CN115958182B - 基于生物基因高通量工程的高温合金成型装置及方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了基于生物基因高通量工程的高温合金成型装置。所述装置包括搬运真空腔室、熔铸真空腔室、传递真空腔室、高通量配置真空腔室、熔铸坩埚、合金元素真空加注器、合金元素棒。本发明在高温合金试样技术领域内首次提出生物基因高通量工程的思路加工高温合金试验件成型的装置和方法。本发明将生物基因工程的高通量思路运用在铸造高温合金上，结合计算材料学，完成几万个形状相同、金属元素不同的高温合金试验件制备。
Description
技术领域
本发明涉及高温合金试样技术领域， 具体涉及基于生物基因高通量工程的高温合金成型装置及方法。
背景技术
铸造高温合金新材料开发主要依赖实验直接获得。铸造高温合金新材料开发根据计算材料学，形状相同，内部多种金属元素配比不同的铸造高温合金试验件，需几万个样本。显然，现有制作高温合金试验件的设备几万次循环，会导致制备周期长，数据管理难。因此，迫切需要一种通量型高温合金试验件成型装置及方法。生物基因高通量工程的设计方法首先是在生物医药领域内提出并应用，解决海量的生物检测、基因测序等领域，但是在高温合金试样铸造领域内从未有过该设计思路。
发明内容
针对现有技术的不足，本发明提供了基于生物基因高通量工程的高温合金成型装置及方法，解决了背景技术中的问题。
基于生物基因高通量工程的高温合金成型装置，包括搬运真空腔室1、熔铸真空腔室2、传递真空腔室3、高通量配置真空腔室4、熔铸坩埚5、合金元素真空加注器6、合金元素棒9；
传递真空腔室3两端分别密封连通搬运真空腔室1，搬运真空腔室1密封连通熔铸真空腔室2或高通量配置真空腔室4；
搬运真空腔室1内置有真空机械手，能够将熔铸坩埚5在熔铸真空腔室2、传递真空腔室3和高通量配置真空腔室4之间传递，熔铸真空腔室2内置真空加热感线圈，能够对熔铸坩埚5实施高温熔铸工艺；
高通量配置真空腔室4上安装有合金元素真空加注器6，从大气侧向真空内持续加注合金元素，
其中，合金元素真空加注器6包括伺服进动电缸7、元素棒托举器8、真空刨削腔10、刨削动力缸11 、刨削刀具12、刨削轴13、直线运动磁流体真空密封14和进料真空磁流体密封15，并且，刨削刀具12与刨削轴13固定，
伺服进动电缸7的伸缩头伺服推动元素棒托举器8托举的合金元素棒9进入真空刨削腔10，刨削动力缸11的伸缩头伺服推动刨削轴13和刨削刀具12上下直线运动刨削合金元素棒9，并且，高通量配置真空腔室4与真空刨削腔10之间制有通孔，能够使得刨削刀具12刨削的合金屑末落入高通量配置真空腔室4内放置的熔铸坩埚5内，
进料真空磁流体密封15包含磁极16、磁流体液体17和闭合磁力线18，相邻磁极16之间含有磁流体液体17，磁极16与磁流体液体17之间形成闭合磁力线18实现真空密封，直线运动磁流体真空密封14与进料真空磁流体密封15结构一致，合金元素棒9持续进动至真空刨削腔10内时，通过进料真空磁流体密封15实现真空刨削腔10的真空动密封，刨削轴13持续上下直线运动时，通过直线运动磁流体真空密封14实现真空刨削腔10与外侧大气环境的真空动密封。
优选，搬运真空腔室1包括密封面101、对接密封口102、腔体外壳103、透明观察窗104和真空机械手105。密封面101和对接密封口102能够与熔铸真空腔室2或传递真空腔室3或高通量配置真空腔室4真空密封对接，真空机械手105能够将熔铸坩埚5通过对接密封口102，在接熔铸真空腔室2、传递真空腔室3和高通量配置真空腔室4之间传递。
优选，熔铸坩埚5制有若干个规则排列的异形熔铸腔501。
优选，熔铸真空腔室2包括前高真空插板阀201、腔体202、后高真空插板阀203、门204 、真空机械手接口205、托举位206和真空加热感线圈，前高真空插板阀201后高真空插板阀203和门204用于打开/闭合腔体202，真空机械手接口205用于与密封面101和对接密封口102进行真空密封对接，并且能够使得真空机械手105传递熔铸坩埚5，托举位206用于熔铸坩埚5放置，腔体202内置真空加热感线圈，能够对熔铸坩埚5实施高温熔铸工艺。
优选，传递真空腔室3包括腔体301、前真空机械手接口302、后真空机械手接口303和托举位304，前真空机械手接口302和后真空机械手接口303用于与密封面101和对接密封口102进行真空密封对接，托举位304用于熔铸坩埚5放置。
优选，高通量配置真空腔室4包括腔体401、前真空机械手接口402和托举位403，前真空机械手接口402用于与密封面101和对接密封口102进行真空密封对接，托举位403用于熔铸坩埚5放置，并且，腔体401的上表面制有与合金元素真空加注器6配合使用的通孔。
优选，合金元素棒9包括内芯901和外套902。外套902优选铁磁性元素例如镍。内芯901和外套902均为高温合金需要调配的合金元素之一。高温合金试验件是否含有磁性取决于高温熔铸工艺。比如同样是不锈钢马氏体和奥氏体不同的晶向组织表现的磁性完全反向。
一种高通量型高温合金试验件成型方法，包括如下步骤：
1. 对于任意一个熔铸真空腔室2，将前高真空插板阀201关闭，破除内部高真空，后高真空插板阀203和门204打开，放入熔铸坩埚5；
2. 后高真空插板阀203和门204关闭，内抽真空，前高真空插板阀201打开，搬运真空腔室1内置的真空机械手105取熔铸坩埚5；
3. 通过真空机械手105之间的传递将熔铸坩埚5放置在传递真空腔室3的托举位304上；
4. 通过真空机械手105之间的传递托举位304上取出将熔铸坩埚5并传递到高通量配置真空腔室4内的托举位403上，并使得熔铸坩埚5的异形熔铸腔501能够一一对应的承接合金元素真空加注器6刨削落下的合金屑末；
5. 当在一个高通量配置真空腔室4内完成合金元素的添置后，通过真空机械手5将熔铸坩埚5传递到其他高通量配置真空腔室4内的托举位403上，再次进行合金元素的添置，该步骤持续进行直至完成通过计算材料学规划完成对每一个异形熔铸腔501的合金元素的添置；
6. 然后通过真空机械手105之间的传递将合金元素调配好的熔铸坩埚5放置到熔铸真空腔室2的托举位206上；
7. 前高真空插板阀201关闭，后高真空插板阀203和门204关闭，抽真空，腔体202内部的真空加热感线圈熔铸坩埚5实施高温熔铸制备高温合金试验件19；
8. 高温合金试验件19制备完成后，前高真空插板阀201关闭，破除内部高真空，后高真空插板阀203和门204打开，取出即得高温合金试验件19。
有益效果
本发明在高温合金试样技术领域内首次提出生物基因高通量工程的思路加工高温合金试验件成型的装置和方法。本发明将生物基因工程的高通量思路运用在铸造高温合金上，结合计算材料学，完成几万个形状相同、金属元素不同的高温合金试验件制备。同时，本发明的装置多组串行效率高，每个熔铸坩埚5含有几十甚至上百个个试样。而且，合金元素成分调配、抽真空、破真空、高温合金熔铸工艺并行，具有效率高的优点，同时，自动化程度高，极大减少人工出错可能性。而且，本发明适合高混产，甚至可以达到每件合金元素不同，适合计算材料学，也适合高通量试验技术。
本发明的其它特征和优点将在随后的说明书中阐述，并且，部分地从说明书中变得显而易见，或者通过实施本发明而了解。
附图说明
下面结合附图对本发明作进一步详述。
图 1、基于生物基因高通量工程的高温合金成型装置及方法的轴侧视图。
图 2、搬运真空腔室的轴侧视图。
图 3、熔铸真空腔室的轴侧视图。
图 4、传递真空腔室的轴侧视图。
图5、高通量配置真空腔室的轴侧视图。
图6、合金元素真空加注器的轴侧视图。
图7、合金元素真空加注器的剖面视图。
图8、连续合金元素棒磁流体真空密封原理图。
图9、熔铸坩埚的轴侧视图。
图10、高温合金试验件的轴侧视图。
实施方式
下面将对本发明进行更详细的描述，其中表示了本发明的优选实施例，应该理解本领域技术人员可以修改在此描述的本发明而仍然实现本发明的有益效果。因此，下列描述应当被理解为对于本领域技术人员的广泛知道，而并不作为对本发明的限制。
实施例
如图1～10所示，基于生物基因高通量工程的高温合金成型装置，包括搬运真空腔室1、熔铸真空腔室2、传递真空腔室3、高通量配置真空腔室4、熔铸坩埚5、合金元素真空加注器6、合金元素棒9；
传递真空腔室3两端分别密封连通搬运真空腔室1，搬运真空腔室1密封连通熔铸真空腔室2或高通量配置真空腔室4，，熔铸真空腔室2内置真空加热感线圈，能够对熔铸坩埚5实施高温熔铸工艺；
搬运真空腔室1内置有真空机械手，能够将熔铸坩埚5在熔铸真空腔室2、传递真空腔室3和高通量配置真空腔室4之间传递；
高通量配置真空腔室4上安装有合金元素真空加注器6，从大气侧向真空内持续加注合金元素，
其中，合金元素真空加注器6包括伺服进动电缸7、元素棒托举器8、真空刨削腔10、刨削动力缸11 、刨削刀具12、刨削轴13、直线运动磁流体真空密封14和进料真空磁流体密封15，并且，刨削刀具12与刨削轴13固定，
伺服进动电缸7的伸缩头伺服推动元素棒托举器8托举的合金元素棒9进入真空刨削腔10，刨削动力缸11的伸缩头伺服推动刨削轴13和刨削刀具12上下直线运动刨削合金元素棒9，并且，高通量配置真空腔室4与真空刨削腔10之间制有通孔，能够使得刨削刀具12刨削的合金屑末落入高通量配置真空腔室4内放置的熔铸坩埚5内，
其中，进料真空磁流体密封15包含磁极16、磁流体液体17和闭合磁力线18，相邻磁极16之间含有磁流体液体17，磁极16与磁流体液体17之间形成闭合磁力线18实现真空密封，直线运动磁流体真空密封14与进料真空磁流体密封15结构一致，
合金元素棒9持续进动至真空刨削腔10内时，通过进料真空磁流体密封15实现真空刨削腔10的真空动密封，刨削轴13持续上下直线运动时，通过直线运动磁流体真空密封14实现真空刨削腔10与外侧大气环境的真空动密封。
如图1所示，高通量型高温合金试验件成型装置一种实施构型为，两个搬运真空腔室1、五个熔铸真空腔室2、一个传递真空腔室3、五个高通量配置真空腔室4共同组成一套基于生物基因高通量工程的高温合金成型装置。一个传递真空腔室3的真空密封接口分别两个两个搬运真空腔室1。一个搬运真空腔室1真空密封对接五个熔铸真空腔室2。另外一个搬运真空腔室1真空密封对接高通量配置真空腔室4。根据半导体真空室常规设计规划可以对接出任意个高通量配置真空腔室4对接任意个熔铸真空腔室2。
如图2所示，搬运真空腔室1为多边形状，本实施例为六边形状。搬运真空腔室1包括密封面101、对接密封口102、腔体外壳103、透明观察窗104和真空机械手105。密封面101和对接密封口102可与熔铸真空腔室2、传递真空腔室3和高通量配置真空腔室4进行真空密封对接。真空机械手105可以将熔铸坩埚5通过对接密封口102，在接熔铸真空腔室2、传递真空腔室3和高通量配置真空腔室4之间传递。
如图3所示，熔铸真空腔室2包括前高真空插板阀201、腔体202、后高真空插板阀203、门204 、真空机械手接口205和托举位206。前高真空插板阀201后高真空插板阀203和门204用于打开/闭合腔体202，真空机械手接口205用于与密封面101和对接密封口102进行真空密封对接。托举位206用于熔铸坩埚5放置，放置过程可以为真空机械手105，也可以为人工操作。前高真空插板阀201、后高真空插板阀203和门204的用法为如下三个状态：
状态1、前高真空插板阀201关闭，破除内部高真空，后高真空插板阀203和门204打开。人工或系统机械手取放熔铸坩埚5。人工作业与系统其它作业并行。
状态2、前高真空插板阀201关闭，后高真空插板阀203和门204关闭。抽真空，腔体202内部的真空加热感线圈熔铸坩埚5进行实施高温熔铸工艺。实施高温熔铸工艺与系统其它作业并行。
状态3、内抽真空，前高真空插板阀201打开，后高真空插板阀203和门204关闭。真空机械手105取放熔铸坩埚5。真空机械手105作业与系统其它作业并行。
如图4所示，传递真空腔室3包括腔体301、前真空机械手接口302、后真空机械手接口303和托举位304，前真空机械手接口302和后真空机械手接口303用于与密封面101和对接密封口102进行真空密封对接。托举位304用于熔铸坩埚5放置。
如图5所示，高通量配置真空腔室4包括腔体401、前真空机械手接口402、和托举位403，前真空机械手接口402用于与密封面101和对接密封口102进行真空密封对接，托举位403用于熔铸坩埚5放置，并且，腔体401的上表面制有与合金元素真空加注器6配合使用的通孔。高通量配置真空腔室4配置N列合金元素真空加注器6。
如图6所示，元素棒托举器8上端V型托举并定位合金元素棒9的侧面，且至少能容纳两个合金元素棒9，使其具有连续供料的功能。
每个合金元素棒9包括内芯901和外套902。高温合金试验件是否含有磁性取决于高温熔铸工艺。比如同样是不锈钢马氏体和奥氏体不同的晶向组织表现的磁性完全相反。本实施例外套902优选铁磁性元素镍，且内芯901和外套902均为高温合金需要调配的合金元素之一。同时，异形熔铸腔501加注的合金元素量，由刨削刀具12刨削合金元素棒9的次数和量所决定。
如图8所示，闭合磁力线18形成密封，若干对磁极16 和磁流体液体17形成对应的闭合磁力线18，进料真空磁流体密封15能够完全实现合金元素棒9持续从大气侧进入真空侧的进动过程中，真空刨削腔10外侧大气环境和内部真空环境的真空动密封。
如图9所示，本实施例中熔铸坩埚5为矩形，制有M行和N列的异形熔铸腔501，本发明实施例是10×10=100个异形熔铸腔501。图9中确认倒角503是上下游设备识别标示。每个异形熔铸腔501内部的合金元素种类与含量均是不同的，进入真空系统前异形熔铸腔501是空的，完成高温合金试验件制备后，下一流程激光打标，出来后利用熔铸坩埚5易碎性，粉碎异形熔铸腔501，会得到M×N个带有标示的高温合金试验件。
高温合金试验件19可以是任意可铸造形状，如图10所示，本实施例是为高温、腐蚀的疲劳旋转筛选实验用。高温合金试验件19包括合金棒头1901、合金棒变径1902和合金棒头杆1903。
高通量型高温合金试验件成型方法，包括如下步骤：
1. 对于任意一个熔铸真空腔室2，将前高真空插板阀201关闭，破除内部高真空，后高真空插板阀203和门204打开，放入熔铸坩埚5；
2. 后高真空插板阀203和门204关闭，内抽真空，前高真空插板阀201打开，搬运真空腔室1内置的真空机械手105取熔铸坩埚5；
3. 搬运真空腔室1内置的真空机械手105将熔铸坩埚5放置在传递真空腔室3的托举位304上；
4. 另外一个搬运真空腔室1内置的真空机械手105，从托举位304上取出将熔铸坩埚5并传递到高通量配置真空腔室4内的托举位403上，并使得熔铸坩埚5的异形熔铸腔501能够一一对应的承接合金元素真空加注器6刨削落下的合金屑末；
5. 当在一个高通量配置真空腔室4内完成合金元素的添置后，通过真空机械手5将熔铸坩埚5传递到其他高通量配置真空腔室4内的托举位403上，再次进行合金元素的添置，该步骤持续进行直至完成通过计算材料学规划完成对每一个异形熔铸腔501的合金元素的添置；
6. 然后通过真空机械手105之间的传递将合金元素调配好的熔铸坩埚5放置到熔铸真空腔室2的托举位206上；
7. 前高真空插板阀201关闭，后高真空插板阀203和门204关闭，抽真空，腔体202内部的真空加热感线圈熔铸坩埚5实施高温熔铸制备高温合金试验件19；
8. 高温合金试验件19制备完成后，前高真空插板阀201关闭，破除内部高真空，后高真空插板阀203和门204打开，取出即得高温合金试验件19。
本发明在高温合金试样技术领域内首次提出高通量的思路加工高温合金试验件成型的装置和方法。本发明借助生物制药的高通量思路，将生物学的模拟与计算交叉应用到合金材料组成、结构、性能、服役性能的计算机模拟与设计领域，用于铸造高温合金上，通过在异形熔铸腔501加注的合金元素量不同，具体数值由计算材料学规划和匹配，可以制备获得几万个形状相同、金属元素不同的高温合金试验件。
以上所述仅为本发明的优选实施例而已，并不用于限制本发明，对于本领域的技术人员来说，本发明可以有各种更改和变化。凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。
Claims (8)
1.基于生物基因高通量工程的高温合金成型装置，其特征在于包括搬运真空腔室、熔铸真空腔室、传递真空腔室、高通量配置真空腔室、熔铸坩埚、合金元素真空加注器、合金元素棒；
传递真空腔室两端分别密封连通搬运真空腔室，搬运真空腔室密封连通熔铸真空腔室或高通量配置真空腔室；
搬运真空腔室内置有真空机械手，能够将熔铸坩埚在熔铸真空腔室、传递真空腔室和高通量配置真空腔室之间传递，熔铸真空腔室内置真空加热感线圈，能够对熔铸坩埚实施高温熔铸工艺；
高通量配置真空腔室上安装有合金元素真空加注器，从大气侧向真空内持续加注合金元素，合金元素真空加注器包括伺服进动电缸、元素棒托举器、真空刨削腔、刨削动力缸 、刨削刀具、刨削轴、直线运动磁流体真空密封和进料真空磁流体密封，并且，刨削刀具与刨削轴固定，伺服进动电缸的伸缩头伺服推动元素棒托举器托举的合金元素棒进入真空刨削腔，刨削动力缸的伸缩头伺服推动刨削轴和刨削刀具上下直线运动刨削合金元素棒，并且，高通量配置真空腔室与真空刨削腔之间制有通孔，能够使得刨削刀具刨削的合金屑末落入高通量配置真空腔室内放置的熔铸坩埚内，
进料真空磁流体密封包含磁极、磁流体液体和闭合磁力线，相邻磁极之间含有磁流体液体，磁极与磁流体液体之间形成闭合磁力线实现真空密封，直线运动磁流体真空密封与进料真空磁流体密封结构一致，合金元素棒持续进动至真空刨削腔内时，通过进料真空磁流体密封实现真空刨削腔的真空动密封，刨削轴持续上下直线运动时，通过直线运动磁流体真空密封实现真空刨削腔与外侧大气环境的真空动密封。
2.根据权利要求1所述基于生物基因高通量工程的高温合金成型装置，其特征在于，搬运真空腔室包括密封面、对接密封口、腔体外壳、透明观察窗和真空机械手；密封面和对接密封口能够与熔铸真空腔室或传递真空腔室或高通量配置真空腔室真空密封对接，真空机械手能够将熔铸坩埚通过对接密封口，在接熔铸真空腔室、传递真空腔室和高通量配置真空腔室之间传递。
3.根据权利要求1所述基于生物基因高通量工程的高温合金成型装置，其特征在于，熔铸坩埚上制有若干个规则排列的异形熔铸腔。
4.根据权利要求1所述基于生物基因高通量工程的高温合金成型装置，其特征在于，熔铸真空腔室包括前高真空插板阀、腔体、后高真空插板阀、门、真空机械手接口、托举位和真空加热感线圈，前高真空插板阀后高真空插板阀和门用于打开/闭合腔体，真空机械手接口用于与密封面和对接密封口进行真空密封对接，并且能够使得真空机械手传递熔铸坩埚，托举位用于熔铸坩埚放置，腔体内置真空加热感线圈，能够对熔铸坩埚实施高温熔铸工艺。
5.根据权利要求1所述基于生物基因高通量工程的高温合金成型装置，其特征在于，传递真空腔室包括腔体、前真空机械手接口、后真空机械手接口和托举位，前真空机械手接口和后真空机械手接口用于与密封面和对接密封口进行真空密封对接，托举位用于熔铸坩埚放置。
6.根据权利要求1所述基于生物基因高通量工程的高温合金成型装置，其特征在于，高通量配置真空腔室包括腔体、前真空机械手接口和托举位，前真空机械手接口用于与密封面和对接密封口进行真空密封对接，托举位用于熔铸坩埚放置，并且，腔体的上表面制有与合金元素真空加注器配合使用的通孔。
7.根据权利要求1所述基于生物基因高通量工程的高温合金成型装置，其特征在于，合金元素棒包括内芯和外套。
8.一种基于生物基因高通量工程的高温合金成型方法，其特征在于使用权利要求1所述的基于生物基因高通量工程的高温合金成型装置，并且包括如下步骤：
1） 对于任意一个熔铸真空腔室，将前高真空插板阀关闭，破除内部高真空，后高真空插板阀和门打开，放入熔铸坩埚；
2） 后高真空插板阀和门关闭，内抽真空，前高真空插板阀打开，搬运真空腔室内置的真空机械手取熔铸坩埚；
3） 通过真空机械手之间的传递将熔铸坩埚放置在传递真空腔室的托举位上；
4） 通过真空机械手之间的传递托举位上取出将熔铸坩埚并传递到高通量配置真空腔室内的托举位上，并使得熔铸坩埚的异形熔铸腔能够一一对应的承接合金元素真空加注器刨削落下的合金屑末；
5） 当在一个高通量配置真空腔室内完成合金元素的添置后，通过真空机械手将熔铸坩埚传递到其他高通量配置真空腔室内的托举位上，再次进行合金元素的添置，该步骤持续进行直至完成通过计算材料学规划完成对每一个异形熔铸腔的合金元素的添置；
6） 然后通过真空机械手之间的传递将合金元素调配好的熔铸坩埚放置到熔铸真空腔室的托举位上；
7） 前高真空插板阀关闭，后高真空插板阀和门关闭，抽真空，腔体内部的真空加热感线圈熔铸坩埚实施高温熔铸制备高温合金试验件；
8） 高温合金试验件制备完成后，前高真空插板阀关闭，破除内部高真空，后高真空插板阀和门打开，取出即得高温合金试验件。
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