CN111496214A - 悬臂式离心超重力熔铸装置 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种悬臂式离心超重力熔铸装置。转子系统和上驱式主轴复合体装在实验腔内，实验腔底部装在装置底座上，离心主机安装在实验腔的升降系统上并上驱式主轴复合体连接，上驱式主轴复合体和转子系统驱动连接，升降系统位于实验腔上方，升降系统和实验腔盖连接；挂杯中装有定向熔铸系统，挂杯中装保温装置，保温装置中装有加热装置，加热装置中装有坩埚装置，挂杯通过两侧的吊耳铰接地悬挂在超重力离心机的旋转臂端部上。本发明通过搭载高温熔铸炉或定向熔铸炉，实现在离心超重力环境下，利用功率降低法实现超重力定向凝固功能，解决了超重力定向凝固过程中温度梯度难控制的关键难题，操作方便且安全可靠。

Description

悬臂式离心超重力熔铸装置

技术领域

本发明涉及材料制备与定向凝固技术领域的一种超重力材料制备装置，尤其涉及了一种悬臂式离心超重力熔铸与定向凝固装置。

背景技术

通常为了提高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组织或消除所有晶界的单晶组织。工业上广泛应用的快速凝固法制备单晶合金，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，致使材料的性能潜力没有得到充分发挥。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，抑制了无规则的热质对流，降低糊状区宽度，增加凝固前沿的温度梯度，非常有利于制备组织致密、枝晶细小的柱状晶或单晶组织。

但现有超重力熔铸设备熔铸系统没有加热功能，只能随炉冷却，凝固过程不受控，且样品很小，只能进行成分优化，无法进行性能测试，因此造成基于超重力技术的成分优化和性能测试严重脱节，无法实现基于材料性能需求的超重力材料制备，且由于材料成分-结构-性能之间非线性关系，很难实现面向实际性能需求的材料设计与制备的一体化研究手段。

发明内容

针对超重力定向凝固过程中温度梯度难控制的关键难题，本发明提供了一种装配简单、使用方便、安全系数高，且在超重力环境下可以运行的超重力熔铸与定向凝固系统悬臂式离心超重力熔铸装置，以及通过转速调控重力加速、通过降温速率调控温度梯度，借此实现固-液界面温度梯的三维有效控制，形成具有制备成分梯度可控的高通材料制备。

本发明采用的技术方案：

本发明包括离心主机、转子系统、实验腔、升降系统和上驱式主轴复合体；转子系统和上驱式主轴复合体安装在实验腔内，实验腔底部安装在装置底座上，离心主机安装在实验腔上方的升降系统上并上驱式主轴复合体上端连接，上驱式主轴复合体下端和转子系统驱动连接，升降系统安装在装置底座上且位于实验腔上方，升降系统和实验腔的腔盖连接。

所述的实验腔包括实验腔体、保护壳、实验腔盖、立式肘夹和支座；实验腔体底部通过支座固定安装在装置底座上，实验腔体顶部开口并设有实验腔盖；实验腔盖周围的实验腔体顶面沿圆周均布固定安装有三个立式肘夹，实验腔盖通过立式肘夹与实验腔体固定，立式肘夹具体为卡扣式连接锁紧结构；实验腔盖和实验腔体接触面之间用O型橡胶圈密封，实验腔体侧壁开设有真空接口，真空接口与外部的地面真空系统或充气系统相连；实验腔体内周围设有三层防护壳。

所述的升降系统包括驱动电机、联轴器、丝杠导轨、支架、螺母块、竖直导轨；升降支架安装在实验腔侧方的装置底座上，驱动电机固定在升降支架顶部，驱动电机输出轴朝下经联轴器和丝杠导轨传动连接，丝杠导轨竖直布置，丝杠导轨上通过螺纹安装有螺母块，螺母块同时轴向活动套装于丝杠导轨旁平行布置的竖直导轨上，形成丝杠导轨螺母副；驱动电机工作带动丝杠导轨旋转进而带动螺母块沿竖直导轨导向上下升降移动。

所述的离心主机包括离心电机、上轴承支架、转速传感器、位移传感器和电机支座；电机支座固定于升降系统的螺母块侧面，离心电机固定安装在电机支座上，电机支座底部固定连接于实验腔的实验腔盖，离心电机侧旁安装有上驱式主轴复合体，上驱式主轴复合体支撑安装于上轴承支架上，上轴承支架固定连接电机支座，离心电机的输出轴朝下经带传动结构和上驱式主轴复合体连接，带动上驱式主轴复合体旋转运动；实验腔盖内顶面在上驱式主轴复合体侧方旁固定装有转速传感器，上驱式主轴复合体下部固定连接安装有位移传感器，上驱式主轴复合体下端和转子系统连接。

所述的上驱式主轴复合体包括滑环、滑环轴、主轴、小带轮、磁流体密封结构、密封法兰、连接法兰和胀紧套；主轴上部套装从上倒下依次设有滑环轴和轴环部；滑环轴下端和主轴上端同轴固接，滑环轴外套装有滑环；所述滑环轴下方的主轴局部设置有环形外凸缘作为轴环部，轴环部的外周面设置为倾斜向下的外圆锥面，小带轮的内周面设置为倾斜向下的内圆锥面，小带轮通过内外圆锥面同轴套装于主轴的轴环部上，小带轮经皮带和离心电机的输出轴同步连接传动，滑环轴和轴环部之间的主轴通过轴承套装于离心主机的上轴承支架的通孔中；主轴中部从上到下依次套装有磁流体密封结构和密封法兰；磁流体密封结构包括轴承盖、深沟球轴承、壳体和O型圈；壳体套装在主轴外，壳体和主轴中部之间具有径向间隙形成游动腔，游动腔内部的上侧和下侧均安装有深沟球轴承，使得壳体和主轴之间通过深沟球轴承转动连接，游动腔上端口处的壳体开口并安装有轴承盖，轴承盖套装于主轴外并轴向对深沟球轴承限位；壳体在下端处的壳体封闭形成封闭端，壳体下端封闭端和主轴之间密封连接；壳体的下端部设有外凸缘，外凸缘开设连接孔，螺栓穿过连接孔连接到实验腔盖顶面，从而将壳体的下端部固定连接到实验腔盖顶面，且壳体的下端面开设有环形凹槽，环形凹槽中安装O型圈，通过O型圈使得壳体的下端面和实验腔盖顶面密封配合；密封法兰位于实验腔体内且固定在实验腔盖底面，在顶部内圈周面开设有环形缺口槽，环形缺口槽中安装有油封，油封上侧设有孔用弹性挡圈，孔用弹性挡圈嵌装在密封法兰环形缺口槽内周面所开设的环形挡圈槽中；密封法兰顶面设有环形台阶，环形台阶表面开设有环形凹槽，环形凹槽中安装密封圈，通过密封圈使得密封法兰顶面和实验腔盖底面密封配合；主轴下端经胀紧套和连接法兰同轴固接，连接法兰下端连接离心超重力装置的转子系统；

所述的转子系统包括挂杯臂、挂杯和挂销；上驱式主轴复合体主轴下端穿过实验腔盖的中心通孔伸入到实验腔体内，挂杯臂顶面中心和主轴底端的密封法兰同轴固接，挂杯臂的两端对称铰接安装有挂杯，挂杯均通过挂销铰接安装于挂杯臂的末端；挂杯臂底面中心可旋转活动地承托在中心支承轴顶端，支承轴底端竖直固定于实验腔体底部中心。

所述的实验腔体底面上开有视窗，视窗下方的装置底座上安装监视器，监视器朝向视窗并透过视窗向实验腔体内拍摄实验状况。

每个所述的挂杯中安装有定向熔铸系统，定向熔铸系统包括加热装置、坩埚装置和保温装置；挂杯中安装保温装置，保温装置中装有加热装置，加热装置中装有坩埚装置，挂杯顶部两侧设有吊耳，挂杯通过两侧的吊耳铰接地悬挂在超重力离心机的旋转臂端部上。

所述的保温装置包括保护壳、上段气凝胶层、上段陶瓷纤维层、上固定环隔热层、中段气凝胶层、外侧中段陶瓷纤维层、最外层钼合金隔热层、次外层钼合金隔热层、内层钼合金隔热层、下固定环隔热层、下段陶瓷纤维层、下段气凝胶层、底座陶瓷纤维层、隔热支撑座、保温盖和炉顶气凝胶层。

保护壳放置在挂杯中，保护壳的内周壁布置有环状沿圆周一圈的气凝胶层，气凝胶层从下到上分为下段气凝胶层、中段气凝胶层和上段气凝胶层，下段气凝胶层和中段气凝胶层之间设有下环形间隔，下环形间隔处布置下段加热结构的下段固定环；中段气凝胶层和上段气凝胶层之间设有上环形间隔，上环形间隔处布置上段加热结构的上段固定环；下段气凝胶层所在的保护壳中央固定有隔热支撑座，隔热支撑座和下段气凝胶层之间填充有底座陶瓷纤维层。

底座陶瓷纤维层之上的上段气凝胶层和中段气凝胶层的内周壁布置有环状沿圆周一圈的陶瓷纤维层，陶瓷纤维层从下到上分为下段陶瓷纤维层、中段陶瓷纤维层和上段陶瓷纤维层，下段陶瓷纤维层、中段陶瓷纤维层和上段陶瓷纤维层分别位于紧贴下段气凝胶层、中段气凝胶层和上段气凝胶层的内周壁；中段陶瓷纤维层和下段陶瓷纤维层内部嵌装有环状的隔热层，隔热层从外到内分别依次为最外层钼合金隔热层、次外层钼合金隔热层和内层钼合金隔热层，上段固定环和隔热层之间设有上固定环隔热层，下段固定环和隔热层之间设有下固定环隔热层。

中段陶瓷纤维层和下段陶瓷纤维层之间内嵌设有分别上下布置的下进线安装环道和下出线安装环道，下进线安装环道布置下段进电接线环，下出线安装环道布置下段出电接电环，下进线安装环道和下出线安装环道之间通过下段绝缘环隔绝；上段陶瓷纤维层和中段陶瓷纤维层之间内嵌设有分别上下布置的上进线安装环道和上出线安装环道，上进线安装环道布置上段进电接线环，上出线安装环道布置上段出电接电环，上进线安装环道和上出线安装环道之间通过上段绝缘环隔绝。

上段陶瓷纤维层上端口形成阶梯口，阶梯口安装保温盖，在保护壳上端口安装炉顶气凝胶层，炉顶气凝胶层底面紧贴于保温盖和上段陶瓷纤维层的顶面；底座陶瓷纤维层之上的中段陶瓷纤维层和下段陶瓷纤维层内周形成加热内腔，加热内腔中安装坩埚装置。

所述的加热装置包括结构尺寸相同的上段加热结构和下段加热结构以及陶瓷盖，上段加热结构和下段加热结构分别上下同轴对接成一段构成总加热结构，总加热结构置于隔热支撑座之上的陶瓷纤维层内腔中，总加热结构内部安装坩埚装置，并在顶端安装陶瓷盖。

上段加热结构包括上发热体、上加热管、上隔热腔体、上段进电接线环、上段出电接电环和上段固定环；上加热管的管壁内部中间开设有螺旋形卡槽，上发热体安装在螺旋形卡槽中，螺旋形卡槽的相邻槽道之间形成螺旋形凸台，上发热体和螺旋形凸台摩擦接触，上加热管的管壁内侧面开设有沿螺旋形卡槽间隔布置的热辐射孔，上发热体产生的热量透过热辐射孔以热辐射形式加热坩埚装置；安装了上发热体的上加热管再安装在上隔热腔体的内圈腔中，上隔热腔体管壁中部沿周向间隔开设有多个圆弧布置的隔热孔，隔热孔轴向贯通，隔热孔与内圈腔联通，内圈腔经螺旋形卡槽和热辐射孔连通，使得隔热孔与热辐射孔联通；上隔热腔体顶端周围设有上段进电接线环、上段出电接电环和上段固定环，上发热体的两端分别和上段进电接线环和上段出电接电环电连接，上段进电接线环和上段出电接电环再连接到地面供电系统；上段进电接线环、上段出电接电环外周围还设有上段固定环，上段固定环布置于保温装置结构内。

下段加热结构包括下发热体、下加热管、下隔热腔体、下段进电接线环、下段出电接电环和下段固定环；下加热管的管壁内部中间开设有螺旋形卡槽，下发热体安装在螺旋形卡槽中，螺旋形卡槽的相邻槽道之间形成螺旋形凸台，下发热体和螺旋形凸台摩擦接触，下加热管的管壁内侧面开设有沿螺旋形卡槽间隔布置的热辐射孔，下发热体产生的热量透过热辐射孔以热辐射形式加热坩埚装置；安装了下发热体的下加热管再安装在下隔热腔体的内圈腔中，下隔热腔体管壁中部沿周向间隔开设有多个圆弧布置的隔热孔，隔热孔轴向贯通，隔热孔与内圈腔联通，内圈腔经螺旋形卡槽和热辐射孔连通，使得隔热孔与热辐射孔联通；下隔热腔体顶端周围设有下段进电接线环、下段出电接电环和下段固定环，下发热体的两端分别和下段进电接线环和下段出电接电环电连接，下段进电接线环和下段出电接电环再连接到地面供电系统；下段进电接线环、下段出电接电环外周围还设有下段固定环，下段固定环布置于保温装置结构内。

所述的坩埚装置包括坩埚和坩埚保护筒；坩埚装在坩埚保护筒中，坩埚保护筒再装在总加热结构的加热管中；坩埚两侧的外壁面均开设有竖直的条形槽，竖直方向较短一侧的条形槽作为上段热电偶固定槽，竖直方向较长一侧的条形槽作为下段热电偶固定槽，热电偶穿过陶瓷盖上的通孔放置在上段热电偶固定槽里检测上段加热结构的温度，热电偶穿过陶瓷盖上的通孔放置在下段热电偶固定槽里检测上段加热结构的温度；

所述的保护壳顶部和底部外壁面均设有多个护栏，多个护栏沿圆周间隔均布用于保护壳放入和取出挂杯。

将上发热体和下发热体的材料类型设置为不同，使上加热管和下加热管的升温速率、降温速率、温度不同，采用两端分区加热控制温度梯度。

所述的加热装置采用上段和下段分体加热进行上下分区加热和控温，可以实现上段加热结构和下段加热结构的顶端加热温度均低于或高于底端加热温度，上段加热结构和下段加热结构的加热温度均从顶端到底端逐渐渐变，上段加热结构的底端加热温度低于下段加热结构的顶端加热温度，在上加热管和下加热管内部形成温度场分布。

上下段加热结构的供电系统和温控系统是相互独立的，分别通过上段热电偶固定槽和下段热电偶固定槽中的热电偶检测上下段加热结构的实时温度，并反馈独立控制上下段加热结构的加热温度。

本发明的离心主机具备提供1500g-50000g超重力环境下的能力，转子系统具备搭载高温熔铸炉能力，炉温从室温-1700℃，冷却速率和温度梯度可调可控，实验腔具备提供真空或冲入惰性气体的能力。装置结构简单，操作方便且安全可靠。

本发明的有益效果和特点是：

本发明公布的悬臂式离心超重力熔铸装置，在凝固阶段，通过控制上加热管和下加热管的降温速率，具备制备等轴晶、定向柱晶、单晶组织材料，有利于根据制备材料组织需求，控制温度场，解决了超重力熔铸过程中材料组织可控制备面临的冷却速率难控制的关键难题。

本发明公布的悬臂式离心超重力熔铸装置和方式，通过转速调控离心加速度，改变析出相之间的分离因子Δrng(Δr为析出相与熔体的密度差，ng为离心加速度)；通过调控温度，改变熔体粘度η；通过凝固速率，调控析出相的尺寸d，控制析出相在熔体的沉降速率v＝d²×Δrng/η/18(其中，V析出相在熔体中的沉降速度，d为析出相的尺寸)，解决超重力凝固过程中成分梯度可控的关键难题。

本发明通过搭载高温熔铸炉或定向熔铸炉，可实现在离心超重力环境下，利用功率降低法实现超重力定向凝固功能，解决了超重力定向凝固过程中温度梯度难控制的关键难题，也为超重力环境下通过定向凝固技术发展新材料提供设备基础。

本发明适合1500g-50000g超重力环境，炉温从室温-1700℃，冷却速率和温度梯度可调可控，实验腔具备提供真空或冲入惰性气体的能力。装置结构简单，操作方便且安全可靠。

附图说明

图1是本发明装置的总体主视图。

图2是实验腔的结构剖视图；

图3是升降系统的侧视图；

图4是升降系统的正视图；

图5是离心主机的结构侧视图；

图6是转子系统的示意图；

图7是上驱式主轴复合体的结构剖视图；

图8是主轴的结构图；

图9是滑环轴和主轴的局部连接结构图；

图10是磁流体密封结构的结构剖视图；

图11是密封法兰的结构剖视图；

图12是小带轮的结构剖视图；

图13是转子系统设计的挂杯布置示意图；

图14是本发明的离心超重力定向熔铸系统的结构剖视图；

图15是挂杯的结构剖视图；

图16是熔铸系统除去挂杯的总体结构剖视图；

图17是保温装置结构示意图；

图18是保温装置的保护壳的结构示意图；

图18(a)是保护壳结构俯视图；

图18(b)是保护壳结构侧视剖视图；

图19是钼合金隔热层展开的结构示意图；

图20是加热装置结构示意图；

图21是加热管的结构示意图；

图22是隔热腔体的结构示意图；

图22(a)是坩埚结构的侧视图；

图22(b)是坩埚结构的俯视图；

图23是坩埚结构示意图；

图23(a)是坩埚结构俯视图；

图23(b)是坩埚结构侧视剖视图；

图24是超重力凝固工艺路线示意图。

图中的附图标记如下：

离心主机1：1-1离心电机、1-3上轴承支架、1-4转速传感器、1-5位移传感器、1-6支承轴、1-7电机支座。

转子系统2：2-1挂杯臂、2-3挂销、2-4轴用弹性挡圈。

实验腔3：3-1腔体、3-2保护壳、3-3实验腔盖、3-4立式肘夹、3-5O型圈、3-6支座、3-7监视器、3-8视窗、3-9真空接口。

升降系统4：4-1驱动电机、4-2联轴器、4-3丝杠导轨、4-4支架、4-5螺母块、4-6竖直导轨。

上驱式主轴复合体5：滑环51、滑环轴52、主轴59、小带轮510、磁流体密封结构511、密封法兰513、连接法兰515、胀紧套516；511-2轴承盖；511-3深沟球轴承；511-4壳体；511-5游动腔；511-6连接孔；511-7O型圈；513-1油封；513-2孔用弹性挡圈；513-3密封圈。

挂杯61：吊耳61-1。

加热装置62：上发热体62-1、上加热管62-2、上隔热腔体62-3、下发热体62-4、下加热管62-5、下隔热腔体62-6、上段进电接线环62-7、上段出电接电环62-8、下段进电接线环62-9、下段出电接电环62-10、上段固定环62-11、下段固定环62-12、陶瓷盖62-13；螺旋形卡槽62-2-1、螺旋形凸台62-2-2、热辐射孔62-2-3；内圈腔62-3-1、隔热孔62-3-2。

坩埚装置63：坩埚63-1、坩埚保护筒63-2、上段热电偶固定槽63-1-1、下段热电偶固定槽63-1-2。

保温装置64：保护壳64-1、上段气凝胶层64-2、上段陶瓷纤维层64-3、上段绝缘环64-4、上固定环隔热层64-5、中段气凝胶层64-6、外侧中段陶瓷纤维层64-7、最外层钼合金隔热层64-8、次外层钼合金隔热层64-9、内层钼合金隔热层64-10、下段绝缘环64-11、下固定环隔热层64-12、下段陶瓷纤维层64-13、下段气凝胶层64-14、底座陶瓷纤维层64-15、隔热支撑座64-16、保温盖64-17、炉顶气凝胶层64-18、上进线安装环道64-19、上出线安装环道64-20、上环形间隔64-21、下进线安装环道64-22，下出线安装环道64-23、下环形间隔64-24；护栏64-1-1、散热孔64-1-2；减重孔64-8-1。

具体实施方式

下面结合附图和具体实施对本发明作进一步说明。

如图1所示，具体实施的整个装置包括离心主机1、转子系统2、实验腔3和升降系统4和上驱式主轴复合体5；转子系统2和上驱式主轴复合体5安装在实验腔3内，实验腔3底部安装在装置底座上，离心主机1安装在实验腔3上方的升降系统4上并上驱式主轴复合体5上端连接，上驱式主轴复合体5下端和转子系统2驱动连接，升降系统4安装在装置底座上且位于实验腔3上方，升降系统4和实验腔3的腔盖连接。

利用本发明装置进行材料性能测试过程实现满足了抗高温条件、特殊气氛环境、超重力等要求。考虑到此装置的运行环境，主要为超重力带来的影响，本发明装置结构为高强度轻质量的结构模块化设计，实验准备周期短，测试过程安全可靠。

如图2所示，实验腔3提供实验环境。实验腔3包括实验腔体3-1、保护壳3-2、实验腔盖3-3、立式肘夹3-4和支座3-6；实验腔体3-1底部通过支座3-6固定安装在装置底座上，实验腔体3-1顶部开口并设有实验腔盖3-3；实验腔盖3-3周围的实验腔体3-1顶面沿圆周均布固定安装有三个立式肘夹3-4，实验腔盖3-3通过立式肘夹3-4与实验腔体3-1固定，立式肘夹3-4具体为卡扣式连接锁紧结构；实验腔盖3-3采用高强度钢板制作，实验腔盖3-3在盖上后，用三个手动立式肘夹3-4压紧，以防止试验过程中有碎片飞出撞击实验腔盖3-3。实验腔盖3-3需在试验腔3内完全消除真空，恢复常压后才能打开。

实验腔盖3-3和实验腔体3-1接触面之间用O型橡胶圈3-5密封，能确保实验腔3所需的真空度，试验时腔内抽成真空至10^-2Pa，避免转子系统2在空气中由于高速旋转引起的功率消耗和温升；试验腔3内真空度未达到要求时不允许转子系统2的超速旋转试验。实验腔体3-1侧壁开设有真空接口3-9，真空接口3-7与外部的地面真空系统或充气系统相连，一旦实验发生意外，可以快速向实验腔3内冲入惰性气体；实验腔体3-1内周围设有三层防护壳3-2，防护壳3-2用于在受撞击后充分变形以吸收破坏能量，且阻止碎片飞出，防止试验台出现严重损坏，避免试验人员发生任何伤害。防护壳3-2由高强度钢板材料焊接成形，焊缝进行100％射线检测，焊缝不允许有气孔，夹渣，裂纹存在。防护壳3-2用于安全的吸收试验过程中出现意外时所释放的能量，阻止碎片飞出，防止试验台出现严重损坏，避免试验人员发生任何伤害。

实验腔体3-1底面上开有视窗3-8，视窗3-8用于观察实验腔3内的状况，视窗3-8下方的装置底座上安装监视器3-7，监视器3-7朝向视窗3-8并透过视窗3-8向实验腔体3-1内拍摄实验状况。

安装在腔体3-1底部的三个支座3-6，用于支撑试验腔3。

升降系统4的主要功能提升或下降腔盖3-3和转子系统2。

如图3和图4所示，升降系统4包括驱动电机4-1、联轴器4-2、丝杠导轨4-3、支架4-4、螺母块4-5、竖直导轨4-6；升降支架4-4安装在实验腔3侧方的装置底座上，驱动电机4-1固定在升降支架4-4顶部，驱动电机4-1输出轴朝下经联轴器4-2和丝杠导轨4-3传动连接，丝杠导轨4-3竖直布置支撑安装于升降支架4-4，丝杠导轨4-3上通过螺纹安装有螺母块4-5，螺母块4-5同时轴向活动套装于丝杠导轨4-3旁平行布置的竖直导轨4-6上，竖直导轨也支撑安装于升降支架4-4，形成小带轮510为主轴复合体输入扭矩。小带轮510与离心超重力装置搭载机载装置的转子系统相连，小带轮510通过安装孔与主轴59相连，把旋转扭矩传递到主轴59。根据需要，通过调整小带轮传动比，满足不同转速工况环境，具有很强的适应性和拓展性。小带轮510与离心超重力装置的动力系统通过平带传递扭矩，平带具有弹性，可缓和冲击和振动载荷，运转平稳，无噪声；当过载时，带即在轮上打滑，可防止其它零件损坏。

与此，本发明在离心电机1-1和上驱式主轴复合体5之间采用带传动结构传动，带传动结构的传送平带的材料为帆布，进行增速传动，传动比可根据需要进行调整。传送平带具有弹性，可缓和冲击和振动载荷，运转平稳，无噪声；当过载时，带即在轮上打滑，可防止其它零件损坏。

如图7所示，主轴59中部从上到下依次套装有磁流体密封结构511和密封法兰513。

如图10所示，磁流体密封结构511包括轴承盖511-2、深沟球轴承511-3、壳体511-4和O型圈511-7；壳体511-4套装在主轴59外，壳体511-4和主轴59中部之间具有径向间隙形成游动腔511-5，轴承座511密封固定于离心超重力实验腔的顶板中心通孔孔端面，游动腔内部的上侧和下侧均安装有深沟球轴承511-3，使得壳体511-4和主轴59之间通过深沟球轴承511-3转动连接，游动腔511-5上端口处的壳体511-4开口并安装有轴承盖511-2，轴承盖511-2套装于主轴59外并轴向对深沟球轴承511-3限位；壳体511-4在下端处的壳体511-4封闭形成封闭端，壳体511-4下端封闭端和主轴59之间密封连接；

壳体511-4的下端部设有外凸缘，外凸缘开设连接孔511-6，螺栓穿过连接孔511-6连接到实验腔盖3-3顶面，从而将壳体511-4的下端部固定连接到实验腔盖3-3顶面，从而磁流体密封结构511通过连接孔511-6固定在离心超重力装置。且壳体511-4的下端面开设有环形凹槽，环形凹槽中安装O型圈511-7，通过O型圈511-7使得壳体511-4的下端面和实验腔盖3-3顶面密封配合；磁流体密封结构511和主轴59和小带轮510组成固定-游动支承结构，这种固定-游动支承结构设计可以补偿主轴59因热变形及制造安装误差所引起的长度变化。

主轴59为复合体传递扭矩，是主轴复合体的重要零件，可根据传递转矩，选择不同的材料类型，但该材料务必需要具备较强的强度和韧性。

磁流体密封结构511为主轴59提供高水平动密封，用于产生磁流体密封的磁铁及磁靴环放置在游动腔511-5里面。磁流体密封结构511通过安装孔511-1与主轴59相连，主轴59与磁流体密封结构511之间采用一对角接触球轴承511-3连接；角接触球轴承511-3采用背对背排列，支点间跨距较大，悬臂长度较小，悬臂端支承刚度较大。

如图11所示，密封法兰513位于实验腔体3-1内且通过螺栓固定在实验腔盖3-3底面，在顶部内圈周面开设有环形缺口槽，环形缺口槽中安装有油封513-1，油封513-1上侧设有孔用弹性挡圈513-2，孔用弹性挡圈513-2嵌装在密封法兰513环形缺口槽内周面所开设的环形挡圈槽中；密封法兰513顶面设有环形台阶，环形台阶表面开设有环形凹槽，环形凹槽中安装密封圈513-3，通过密封圈513-3使得密封法兰513顶面和实验腔盖3-3底面密封配合；密封法兰513提供主轴复合体与离心超重力装置真空实验腔之间的静密封。密封法兰513套装安装在主轴59上，给密封法兰513提供静密封的密封圈513-3安装在凹槽513-2里面，密封法兰513通过螺栓安装在心超重力装置真空实验腔内顶部。密封圈513-3为密封法兰513提供密封，以隔绝外部大气压与内部真空腔室，密封性能好，寿命长，结构紧凑，装拆方便。

主轴59下端经胀紧套516和连接法兰515同轴固接，连接法兰515下端连接离心超重力装置的转子系统；主轴59高速旋转时，连接法兰515固定不动，胀紧套516随主轴59一起旋转。胀紧套516使零件制造和安装简单，由于胀紧套516依赖摩擦传动，无需在主轴59上开槽，避免开槽对主轴59强度的影响。胀紧套516拆卸方便，具有良好的互换性。

根据主轴59传递的扭矩和负荷，胀紧套516选择原则为：传递扭距：M_t≥a×M；承受轴向力：F_t≥a×F_x；传递力：F_t≥a×(F_x ²+(M×d×10^-3/2)²)^0.5；承受径向力：P_t≥a×F_r×10³/d/l，式中：a：安全系数；M：需传递的扭矩，kN·m；Fx：需承受的轴向力，kN；Ft：需承受径向力，kN；Mt：胀套的额定扭矩，kN·m；Ft：胀套的额定轴向力；kN；d、l：胀套的内径和内环宽度，mm；Pt：胀套与轴结合面上的压力，N/mm²。

油封513-1选用SKF的氟橡胶油封，适合耐高温、极限转速高的工况环境，为主轴复合体提供二次动密封。

转子系统2的主要功能是提供实验所需的离心超重力环境。

如图5和图6所示，转子系统2包括挂杯臂2-1、挂杯61和挂销2-3；上驱式主轴复合体5主轴59下端穿过实验腔盖3-3的中心通孔伸入到实验腔体3-1内，挂杯臂2-1顶面中心和主轴59底端的密封法兰513同轴固接，挂杯臂2-1的两端对称铰接安装有挂杯61，挂杯61均通过挂销2-3铰接安装于挂杯臂2-1的末端；挂杯臂2-1底面中心可旋转活动地承托在中心支承轴1-6顶端，支承轴1-6底端竖直固定于实验腔体3-1底部中心。该装置工程测试过程中，挂杯臂2-1为主要承力件，采用具有较高热强性材料制备。挂销2-3连接支承轴1-6用来支撑上驱式主轴复合体5，防止在高速旋转过程中上驱式主轴复合体5下部晃动。

挂杯臂2-1、挂杯61之间的挂销2-3外套装有轴用弹性挡圈2-4，轴用弹性挡圈2-4主要用来固定挂杯61的轴向运动，提供高速旋转时挂杯61的安全性。

根据本发明上述上驱式主轴复合体结构，在扭矩输出结构中，通过连接法兰515和胀紧套516设计，利用胀紧套516摩擦传动的特点，无需在主轴59表面上开槽，避免开槽对主轴59强度的影响，同时主轴59过载时，胀紧套516通过内外套内涨外缩，减少主轴59和胀紧套516包容面产生的摩擦力，借助主轴59和胀紧套516异速旋转，实现对主轴59的过载保护；根据载荷、转速，灵活调整小带轮510传动比，满足不同转速工况环境，具有很强的适应性和拓展性。小带轮510与离心超重力装置的动力系统通过平带传递扭矩，平带具有弹性，可缓和冲击和振动载荷，运转平稳，无噪声；当过载时，带即在轮上打滑，可防止其它零件损坏；采用磁流体密封结构511，防止高真空环境下润滑油挥发，使本发明适合长时间、高真空、超转速的特殊工况环境；采用扭矩输入结构上置，扭矩输出结构下置，可以在相同扭矩情况下，增加主轴59的载荷，且能实现载荷在自身重力作用下自动调平功能；在高转速时，载荷失稳或出现意外，载荷在重力和离心力作用下通过胀紧套516自动与主轴59脱落，从而解决了转速大于5万转/min、载荷超过500kg、10^-2Pa环境下17a下驱式主轴复合体无法实现自动调平和载荷主动与主轴59脱离的关键难题。结构简单，方便安装更换，高速工作安全可靠。

具体实施中，上驱式主轴复合体5置于离心超重力装置的实验腔中，下端连接转子系统2，上端连接离心主机1，离心主机1的驱动力经上驱式主轴复合体5的主轴59可靠有效地传递到转子系统2，进而带动转子系统2进行高速旋转进行离心超重力试验。通过上驱式主轴复合体5能够实现过载保护；根据扭矩和负载大小，灵活改变上驱式主轴复合体机械传动机构的布局和轴承的类型；在高速旋转过程中，通过密封润滑机构随时添加或更换润滑油的结构设计，体现装置在长时间、高真空、超转速的特殊工况环境下安全运行等优势效果。

离心主机1驱动力传递到小带轮510，经胀紧套516带动上驱式主轴复合体5的主轴59旋转时，主轴59经固定-游动支承结构在壳体511-4中旋转，主轴59下端经连接法兰515带动转子系统的挂杯臂2-1旋转，再带动挂杯臂2-1两端的挂杯61绕主轴59旋转，进而带动挂杯臂2-1、挂销2-3、挂杯61一起高速旋转。

每个挂杯61中安装有定向熔铸系统，如图14和图16所示，具体实施的定向熔铸系统包括挂杯61、加热装置62、坩埚装置63和保温装置64；挂杯61为上端开口的杯状结构，挂杯61中安装保温装置64，保温装置64中装有加热装置62，加热装置62中装有坩埚装置63，如图15所示，挂杯61顶部两侧设有吊耳61-1，挂杯61通过两侧的吊耳61-1铰接地悬挂在超重力离心机的旋转臂端部上。

具体实施中，挂杯61中安装加热装置62、坩埚装置63和保温装置64，采用钛合金、高强钢等材料整体锻造加工而成，内表面采用电抛光处理，同时能够承受高速旋转产生的离心应力，具有很高强高温强度和刚度。

实验过程中为了保持动平衡，对于臂式离心机，需采用2个挂杯61同时做实验(如图6)；对于鼓式离心机，需采用圆周对称结构做实验时，采用挂杯61的数量为偶数，具体挂杯数量取决于鼓式离心机的有效载荷和空间体积(如图13)。

保温装置64的功能是维持加热装置62的高温环境，防止热量散失。

如隔热。

中段陶瓷纤维层64-7和下段陶瓷纤维层64-13之间内嵌设有分别上下布置的下进线安装环道64-22和下出线安装环道64-23，下进线安装环道64-22布置下段进电接线环62-9，下出线安装环道64-23布置下段出电接电环62-10，下进线安装环道64-22和下出线安装环道64-23之间通过下段绝缘环64-11隔绝，使得下段进电接线环62-9和下段出电接电环62-10之间通过下段绝缘环64-11绝缘；上段陶瓷纤维层64-3和中段陶瓷纤维层64-7之间内嵌设有分别上下布置的上进线安装环道64-19和上出线安装环道64-20，上进线安装环道64-19布置上段进电接线环62-7，上出线安装环道64-20布置上段出电接电环62-8，上进线安装环道64-19和上出线安装环道64-20之间通过上段绝缘环64-4隔绝，使得上段进电接线环62-7和上段出电接电环62-8之间通过上段绝缘环64-4绝缘。

上段陶瓷纤维层64-3上端口形成上端大下端小的阶梯口，阶梯口安装保温盖64-17，在保护壳64-1上端口安装炉顶气凝胶层64-18，保温盖64-17和上段陶瓷纤维层64-3的顶面平齐位于同一水平面，炉顶气凝胶层64-18底面紧贴于保温盖64-17和上段陶瓷纤维层64-3的顶面；底座陶瓷纤维层64-15之上的中段陶瓷纤维层64-7和下段陶瓷纤维层64-13内周形成加热内腔，加热内腔中安装坩埚装置63。

保护壳64-1采用高强合金钢制备，比如镍基高温合金等，具有很高的熔点和强度。

如图18所示，保护壳64-1顶部和底部外壁面均设有多个护栏64-1-1，多个护栏64-1-1沿圆周间隔均布用于保护壳64-1放入和取出挂杯61；将保护壳64-1向挂杯61中安装时，利用具有六个推杆的动力装置顶住六个护栏64-1-1，把保护壳64-1推到其底部与挂杯61的底部接触；实验结束后，从挂杯61中取出保护壳64-1时，利用具有六个拉杆的动力装置抓住六个护栏64-1-1，把保护壳64-1从挂杯61中取出。

如图18所示，保护壳64-1的上半部分的壳壁开设有散热孔64-1-2。当保温装置64出现异常，造成保护壳64-1壳体温度剧增，通过散热孔64-1-2散热，降低保护壳64-1壳体温度，否则高温降低保护壳64-1强度，威胁实验安全，同时散热孔64-1-2也可以减轻保护壳64-1的重量。

如图19所示，最外层钼合金隔热层64-8、次外层钼合金隔热层64-9、内层钼合金隔热层64-10中层壁间隔均布地开设有减重孔64-8-1，以进行减重并同时系数热膨胀产生的热应力。

上段气凝胶层64-2、上段陶瓷纤维层64-3、上固定环隔热层64-5、保温盖64-17和炉顶气凝胶层64-18给加热装置62组成一个上段保温层。上段气凝胶层64-2直接与保护壳64-1内壁接触，上段陶瓷纤维层64-3安装在保温盖64-17和上段气凝胶层64-2之间，并通过炉顶气凝胶层防止热量向外散失。由于上段陶瓷纤维层具64-3有一定的韧性，在超重力下可以吸收部分能量，防止实验过程中陶瓷保温盖64-17在外力作用下破坏。由于陶瓷纤维隔热性能好，且具有弹性，上段陶瓷纤维层64-3和上固定环隔热层64-5直接安装在上加热管62-2的外壁，起到隔热保温和保护作用。

中段气凝胶层64-6、外侧中段陶瓷纤维层64-7、最外层钼合金隔热层64-8、次外层钼合金隔热层64-9、内层钼合金隔热层64-10、陶瓷纤维层64-13给加热装置62组成一个中段保温层。中段气凝胶层64-6直接与保护壳64-1内壁接触，中段气凝胶层64-6与内层钼合金隔热层64-10之间通过外侧中段陶瓷纤维层64-7隔热，上段固定环62-11、下段固定环62-12和外侧中段陶瓷纤维层64-7均为金属材料，上段固定环62-11和外侧中段陶瓷纤维层64-7之间用上固定环隔热层64-5隔热；下段固定环62-12和外侧中段陶瓷纤维层64-7之间用下固定环隔热层64-12隔热。

最外层钼合金隔热层64-8紧靠外侧中段陶瓷纤维层64-7安装，预留一些空隙，安装次外层钼合金隔热层64-9，再预留一些空隙，安装内层钼合金隔热层64-10。最外层钼合金隔热层64-8、次外层钼合金隔热层64-9和内层钼合金隔热层64-10之间预留一些空隙，防止金属热胀冷缩产生内应力，破坏保护壳64-1。

下段气凝胶层64-14、底座陶瓷纤维层64-15、隔热支撑座64-16给加热装置62组成一个下段保温层。下段气凝胶层64-14安装在保护壳64-1的内壁，底座陶瓷纤维层64-15安装在下段气凝胶层64-14和隔热支撑座64-16之间。隔热支撑座64-16对整个加热装置62起支撑作用。由于试验过程中，隔热支撑座64-16为最主要的承力部件，每次实验前，要仔细检查或应该经常更换。

具体实施中，如果加热装置62的最高温度低于1200℃，可以只用一层钼合金隔热层，如内层钼合金隔热层64-10，可以不用最外层钼合金隔热层64-8和次外层钼合金隔热层64-9。如果加热装置62的最高温度高于1600℃，需要同时采用最外层钼合金隔热层64-8、次外层钼合金隔热层64-9和内层钼合金隔热层64-10。最外层钼合金隔热层64-8、次外层钼合金隔热层64-9和内层钼合金隔热层64-10的厚度和间距根据离心机负载、最高温度、离心加速度进行设计组合，以适应不同温度、不同离心加速度环境下的熔铸要求。

加热装置62的功能是在离心超重力环境下给实验样品施加热量。

如图20和图21所示，加热装置62包括同轴分别上下布置且结构尺寸相同的上段加热结构和下段加热结构以及陶瓷盖62-13，上段加热结构和下段加热结构分别上下同轴对接成一段构成总加热结构，总加热结构置于隔热支撑座64-16之上的陶瓷纤维层内腔中，总加热结构内部安装坩埚装置63，并在顶端安装陶瓷盖62-13；上段加热结构包括上发热体62-1、上加热管62-2、上隔热腔体62-3、上段进电接线环62-7、上段出电接电环62-8和上段固定环62-11；加热管内安装发热体，如图21所示，上加热管62-2的管壁内部中间开设有螺旋形卡槽62-2-1，上发热体62-1安装在螺旋形卡槽62-2-1中，螺旋形卡槽62-2-1的相邻槽道之间形成螺旋形凸台62-2-2，上发热体62-1和螺旋形凸台62-2-2摩擦接触，通过螺旋形凸台62-2-2防止上发热体62-1在超重力下向下滑移，上加热管62-2的管壁内侧面开设有沿螺旋形卡槽62-2-1间隔布置的热辐射孔62-2-3，上发热体62-1产生的热量透过热辐射孔62-2-3以热辐射形式加热坩埚装置63；如通过内部布设的绝热电线再连接到地面供电系统，由此通过下段进电接线环62-9和下段出电接电环62-10与地面供电系统连接形成闭环为下发热体62-4供电，地面供电系统连接温控系统；下段进电接线环62-9、下段出电接电环62-10外周围还设有下段固定环62-12，下段固定环62-12布置于保温装置64结构内。

上段固定环62-11和下段固定环62-12分布安装在上加热管62-2和下加热管62-5连接，增加整个加热腔的刚度，防止它在超重力下晃动和变形。

由此，上段加热结构的上加热管62-2和下段加热结构的下加热管62-5同轴对接，上段加热结构的上隔热腔体62-3和下段加热结构的下隔热腔体62-6同轴对接，上段加热结构和下段加热结构组成一个完整的分区加热的加热装置62，使得超重力产生的热对流向配合完成更均匀的温度场。

上加热管和下上加热管采用高性能陶瓷材料制备，如空心球氧化铝陶瓷等。

具体实施中，将上发热体62-1和下发热体62-4的材料类型设置为不同，使上加热管62-2和下加热管62-5的升温速率、降温速率、温度不同，采用两端分区加热控制温度梯度。

加热装置62采用上段和下段分体加热进行上下分区加热和控温，可以实现上段加热结构和下段加热结构的顶端加热温度均低于或高于底端加热温度，上段加热结构和下段加热结构的加热温度均从顶端到底端逐渐渐变，上段加热结构的底端加热温度低于下段加热结构的顶端加热温度，通过多点控温在上加热管62-2和下加热管62-5内部形成温度场分布。

具体实施过程中：

(A)制备等轴晶合金材料，在加热阶段，上加热管62-2和下加热管62-5升温速率相同，且控制的最高温度相同，以确保坩埚63-1中合金熔体在上下两区具有均匀的温度分布；在凝固阶段，上加热管62-2和下加热管62-5的降温速率也相同。

(B)制备定向柱晶合金材料或单晶组织材料，且熔体凝固方向与离心超重力方向相反，在加热阶段，上加热管62-2和下加热管62-5升温速率相同，且控制的最高温度相同，以确保坩埚63-1中合金熔体在上下两区具有均匀的温度分布；在凝固阶段，必须确保下加热管62-5的降温速率大于上加热管62-2的降温速率，形成一个在坩埚63-1底部温度低、坩埚63-1顶部温度高的温度梯度分布，使柱状晶生长方向与超重力方向相反。

(C)制备定向柱晶合金材料或单晶组织材料，且熔体凝固方向与离心超重力方向相同，在加热阶段，上加热管62-2和下加热管62-5升温速率相同，且控制的最高温度相同，以确保坩埚63-1中合金熔体在上下两区具有均匀的温度分布；在凝固阶段，必须确保上加热管62-5的降温速率大于下加热管62-2的降温速率，形成一个在坩埚63-1顶部温度低、坩埚63-1底部温度高的温度梯度分布，使柱状晶生长方向与超重力相同。连接线、发热体与地面电源连接电缆必须满足超重力的要求，防止设备运行过程中电缆损伤造成整个线路断路，从而影响实验。为了确保强度、抗氧化性能和导电性性能，接线环采用GH4169等金属材料制备。

陶瓷盖62-13盖在上加热管62-2的顶端，防止热端散失；陶瓷盖62-13底面中心固定设有凸台，凸台位于上加热管62-2中心的空腔内，保温并防止陶瓷盖62-13在超重力下下沉，同时防止加热腔在超重力下左右摇晃。

具体实施中，上隔热腔体62-3和下隔热腔体62-6采用高强度陶瓷材料制备，如复合氮化硼陶瓷材料。

陶瓷盖62-13用高强耐热压缩性能好的氧化铝陶瓷制备。

坩埚装置63的功能是用来放置熔化的试样。

坩埚装置63包括坩埚63-1和坩埚保护筒63-2；坩埚63-1装在坩埚保护筒63-2中，坩埚保护筒63-2再装在总加热结构的加热管中；如图23所示，坩埚63-1两侧的外壁面均开设有竖直的条形槽，竖直方向较短一侧的条形槽作为上段热电偶固定槽63-1-1，竖直方向较长一侧的条形槽作为下段热电偶固定槽63-1-2，用来检测并反馈控制上段加热结构的热电偶穿过陶瓷盖62-13上的通孔放置在上段热电偶固定槽63-1-1里检测上段加热结构的温度，用来检测并反馈控制下段加热结构的热电偶穿过陶瓷盖62-13上的通孔放置在下段热电偶固定槽63-1-2里检测上段加热结构的温度；

上下段加热结构的供电系统和温控系统是相互独立的，分别通过上段热电偶固定槽63-1-1和下段热电偶固定槽63-1-2中的热电偶检测上下段加热结构的实时温度，并反馈独立控制上下段加热结构的加热温度。

根据熔化材料不同，坩埚63-1选择不同材料，如高强石墨、氧化铝、钼合金等。

功率降低法在超重力下实现温度梯度的具体使用过程：

在加热阶段，给坩埚加热的上下两区同时加热直到坩埚中的材料完全熔化，根据设定的温度梯度与温控系统配合，分别独立控制上下段加热结构的供电功率，进而控制上下发热体62-1/62-4分区加热，在坩埚从形成一个从坩埚底部到顶部的温度梯度，使得熔化材料从坩埚底部到顶部的顺序凝固。试验过程中，通过改变超重力大小、上下区供电功率、坩埚形状及材料、凝固时间等措施，进行不同的温度梯度实施。

在坩埚63-1外面套上一个坩埚保护筒63-2后能防止超重力凝固过程中坩埚63-1破裂，发生高温熔体外流及意外。坩埚保护筒63-2采用高熔点钼合金制备。坩埚63-1为耗材，尤为对陶瓷坩埚，需要经常更换。

如果熔铸合金的密度小于5g/cm³，且离心加速度不高于1000g(g＝9.8m/s²)，选择高强石墨坩埚，可以不需要坩埚保护筒63-2。

如果熔铸合金的密度大于5g/cm³，且离心加速度高于1000g(g＝9.8m/s²)，如果选择母合金坩埚，可以不需要坩埚保护筒63-2。

如图24所示，利用本发明系统进行样品性能测试的具体过程是：

第一步：根据合金类型，确定上发热体62-1和下发热体62-4的类型。

如果合金熔点(或需要熔化合金的最高温度)低于1200℃，发热体材料可以选择镍铬-镍硅等，对真空度没有要求。

如果合金熔点(或需要熔化合金的最高温度)在1000℃-1700℃，发热体材料可以选择钨钼合金等，要求真空度不低于5Pa。

第二步：根据合金类型，确定坩埚材料类型。

如果合金熔点(或需要熔化合金的最高温度)低于1200℃，且离心加速度不高于1500g，可以选择是石墨坩埚。

如果合金熔点(或需要熔化合金的最高温度)低于1200℃，且离心加速度高于1500g，可以选择是热等静压各向同性高强石墨坩埚。

如果合金熔点(或需要熔化合金的最高温度)高于1200℃，离心加速度高于1500g，可以选择钼合金坩埚。

第三步：打开真空接口3-9，给实验腔3破真空。

第四步：打开腔盖3-3上的立式肘夹3-4。

第五步：启动升降系统4，提升腔盖3-3和转子系统2。

第六步：打开挂销2-3，取出挂杯61。为了动平衡需要，同时取下左右两个挂杯。

第七步：根据实验温度确定发热体类型和坩埚类型，组装加热装置5-2。

第八步：在保护壳64-1内依次安装保温装置64、加热装置62和坩埚装置63。

第九步：将保护壳64-1安装到挂杯61中。

第十步：将挂杯61安装在离心主机上。

第十一步：将熔铸系统5所需的强电和弱信号线通过滑环5-1与地面控制系统和供电系统相连，并对连接结果进行测试，确定连接无误。将热电偶控制线与地面控温系统相连。

第十二步：启动升降系统4，将升起的实验腔盖3-3和转子系统2放回实验腔3中，然后锁紧实验腔盖3-3上的立式肘夹3-4。

第十三步：坩埚装置63的坩埚63-1内放置合金试样，启动离心主机1，使转子系统2在低速下旋转，对挂杯61进行动平衡测试。利用转速传感器1-4监测主轴59的转速，位移传感器1-5监测主轴59的振动。如果挂杯61振动超过技术指标要求，立刻关掉离心主机1，通过调整挂杯61负载，直到动平衡测试满足技术规范要求。

第十四步：启动真空系统，通过真空接口3-9对实验腔3抽真空，直到试验腔3内的真空度达到熔铸要求后才能启动熔铸系统5的加热装置62。

第十五步：当熔铸炉炉温达到合金熔点的0.8倍时，启动离心主机，一边加热，一边启动离心主机。

利用转速传感器1-4监测主轴59的转速，位移传感器1-5监测主轴59的振动。离心主机1运行过程中加热装置62同时运行。

第十六步：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。

第十七步：开始定向凝固。

在加热阶段，坩埚上下区同时加热直到坩埚中的材料完全熔化。在定向凝固阶段，根据设定的温度梯度，分别独立控制上下区的供电功率，与温控系统配合，在坩埚从形成一个从坩埚底部到顶部的温度梯度，实现熔化材料从坩埚底部到顶部的顺序凝固。

试验过程中，通过改变超重力大小、上下区供电功率、坩埚形状及材料、凝固时间等措施，获得不同的温度梯度要求，借此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。

实验过程中，温度信号实时传给信号采集器，信号采集器通过滑环与地面测控中心连接，从而获得实验过程中温度-时间曲线。

第十八步：当试样完全凝固后，依次关闭熔铸炉加热装置62和离心主机1。

第十九步：当温度减低到400℃以下，且离心主机1完全停稳后，打开真空接口3-9，给实验腔3破真空。

第二十步：当实验腔3内真空度达到1大气压时，打开腔盖3-3上的立式肘夹3-4，启动升降系统4，提升腔盖3-3和转子系统2。

第二十一步：打开挂销2-3，取出挂杯61，从挂杯61中取出试样。

第二十二步：挂杯61打扫干净后，空挂杯61再装回到转子系统2中。

第二十三步：启动升降系统4，将升起的实验腔盖3-3和转子系统2放回实验腔3中，然后锁紧实验腔盖3-3上的立式肘夹3-4。

第二十四步：启动真空系统，通过真空接口3-9对实验腔3抽真空，直到试验腔3内的真空度达到1Pa后关闭真空系统。

Claims (9)

1.一种悬臂式离心超重力熔铸装置，其特征在于：包括离心主机(1)、转子系统(2)、实验腔(3)、升降系统(4)和上驱式主轴复合体(5)；转子系统(2)和上驱式主轴复合体(5)安装在实验腔(3)内，实验腔(3)底部安装在装置底座上，离心主机(1)安装在实验腔(3)上方的升降系统(4)上并上驱式主轴复合体(5)上端连接，上驱式主轴复合体(5)下端和转子系统(2)驱动连接，升降系统(4)安装在装置底座上且位于实验腔(3)上方，升降系统(4)和实验腔(3)的腔盖连接。

2.根据权利要求1所述的一种悬臂式离心超重力熔铸装置，其特征在于：所述的实验腔(3)包括实验腔体(3-1)、保护壳(3-2)、实验腔盖(3-3)、立式肘夹(3-4)和支座(3-6)；实验腔体(3-1)底部通过支座(3-6)固定安装在装置底座上，实验腔体(3-1)顶部开口并设有实验腔盖(3-3)；实验腔盖(3-3)周围的实验腔体(3-1)顶面沿圆周均布固定安装有三个立式肘夹(3-4)，实验腔盖(3-3)通过立式肘夹(3-4)与实验腔体(3-1)固定，立式肘夹(3-4)具体为卡扣式连接锁紧结构；实验腔盖(3-3)和实验腔体(3-1)接触面之间用O型橡胶圈(3-5)密封，实验腔体(3-1)侧壁开设有真空接口(3-9)，真空接口(3-9)与外部的地面真空系统或充气系统相连；实验腔体(3-1)内周围设有三层防护壳(3-2)；

所述的升降系统(4)包括驱动电机(4-1)、联轴器(4-2)、丝杠导轨(4-3)、支架(4-4)、螺母块(4-5)、竖直导轨(4-6)；升降支架(4-4)安装在实验腔(3)侧方的装置底座上，驱动电机(4-1)固定在升降支架(4-4)顶部，驱动电机(4-1)输出轴朝下经联轴器(4-2)和丝杠导轨(4-3)传动连接，丝杠导轨(4-3)竖直布置，丝杠导轨(4-3)上通过螺纹安装有螺母块(4-5)，螺母块(4-5)同时轴向活动套装于丝杠导轨(4-3)旁平行布置的竖直导轨(4-6)上，形成丝杠螺母副；驱动电机(4-1)工作带动丝杠导轨(4-3)旋转进而带动螺母块(4-5)沿竖直导轨(4-6)导向上下升降移动；

所述的离心主机(1)包括离心电机(1-1)、上轴承支架(1-3)、转速传感器(1-4)、位移传感器(1-5)和电机支座(1-7)；电机支座(1-7)固定于升降系统(4)的螺母块侧面，离心电机(1-1)固定安装在电机支座(1-7)上，电机支座(1-7)底部固定连接于实验腔(3)的实验腔盖(3-3)，离心电机(1-1)侧旁安装有上驱式主轴复合体(5)，上驱式主轴复合体(5)支撑安装于上轴承支架(1-3)上，上轴承支架(1-3)固定连接电机支座(1-7)，离心电机(1-1)的输出轴朝下经带传动结构和上驱式主轴复合体(5)连接，带动上驱式主轴复合体(5)旋转运动；实验腔盖(3-3)内顶面在上驱式主轴复合体(5)侧方旁固定装有转速传感器(1-4)，上驱式主轴复合体(5)下部固定连接安装有位移传感器(1-5)，上驱式主轴复合体(5)下端和转子系统(2)连接；

所述的上驱式主轴复合体(5)包括滑环(51)、滑环轴(52)、主轴(59)、小带轮(510)、磁流体密封结构(511)、密封法兰(513)、连接法兰(515)和胀紧套(516)；主轴(59)上部套装从上倒下依次设有滑环轴(52)和轴环部；滑环轴(52)下端和主轴(59)上端同轴固接，滑环轴(52)外套装有滑环(51)；所述滑环轴(52)下方的主轴(59)局部设置有环形外凸缘作为轴环部，轴环部的外周面设置为倾斜向下的外圆锥面，小带轮(510)的内周面设置为倾斜向下的内圆锥面，小带轮(510)通过内外圆锥面同轴套装于主轴(59)的轴环部上，小带轮(510)经皮带和离心电机(1-1)的输出轴同步连接传动，滑环轴(52)和轴环部之间的主轴(59)通过轴承套装于离心主机(1)的上轴承支架(1-3)的通孔中；主轴(59)中部从上到下依次套装有磁流体密封结构(511)和密封法兰(513)；磁流体密封结构(511)包括轴承盖(511-2)、深沟球轴承(511-3)、壳体(511-4)和O型圈(511-7)；壳体(511-4)套装在主轴(59)外，壳体(511-4)和主轴(59)中部之间具有径向间隙形成游动腔(511-5)，游动腔内部的上侧和下侧均安装有深沟球轴承(511-3)，使得壳体(511-4)和主轴(59)之间通过深沟球轴承(511-3)转动连接，游动腔(511-5)上端口处的壳体(511-4)开口并安装有轴承盖(511-2)，轴承盖(511-2)套装于主轴(59)外并轴向对深沟球轴承(511-3)限位；壳体(511-4)在下端处的壳体(511-4)封闭形成封闭端，壳体(511-4)下端封闭端和主轴(59)之间密封连接；壳体(511-4)的下端部设有外凸缘，外凸缘开设连接孔(511-6)，螺栓穿过连接孔(511-6)连接到实验腔盖(3-3)顶面，从而将壳体(511-4)的下端部固定连接到实验腔盖(3-3)顶面，且壳体(511-4)的下端面开设有环形凹槽，环形凹槽中安装O型圈(511-7)，通过O型圈(511-7)使得壳体(511-4)的下端面和实验腔盖(3-3)顶面密封配合；密封法兰(513)位于实验腔体(3-1)内且固定在实验腔盖(3-3)底面，在顶部内圈周面开设有环形缺口槽，环形缺口槽中安装有油封(513-1)，油封(513-1)上侧设有孔用弹性挡圈(513-2)，孔用弹性挡圈(513-2)嵌装在密封法兰(513)环形缺口槽内周面所开设的环形挡圈槽中；密封法兰(513)顶面设有环形台阶，环形台阶表面开设有环形凹槽，环形凹槽中安装密封圈(513-3)，通过密封圈(513-3)使得密封法兰(513)顶面和实验腔盖(3-3)底面密封配合；主轴(59)下端经胀紧套(516)和连接法兰(515)同轴固接，连接法兰(515)下端连接离心超重力装置的转子系统；

所述的转子系统(2)包括挂杯臂(2-1)、挂杯(61)和挂销(2-3)；上驱式主轴复合体(5)主轴(59)下端穿过实验腔盖(3-3)的中心通孔伸入到实验腔体(3-1)内，挂杯臂(2-1)顶面中心和主轴(59)底端的密封法兰(513)同轴固接，挂杯臂(2-1)的两端对称铰接安装有挂杯(61)，挂杯(61)均通过挂销(2-3)铰接安装于挂杯臂(2-1)的末端；挂杯臂(2-1)底面中心可旋转活动地承托在中心支承轴(1-6)顶端，支承轴(1-6)底端竖直固定于实验腔体(3-1)底部中心。

3.根据权利要求2所述的一种悬臂式离心超重力熔铸装置，其特征在于：所述的实验腔体(3-1)底面上开有视窗(3-8)，视窗(3-8)下方的装置底座上安装监视器(3-7)，监视器(3-7)朝向视窗(3-8)并透过视窗(3-8)向实验腔体(3-1)内拍摄实验状况。

4.根据权利要求2所述的一种悬臂式离心超重力熔铸装置，其特征在于：每个所述的挂杯(61)中安装有定向熔铸系统，定向熔铸系统包括加热装置(62)、坩埚装置(63)和保温装置(64)；挂杯(61)中安装保温装置(64)，保温装置(64)中装有加热装置(62)，加热装置(62)中装有坩埚装置(63)，挂杯(61)顶部两侧设有吊耳(61-1)，挂杯(61)通过两侧的吊耳(61-1)铰接地悬挂在超重力离心机的旋转臂端部上。

5.根据权利要求4所述的一种悬臂式离心超重力熔铸装置，其特征在于：所述的保温装置(64)包括保护壳(64-1)、上段气凝胶层(64-2)、上段陶瓷纤维层(64-3)、上固定环隔热层(64-5)、中段气凝胶层(64-6)、外侧中段陶瓷纤维层(64-7)、最外层钼合金隔热层(64-8)、次外层钼合金隔热层(64-9)、内层钼合金隔热层(64-10)、下固定环隔热层(64-12)、下段陶瓷纤维层(64-13)、下段气凝胶层(64-14)、底座陶瓷纤维层(64-15)、隔热支撑座(64-16)、保温盖(64-17)和炉顶气凝胶层(64-18)；

保护壳(64-1)放置在挂杯(61)中，保护壳(64-1)的内周壁布置有环状沿圆周一圈的气凝胶层，气凝胶层从下到上分为下段气凝胶层(64-14)、中段气凝胶层(64-6)和上段气凝胶层(64-2)，下段气凝胶层(64-14)和中段气凝胶层(64-6)之间设有下环形间隔(64-24)，下环形间隔(64-24)处布置下段加热结构的下段固定环(62-12)；中段气凝胶层(64-6)和上段气凝胶层(64-2)之间设有上环形间隔(64-21)，上环形间隔(64-21)处布置上段加热结构的上段固定环(62-11)；下段气凝胶层(64-14)所在的保护壳(64-1)中央固定有隔热支撑座(64-16)，隔热支撑座(64-16)和下段气凝胶层(64-14)之间填充有底座陶瓷纤维层(64-15)；

底座陶瓷纤维层(64-15)之上的上段气凝胶层(64-2)和中段气凝胶层(64-6)的内周壁布置有环状沿圆周一圈的陶瓷纤维层，陶瓷纤维层从下到上分为下段陶瓷纤维层(64-13)、中段陶瓷纤维层(64-7)和上段陶瓷纤维层(64-3)，下段陶瓷纤维层(64-13)、中段陶瓷纤维层(64-7)和上段陶瓷纤维层(64-3)分别位于紧贴下段气凝胶层(64-14)、中段气凝胶层(64-6)和上段气凝胶层(64-2)的内周壁；中段陶瓷纤维层(64-7)和下段陶瓷纤维层(64-13)内部嵌装有环状的隔热层，隔热层从外到内分别依次为最外层钼合金隔热层(64-8)、次外层钼合金隔热层(64-9)和内层钼合金隔热层(64-10)，上段固定环(62-11)和隔热层之间设有上固定环隔热层(64-5)，下段固定环(62-12)和隔热层之间设有下固定环隔热层(64-12)；

中段陶瓷纤维层(64-7)和下段陶瓷纤维层(64-13)之间内嵌设有分别上下布置的下进线安装环道(64-22)和下出线安装环道(64-23)，下进线安装环道(64-22)布置下段进电接线环(62-9)，下出线安装环道(64-23)布置下段出电接电环(62-10)，下进线安装环道(64-22)和下出线安装环道(64-23)之间通过下段绝缘环(64-11)隔绝；上段陶瓷纤维层(64-3)和中段陶瓷纤维层(64-7)之间内嵌设有分别上下布置的上进线安装环道(64-19)和上出线安装环道(64-20)，上进线安装环道(64-19)布置上段进电接线环(62-7)，上出线安装环道(64-20)布置上段出电接电环(62-8)，上进线安装环道(64-19)和上出线安装环道(64-20)之间通过上段绝缘环(64-4)隔绝；

上段陶瓷纤维层(64-3)上端口形成阶梯口，阶梯口安装保温盖(64-17)，在保护壳(64-1)上端口安装炉顶气凝胶层(64-18)，炉顶气凝胶层(64-18)底面紧贴于保温盖(64-17)和上段陶瓷纤维层(64-3)的顶面；底座陶瓷纤维层(64-15)之上的中段陶瓷纤维层(64-7)和下段陶瓷纤维层(64-13)内周形成加热内腔，加热内腔中安装坩埚装置(63)；

所述的加热装置(62)包括结构尺寸相同的上段加热结构和下段加热结构以及陶瓷盖(62-13)，上段加热结构和下段加热结构分别上下同轴对接成一段构成总加热结构，总加热结构置于隔热支撑座(64-16)之上的陶瓷纤维层内腔中，总加热结构内部安装坩埚装置(63)，并在顶端安装陶瓷盖(62-13)；

上段加热结构包括上发热体(62-1)、上加热管(62-2)、上隔热腔体(62-3)、上段进电接线环(62-7)、上段出电接电环(62-8)和上段固定环(62-11)；上加热管(62-2)的管壁内部中间开设有螺旋形卡槽(62-2-1)，上发热体(62-1)安装在螺旋形卡槽(62-2-1)中，螺旋形卡槽(62-2-1)的相邻槽道之间形成螺旋形凸台(62-2-2)，上发热体(62-1)和螺旋形凸台(62-2-2)摩擦接触，上加热管(62-2)的管壁内侧面开设有沿螺旋形卡槽(62-2-1)间隔布置的热辐射孔(62-2-3)，上发热体(62-1)产生的热量透过热辐射孔(62-2-3)以热辐射形式加热坩埚装置(63)；安装了上发热体(62-1)的上加热管(62-2)再安装在上隔热腔体(62-3)的内圈腔(62-3-1)中，上隔热腔体(62-3)管壁中部沿周向间隔开设有多个圆弧布置的隔热孔(62-3-2)，隔热孔(62-3-2)轴向贯通，隔热孔(62-3-2)与内圈腔(62-3-1)联通，内圈腔(62-3-1)经螺旋形卡槽(62-2-1)和热辐射孔(62-2-3)连通，使得隔热孔(62-3-2)与热辐射孔(62-2-3)联通；上隔热腔体(62-3)顶端周围设有上段进电接线环(62-7)、上段出电接电环(62-8)和上段固定环(62-11)，上发热体(62-1)的两端分别和上段进电接线环(62-7)和上段出电接电环(62-8)电连接，上段进电接线环(62-7)和上段出电接电环(62-8)再连接到地面供电系统；上段进电接线环(62-7)、上段出电接电环(62-8)外周围还设有上段固定环(62-11)，上段固定环(62-11)布置于保温装置(64)结构内；

下段加热结构包括下发热体(62-4)、下加热管(62-5)、下隔热腔体(62-6)、下段进电接线环(62-9)、下段出电接电环(62-10)和下段固定环(62-12)；下加热管(62-5)的管壁内部中间开设有螺旋形卡槽(62-2-1)，下发热体(62-4)安装在螺旋形卡槽(62-2-1)中，螺旋形卡槽(62-2-1)的相邻槽道之间形成螺旋形凸台(62-2-2)，下发热体(62-4)和螺旋形凸台(62-2-2)摩擦接触，下加热管(62-5)的管壁内侧面开设有沿螺旋形卡槽(62-2-1)间隔布置的热辐射孔(62-2-3)，下发热体(62-4)产生的热量透过热辐射孔(62-2-3)以热辐射形式加热坩埚装置(63)；安装了下发热体(62-4)的下加热管(62-5)再安装在下隔热腔体(62-6)的内圈腔(62-3-1)中，下隔热腔体(62-6)管壁中部沿周向间隔开设有多个圆弧布置的隔热孔(62-3-2)，隔热孔(62-3-2)轴向贯通，隔热孔(62-3-2)与内圈腔(62-3-1)联通，内圈腔(62-3-1)经螺旋形卡槽(62-2-1)和热辐射孔(62-2-3)连通，使得隔热孔(62-3-2)与热辐射孔(62-2-3)联通；下隔热腔体(62-6)顶端周围设有下段进电接线环(62-9)、下段出电接电环(62-10)和下段固定环(62-12)，下发热体(62-4)的两端分别和下段进电接线环(62-9)和下段出电接电环(62-10)电连接，下段进电接线环(62-9)和下段出电接电环(62-10)再连接到地面供电系统；下段进电接线环(62-9)、下段出电接电环(62-10)外周围还设有下段固定环(62-12)，下段固定环(62-12)布置于保温装置(64)结构内；

所述的坩埚装置(63)包括坩埚(63-1)和坩埚保护筒(63-2)；坩埚(63-1)装在坩埚保护筒(63-2)中，坩埚保护筒(63-2)再装在总加热结构的加热管中；坩埚(63-1)两侧的外壁面均开设有竖直的条形槽，竖直方向较短一侧的条形槽作为上段热电偶固定槽(63-1-1)，竖直方向较长一侧的条形槽作为下段热电偶固定槽(63-1-2)，热电偶穿过陶瓷盖(62-13)上的通孔放置在上段热电偶固定槽(63-1-1)里检测上段加热结构的温度，热电偶穿过陶瓷盖(62-13)上的通孔放置在下段热电偶固定槽(63-1-2)里检测上段加热结构的温度。

6.根据权利要求5所述的一种悬臂式离心超重力熔铸装置，其特征在于：所述的保护壳(64-1)顶部和底部外壁面均设有多个护栏(64-1-1)，多个护栏(64-1-1)沿圆周间隔均布用于保护壳(64-1)放入和取出挂杯(61)。

7.根据权利要求5所述的一种悬臂式离心超重力熔铸装置，其特征在于：将上发热体(62-1)和下发热体(62-4)的材料类型设置为不同，使上加热管(62-2)和下加热管(62-5)的升温速率、降温速率、温度不同，采用两端分区加热控制温度梯度。

8.根据权利要求7所述的一种悬臂式离心超重力熔铸装置，其特征在于：所述的加热装置(62)采用上段和下段分体加热进行上下分区加热和控温，可以实现上段加热结构和下段加热结构的顶端加热温度均低于或高于底端加热温度，上段加热结构和下段加热结构的加热温度均从顶端到底端逐渐渐变，上段加热结构的底端加热温度低于下段加热结构的顶端加热温度，在上加热管(62-2)和下加热管(62-5)内部形成温度场分布。

9.根据权利要求7所述的一种悬臂式离心超重力熔铸装置，其特征在于：上下段加热结构的供电系统和温控系统是相互独立的，分别通过上段热电偶固定槽(63-1-1)和下段热电偶固定槽(63-1-2)中的热电偶检测上下段加热结构的实时温度，并反馈独立控制上下段加热结构的加热温度。

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