CN201500776U - 带有热管冷却系统的高温合金定向凝固装置 - Google Patents

Abstract

本实用新型涉及一种带有热管冷却系统的高温合金定向凝固装置，属高温合金晶相凝固热处理技术领域。本实用新型的特点是采用了热管冷却系统取代了传统常用的单纯水冷却系统。本实用新型装置的结构主要包括有：放置待冷凝处理的合金试样的石英管(1)、热管(2)、冷却水套(3)、液态金属冷却液(4)、隔热挡板(5)、结晶器(6)和抽拉杆(7)。石英管(1)放置于结晶器(6)内的中心位置；热管(2)的一端通过结晶器(6)侧壁开设的圆孔倾斜地插入其中；热管(2)的另一端与冷却水套(3)相连接；热管(2)设有多组，每组6根热管在其投影平面上呈等距离对称星状布置。热管(2)在沿结晶器(6)柱高纵向设有4-6组同样的热管布置形式。本实用新型的装置能提高温度梯度，提高冷却效率，并且有利于高温合金定向凝固的效果。

Description

带有热管冷却系统的高温合金定向凝固装置

技术领域

本实用新型涉及一种带有热管冷却系统的高温合金定向凝固装置，属高温合金晶相凝固热处理技术领域。

背景技术

定向凝固是使用金属或合金由熔体中定向生长晶体的一种工艺方法，用于制备单晶、柱状晶和自生复合材料。定向凝固技术的出现是涡轮叶片发展过程中的一次重大变革。由于采用了定向凝固技术，很大程度上消除了与叶片主应力轴垂直的横向晶界，使高温合金的高温性能得到大幅度的提高。在凝固过程中，凝固速率和液-固界面前沿的温度梯度往往是影响试样组织的两个最重要因素。通过定向凝固获得组织和性能优异的高温合金材料，必须在定向生长过程中固液界面始终保持为平界面。如果固液界面前沿温度梯度较低，凝固参数只能在很小的范围内调节。难以深入研究大范围凝固参数对组织的影响及非共晶生长规律。获得高温度梯度的方法一般为熔体超温处理和降低冷却端的温度。熔体超温处理可在不改变合金化学成分的基础上改善合金的凝固组织以提高合金的高温力学性能。先进的定向凝固装置多采用双区加热器来提高凝固界面前沿附近区域熔体的温度，充分发挥过热度对温度梯度的贡献。冷却部分采用液态金属冷却法，该方法的工艺过程与快速冷却法基本相同，并且较为实用。当合金液浇入铸型后，按照预定的速度将铸型拉出炉体，浸入金属液(如锡、镓铟合金等)，金属液保持在一定温度范围内，并使其水平面保持在凝固的固液界面附近处，用液态金属冷却铸型，以此来进行导热，以控制晶粒长大。定向凝固设备中为了保持液态金属冷却液有着较低的温度，一般设有液态金属的水冷系统，在熔体过热温度一定的情况下，由于水冷所带走的热量有限，冷却速率不能得到提高，且不能始终保持对样品的激冷、形成更高的温度梯度，因此，在液态金属用量一定的情况下，高温合金材料性能的进一步提高也受到了限制。

热管是一种导热效果极好的超级导热元件，导热能力超过铜的数百倍甚至上千倍。它可以在微小的温差范围内反应，自动调节长度方向的温度分布，迅速地传输热量，常被认为是等温元件。若将热管技术应用于上述的冷却系统，无疑会对提高温度梯度起重要的作用。同样，在保持温度梯度一定的情况下，还可以降低液态金属的用量，具有较好的经济效益。

发明内容

本实用新型的目的是提供一种带有热管冷却系统的、具有高温度梯度的高温合金定向凝固装置。

本实用新型一种带有热管冷却系统的高温合金定向凝固装置，包括有：带有待冷凝的合金试样的石英管、热管、冷却水套、液态金属冷却液、隔热挡板、结晶器、抽拉杆；其特征在于：装有待冷凝的合金试样的石英管放置于结晶器的中心位置；结晶器为环状柱体，其内盛放有液态金属冷却液，其顶部设置有中心开有管孔的隔热挡板；热管的一端通过结晶器侧壁开设的圆孔倾斜地插入其中；热管的插入端即为蒸发段；热管的另一端与冷却水套相连接，此端即为冷凝段；热管设有多组，每组6根热管在其投影平面上呈等距离对称星状布置，即相邻两热管间的中心夹角为60°；热管在沿结晶器柱高纵向设有4-6组同样的热管布置形式；在石英管底部底座处设有一个抽拉石英管做垂直移动的抽拉杆；在插入热管的结晶器侧壁的圆孔处设有防止漏液的耐高温密封圈。

所述的热管为重力热管或有芯热管，呈倾斜形式布置；所述热管的壳体材料为铜、铝或不锈钢；所选择的工作介质为甲醇。

所述的液态金属冷却液为镓铟锡低熔点液态合金。

所述的热管可优选的为有芯热管，该热管在其壳体的内壁设有吸液芯，通过该吸液芯，可使工作介质在冷凝段的液态物质藉毛细作用回流到蒸发段。

本实用新型装置的特点是利用热管冷却系统来冷却高温合金定向凝固装置中的液态金属冷却液，从而达到提高温度梯度的目的，本实用新型装置中的热管冷却比以往传统的水冷却，其冷却和凝固效果要更为优越。

本实用新型装置中的热管冷却系统能使液态金属冷却液的温度接近冷却水的温度，故可大大提高冷却效率，并且能节约液态金属的用量。

附图说明

图1为本实用新型带有热管冷却系统的高温合金定向凝固装置简单结构的示意图。

图2为图1的俯视图。

图3为热管与结晶器连接处的结构示意图。

图4为有芯热管结构示意图。

具体实施方式

现将本实用新型的具体实施例叙述于后。

实施例

本实用新型带有热管冷却系统的高温合金或金属的定向凝固装置，与传统常用的定向凝固装置基本相同，其主要的差别是在冷却方式上采用了热管冷却系统，取代了单纯的水冷方式。

参见图1、图2和图3，本实施例中的定向凝固装置，包括有：装有待冷凝处理的合金试样的石英管1、热管2、冷却水套3、液态金属冷却液4、隔热挡板5、结晶器6、抽拉杆7。装有待冷凝处理的合金试样的石英管1放置于结晶器6内的中心位置。结晶器6为环状柱体，结晶器6内盛放有低熔点合金镓铟锡熔液4，结晶器6的顶部设置有中心开有管孔的隔热挡板5，石英管1可从该管孔插入；热管2的一端通过结晶器6侧壁开设的圆孔倾斜地插入其中，热管的插入端即为蒸发段；热管2的另一端与冷却水套3相连接，此端即为冷凝段；冷却水套3为一围结晶器6四周的环形腔体夹层冷却水套，冷却水套3的底部设有进水口，在顶部设有出水口，冷却水来自冷却水槽，为安全起见，供水水槽设有限位传感器，以确保一定水位及防止供水不足；热管2采用有芯热管(参见图4)，该热管在其壳体9的内壁设有吸液芯10，通过该吸液芯10，可使工作介质在冷凝段的液态物质藉毛细作用回流到蒸发段；热管2设有多组，每组6根热管在其投影平面上呈等距离对称星状布置，即相邻两热管间的中心夹角为60°；在沿结晶器柱高纵向设有4组同样布置形式的热管；在石英管底部底座处设有一个抽拉石英管做垂直移动的抽拉杆7；在插入热管的结晶器侧壁的圆孔处设有防止漏液的耐高温密封圈8。

热管2的壳体材料为铜或铝；管内的工作介质为甲醇。

液态金属冷却液为镓铟锡低熔点液态合金。

放置待冷凝处理的合金样品的石英管也可以用Al₂O₃陶瓷管代替。

本实用新型装置中的热管的使用数量、种类、尺寸及安装角度可根据具体工艺要求及金属、合金的种类而定。

本实用新型装置的运作过程简单叙述如下：当液态金属冷却液4温度升高，热量从热管热源(液态金属冷却液4)通过热管管壁和充满工作液体的吸液芯10传递到液汽分界面，工作液体在蒸发段内的液汽分界面上蒸发为蒸汽，蒸汽从蒸发段经过绝热段流到冷凝段，蒸汽在冷凝段的汽液分界面上凝结，热量从汽液分界面通过吸液芯10、工作液体和管壁传给冷源(冷却水套3)，在吸液芯内由于毛细作用使冷凝后的工作液体回流到蒸发段。这样循环往复，将液态金属冷却液4的热量源源不断的被带走，并逐渐接近冷却水的温度。

Claims (4)

1.一种带有热管冷却系统的高温合金定向凝固装置，包括有：装有待冷凝的合金试样的石英管(1)、热管(2)、冷却水套(3)、液态金属冷却液(4)、隔热挡板(5)、结晶器(6)、抽拉杆(7)，其特征在于：装有待冷凝的合金试样的石英管(1)放置于结晶器(6)内的中心位置；结晶器(6)为环状柱体，其内盛放有液态金属冷却液(4)，其顶部设置有中心开有管孔的隔热挡板(5)；热管(2)的一端通过结晶器(6)侧壁开设的圆孔倾斜地插入其中；热管(2)的插入端即为蒸发段；热管(2)的另一端与冷却水套(3)相连接，此端即为冷凝段；热管(2)设有多组，每组6根热管在其投影平面上呈等距离对称星状布置，即相邻两热管间的中心夹角为60°；热管(2)在沿结晶器(6)柱高纵向设有4-6组同样的热管布置形式；在石英管底部底座处设有一个抽拉石英管做垂直移动的抽拉杆(7)；在插入热管的结晶器侧壁的圆孔处设有防止漏液的耐高温密封圈(8)。

2.如权利要求1所述的一种带有热管冷却系统的高温合金定向凝固装置，其特征在于所述的热管为重力热管或有芯热管，呈倾斜形式布置；所述热管的壳体材料为铜、铝或不锈钢；所选择的工作介质为甲醇。

3.如权利要求1所述的一种带有热管冷却系统的高温合金定向凝固装置，其特征在于所述的液态合金冷却液(4)为镓铟锡低熔点液态合金。

4.如权利要求1所述的一种带有热管冷却系统的高温合金定向凝固装置，其特征在于所述的热管可优选的为有芯热管，该热管在壳体(9)的内壁设有吸液芯(10)；通过该吸液芯(10)，可使工作介质在冷凝段的液态物质藉毛细作用回流到蒸发段。

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