CN1508297A - 一种单晶高温合金电场定向凝固设备 - Google Patents

一种单晶高温合金电场定向凝固设备 Download PDF

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本发明涉及单晶高温合金凝固技术，具体为一种单晶高温合金电场定向凝固设备，具有壳体、加热装置、试样夹持机构和直流电场发生装置，所述夹持机构置于壳体下方，由托架上设有两个夹持杆构成，所述两个夹持杆一端分别与托架上的转轴连接，另一端通过紧固件连接，并且其外侧面分别安装有张紧弹簧，张紧弹簧另一端固定于托架，试样下端穿过壳体底部中间位置开有的孔置于两个夹持杆之间，所述托架开有试样穿过的通孔；所述直流电场发生装置为试样一端与稳压电源的一极之间串联有可编程功能模块，另一端通过夹持杆与稳压电源另一极相连形成的闭合回路。本发明在定向凝固过程中避免杂晶产生、细化单晶高温合金凝固组织、利于快速淬火。

Description

一种单晶高温合金电场定向凝固设备
技术领域
本发明涉及单晶高温合金凝固技术，具体为一种单晶高温合金电场定向凝固设备。
背景技术
单晶高温合金具有优越的高温蠕变性能和低周热疲劳性能，是航空发动机叶片首选高温合金材料。但是单晶高温合金凝固速度较低，凝固组织粗大；同时由于合金化程度高而极易产生溶质偏析，对合金的组织与性能带来不利的影响，限制了单晶高温合金潜力的发挥，细化单晶高温合金凝固组织和降低凝固偏析是材料研究领域孜孜以求的目标。已有的研究结果表明电场能细化金属凝固组织，改善γ′相形貌，减少偏析和显微疏松，有利于提高单晶高温合金使用性能。单晶高温合金相对于普通定向凝固高温合金的优越性在于消除了晶界而提高高温性能，在定向凝固过程中如何避免杂晶的产生是实验和生产中需要认真考虑和应该解决的问题。在普通氩气保护定向凝固设备中，由于氩气流经试管与隔热挡板之间的缝隙，引超热量的散失，造成定向凝固固液界面径向温度梯度增大，不利于直流电场，引入直流电场后，如何进行试样淬火亦为需要解决的问题。
发明内容
本发明的目的在于提供一种在定向凝固过程中避免杂晶产生、细化金属凝固组织、利于快速淬火的单晶高温合金电场定向凝固设备。
本发明的技术方案是具有壳体、加热装置、试样夹持机构和直流电场发生装置，所述夹持机构置于壳体下方，由托架上设有两个夹持杆构成，所述两个夹持杆一端分别与托架上的转轴连接，可以绕转轴转动，另一端通过紧固件连接，并且其外侧面分别安装有张紧弹簧，张紧弹簧另一端固定于托架，试样下端穿过壳体底部中间位置开有的孔置于两个夹持杆之间，所述托架开有试样穿过的通孔；所述直流电场发生装置为试样一端与稳压电源的一极之间串联有可编程功能模块，另一端通过夹持杆与稳压电源另一极相连形成的闭合回路，所述稳压电源电流为0～60A；
所述两个夹持杆的相对侧面开有相对应的槽，与夹持的试样相配合；所述两个夹持杆外侧分别设有冷却水管；所述紧固件为紧固螺钉；
所述加热装置由感应加热器与感应体构成，感应体底部设有隔热挡板，感应体的顶部以及外侧周围至壳体内侧壁之间设有保温棉，感应体与壳体内侧壁之间的保温棉扎有通气孔；所述隔热挡板为圆柱体，中间开有圆柱孔，底部开出辐射状通气沟槽；所述保温棉为Al2O3保温棉；所述壳体为石英玻璃罩；所述感应体为石墨感应体。
本发明具有如下特点：
1.本发明引入直流电场，从而在定向凝固中可以施加电场，通过可编程程序模块实现多种电场施加模式，能细化金属凝固组织，改善γ′相形貌，减少偏析和显微疏松，有利于提高单晶高温合金使用性能。
2.本发明采用的氩气流动路线实现流经定向凝固固液界面氩气流很小，确保定向凝固固液界面径向温度梯度减小，降低杂晶产生的可能性，已凝固部分保持单晶状态。
3.本发明采用可快速打开的水冷夹持机构，将试样底部热量迅速带走，可以同时作为引入直流电场的一极，夹持机构可快速打开，试样凝固固液界面淬火时能够快速淬火。
4.本发明电场定向凝固实验设备加热温度可达1700℃，单晶高温合金凝固时温度梯度为200℃/cm。
5.本发明感应加热磁场对液态金属的电磁感应作用被屏蔽，避免感应加热磁场对液态金属的搅拌作用。
6.本发明氩气的良好保护作用，高温合金试样氧化轻微，石墨感应体烧损非常少。
附图说明
图1为本发明结构示意图。
图2为本发明加热装置电器原理图。
图3为本发明氩气保护气帘的形成示意图。
图4为本发明夹持机构结构示意图。
图5为本发明直流电场发生装置原理简图。
具体实施方式
如图1所示，单晶高温合金电场定向凝固设备结构包括三部分：加热装置4、夹持机构7及直流电场发生装置。下面就此进行详细介绍。
加热装置4采用IGBT超音频电源产生单相交流电，经变压器降压后送至感应加热器41，感应加热器41加热石墨感应体42，石墨感应体42以辐射方式加热试样3，整个装置电器原理如图2所示。
石墨感应体42周围采用高纯度Al2O3保温棉11保温，Al2O3保温棉11耐火度高于1700℃，具有良好的保温效果，加热炉在1550℃下工作两小时后，石英玻璃罩(壳体)2温度仍低于400℃，选择泡沫耐火砖制作隔热挡板，隔热挡板5做成圆柱状，中间开有圆柱孔，底部开出辐射状通气沟槽；石墨感应体42上方Al2O3保温棉11与Al2O3坩埚10间隙被捣实，尽量减少氩气的通过，感应体42与石英玻璃罩2内侧壁之间的Al2O3保温棉11扎有通气孔，使来自氩气入口1的氩气主要从石英玻璃罩内壁和泡沫耐火砖制的隔热挡板5底部辐射状通气沟槽流过；石英玻璃罩2底部中间位置开有比Al2O3坩埚外径稍大的孔，以便Al2O3坩埚从石英玻璃罩2底部穿出，氩气从二者的孔隙氩气出口6处流出，实现氩气的密封保护。
图3为设备中氩气保护气帘的形成示意图，凝固界面处氩气流很小，使得凝固界面保持水平，减少凝固中杂晶的产生的可能性。
石英玻璃罩2分成三节，上节玻璃罩开有电线引入孔，孔径略大于电线直径，定向凝固期间，电线可自由下降，在更换试样3时仅需打开本节玻璃罩，上节玻璃罩设有氩气入口1，中间玻璃罩可仅在更换石墨感应体42和隔热挡板5时打开；石墨感应体42、隔热挡板5和保温棉全部置于石英玻璃罩2下节内，试样3在石英玻璃罩下节底部孔中穿过。
根据长期统计结果，电流为0～60A/cm2，在单晶高温合金电场定向凝固设备上，DD3单晶高温合金定向凝固后，90％以上的试样仍保持单晶状态，而在常规设备上，30％以上的试样出现杂晶。
石英玻璃罩内的空气被充分驱逐出来，单晶高温合金完全处于氩气气氛中，烧损非常少，空气对高温合金熔体的氧化显著减轻，定向凝固石墨感应体，烧损非常少。
氩气主要从石英玻璃罩2内壁和隔热挡板5下方流过时，减少氩气带走的热量，IGBT超音频电源所需的功率有所降低，具有一定的节能效果。
如图4所示夹持机构结构示意图，所述夹持机构7置于壳体2下方，由托架74上设有两个夹持杆75构成，试样3底部穿过壳体2底部中间位置开有的孔置于两个夹持杆75之间，试样3下端被夹持杆75固定在略大于其半径的圆弧槽处，夹持杆75可围绕转轴76在托架74平面上转动，在紧固件(紧固螺钉)72夹持力的作用下，将试棒2牢牢夹住；两个夹持杆75一端分别与托架74上的转轴76连接，另一端通过紧固件(紧固螺钉)72连接，并且其外侧面分别安装有张紧弹簧73，张紧弹簧73另一端固定于托架74，所述夹持杆采用具有优良导热性能的铜合金制成，外侧焊有冷却水管71(铜管)，在冷却水的作用下，将试样3底部热量迅速带走，因而定向凝固试样固液界面前沿具较高的温度梯度，在加热温度为1550℃时，DD3高温合金定向凝固固液界面前沿温度梯度达到200℃/cm，夹持螺钉72打开时，夹持杆75在张紧弹簧73力的作用下迅速打开，试样3穿过托架74上的通孔掉入淬火机构内。
图5为直流电场发生装置原理简图，定向凝固过程中试样3中间部分为液态，两端保持固态，试样3顶端用钼丝连接，通过可编程功能模块8与稳压电源9的正极相连，试样3下端通过夹持杆75与稳压电源9的负极相连，形成闭合回路，稳压电源电流在0～60A范围内连续可调，可编程功能模块8为现有技术，如采用：台湾Array电器有限公司生产的AF-10M2-A型可编程功能模块，可实现多种定时开关功能。

Claims (6)

1.一种单晶高温合金电场定向凝固设备，具有壳体(2)、加热装置(4)，其特征在于还包括试样夹持机构(7)和直流电场发生装置，所述夹持机构(7)置于壳体(2)下方，由托架(74)上设有两个夹持杆(75)构成，所述两个夹持杆(75)一端分别与托架(74)上的转轴(76)连接，另一端通过紧固件(72)连接，并且其外侧面分别安装有张紧弹簧(73)，张紧弹簧(73)另一端固定于托架(74)，试样(3)下端穿过壳体(2)底部中间位置开有的孔置于两个夹持杆(75)之间，所述托架(74)开有试样(3)穿过的通孔；所述直流电场发生装置为试样(3)一端与稳压电源(9)的一极之间串联有可编程功能模块(8)，另一端通过夹持杆(75)与稳压电源(9)另一极相连形成的闭合回路。
2.按照权利要求1所述单晶高温合金电场定向凝固设备，其特征在于所述两个夹持杆(75)的相对侧面开有相对应的槽，与夹持的试样(3)相配合。
3.按照权利要求1或2所述单晶高温合金电场定向凝固设备，其特征在于所述两个夹持杆(75)外侧分别设有冷却水管(71)。
4.按照权利要求1所述单晶高温合金电场定向凝固设备，其特征在于所述加热装置(4)由感应加热器(41)与感应体(42)构成，感应体(42)底部设有隔热挡板(5)，感应体(42)的顶部以及外侧周围至壳体(2)内侧壁之间设有保温棉(11)，感应体(42)与壳体(2)内侧壁之间的保温棉(11)扎有通气孔；所述隔热挡板(5)为圆柱体，中间开有圆柱孔，底部开出辐射状通气沟槽。
5.按照权利要求4所述单晶高温合金电场定向凝固设备，其特征在于所述保温棉(11)为Al2O3温棉；所述壳体(2)为石英玻璃罩；所述感应体(42)为石墨感应体。
6.按照权利要求1所述单晶高温合金电场定向凝固设备，其特征在于所述稳压电源(9)电流为0～60A。
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