铸系统。定向凝固熔铸系统包括高温加热子系统和坩埚及气冷系统，高温加热子系统固定于超重力试验舱中，坩埚及气冷系统置于高温加热子系统中；高温加热子系统包括上中下炉体以及莫来石保温层、上下加热腔外体、上下加热炉管、坩埚支撑座和发热体，高温加热腔体分为上下部分，内部加工有螺旋状凹槽并装有发热体；坩埚支撑座内部有冷却气体通入的通气管道；坩埚及气冷系统包括进气管、冷却底座、冷速调节环、坩埚、排气盖和排气管。本发明配合超重力环境，解决了高速旋转状态下定向凝固熔铸温度梯度的关键难题，填补了国内技术行业的空白，且装备简单、操作方便。

Description

搭载于超重力离心机的定向凝固熔铸系统

技术领域

本发明涉及高温加热领域，尤其涉及一种搭载于超重力离心机的定向凝固 熔铸系统。

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。

单晶合金可以通过在超重力环境下进行制备，但现有技术缺少了了超重力 环境下实现定向凝固的温度梯度控制系统，缺少了超重力环境下实现定向凝固 熔铸系统。

发明内容

本发明需要解决的是针对上述超重力、高温试验条件下材料定向凝固熔铸 过程中样品加热难的问题，高转速-高温耦合环境下材料定向凝固熔铸，提供一 种装配简单、使用方便、安全系数高，且可用于超重力工况的定向温度梯度凝 固系统，使得超重力下制备单晶合金具有了可能。

本发明采用的技术方案是：

本发明的定向凝固熔铸系统包括高温加热子系统和坩埚及气冷系统，高温 加热子系统固定于超重力试验舱中，坩埚及气冷系统置于高温加热子系统中。

所述的高温加热子系统包括安装底座和布置在安装底座上的从上到下依次 布置连接的上炉体、中炉体、下炉体以及莫来石保温层、上加热腔外体、下加 热腔外体、上加热炉管、下加热炉管、坩埚支撑座和发热体；上炉体主要由上 隔热盖、上腔体外壳、上腔体中壳、上腔体隔热层、上腔体下固定盖组成，上 腔体外壳、上腔体中壳、上腔体隔热层分别从外到内安装形成上炉三层结构，上隔热盖和上腔体下固定盖分别安装于上炉三层结构的上端和下端使得上炉三 层结构固定连接，上腔体外壳和上腔体中壳之间以及上腔体中壳和上腔体隔热 层之间均有间隙作为空气隔热层；中炉体主要由中隔热盖、中腔体外壳、中腔体中壳、中腔体隔热层、中腔体下固定盖组成，中腔体外壳、中腔体中壳、中 腔体隔热层分别从外到内安装形成中炉三层结构，中隔热盖和中腔体下固定盖 分别安装于中炉三层结构的上端和下端使得中炉三层结构固定连接，中腔体外壳和中腔体中壳之间以及中腔体中壳和中腔体隔热层之间均有间隙作为空气隔 热层；上炉体的上腔体下固定盖和中炉体的中隔热盖之间固定连接；下炉体主 要由下隔热盖、下腔体外壳、下腔体中壳、下腔体隔热层、下腔体下固定盖组 成，下腔体外壳、下腔体中壳、下腔体隔热层分别从外到内安装形成下炉三层 结构，下隔热盖和下腔体下固定盖分别安装于下炉三层结构的上端和下端使得下炉三层结构固定连接，下腔体下固定盖底部通过螺栓螺钉固定于安装底座，安装底座固定于超重力离心机的超重力实验舱底座上，下腔体外壳和下腔体中 壳之间以及下腔体中壳和下腔体隔热层之间均有间隙作为空气隔热层；中炉体 的中腔体下固定盖和下炉体的下隔热盖之间固定连接。

坩埚支撑座置于下炉体的下腔体隔热层底部，并底部固定于安装底座，加 热腔体置于坩埚支撑座上，加热腔体包括上加热腔外体、下加热腔外体、上加 热炉管和下加热炉管，上加热腔外体和下加热腔外体均为套筒结构，上加热腔 外体和下加热腔外体分别位于上下同轴固定对接，上加热炉管、下加热炉管分 别套装于上加热腔外体、下加热腔外体中，上加热腔外体、下加热腔外体在上炉体的上腔体隔热层、中炉体的中腔体隔热层、下炉体的下腔体隔热层之间填 充有莫来石保温层；上加热炉管和下加热炉管的外壁均加工有螺旋状凹槽，螺 旋状凹槽装有螺旋状的发热体，发热体产生的热量均匀辐射到上加热炉管和下加热炉管组成的加热炉管，在加热炉管中央形成高温区。

工作过程中发热体产生热量，通过辐射加热上加热炉管和下加热炉管，在 加热炉管中央形成高温区，通过改变不同高度位置的螺旋状凹槽螺距进而改变 不同高度位置的发热体在加热炉管间距，配合坩埚支撑座通气管道通入的冷却 气体温度和流量，从坩埚底部开始冷却，形成一个沿超重力方向的温度梯度。

所述的上加热炉管和下加热炉管采用高强度、低导热系数的陶瓷制作。

所述的超重力实验舱内还安装有承力架、信号采集器和布线架，高温加热 子系统的上加热炉管和下加热炉管内安装待定向凝固的材料试样，并设置有温 度传感器，温度传感器连接信号采集器，信号采集器输出的导线通过布线架与 弱信号导电滑环连接，再与地面测控中心连接；高温加热子系统设置有一路强 电独立回路，一路强电独立回路控制加热内部不同高度位置的发热体进行高温加热，将地面一个强电独立回路通过离心离心机主轴导电滑环接入超重力实验 舱的布线架；高温加热子系统设置有一路冷却气体回路，一路冷却气体独立回 路控制通入的冷却气体流量，将地面一个冷却气体独立回路通过离心离心机主 轴导电滑环接入超重力实验舱的冷却气体管路支架和排气管。

所述的坩埚及气冷系统置于坩埚支撑座上的上加热炉管和下加热炉管内部， 坩埚及气冷系统包括进气管、冷却底座、冷速调节环、坩埚、排气盖和排气管； 坩埚支撑座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；坩埚支撑座内部开设有通气管道，通气管道下端穿 出坩埚支撑座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，坩埚支撑座的通气管道上端穿出坩埚支撑座顶面和冷却底座 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。

所述的坩埚支撑座内部有一个通气管道，通气管道用于定向凝固的冷却气 体通入，通气管道上端贯穿出坩埚支撑座顶面作为出口并连通到下加热炉管内 部，通气管道下端贯穿出坩埚支撑座最底部后作为入口；定向凝固试验的冷却 气体通过通气管道下端入口进入，经通气管道上端出口通入坩埚底部，通过对 坩埚底部冷却，形成一个沿超重力方向的温度梯度而进行定向凝固，并且通过调控冷却气体的通入流量和发热体产生的温度，调控沿超重力方向的温度梯度 分布。

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。

所述的定向凝固熔铸系统置于离心机的超重力环境中。

本发明实现了超重力环境下实现定向凝固的温度梯度控制系统，使得在超 重力下能进行晶体生长，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。

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装置及方法，可 在超重力环境下对需定向凝固熔铸的材料样品进行温度梯度控制处理过程，可 实现在离心载荷-热载荷耦合条件下材料定向凝固熔铸，可有效解决超重力、高 温试验条件下材料定向凝固熔铸温度梯度的问题，具有结构简单，操作方案且安全系数较高的优点。

本发明配合超重力环境，可加热高转速条件下材料定向凝固熔铸样品，例 如高温合金的定向及单晶晶体生长，解决了高速旋转状态下材料定向凝固熔铸 温度梯度的关键难题，填补了国内技术行业的空白，且装备简单、操作方便。 本发明适合1g-2000g超重力环境下，加热温度从常温-1250℃。

附图说明

图1是定向凝固熔铸系统的主视图；

图2是高温加热子系统的主视图；

图3为坩埚支撑座的结构剖视图；

图4为加热炉管的结构局部放大图；

图5为发热体的结构示意图；

图6为定向凝固熔铸系统的电气连接结构示意图。

图7是坩埚及气冷系统的总图；

图8是坩埚正面剖视图；

图9是图8中标A部位的局部放大剖视图；

图10是坩埚俯视图；

图11是图8中A-A的剖视图；

图12是坩埚的立体图。

图13是冷却底座的剖视图；

图14是冷速调节环的剖视图；

图15是排气盖的剖视图。

图16为本发明坩埚和冷却系统独立安装下的定向凝固熔铸结构示意图。

图中：上隔热盖1、上腔体外壳2、上腔体中壳3、上腔体隔热层4、上腔 体下固定盖5、中隔热盖6、中腔体外壳7、中腔体中壳8、中腔体隔热层9、中腔体下固定盖10、下隔热盖11、下腔体外壳12、下腔体中壳13、下腔体隔热 层14、下腔体下固定盖15、莫来石保温层16、上加热腔外体17、下加热腔外 体18、上加热炉管21、下加热炉管20、坩埚支撑座21、发热体22、螺旋状凹槽21-1、通气管道21-1、安装底座23；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、坩埚支撑座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

现结合附图对本发明作进一步详细的说明。这些附图均为简化的示意图， 仅以示意方式说明本发明的基本结构，因此仅显示与本发明有关的构成。

如图1所示，定向凝固熔铸系统包括高温加热子系统和坩埚及气冷系统， 高温加热子系统固定于超重力试验舱中，坩埚及气冷系统置于高温加热子系统 中。

如图2所示，高温加热子系统包括安装底座23和布置在安装底座23上的 从上到下依次布置连接的上炉体、中炉体、下炉体以及莫来石保温层16、上加 热腔外体17、下加热腔外体18、上加热炉管19、下加热炉管20、坩埚支撑座 21和发热体22；上隔热盖1、上腔体外壳2、上腔体中壳3、上腔体隔热层4、 上腔体下固定盖5、中隔热盖6、中腔体外壳7、中腔体中壳8、中腔体隔热层9、 中腔体下固定盖10、下隔热盖11、下腔体外壳12、下腔体中壳13、下腔体隔 热层14、下腔体下固定盖15组成一个三个炉体构成的圆筒状高温加热子系统的 外壳，主要用来在超重力环境下固定高温加热子系统，且在超重力环境下起到 保护炉体的作用，总体形成了一个高温炉。

上炉体主要由上隔热盖1、上腔体外壳2、上腔体中壳3、上腔体隔热层4、 上腔体下固定盖5组成，上腔体外壳2、上腔体中壳3、上腔体隔热层4分别从 外到内安装形成上炉三层结构，上隔热盖1和上腔体下固定盖5分别安装于上 炉三层结构的上端和下端使得上炉三层结构固定连接，上隔热盖1用来固定上 炉体的上炉三层结构且起到隔热保温作用；上腔体外壳2和上腔体中壳3之间 以及上腔体中壳3和上腔体隔热层4之间均有间隙作为空气隔热层，空气隔热层起到隔热保温的作用防止炉内热量散失。

中炉体主要由中隔热盖6、中腔体外壳7、中腔体中壳8、中腔体隔热层9、 中腔体下固定盖10组成，中腔体外壳7、中腔体中壳8、中腔体隔热层9分别 从外到内安装形成中炉三层结构，中隔热盖6和中腔体下固定盖10分别安装于 中炉三层结构的上端和下端使得中炉三层结构固定连接，中隔热盖6用来固定 中炉体的中炉三层结构且起到隔热保温作用，中隔热盖6具有隔热保温作用，防止热量在超重力作用下向下传导；中腔体外壳7和中腔体中壳8之间以及中 腔体中壳8和中腔体隔热层9之间均有间隙作为空气隔热层，空气隔热层起到隔热保温的作用防止炉内热量散失；上炉体的上腔体下固定盖5和中炉体的中 隔热盖6之间固定连接，上腔体下固定盖5和中隔热盖6连接用来连接上炉体 和中炉体。

下炉体主要由下隔热盖11、下腔体外壳12、下腔体中壳13、下腔体隔热层 14、下腔体下固定盖15组成，下腔体外壳12、下腔体中壳13、下腔体隔热层 14分别从外到内安装形成下炉三层结构，下隔热盖11和下腔体下固定盖15分 别安装于下炉三层结构的上端和下端使得下炉三层结构固定连接，下腔体下固 定盖15底部通过螺栓螺钉固定于安装底座23，安装底座23固定于超重力离心 机的超重力实验舱底座上，下隔热盖11用来固定下炉体的下炉三层结构且起到 隔热保温作用，下隔热盖11具有隔热保温作用，防止热量在超重力作用下向下 传导，下腔体下固定盖15用来将高温加热子系统固定在超重力试验装置的底部。下腔体外壳12和下腔体中壳13之间以及下腔体中壳13和下腔体隔热层14之间均有间隙作为空气隔热层，空气隔热层起到隔热保温的作用防止炉内热量散 失；中炉体的中腔体下固定盖10和下炉体的下隔热盖11之间固定连接，中腔 体下固定盖10和下隔热盖11连接用来连接中炉体和下炉体。

整个炉体通过上隔热盖1、上腔体下固定盖5、中隔热盖6、中腔体下固定 盖10、下隔热盖11和下腔体下固定盖15四个地方对炉体进行加强，提高整个 炉体在超重力环境下的刚度和强度，防止炉体运行过程中变形和破坏。上腔体 下固定盖5和中隔热盖6、中腔体下固定盖10和下隔热盖11之间通过高强螺栓 联接，方便安装及维护。

如图3和图4所示，坩埚支撑座21置于下炉体的下腔体隔热层14底部， 并底部固定于安装底座23，加热腔体置于坩埚支撑座21上，坩埚支撑座21置 于超重力试验舱底面上，坩埚支撑座21用来支撑整个炉体重量，以及超重力作 用下产生的压应力，同时隔热，防止热量在超重力下通过热传导到超重力试验 装置的底部。加热腔体包括上加热腔外体17、下加热腔外体18、上加热炉管19 和下加热炉管20，上加热腔外体17和下加热腔外体18均为套筒结构，上加热 腔外体17和下加热腔外体18分别位于上下同轴固定对接，下加热腔外体18底 端固定于坩埚支撑座21的边缘，上加热炉管19、下加热炉管20分别套装于上 加热腔外体17、下加热腔外体18中，上加热腔外体17、下加热腔外体18在上 炉体的上腔体隔热层4、中炉体的中腔体隔热层9、下炉体的下腔体隔热层14 之间填充有莫来石保温层16；如图4所示，上加热炉管19和下加热炉管20的 外壁均加工有螺旋状凹槽22-1，螺旋状凹槽22-1装有螺旋状的发热体22，如图 5所示，螺旋状凹槽22-1能有效地固定发热体防止在超重力下下滑，发热体22 产生的热量均匀辐射到上加热炉管19和下加热炉管20组成的加热炉管，在由上加热炉管19和下加热炉管20组成的加热炉管中央形成高温区；上加热腔外 体17用来安装上加热炉管19，上加热腔外体17和上加热炉管19用来给装置上 部分加热。下加热腔外体18用来安装下加热炉管20，下加热腔外体18和下加 热炉管20用来给装置下部分加热。

上加热腔外体17和下加热腔外体18的上下环形端面沿圆周开设有多个用 于连接上隔热盖1的贯穿通孔，轴连接件/杆连接件穿过上隔热盖1套装于上加 热腔外体17和下加热腔外体18同一轴向的贯穿通孔中。

本发明的加热炉管和发热体22的结构设计，这样能发热体22防止发热体 在超重力环境下脱落，并且还能通过调整螺旋状凹槽不同位置处的螺距调整加 热效果。

工作过程中发热体22产生热量，通过辐射加热上加热炉管19和下加热炉 管20，在加热炉管中央形成高温区，通过改变不同高度位置的螺旋状凹槽22-1 螺距进而改变不同高度位置的发热体22在加热炉管间距，配合坩埚支撑座21 通气管道21-1通入的冷却气体温度和流量，从坩埚底部开始冷却，形成一个沿 超重力方向的温度梯度。

上加热炉管19和下加热炉管20采用高强度、低导热系数的陶瓷制作。

本发明具体实施中还要求包括发热体22的选型、高强度炉管17加工的螺 旋状凹槽螺距、高强度炉管17的材料类型。

发热体22的选型：不同的发热体22允许使用的最高温度和对使用环境的 要求不一样，需结合此装置的具体使用条件最高工作温度、真空环境和超重力 环境)确定发热体22类型。如铁铬铝电热合金丝和铂金丝等。

上加热炉管19、下加热炉管20加工的螺旋状凹槽螺距：发热体22在超重 力条件下容易拉升变形，甚至断裂。需考虑发热体22布局设计外还得考虑发热 体22所带来的一系列变化影响，如防止在超重力条件下发热体22变形移动严 重时断裂，从而影响设备的整体运行。

上加热炉管19、下加热炉管20的材料类型：根据发热体22类型和使用温 度要求，确定上加热炉管19和下加热炉管20的材料类型。为防止超重力下上 加热炉管19、下加热炉管20自重造成的变形，高温加热装置炉体设计为三层分 体式，每层单独加固保温层。

如图6所示，超重力实验舱内还安装有承力架、信号采集器和布线架，高 温加热子系统的上加热炉管19和下加热炉管20内安装待定向凝固的材料试样，并设置有温度传感器，温度传感器连接信号采集器，信号采集器输出的导线通 过布线架与弱信号导电滑环连接，再与地面测控中心连接；

高温加热子系统设置有一路强电独立回路，一路强电独立回路控制加热内 部不同高度位置的发热体22进行高温加热，将地面一个强电独立回路通过离心 离心机主轴导电滑环接入超重力实验舱的布线架；

高温加热子系统设置有一路冷却气体回路，一路冷却气体独立回路控制通 入的冷却气体流量，将地面一个冷却气体独立回路通过离心离心机主轴导电滑 环接入超重力实验舱的冷却气体管路支架和排气管。

具体实施中，具体实施中，将控制高温加热装置的一个独立控温温度延长 导线接入信号采集器，信号采集器将接受的温度信号，从模拟信号转变为数字 信号；数字信号通过布线架与信号滑环连接，再与地面测控中心连接。

炉温由固定或焊接在待测试样上的温度传感器通过控温仪和测控系统控制。

本发明装置安装使用时，先将下腔体下固定盖15通过螺栓固定于超重力试 验装置底部，坩埚支撑座21安装于下腔体下固定盖15上，下腔体外壳12、下 腔体中壳13、下腔体隔热层14通过螺栓与下腔体下固定盖15连接，下隔热盖 11通过螺栓与中腔体下固定盖10连接，中腔体中壳8、中腔体隔热层9、中腔 体下固定盖10通过螺栓与中腔体下固定盖10连接，再通过螺栓与上腔体下固 定盖5、中隔热盖6连接。

将莫来石保温层16直接放置在陶瓷的加热炉管19、20和下腔体隔热层14、 中腔体隔热层9、上腔体隔热层4之间。莫来石保温层16既可以起到缓冲作用 又可以隔绝热量。

高温加热子系统可重复使用，仅需要通过更换合适的发热体2和加热炉管 19、20以满足不同的实验要求，具有结构简单且安全系数较高的优点。

如图7所示，坩埚及气冷系统置于坩埚支撑座21上的上加热炉管19和下 加热炉管20内部，上加热炉管19和下加热炉管20内壁和坩埚及气冷系统之间 存在间隙，坩埚及气冷系统包括进气管29、冷却底座26、冷速调节环27、坩埚 25、排气盖28和排气管30；坩埚支撑座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8和图12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8和图12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。同时，通过定位凸缘块25-5及 其上的散热槽25-6在坩埚33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25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下部的上部部分在高温加热子系统中 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10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的高温加热子系统 中的上加热炉管19、下加热炉管20和发热体22配合，用来加热坩埚。

如图8和图11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，坩埚支撑座21的作用是支撑坩埚和高温加热子系统在超重力 下产生的压力，坩埚支撑座21内部开设有通气管道21-1，通气管道21-1下端 穿出坩埚支撑座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13所示，冷却底座26用来连接坩埚和坩埚支撑座，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，坩埚支撑座21的通气管道21-1上端穿出坩埚 支撑座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14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15所示，排气盖28处于上加热炉管19和下加热炉管20内部的最上 方部分，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。

如图3所示，坩埚支撑座21内部有一个通气管道21-1，通气管道21-1用 于定向凝固的冷却气体通入，通气管道21-1上端贯穿出坩埚支撑座21顶面作为出口并连通到下加热炉管20内部，通气管道21-1下端贯穿出坩埚支撑座21最 底部后作为入口，连通到坩埚支撑座21和下腔体隔热层14之间的空间；如图7 所示，定向凝固试验的冷却气体通过通气管道21-1下端入口进入，经通气管道 21-1上端出口通入坩埚25底部，通过对坩埚25底部冷却，形成一个沿超重力 方向的温度梯度而进行定向凝固，并且通过调控冷却气体的通入流量和发热体 22产生的温度，调控沿超重力方向的温度梯度分布。

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℃。

定向凝固熔铸系统置于离心机的超重力环境中。超重力试验舱为超重力环 境下材料定向凝固的试验舱，置于离心机的吊篮中。

本发明熔铸炉的使用和运行过程如下：

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 熔铸炉的高温加热子系统中，形成如图16所示的结构。

实验前，根据熔铸合金类型，确定温度梯度、合金熔化温度、离心主机转 速和温度梯度调节块25的质量。下面详细说明该发明的使用和运行过程：

第一步：超重力离心装置的定向熔铸系统安装在实验舱内，将超重力试验 舱置于离心机的吊篮中，在超重力试验舱内放置高温加热装置，并通过安装在 加热装置内的坩埚熔化试样；通过主机轴上的电滑环连接、气体密封滑环分别 与地面上测试上位机系统和冷却气源连接。

将布置在坩埚周围的测温热电偶的导线和信号采集器连接，信号采集器将 接收温度模拟信号，并将模拟信号转变为数字信号。

第二步：启动真空系统，使实验舱内的真空度达到10^-2Pa。

第三步：当实验舱内的真空度达到10^-2Pa后，启动加热系统。一个强电独 立回路分别连接到上加热炉管19和下加热炉管20，在加热区形成高温区。

开始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22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。

第四步：当加热炉管19、20内的温度达到合金熔点的0.8倍时，启动离心 主机，一边加热，一边启动离心主机。

第五步：当离心主机转速达到实验设定的转速后，持续加热直到合金完全 熔化，并在设计的离心主机转速下保持10分钟。

第六步：启动冷却系统，开始定向凝固。

在超重力定向凝固试验的凝固阶段，冷却气体经进气管29进入坩埚支撑座 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。

实施中，在精确计算超重力作用下温度梯度调节块27的重量、温度梯度调 节块27移动过程中与坩埚壁的摩擦力基础上，根据设定的温度梯度，通过精确 控制冷却气体的压力，在定向凝固过程中，使温度梯度调节块27在压差作用下 以恒定的速度向上移动，来控制凝固界面的位置，从而在凝固前沿的液-固界面 形成所需的温度梯度。

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高温加热子系统配合，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。

实验过程中，温度信号实时传给信号采集器，信号采集器将获得模拟信号 转变为数字信号，再通过布线架与信号滑环连接，最后与地面测控中心连接， 从而获得实验过程中温度-时间曲线。

第七步：当试样完全凝固后，关闭加热系统。

第八步：当温度降低到合金固相线温度以下时，关闭离心主机。

第九步：当温度降低到200℃以下时，关闭冷却系统和真空系统。

由此，本发明能通过热电偶独立控制高温加热装置的加热温度，与通气管 道21-1通入坩埚底部的冷却气量，对坩埚底部冷却，形成一个沿超重力方向的 温度梯度。通过调控通入流量和温度，调控温度梯度。

Claims (5)

1.一种搭载于超重力离心机的定向凝固熔铸系统，其特征在于：所述的定向凝固熔铸系统包括高温加热子系统和坩埚及气冷系统，高温加热子系统固定于超重力实验舱中，坩埚及气冷系统置于高温加热子系统中；

所述的高温加热子系统包括安装底座（23）和布置在安装底座（23）上的从上到下依次布置连接的上炉体、中炉体、下炉体以及莫来石保温层（16）、上加热腔外体（17）、下加热腔外体（18）、上加热炉管（19）、下加热炉管（20）、坩埚支撑座（21）和发热体（22）；上炉体主要由上隔热盖（1）、上腔体外壳（2）、上腔体中壳（3）、上腔体隔热层（4）、上腔体下固定盖（5）组成，上腔体外壳（2）、上腔体中壳（3）、上腔体隔热层（4）分别从外到内安装形成上炉三层结构，上隔热盖（1）和上腔体下固定盖（5）分别安装于上炉三层结构的上端和下端使得上炉三层结构固定连接，上腔体外壳（2）和上腔体中壳（3）之间以及上腔体中壳（3）和上腔体隔热层（4）之间均有间隙作为空气隔热层；中炉体主要由中隔热盖（6）、中腔体外壳（7）、中腔体中壳（8）、中腔体隔热层（9）、中腔体下固定盖（10）组成，中腔体外壳（7）、中腔体中壳（8）、中腔体隔热层（9）分别从外到内安装形成中炉三层结构，中隔热盖（6）和中腔体下固定盖（10）分别安装于中炉三层结构的上端和下端使得中炉三层结构固定连接，中腔体外壳（7）和中腔体中壳（8）之间以及中腔体中壳（8）和中腔体隔热层（9）之间均有间隙作为空气隔热层；上炉体的上腔体下固定盖（5）和中炉体的中隔热盖（6）之间固定连接；下炉体主要由下隔热盖（11）、下腔体外壳（12）、下腔体中壳（13）、下腔体隔热层（14）、下腔体下固定盖（15）组成，下腔体外壳（12）、下腔体中壳（13）、下腔体隔热层（14）分别从外到内安装形成下炉三层结构，下隔热盖（11）和下腔体下固定盖（15）分别安装于下炉三层结构的上端和下端使得下炉三层结构固定连接，下腔体下固定盖（15）底部通过螺栓螺钉固定于安装底座（23），安装底座（23）固定于超重力离心机的超重力实验舱底座上，下腔体外壳（12）和下腔体中壳（13）之间以及下腔体中壳（13）和下腔体隔热层（14）之间均有间隙作为空气隔热层；中炉体的中腔体下固定盖（10）和下炉体的下隔热盖（11）之间固定连接；

坩埚支撑座（21）置于下炉体的下腔体隔热层（14）底部，并底部固定于安装底座（23），加热腔体置于坩埚支撑座（21）上，加热腔体包括上加热腔外体（17）、下加热腔外体（18）、上加热炉管（19）和下加热炉管（20），上加热腔外体（17）和下加热腔外体（18）均为套筒结构，上加热腔外体（17）和下加热腔外体（18）分别位于上下同轴固定对接，上加热炉管（19）、下加热炉管（20）分别套装于上加热腔外体（17）、下加热腔外体（18）中，上加热腔外体（17）、下加热腔外体（18）在上炉体的上腔体隔热层（4）、中炉体的中腔体隔热层（9）、下炉体的下腔体隔热层（14）之间填充有莫来石保温层（16）；上加热炉管（19）和下加热炉管（20）的外壁均加工有螺旋状凹槽（22-1），螺旋状凹槽（22-1）装有螺旋状的发热体（22），发热体（22）产生的热量均匀辐射到上加热炉管（19）和下加热炉管（20）组成的加热炉管，在加热炉管中央形成高温区；

所述的坩埚及气冷系统置于坩埚支撑座（21）上的上加热炉管（19）和下加热炉管（20）内部，坩埚及气冷系统包括进气管（29）、冷却底座（26）、冷速调节环（27）、坩埚（25）、排气盖（28）和排气管（30）；坩埚支撑座（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或金属试样；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（25-3），温度梯度调节块（25-3）和冷却孔（25-2）孔壁之间存在间隙，温度梯度调节块（25-3）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到定位凸缘块（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（25-2）和坩埚（25）外部连通；坩埚支撑座（21）内部开设有通气管道（21-1），通气管道（21-1）下端穿出坩埚支撑座（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），坩埚支撑座（21）的通气管道（21-1）上端穿出坩埚支撑座（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）上端安装到排气盖（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；

所述的坩埚支撑座（21）内部有一个通气管道（21-1），通气管道（21-1）用于定向凝固的冷却气体通入，通气管道（21-1）上端贯穿出坩埚支撑座（21）顶面作为出口并连通到下加热炉管（20）内部，通气管道（21-1）下端贯穿出坩埚支撑座（21）最底部后作为入口；定向凝固试验的冷却气体通过通气管道（21-1）下端入口进入，经通气管道（21-1）上端出口通入坩埚（25）底部，通过对坩埚（25）底部冷却，形成一个沿超重力方向的温度梯度而进行定向凝固，并且通过调控冷却气体的通入流量和发热体（22）产生的温度，调控沿超重力方向的温度梯度分布；

工作过程中发热体（22）产生热量，通过辐射加热上加热炉管（19）和下加热炉管（20），在加热炉管中央形成高温区，通过改变不同高度位置的螺旋状凹槽（22-1）螺距进而改变不同高度位置的发热体（22）在加热炉管间距，配合坩埚支撑座（21）通气管道（21-1）通入的冷却气体温度和流量，从坩埚底部开始冷却，形成一个沿超重力方向的温度梯度；

所述的超重力实验舱内还安装有承力架、信号采集器和布线架，高温加热子系统的上加热炉管（19）和下加热炉管（20）内安装待定向凝固的材料试样，并设置有温度传感器，温度传感器连接信号采集器，信号采集器输出的导线通过布线架与弱信号导电滑环连接，再与地面测控中心连接；

高温加热子系统设置有一路强电独立回路，一路强电独立回路控制内部不同高度位置的发热体（22）进行高温加热，将地面一个强电独立回路通过离心机主轴导电滑环接入超重力实验舱的布线架；

高温加热子系统设置有一路冷却气体独立回路，一路冷却气体独立回路控制通入的冷却气体流量，将地面一个冷却气体独立回路通过离心机主轴导电滑环接入超重力实验舱的冷却气体管路支架和排气管。

2.根据权利要求1所述的一种搭载于超重力离心机的定向凝固熔铸系统，其特征在于：所述的上加热炉管（19）和下加热炉管（20）采用高强度、低导热系数的陶瓷制作。

3.根据权利要求1所述的一种搭载于超重力离心机的定向凝固熔铸系统，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或金属试样盛装。

4.根据权利要求1所述的一种搭载于超重力离心机的定向凝固熔铸系统，其特征在于：所述的冷却气体为液氮或者压缩空气，冷却气体温度不高于5℃，压力不高于5Mpa。

5.根据权利要求1所述的一种搭载于超重力离心机的定向凝固熔铸系统，其特征在于：所述的定向凝固熔铸系统置于离心机的超重力环境中。