CN209264604U - 一种超重力环境下材料高温定向凝固实验装置 - Google Patents

Abstract

本实用新型提供一种超重力环境下材料高温定向凝固实验装置，具备：具有第一实验单元、和第二实验单元的离心机单元；安装于第一实验单元的安瓿单元；温控单元；和控制单元；安瓿单元具备：具有中空内腔的安瓿套管、嵌套安装于安瓿套管内侧底部的副加热组件、安装于副加热组件上部开口处的可熔融基材仓，放置于可熔融基材仓的中空内腔内的可熔融基材，嵌套入安瓿套管和可熔融基材仓内部的坩埚管、以及设于安瓿套管与坩埚管之间的主加热组件；可熔融基材熔融后流入下方的副加热组件的中空内腔中。根据本实用新型，可以在不使用齿轮丝杆等机械传动机构以及电机等外设而简单方便地实现样品材料在超重力条件下的定向凝固。

Description

一种超重力环境下材料高温定向凝固实验装置

技术领域

本实用新型涉及超重力环境下材料高温定向凝固研究技术领域，具体涉及一种超重力环境下材料高温定向凝固实验装置。

背景技术

定向凝固是在凝固过程中采用强制手段，在凝固金属样未凝固熔体中建立起沿特定方向的温度梯度，从而使熔体在气壁上形核后沿着与热流相反的方向，按要求的结晶取向进行凝固的技术。定向凝固技术的最大优势在于，其制备的合金材料消除了基体相与增强相相界面之间的影响，有效地改善了合金的综合性能。同时，该技术也是学者们研究凝固理论与金属凝固规律的重要手段。该技术最初是在高温合金的研制中建立并完善起来的。采用、发展该技术最初是用来消除结晶过程中生成的横向晶界，从而提高材料的单向力学性能。定向凝固技术对金属的凝固理论研究与新型高温合金等的发展提供了一个极其有效的手段。

与通常材料的单纯性凝固和铸造不同，定向凝固实验的实现，都需要通过电机、机构等外设实现下降或温场移动来达到定向凝固的实验目的，而在超重力环境下使用电机和机构的工程难度极大，并且离心机组件中的空间也有限。目前在离心机所产生的超重力环境下已经实现了材料单纯性凝固，却很难实现可控的材料定向凝固的科学实验，但如上述，定向凝固实验本身对材料学研究有着重大意义。

实用新型内容

实用新型要解决的问题：

针对上述问题，本实用新型的目的在于提供一种不使用外部设备而在超重力环境下能可控地进行材料高温定向凝固实验的装置。

解决问题的技术手段：

本实用新型提供一种超重力环境下材料高温定向凝固实验装置，具备：

具有第一实验单元、和与第一实验单元镜像配重的第二实验单元的离心机单元；

安装于所述第一实验单元的安瓿单元；

控制装置温度的温控单元；和

对所述温控单元和所述离心机单元进行控制的控制单元；

所述安瓿单元具备：具有中空内腔的安瓿套管、嵌套安装于所述安瓿套管内侧底部且具有中空内腔的副加热组件、安装于所述副加热组件上部开口处且具有中空内腔的可熔融基材仓，放置于所述可熔融基材仓的中空内腔内的可熔融基材，嵌套入所述安瓿套管和所述可熔融基材仓内部且与可熔融基材的上端面抵接的坩埚管、以及设于所述安瓿套管与所述坩埚管之间的主加热组件；

所述可熔融基材熔融后流入下方的所述副加热组件的中空内腔中。

根据本实用新型，提供了一种超重力环境下使材料高温定向凝固的实验装置，通过对材料实验样品所用的安瓿单元进行系统性改进，以安瓿套管为外部支撑构件，将主加热组件、副加热组件、坩埚管、可熔融基材仓等组件整合为一体，形成该实验装置的主体部分，从而可以在不使用齿轮丝杆等机械传动机构以及电机等外设而简单方便地实现样品材料在超重力条件下的定向凝固。因此，解决了在超重力下无法通过常规手段进行材料定向凝固的实验、有着非常重要的科学意义。

也可以是，本实用新型中，所述主加热组件包括：主加热件、缠绕于所述主加热件上的主加热电阻丝和主加热控温热电偶；所述副加热组件包括：副加热件、缠绕于所述副加热件上的副加热电阻丝和副加热控温热电偶。由此，可以形成两套独立控制的加热系统，对在超重力环境下实现定向凝固实验提供了关键的系统支持。

也可以是，本实用新型中，所述安瓿套管上，分别在与所述主加热组件和所述副加热组件相对应的位置上形成有用于引出加热电阻丝电极的孔和用于安装热电偶的孔。

也可以是，本实用新型中，所述安瓿套管由高纯氧化铝或增韧氧化锆材料形成。由此，以上材料制作的安瓿套管可以在超重力和高温同时作用的苛刻实验环境下，依然对加热系统和实验样品提供有效地保护。

也可以是，本实用新型中，所述可熔融基材仓底部开设有与所述副加热组件的中空内腔连通的漏管孔，且所述可熔融基材仓为双圆角封底结构。由此，双圆角封底结构可以形成一种类似拱顶的结构分散在超重力环境下所产生的自身压力，并且底部漏管孔可以按照仿真计算开设从0.1mm~5mm不等的孔径，有利于按照材料科学实验要求通过孔径的大小来调节样品移除高温区的速度。

也可以是，本实用新型中，所述可熔融基材为高强度耐压玻璃，抗压强度为650~1900Mpa。由此，既能符合超重力下的力学要求，又具有加热后易从底部开始软化或熔化的特性，并且实验后可以重新熔化再次利用，重复利用率高。

也可以是，本实用新型中，所述主加热件和所述副加热件为高纯氧化铝，所述主加热电阻丝和所述副加热电阻丝为钨铼、钨、钼、或铂铑合金。由此，能在超重力环境下体现出优异的力学性能，并且高温难熔金属作为发热体其寿命也能达到数千小时，可靠性高。

也可以是，本实用新型中，所述主加热控温热电偶和所述副加热控温热电偶为铂铑40或钨铼热电偶。

也可以是，本实用新型中，所述坩埚管为高纯氧化铝，且下端进行加厚加工。由此，加厚的底部具有隔热功能，从而在实验过程中能消除对可熔融基材进行高温加热时所带来的影响，并且在实验过程中对液化的材料所产生的液压起到一定支撑作用。

本实用新型提供一种超重力环境下材料高温定向凝固实验方法，在预定的超重力场下，先通过所述主加热组件对所述坩埚管中的所述材料进行加热，在达到设定温度后，再通过所述副加热组件对所述可熔融基材仓中的所述可熔融基材进行加热使其可控熔化，熔融后的所述可熔融基材在重力影响下流入下侧的腔体内，所述坩埚管随之逐渐下移，从而局部离开高温区的所述材料实现定向凝固。

根据本实用新型，在离心机工作状态下，达到预设的重力值后，通过温控单元控制主加热组件加热试验样品材料，在材料达到设定温度后，通过温控单元开启副加热组件，可熔融基材仓中的可熔融基材由底部开始逐渐熔化，熔化的可熔融基材在重力的影响下流出，材料也随之下移从而局部离开主加热组件的高温区，实现在超重力下材料可控定向凝固。

实用新型效果：

本实用新型能提供一种不使用外部设备而在超重力环境下能可控地进行材料高温定向凝固实验装置。

附图说明

图1是根据本实用新型的实验装置的实验状态下的结构示意图；

图2是根据本实用新型的实验装置的安瓿单元的结构剖视图；

符号说明：

1 安瓿套管；

2 主加热件；

3 主加热电阻丝；

4 主加热控温热电偶；

5 坩埚管；

6 实验对象材料；

7 可熔融基材仓；

8 可熔融基材；

9 副加热件；

10 副加热电阻丝；

11 副加热控温热电偶；

12 保温隔热组件；

13 吊篮；

14 工字臂；

15 吊篮轴；

16 加热丝电极总线；

17 导电滑环；

18 第二实验单元；

19 热电偶电极总线；

20 温控单元；

21 导电滑环输出总线；

22 控制单元；

23 第一实验单元。

具体实施方式

以下结合下述实施方式进一步说明本实用新型，应理解，下述实施方式仅用于说明本实用新型，而非限制本实用新型。在各图中相同或相应的附图标记表示同一部件，并省略重复说明。同时，以下实施形态只用于对本实用新型进行进一步说明，不能理解为对本实用新型保护范围的限制，本领域的技术人员根据本实用新型的上述内容作出的一些非本质的改进和调整均属于本实用新型的保护范围。下述示例具体的工艺参数等也仅是合适范围中的一个示例，即本领域技术人员可以通过本文的说明做合适的范围内选择，而并非要限定于下文示例的具体数值。

在此公开一种定向凝固实验装置，图1是根据本实用新型的实验装置的实验状态下的结构示意图，图2是根据本实用新型的实验装置的安瓿单元的结构剖视图。如图1所示，实验装置具备离心机单元A、安瓿单元B、温控单元20和控制单元22。其中，离心机单元A具备安装有安瓿单元B的第一实验单元23、和与第一实验单元23镜像配重的第二实验单元18。

具体地，本实施形态中，离心机单元A选用工字型离心机，两端形成有工字臂14，该两个工字臂14上分别设有吊篮轴15以及通过吊篮轴15支承的吊篮13，而吊篮13内进一步设有保温隔热组件12，由此形成第一实验单元23和第二实验单元18。第二实验单元18为工字型离心机的必要配置，目的为平衡双臂，即要求两个吊篮13的质量与质心应基本相当，从而才能有效产生实验设定的重力场。该些相关技术及指标以现有的离心机生产要求为标准，只要能满足所需重力场，市面上在售的离心机皆可使用。

如图1所示，安瓿单元B竖直安装于第一实验单元23的吊篮13中的保温隔热组件12内。具体地，如图2所示，安瓿单元B包括：作为外部支撑构件的安瓿套管1、嵌套入安瓿套管1内部且与其底部留存有一定空间的坩埚管5、设于安瓿套管1与坩埚管5之间的主加热组件、安装于安瓿套管1内侧底部的副加热组件、以及安装于副加热组件和坩埚管5外侧底部之间的可熔融基材仓7。可熔融基材仓7内储有可熔融基材8，坩埚管5内放有实验对象材料6。

其中，主加热组件进一步包括：主加热件2、主加热电阻丝3和主加热控温热电偶4。相应地，副加热组件进一步包括：副加热件9、副加热电阻丝10和副加热控温热电偶11。在本实施形态中，安瓿套管1形成为中空且圆角封底的圆柱体结构，并分别在与主加热组件与和副加热组件相对应的位置上，于一侧形成有两个用于引出加热丝电极的孔（图示中为左侧），尺寸例如可为1mm-5mm，于另一侧形成有两个用于安装热电偶的孔（图示中为右侧），尺寸例如可为2mm-6mm，此外安瓿套管1优选由高纯氧化铝形成，壁厚优选为2mm-5mm，但上述尺寸均不限于此。

另外，作为安瓿套管1的材料的高纯氧化铝在本实施形态中，纯度为99%~99.9%，通过烧结制作。高纯氧化铝陶瓷件其在高温下已依然能保持很好的力学性能，在1000摄氏度下抗拉依然能保持在170Mpa左右、弹性模量依然能保持在275Gpa。此外，还可选择增韧氧化锆材料，其在1200摄氏度下抗压强度可达到800Mpa，密度要比高纯氧化铝要大，因此成品重量要相对高纯氧化铝要重。

如图2所示，副加热组件嵌入并安装于安瓿套管1的内侧底部，副加热件9形成为中空且圆角拱顶结构封底的圆柱体结构，外侧形成有螺纹槽用以均匀缠绕副加热电阻丝10，其端部开口处设有一阶梯部9a用于安装可熔融基材仓7。副加热件9应为耐高温陶瓷材料，本实用新型考虑到超重力环境下的力学性能而优选为纯度为99%~99.9%的高纯氧化铝，而螺纹槽的宽度可根据副加热电阻丝10丝径适应性地增加0.2mm，但不限于此。副加热电阻丝10的选材应为高强度耐高温难熔金属，例如钨铼、钨、钼、铂铑合金等，丝径可按照电阻设计选用0.5mm-1.2mm规格，但不限于此。又，本实施形态中，副加热电阻丝10安装完成后可在螺纹槽表面均匀涂抹上高强度氧化铝陶瓷胶，以加固整体结构，待副加热组件9整体固化后再置于安瓿套管1底部，而后将副加热件9的电极通过安瓿套管1下侧的孔内引出。

又，可熔融基材仓7形成为中空且双圆角拱顶结构封底的圆柱体结构，且下部形成有与副加热件9的阶梯部9a相嵌合的凸台部7a，底部中间开设有0.2mm-5mm的漏管孔7b，用于将熔化的可熔融基材8导出至副加热件9的中空腔内。

储存于可熔融基材仓7的中空腔内的可熔融基材8常态下为实心圆角底结构的圆柱体，本实施形态中选用了高强度耐压玻璃，既能符合超重力下的力学要求，又具有加热后易从底部开始软化或熔化的特性，但选材不限于此，可根据实际设计需要而选定。又，可熔融基材8高度应在可熔融基材仓7的中空腔的内高上减去2mm-5mm，从而预留出一定空间以便安装后述的坩埚管5。

又，坩埚管5形成为中空且圆角底结构的圆柱体结构，并竖直插入于可熔融基材仓7内，其外径与可熔融基材仓7的中空腔的内径贴合，其底部与可熔融基材8的端面贴合。本实施形态中，坩埚管5为高纯氧化铝材料，且下端的封底进行了加厚加工，从而具有隔热功能，由此在实验过程中能消除对可熔融基材8进行高温加热时所带来的影响。作为坩埚管5的材料的高纯氧化铝在本实施形态中，纯度为99%~99.9%，通过烧结制作，坩埚管5根据实际使用情况底部（即、下端）厚度可以是5mm~100mm。

坩埚管5内放有实验对象材料6，例如可为非金陶瓷或金属类，但不限于此。实验对象材料6应具有与坩埚管5内部中空腔相应的结构，即应预加工为圆角底结构的实心圆柱体，且外径与坩埚管5的内径一致。

本实施形态中，主加热电阻丝3应为高强度高温难熔金属，例如钨铼、钨、钼、铂铑合金等，丝径可根据电阻设计而选用0.5mm-1.2mm规格，但不限于此，主加热电阻丝3通电后即可对坩埚管5及其内部的实验对象材料6进行加热。主加热件2形成为中空的圆柱体结构，其外侧形成有用于绕制主加热电阻丝3的螺纹槽，螺纹槽的宽度比主加热电阻丝3丝径适应性增加0.2mm，材料为高纯氧化铝，但不限于此。具体地，将主加热电阻丝3均匀缠绕在主加热件2的螺纹槽中，缠绕完成后在螺纹槽表面均匀涂抹高强度氧化铝陶瓷胶，以加固整体结构，待主加热组件整体固化后便紧密嵌套于实验坩埚管5与安瓿套管1之间，而后将主加热组件的电极通过安瓿套管1上侧的孔引出。

至此，安瓿单元B的主体结构已基本完备，副加热组件安装在安瓿套管1底部，副加热组件上方为可熔融基材仓7，可熔融基材仓7内部为可熔融基材8，可熔融基材8承垫于坩埚管5之下，主加热组件包裹于坩埚管5之外。而后，分别从安瓿套管1的另一侧的孔对应地插入主加热控温热电偶4和副加热控温热电偶11。本实施形态中，该两个热电偶4、11应选用耐高温高强度的材质，例如铂铑40或钨铼热电偶等，丝径优选为0.3mm-1mm，但均不限于此。

如图1所示，分别从安瓿套管1的四个孔内引出的两组加热丝电极以及热电偶电极通过Z字形路径方式分别形成两组加热丝电极总线16和两组热电偶电极总线19，具体的路径方式不限于此。离心机单元A的中心部位附近还设有分别对安瓿单元B中的两个加热组件进行控制的导电滑环17，两路两组总线16、19通过工字臂14两侧与导电滑环17连接，并通过导电滑环输出总线21分别与温控单元20和控制单元22连接，与此同时，温控单元20和控制单元22相连，例如通过未图示的RS485总线连接。

本实施形态中，控温方式具体如下：主加热控温热电偶4和副加热控温热电偶11通过导线连接到导电滑环17，然后导电滑环17导线连接到温控单元20获取热电偶实时的毫伏电压信号并转换为对应的温度值通过模糊数学算法进行对输出电压的调节，经调节后的电压再次通过导电滑环17系统分别作用于主加热电阻丝3以及副加热电阻丝10上，实现实时温度控制。并且通过未图示的RS485总线连接电脑与控温系统实时采集实验过程中的温度值并存入电脑系统的硬盘中以便实验结束后的数据分析和数据挖掘。

具体操作中，控制单元22接收指令后设定并启动离心机单元A，离心机的工字臂14开始高速旋转从而产生重力场，当达到设定的重力值后控制单元22向温控单元20发出指令，温控单元20接收指令后启动主加热组件对在坩埚管5内的实验对象材料6开始加热直至设定的实验温度，此时通过控制单元22向温控单元20发出指令，温控单元20接收指令后启动副加热组件对在可熔融基材仓7中的可熔融基材8的底端面进行可控加热，使得其底部开始逐渐熔化，而熔化的可熔融基材8在重力的影响下通过可熔融基材仓7的漏管孔7b流入副加热件9的中空腔内。由此，可熔融基材8缓慢下移，带动整个坩埚管5也随之下移，最终坩埚管5中的实验对象材料6的一部分将移出原有的主加热件2所产生的高温区，进而实现在超重力环境下材料定向凝固的目的。

综上，与现有的在超重力场下材料的单纯性凝固和铸造的现有技术比，能实现超重力环境下材料的定向凝固，而与现有的需借助电机、机构等外设才能实现材料的可控定向凝固的现有技术相比，本实用新型不依赖于任何外部设备既能实现超重力场下材料的可控定向凝固，其极大地降低了实验难度，大幅度提升了操作性，于研究领域非常有意义。

以上的具体实施方式对本实用新型的目的、技术方案和有益效果进行了进一步详细说明，应当理解的是，以上仅为本实用新型的一种具体实施方式而已，并不限于本实用新型的保护范围，在不脱离本实用新型的基本特征的宗旨下，本实用新型可体现为多种形式，因此本实用新型中的实施形态是用于说明而非限制，由于本实用新型的范围由权利要求限定而非由说明书限定，而且落在权利要求界定的范围，或其界定的范围的等价范围内的所有变化都应理解为包括在权利要求书中。凡在本实用新型的精神和原则之内的，所做出的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本实用新型的保护范围之内。

Claims (9)

1.一种超重力环境下材料高温定向凝固实验装置，其特征在于，具备：

具有第一实验单元、和与第一实验单元镜像配重的第二实验单元的离心机单元；

安装于所述第一实验单元的安瓿单元；

控制装置温度的温控单元；和

对所述温控单元和所述离心机单元进行控制的控制单元；

所述安瓿单元具备：具有中空内腔的安瓿套管、嵌套安装于所述安瓿套管内侧底部且具有中空内腔的副加热组件、安装于所述副加热组件上部开口处且具有中空内腔的可熔融基材仓，放置于所述可熔融基材仓的中空内腔内的可熔融基材，嵌套入所述安瓿套管和所述可熔融基材仓内部且与可熔融基材的上端面抵接的坩埚管、以及设于所述安瓿套管与所述坩埚管之间的主加热组件；

所述可熔融基材熔融后流入下方的所述副加热组件的中空内腔中。

2.根据权利要求1所述的实验装置，其特征在于，

所述主加热组件包括：主加热件、缠绕于所述主加热件上的主加热电阻丝和主加热控温热电偶；

所述副加热组件包括：副加热件、缠绕于所述副加热件上的副加热电阻丝和副加热控温热电偶。

3.根据权利要求1所述的实验装置，其特征在于，

所述安瓿套管上，分别在与所述主加热组件和所述副加热组件相对应的位置上形成有用于引出加热电阻丝电极的孔和用于安装热电偶的孔。

4.根据权利要求1所述的实验装置，其特征在于，

所述安瓿套管由高纯氧化铝或增韧氧化锆材料形成。

5.根据权利要求1所述的实验装置，其特征在于，

所述可熔融基材仓底部开设有与所述副加热组件的中空内腔连通的漏管孔，且所述可熔融基材仓为双圆角封底结构。

6.根据权利要求1所述的实验装置，其特征在于，

所述可熔融基材为高强度耐压玻璃，抗压强度为650~1900Mpa。

7.根据权利要求1所述的实验装置，其特征在于，

所述主加热件和所述副加热件为高纯氧化铝，所述主加热电阻丝和所述副加热电阻丝为钨铼、钨、钼、或铂铑合金。

8.根据权利要求1所述的实验装置，其特征在于，

所述主加热控温热电偶和所述副加热控温热电偶为铂铑40或钨铼热电偶。

9.根据权利要求1所述的实验装置，其特征在于，

所述坩埚管为高纯氧化铝，且下端进行加厚加工。