CN114619032B - 一种用于无重力环境下的铸锭装置及其使用方法 - Google Patents

Abstract

本申请涉及一种用于无重力环境下的铸锭装置及其使用方法，本申请的铸锭装置包括：液流喷射机构，液流喷射机构内设置有第一加热模块；铸锭成型机构，铸锭成型机构包括外壳体、针状合金板和冷却模块，外壳体与液流喷射机构密封连接，外壳体内设有内壳体，针状合金板设于内壳体内，且设于液流喷射机构下方，冷却模块用于对针状合金板进行冷却；控制机构，分别与液流喷射机构和铸锭成型机构连接。本申请铸锭装置应用在太空无重力的条件下，可避免熔化的原料在针状合金板上凝固的过程中，出现自然对流产生的宏观偏析，导致铸锭的性能降低的问题。再者，本申请中熔化的原料可以在针状合金板上迅速凝固，得到细小等轴晶构成的铸锭，获得理想铸件预制体。

Description

一种用于无重力环境下的铸锭装置及其使用方法

技术领域

本申请涉及快速成型设备领域，具体而言，涉及一种用于无重力环境下的铸锭装置及其使用方法。

背景技术

基础产业制造是国民经济发展的基石。其中，金属作为制造业中广泛应用的材料，在建筑、交通、军事、航天等领域起到了支柱作用。随着金属材料研究的不断革新与进步，追求组织和性能的不断优化成为了社会共识。在合金领域内，细化其微观组织以获得细小或超细晶粒，从而显著提升合金材料的综合性能是被广泛认同的。

大型合金结构铸件尤其是铝合金结构铸件在工业生产应用中有着不可替代的作用，因此，获得优异组织的铝合金锭是得到优异性能铝合金铸件的前提。用常规铸造法铸造铝合金锭时，由于存在凝固顺序的先后，很难得到全部的等轴晶组织。合金组织中会存在一定比例的柱状晶，不利于通过后续的变形过程得到较好的合金性能。此外，在用常规方法铸造大型铝合金铸锭时，从铸锭边部到芯部容易产生较大的宏观元素偏析，严重影响铸锭质量。

发明内容

本申请的目的是提供一种用于无重力环境下的铸锭装置及其使用方法，该铸锭装置可在无重力条件下，有效防止铸锭氧化，提升铸锭性能。

本申请的实施例是这样实现的：

第一方面，本申请提供一种用于无重力环境下的铸锭装置，包括：液流喷射机构、铸锭成型机构和控制机构，液流喷射机构内设置有第一加热模块；铸锭成型机构包括外壳体、针状合金板和冷却模块，外壳体与液流喷射机构密封连接，外壳体内设有内壳体，针状合金板设于内壳体内，且设于液流喷射机构下方，冷却模块用于对针状合金板进行冷却；控制机构分别与液流喷射机构和铸锭成型机构连接。

于一实施例中，控制机构包括：线圈、电源、摄像模块和微机控制模块，线圈设于内壳体上；电源与线圈连接；摄像模块设于内壳体上；微机控制模块与电源和摄像模块连接。

于一实施例中，微机控制模块包括：主板、信号发生器和图像采集卡，信号发生器与主板连接；图像采集卡一端与主板连接，另一端与摄像模块连接。

于一实施例中，液流喷射机构包括：坩埚、喷管和永磁体，第一加热模块设于坩埚上；喷管一端设于坩埚底部，另一端与主板连接；永磁体，环设于喷管侧壁。

于一实施例中，铸锭成型机构还包括：三维移动平台，三维移动平台与主板连接，用于驱动针状合金板移动。

于一实施例中，冷却模块包括：冷却板、液氦储存单元和氦气收集单元，冷却板设于针状合金板和三维移动平台之间；液氦储存单元一端与三维移动平台一端通过输液管连接，另一端与主板连接；氦气收集单元与三维移动平台另一端通过输气管连接。

于一实施例中，液流喷射机构还包括震荡头和压电振荡器，震荡头一端设于坩埚内，另一端连接压电振荡器一端；压电振荡器另一端与信号发射器连接。

于一实施例中，液流喷射机构还包括温度控制仪和热电偶，热电偶设于坩埚内，与温度控制仪一端连接；温度控制仪另一端连接第一加热模块。

于一实施例中，内壳体内设有第二加热模块。

第二方面，本申请提供一种用于无重力环境下的铸锭装置的使用方法，使用上述用于无重力环境下的铸锭装置，包括：

控制机构控制液流喷射机构喷射熔化后的原料，以使熔化后的原料进入铸锭成型机构内；

控制机构控制冷却模块冷却到预设温度，以使熔化后的原料在针状合金板上凝固成锭。

本申请与现有技术相比的有益效果是：

本申请的铸锭装置应用在太空无重力的条件下，可以避免熔化的原料在针状合金板上凝固的过程中，出现自然对流产生的宏观偏析，导致铸锭的性能降低的问题，而且，太空环境下熔化的原料具有较高的润湿性和毛细管，不会出现氧化的问题，有利于铸锭的成型。

其次，通过控制机构控制冷却模块冷却到预设温度，可以使熔化的原料在针状合金板上，迅速凝固，得到细小等轴晶构成的铸锭，由此获得理想的铸件预制体。

再者，本申请中采用密集针状合金板，熔化的原料液滴初始钉扎在针尖及针间后凝固形成一层铸锭基面，可以使后续液滴在此基础上继续冷却凝固，最终形成一个完整的铸锭，由此，可使液流喷射机构喷射的熔化的原料有效地吸附在针状合金板上，避免熔化的原料飞溅导致无法成型。

附图说明

为了更清楚地说明本申请实施例的技术方案，下面将对实施例中所需要使用的附图作简单地介绍，应当理解，以下附图仅示出了本申请的某些实施例，因此不应被看作是对范围的限定，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他相关的附图。

图1为本申请一实施例提供的用于无重力环境下的铸锭装置的结构示意图。

图2为本申请一实施例提供的铸锭成型机构主视图。

图3为本申请一实施例提供的铸锭成型机构左视图。

图标：1-液流喷射机构；11-坩埚；12-第一加热模块；13-喷管；14-永磁体；15-震荡头；16-压电振荡器；17-温度控制仪；18-热电偶；2-铸锭成型机构；21-外壳体；211-内壳体；2111-第二加热模块；22-针状合金板；23-冷却模块；231-冷却板；232-液氦储集单元；233-输液管；234-氦气收集单元；235-输气管；24-三维移动平台；3-控制机构；31-线圈；32-电源；33-摄像模块；34-微机控制模块；341-主板；342-信号发生器；343-图像采集卡。

具体实施方式

术语“第一”、“第二”、“第三”等仅用于区分描述，并不表示排列序号，也不能理解为指示或暗示相对重要性。

此外，术语“水平”、“竖直”、“悬垂”等术语并不表示要求部件绝对水平或悬垂，而是可以稍微倾斜。如“水平”仅仅是指其方向相对“竖直”而言更加水平，并不是表示该结构一定要完全水平，而是可以稍微倾斜。

在本申请的描述中，需要说明的是，术语“内”、“外”、“左”、“右”、“上”、“下”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，或者是该申请产品使用时惯常摆放的方位或位置关系，仅是为了便于描述本申请和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本申请的限制。

在本申请的描述中，除非另有明确的规定和限定，术语“设置”、“安装”、“相连”、“连接”应做广义理解，例如，可以是固定连接，也可以是可拆卸连接，或一体地连接；可以是机械连接，也可以是电连接；可以是直接相连，也可以通过中间媒介间接相连，可以是两个元件内部的连通。

下面将结合附图对本申请的技术方案进行清楚、完整地描述。

请参照图1，其为本申请一实施例示出的用于无重力环境下的铸锭装置的结构示意图。一种用于太空环境下的铸锭装置，包括：液流喷射机构1、铸锭成型机构2和控制机构3，液流喷射机构1内设置有第一加热模块12。

于一操作过程中，设定预设熔点温度，第一加热模块12对放入到液流喷射机构1内的原料进行加热，加热到预设熔点温度后，使原料熔化，其中，预设的熔点温度可根据原料的熔点进行设定，于一实施例中，液流喷射机构1的喷射原料可以是镁合金、锌合金、铝合金、钛合金中的一种或几种。

铸锭成型机构2包括外壳体21、针状合金板22和冷却模块23，外壳体21与液流喷射机构1密封连接，外壳体21内设有内壳体211，针状合金板22设于内壳体211内，且设于液流喷射机构1下方，冷却模块23用于对针状合金板22进行冷却。请参照图2，其为本申请一实施例示出的铸锭成型机构2主视图。于一实施例中，外壳体21与液流喷射机构1密封连接方式可以采用密封圈进行密封，在外壳体21与液流喷射机构1的连接处用O型密封圈进行密封，也可以采用螺纹密封的方式，或在外壳体21与液流喷射机构1的连接处采用螺纹联接垫片进行密封，本案不以此为限。故本实施例的铸锭成型机构2通过外壳体21与液流喷射机构1密封连接，可使铸锭过程处于密封状态。

本实施例中，控制机构3分别与液流喷射机构1和铸锭成型机构2连接。为实现控制机构3对液流喷射机构1和铸锭成型机构2的控制，可以采用电性连接的方式。

本实施例中，控制机构3包括：线圈31、电源32、摄像模块33和微机控制模块34，线圈31设于内壳体内211上；电源32与线圈31连接；摄像模块33设于内壳体211内；微机控制模块34与电源32和摄像模块33电性连接。

微机控制模块34包括：主板341、信号发生器342和图像采集卡343，信号发生器342与主板341电性连接；图像采集卡343一端与主板341电性连接，另一端与摄像模块33电性连接。

液流喷射机构1包括：坩埚11、喷管13和永磁体14，第一加热模块12设于坩埚11上；喷管13一端设于坩埚11底部，另一端与主板341连接；永磁体14环设于喷管13侧壁。基于上述设置使原料能够受到牵引力从喷管13喷出。

于一操作过程中，将原料放置于液流喷射机构1的坩埚11内，将外壳体21与坩埚11进行密封，使铸锭过程处于密封状态而与外界无自然对流产生；在预设好熔点温度后，第一加热模块12加热使原料熔化；通过控制机构3中的主板341控制喷管13开启。喷管13内的原料受到永磁体14的牵引力从喷管13喷出，喷出的原料液滴落入到针状合金板22上凝固成铸锭。

主板341控制电源32开启，线圈31通电，通过摄像模块33监控喷管13喷出的原料液滴的过程，并将图像通过图像采集卡343传输到微机控制模块34的显示界面，实现对液流喷射机构1的实时监控，从而通过主板341控制线圈31的电流大小，从而改变偏转磁场的强度大小，以此控制喷管13喷射熔化原料液滴的方向、角度和速度，形成尺寸规整、组织均匀的铸锭。

于一实施例中，永磁体14可以用加电极板来代替。由此产生使喷管13喷出熔化原料液滴的牵引力。

为控制坩埚11内的加热温度，使坩埚11内的原料能够充分熔化，本实施例中，液流喷射机构1还包括温度控制仪17和热电偶18，热电偶18设于坩埚11内，与温度控制仪17一端连接；温度控制仪17另一端连接第一加热模块12。

通过热电偶18测量坩埚11内熔化的原料的温度，并把温度信号转换成电信号，并由电气仪表转换成被测介质的温度。通过温度控制仪17控制第一加热模块12，进而达到对坩埚11内的熔化温度的控制。

为了进一步使原料加热后能够更充分地熔化，本实施例中，液流喷射机构1还包括震荡头15和压电振荡器16，震荡头15一端设于坩埚11内，另一端连接压电振荡器16一端；压电振荡器16另一端与信号发射器342连接。

将压电振荡器16一端与信号发射器342电性连接，另一端连接震荡头15，通过主板341控制，发送信号指令给信号发射器342，信号发射器342接收该信号指令并传输给压电振荡器16，使压电振荡器16工作，带动震荡头15振动，震动头15的振动可使原料充分熔化，使喷管13喷出的熔化原料破裂为均匀的液滴。

为了使喷管13喷射的熔化原料有效地吸附在针状合金板22上，避免过分飞溅导致无法成型，铸锭成型机构2还包括：三维移动平台24，三维移动平台24与主板341电性连接，用于驱动针状合金板22移动。

为了使喷管13喷出的熔化原料在针状合金板22上迅速凝固，冷却模块23包括：冷却板231、液氦储存单元232和氦气收集单元234，冷却板231设于针状合金板22和三维移动平台24之间；液氦储存单元232一端与三维移动平台24一端通过输液管233连接，另一端与主板341连接；氦气收集单元234与三维移动平台24另一端通过输气管235连接。

于一操作过程中，为了得到细小等轴晶构成的铸锭，获得理想的铸件预制体，在液流喷射机构1工作前，先通过主板341控制液氦储存单元232持续产生冷却介质液氦，并通过输液管233输送到冷却板231内，冷却的温度根据原料的凝固点而定。通过主板341控制三维平台24移动，并通过摄像模块33监测熔化的原料液滴的喷射位置、方向，主板341控制三维移动平台24与喷管13的相对位置，使熔化的原料液滴均匀落在针状合金板22上，针状合金板22上的针状结构可有效捕捉喷射到针状合金板22上的液滴而不至于弹开散落到内壳体211的其他角落。

在无重力环境中，由于表面张力的原因，熔化的原料液流喷出后迅速变成一个个液滴，喷射到经过冷却板231冷却后的针状合金板22上，并快速凝固后形成固相颗粒，而且在无重力环境下，熔化的原料液滴具有良好的润湿性和毛细管力，也有利于液滴在针状合金板22上的粘附。采用密集针状合金板22，液滴初始钉扎在针尖及针间后凝固形成一层铸锭基面，可以使后续原料液滴在此基础上继续冷却凝固，最终形成一个完整的铸锭；通过冷却板231的冷却后，熔化原料迅速凝固，喷管13持续喷出的原料液滴流对已凝固的铸锭基面不断进行冲击，使得新粘附的原料液滴与铸锭基面形成冶金键合，并在冷却作用下迅速形成细小等轴晶。随着铸锭基面厚度逐渐增加，通过主板341控制三维移动平台24按铸锭参数纵向下降，使铸锭的成型视野始终在摄像模块33的监视之下。

于一实施例中，内壳体211内设有第二加热模块2111。为了保持内壳体211内的温度，避免因液氦储集单元232不断产生冷却介质液氦，导致内壳体211内的温度过低，在内壳体211内设置第二加热模块2111，以维持内壳体211内的合适温度。

于一实施例中，针状合金板22可以替换为强力胶，以便吸附喷射到针状合金板22上的原料液滴。

于一实施例中，针状合金板22上针状结构的根部直径尺寸可设置为1-5mm之间，长度设置为1-50mm之间，针间距设置为0.5-5mm之间，因为针状结构尺寸过小容易被喷射出的原料液滴的动量冲断，针状尺寸过大无法起到针扎液滴的效果。本实施例中，针状合金板22上针状结构的根部直径尺寸设置为3mm，长度为25mm，针间距为2mm。

于一其他实施例中，针状合金板22也可以采用强力胶和针状结构合并设置，以便吸附喷射到针状合金板22上的原料液滴。

于一其他实施例中，主板341控制液氦通过冷却板231的流量大小，流速设置为0.2-5cm³/s之间，这样可以使到达针状合金板22上的熔化原料液滴获得较佳的冷却速率，保证原料液滴及时在针状合金板22的各个位置迅速凝固。本实施例中，流速可设置为2cm³/s。

于一实施例中，为了循环利用液氦，避免液氦的浪费，通过在冷却板231另一端设置氦气收集单元234，使液氦储集单元232产生的液氦流经冷却板231后，经过输气管235进入到氦气收集单元234内，达到对液氦进行回收再利用的目的。

于一实施例中，为了制备板条状铸锭，也可以用如图2所示的封装而成的内壳体211代替针状合金板22，用来冷却、接收喷管13喷射过来的熔化的原料液滴，塑造铸锭的形状。

请参照图3，其为本申请一实施例示出的铸锭成型机构2左视图。为了能够充填长度方向的内壳体211空间，将坩埚11底部的喷管13做成由阵列组成的型式。喷管13阵列式排布，可以使熔化的原料与针状合金板22接触和充填更充分。

本申请提供一种用于无重力环境下的铸锭装置的使用方法，该方法使用如图1所示的用于无重力环境下的铸锭装置，该使用方法包括：

步骤一：控制机构3控制液流喷射机构1喷射熔化后的原料，以使熔化后的原料进入铸锭成型机构2内；

将所需铸锭的原料放入坩埚11内，密封，预设好熔点温度后，开启第一加热模块12对原料进行加热，同时主板341控制压电振荡器16工作，对熔化的原料进行振动搅拌，加热至原料完全融化，保温10分钟，通过微机控制模块34中的主板341控制喷管13呈打开状态，喷管13周围的永磁体14产生偏转磁场，使熔化的原料从喷管13喷出。主板341控制电源32开启，线圈31工作，依靠摄像模块33对液流喷射机构1进行实时监控，观察喷管13喷出的熔化原料液滴的方向，角度等，再通过主板341控制线圈31中电流的大小改变偏转磁场的强度，进而改变喷管13喷出的原料液滴射流的速度和方向，使熔化的原料液滴能够均匀进入铸锭成型机构2内。

步骤二：控制机构3控制冷却模块23冷却到预设温度，以使熔化后的原料在针状合金板22上凝固成锭。

在液流喷射机构1工作前，先通过主板341控制液氦储存单元232持续产生冷却介质液氦，并通过输液管233输送到冷却板231内，冷却的温度根据原料的凝固点而定。例如制造铝合金时，铝合金一般在500-700℃之间发生凝固，通入液氦来冷却冷却板231，需维持在-200-100℃之间的温度才能给到达针状合金板22上的熔化原料液滴一个较佳的冷却速率。

同时开启第二加热模块2111，维持铸锭时内壳体211内的温度，通过控制机构3中的主板341控制三维平台24移动，并通过摄像模块33监测熔化的原料的喷射位置、方向，同时主板341控制三维移动平台24与喷管13的相对位置，使原料液滴均匀落在针状合金板22上，采用密集针状合金板22，液滴初始钉扎在针尖及针间后凝固形成一层铸锭基面，可以使后续液滴在此基础上继续冷却凝固，最终形成一个完整的铸锭；通过冷却板231的冷却后，原料迅速凝固，喷管13持续喷出的原料液滴流对已凝固的铸锭基面不断进行冲击，使得新粘附的原料液滴与铸锭基面形成冶金键合，并在冷却作用下迅速形成细小等轴晶。随着铸锭基面厚度逐渐增加，通过主板341控制三维移动平台24按铸锭参数纵向下降，使铸锭的成型视野始终在摄像模块33的监视之下。经过冷却板231的液氦随着输气管235回收到氦气收集单元234内，进行循环利用。

需要说明的是，在不冲突的情况下，本申请中的实施例中的特征可以相互结合。

以上仅为本申请的优选实施例而已，并不用于限制本申请，对于本领域的技术人员来说，本申请可以有各种更改和变化。凡在本申请的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本申请的保护范围之内。

Claims (10)

1.一种用于无重力环境下的铸锭装置，其特征在于，包括：

液流喷射机构，所述液流喷射机构内设置有第一加热模块；

铸锭成型机构，所述铸锭成型机构包括外壳体、针状合金板和冷却模块，所述外壳体与所述液流喷射机构密封连接，所述外壳体内设有内壳体，所述针状合金板设于所述内壳体内，且设于所述液流喷射机构下方，所述针状合金板上针状结构的根部直径设置为1-5mm之间，长度设置为1-50mm之间，针间距设置为0.5-5mm之间，所述冷却模块用于对所述针状合金板进行冷却；

控制机构，分别与所述液流喷射机构和所述铸锭成型机构连接。

2.根据权利要求1所述的用于无重力环境下的铸锭装置，其特征在于，所述控制机构包括：

线圈，设于所述内壳体上；

电源，与所述线圈连接；

摄像模块，设于所述内壳体上；以及

微机控制模块，与所述电源和所述摄像模块连接。

3.根据权利要求2所述的用于无重力环境下的铸锭装置，其特征在于，所述微机控制模块包括：

主板；

信号发生器，所述信号发生器与所述主板连接；

图像采集卡，所述图像采集卡一端与所述主板连接，另一端与所述摄像模块连接。

4.根据权利要求3所述的用于无重力环境下的铸锭装置，其特征在于，所述液流喷射机构包括：

坩埚，所述第一加热模块设于所述坩埚上；

喷管，所述喷管一端设于所述坩埚底部，另一端与所述主板连接；以及

永磁体，环设于所述喷管侧壁。

5.根据权利要求3所述的用于无重力环境下的铸锭装置，其特征在于，所述铸锭成型机构还包括：

三维移动平台，与所述主板连接，用于驱动所述针状合金板移动。

6.根据权利要求5所述的用于无重力环境下的铸锭装置，其特征在于，所述冷却模块包括：

冷却板，设于所述针状合金板和所述三维移动平台之间；

液氦储存单元，所述液氦储存单元一端与所述三维移动平台一端通过输液管连接，另一端与所述主板连接；以及

氦气收集单元，与所述三维移动平台另一端通过输气管连接。

7.根据权利要求4所述的用于无重力环境下的铸锭装置，其特征在于，所述液流喷射机构还包括震荡头和压电振荡器，

所述震荡头一端设于所述坩埚内，另一端连接所述压电振荡器一端；

所述压电振荡器另一端与所述信号发生器连接。

8.根据权利要求4所述的用于无重力环境下的铸锭装置，其特征在于，所述液流喷射机构还包括温度控制仪和热电偶，

所述热电偶设于所述坩埚内，与所述温度控制仪一端连接；

所述温度控制仪另一端连接所述第一加热模块。

9.根据权利要求1所述的用于无重力环境下的铸锭装置，其特征在于，所述内壳体内设有第二加热模块。

10.一种用于无重力环境下的铸锭装置的使用方法，其特征在于，使用如权利要求1-9任一项所述的铸锭装置，包括：

控制机构控制所述液流喷射机构喷射熔化后的原料，以使熔化后的原料进入所述铸锭成型机构内；

控制机构控制所述冷却模块冷却到预设温度，以使熔化后的原料在所述针状合金板上凝固成锭。

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