CN212741574U - 一种离心超重力熔铸与定向凝固系统 - Google Patents

Abstract

本实用新型公开了一种离心超重力熔铸与定向凝固系统。转子系统和下驱式主轴复合体安装在实验腔内，实验腔底部缓冲装在装置底座上，离心主机装在实验腔上并下驱式主轴复合体连接，下驱式主轴复合体和转子系统连接，升降系统位于实验腔上方，升降系统和实验腔盖连接；挂杯中装有定向熔铸系统，挂杯中装保温装置，保温装置装有加热装置，加热装置中装坩埚装置，挂杯通过两侧的吊耳铰接地悬挂在超重力离心机的旋转臂端部上。本实用新型通过搭载高温熔铸炉或定向熔铸炉，实现在离心超重力环境下，利用功率降低法实现超重力定向凝固功能，解决了超重力定向凝固过程中温度梯度难控制的关键难题，操作方便且安全可靠。

Description

一种离心超重力熔铸与定向凝固系统

技术领域

本实用新型涉及材料制备与定向凝固技术领域的一种超重力材料制备装置，尤其涉及一种离心超重力熔铸与定向凝固装置。

背景技术

通常为了提高合金的综合力学性能，采用两种途径：其一是加入大量合金化元素，通过合理的热处理工艺使之产生固溶强化、沉淀强化及晶界强化等，从而保证合金具有从室温到高温的良好强度、表明稳定性和较好的塑性；其二是从凝固工艺入手，采用定向凝固工艺，制备晶界平行于主应力轴从而消除有害横向晶界的柱状晶组织或消除所有晶界的单晶组织。工业上广泛应用的快速凝固法制备单晶合金，温度梯度只能达到100K/cm左右，凝固速率很低，导致凝固组织粗大，偏析严重，致使材料的性能潜力没有得到充分发挥。微重力下的晶体生长，由于重力加速度减小而有效的抑制了重力造成的无规则热质对流，从而获得溶质分布高度均匀的晶体，但由于成本太高，无法工业化。超重力下的晶体生长，通过增大重力加速度而加强浮力对流，抑制了无规则的热质对流，降低糊状区宽度，增加凝固前沿的温度梯度，非常有利于制备组织致密、枝晶细小的柱状晶或单晶组织。

但现有超重力熔铸设备熔铸系统没有加热功能，只能随炉冷却，凝固过程不受控，且样品很小，只能进行成分优化，无法进行性能测试，因此造成基于超重力技术的成分优化和性能测试严重脱节，无法实现基于材料性能需求的超重力材料制备，且由于材料成分-结构-性能之间非线性关系，很难实现面向实际性能需求的材料设计与制备的一体化研究手段。

实用新型内容

针对超重力定向凝固过程中温度梯度难控制的关键难题，本实用新型提供了一种装配简单、使用方便、安全系数高，且在超重力环境下可以运行的超重力熔铸与定向凝固系统，以及通过转速调控重力加速、通过降温速率调控温度梯度，借此实现固-液界面温度梯的三维有效控制，形成具有制备成分梯度可控的高通材料制备。

本实用新型采用的技术方案：

本实用新型包括离心主机、转子系统、实验腔、升降系统和下驱式主轴复合体；转子系统和下驱式主轴复合体安装在实验腔内，实验腔底部通过缓冲结构安装在装置底座上，离心主机安装在实验腔侧方的装置底座上并下驱式主轴复合体下端连接，下驱式主轴复合体上端和转子系统连接，升降系统安装在装置底座上且位于实验腔上方，升降系统和实验腔的腔盖连接。

所述的实验腔包括立式肘夹、直线导轨、实验腔盖、实验腔体、防护壳、阻尼器和真空接口；实验腔体底部的实验腔底板通过阻尼器固定安装在离心超重力实验室的地面上，实验腔体顶部设有实验腔盖，实验腔盖两侧外边缘设有凸板，凸板上开设通孔，实验腔体顶面边缘固定有竖直的直线导轨，凸板的通孔套装于直线导轨中，通过直线导轨和凸板通孔的配合安装使得实验腔盖与实验腔体的精确定位安装配合；实验腔盖周围的实验腔体顶面沿圆周均布固定安装有三个立式肘夹，实验腔盖通过立式肘夹与实验腔体固定；实验腔盖和实验腔体接触面之间用O型橡胶圈密封，实验腔体侧壁开设有真空接口，真空接口与外部的地面真空系统或充气系统相连；实验腔体内周围设有三层防护壳。

所述的升降系统包括驱动电机、升降机、丝杠和升降支架；升降支架横跨安装在实验腔上方，驱动电机固定在升降支架上，驱动电机输出轴经升降机和丝杠传动连接驱动丝杠上下升降，丝杠竖直布置，丝杠下端和实验腔盖的中心固定连接。

所述的离心主机包括电机、大带轮、减震座、平带和转速传感器；电机通过减震座安装在实验腔的侧方，电机的输出轴和大带轮同轴连接，大带轮经平带和下驱式主轴复合体的小带轮带传动连接；小带轮侧方安装有转速传感器。

所述的下驱式主轴复合体包括主轴、扭矩输入机构、传动结构和扭矩输出机构，传动结构包括机械传动机构和密封润滑机构，主轴上端和扭矩输入机构连接，主轴中部安装有机械传动机构和密封润滑机构，主轴下端安装有扭矩输出机构；扭矩输出机构和外部旋转驱动力连接，带动主轴旋转，主轴经机械传动机构和密封润滑机构套装在离心超重力装置的实验腔底板中心孔中，主轴上端将旋转动力传递到扭矩输入机构，经扭矩输入机构带动离心超重力装置的实验腔内的离心主机作离心超重力运动。

所述的转子系统包括挂臂、挂杯、高速滑环、限位轴承和底座法兰；挂臂中心开设通孔，挂臂中心通孔的底部孔端面固定连接底座法兰的上端，底座法兰下端和下驱式主轴复合体的连接法兰通过螺栓固接，挂臂的两端对称铰接安装有挂杯，挂杯均通过挂销铰接安装于挂臂的末端；主轴上端穿出连接法兰后再穿过挂臂中心的通孔后和紧固套装有高速滑环，且上端部经限位轴承套装于实验腔盖内顶面中心的沉孔中；高速滑环的内圈转子直接紧固在主轴上，高速滑环的外圈定子固定在实验腔盖内顶面，高速滑环的内圈转子与主轴一起旋转。

所述的下驱式主轴复合体中，扭矩输入机构包括上胀紧套和连接法兰，机械传动机构包括上轴承盖、角接触球轴承、上轴用弹性挡圈、轴承座、圆柱滚子轴承、下轴用弹性挡圈、轴栓、下轴承盖和下密封轴承圈，密封润滑机构包括上油封、上孔用弹性挡圈、上O型圈、扩口式直通管接口、下O型圈、下油封、下孔用弹性挡圈、注油口和油通道，扭矩输出机构包括主轴、小带轮和下胀紧套。

连接法兰设有外凸缘，外凸缘开设有安装螺孔，螺钉穿过安装螺孔将连接法兰固定连接离心超重力腔室内的转子系统；连接法兰的中心开设通孔作为安装孔，主轴上端通过上胀紧套套装于连接法兰的安装孔中，主轴和连接法兰同轴固接旋转，上胀紧套、连接法兰和主轴同轴固接，连接法兰上端和转子系统的底座法兰通过螺栓同轴固接；主轴中部外套装有轴承座，轴承座和主轴中部之间具有径向间隙形成游动腔，轴承座密封固定套装在实验腔底板的中心通孔中；游动腔上部内的主轴外周面设有外凸缘，外凸缘下侧的主轴外套装角接触球轴承，角接触球轴承径向支撑位于轴承座上部和主轴上的凸肩之间，角接触球轴承下侧设有上轴用弹性挡圈，上轴用弹性挡圈嵌装在主轴外周面所开设的环形上凹槽中；游动腔上端口设有上轴承盖，上轴承盖活动套装在主轴外，上轴承盖下端面和轴承座上端面通过螺杆固定连接；上轴承盖在底部内圈周面开设有环形缺口槽，环形缺口槽中安装有上油封，上油封下侧设有上孔用弹性挡圈，上孔用弹性挡圈嵌装在上轴承盖环形缺口槽内周面所开设的环形挡圈槽中；上轴承盖上方的主轴外套装有上密封轴承圈，上轴承盖上端面设有两道环形槽，上密封轴承圈下端设有两圈圈环形凸台，两圈环形凸台分别嵌装在两道环形槽中，上密封轴承圈处的主轴开设有径向经过轴心线的上径向通孔，轴栓从上密封轴承圈上部一侧通孔穿入，经上径向通孔穿过后从上密封轴承圈上部另一侧通孔穿出，再被U型金属棒轴向轴向限位安装，使得上密封轴承圈轴向向下压紧安装在上轴承盖上端面，通过轴栓将主轴的扭矩传递到上轴承密封圈，使得上轴承密封圈和主轴同轴旋转，同时实现上轴承盖和主轴之间密封连接。

游动腔下部内的主轴外周面套装圆柱滚子轴承，圆柱滚子轴承外圈顶部紧靠在轴承座底部内壁的环形内凹台阶上，圆柱滚子轴承内圈底面紧靠下轴用弹性挡圈上；下轴用弹性挡圈安装在主轴外周面开设的环形下凹槽里面；游动腔下端口设有下轴承盖，下轴承盖活动套装在主轴外，下轴承盖上端面和轴承座下端面利用螺杆固接，下轴承盖在顶部内圈周面开设有环形缺口槽，环形缺口槽中安装有下油封，下油封上侧设有下孔用弹性挡圈，下孔用弹性挡圈嵌装在下轴承盖环形缺口槽内周面所开设的环形挡圈槽中；下轴承盖下方的主轴外套装有下密封轴承圈，下轴承盖下端面设有两道环形槽，下密封轴承圈上端设有两圈环形凸台，两圈环形凸台分别嵌装在两道环形槽中，下密封轴承圈处的主轴开设有径向经过轴心线的下径向通孔，轴栓从下密封轴承圈下部一侧通孔穿入，经下径向通孔穿过后从下密封轴承圈下部另一侧通孔穿出，再被U型金属棒轴向轴向限位安装，使得下密封轴承圈轴向向上压紧安装在下轴承盖上端面，使得下密封轴承圈和主轴同轴旋转，同时实现下轴承盖和主轴之间密封连接；轴承座外侧壁开设有注油口，注油口安装扩口式直通管接口，轴承座内部设有油通道，注油口经油通道和游动腔连通；油液从注油口进入，经油通道进入充满游动腔，再分别流经角接触球轴承、圆柱滚子轴承到上油封和下油封，形成动密封；主轴下端经下胀紧套与小带轮同轴固接，小带轮与离心超重力装置的动力系统相连。

所述的上轴承密封圈下端的圈环形凸台卡装入上轴承盖上端的环形槽中，同时上轴承盖上端的相邻环形槽之间形成的盖环形凸台卡装入上轴承密封圈下端的相邻圈环形凸台之间形成的环形凹槽中，上轴承密封圈下端的圈环形凸台和环形凹槽以及上轴承盖上端的环形槽和盖环形凸台之间形成空隙作为阶梯型迷宫密封通道；主轴高速旋转时，轴栓带动上轴承密封圈随主轴一起旋转，但上轴承盖固定不动；通过形成阶梯型迷宫密封通道的油润确保上轴承密封圈与上轴承盖相对运动流畅，同时起到密封作用。

所述的轴承座上端面开设有环形的上密封槽，上密封槽中安装上O型圈和上轴承盖下端面密封装配。

所述的轴栓穿出上密封轴承圈上部另一侧通孔的端部开设有销孔，U型金属棒的中间合端尺寸大于销孔的内径，U型金属棒的两端共同伸入到销孔并穿过出销孔后弯折使得尺寸大于销孔的内径，这样使得轴栓端部被U型金属棒轴向限位装配。

所述的注油口包括上注油口和下注油口，所述的扩口式直通管接口包括上扩口式直通管接口、下扩口式直通管接口；轴承座底部开设有分别位于上下布置的上注油口和下注油口，上注油口和下注油口外端分别密封安装有上扩口式直通管接口、下扩口式直通管接口，使得上注油口和下注油口内端分别形成相对封闭的上储油槽、下储油槽；上扩口式直通管接口、下扩口式直通管接口分别开设有水平径向的上直通油通道、下直通油通道，上直通油通道、下直通油通道的内端分别和上储油槽、下储油槽连通，上直通油通道、下直通油通道外端分别塞装有上管口塞、下管口塞；所述的油通道包括上油水平通道、上油垂直通道、竖油通道、中油通道和底油通道；轴承座底部开设有分别位于上下布置且均沿径向水平方向的中油通道和底油通道，中油通道和底油通道径向外端分别和上注油口和下注油口内端的上储油槽、下储油槽连通；轴承座中部设有沿轴向竖直方向的竖油通道，竖油通道底端和中油通道径向内端连通，竖油通道的顶端经同样沿轴向竖直方向的上油垂直通道连通到轴承座顶端面外部，竖油通道的顶端经沿径向水平方向的上油水平通道连通到轴承座外侧壁外部，上油垂直通道、上油水平通道分别塞装有上堵油塞、侧堵油塞，竖油通道的顶端经沿径向水平方向的内通道一端连通；下轴承盖的顶部侧壁和上轴承盖底部侧壁均开设有通油孔，底油通道径向内端经下轴承盖的通油孔连通到圆柱滚子轴承，内通道另一端经上轴承盖的通油孔连通到角接触球轴承。

每个所述的挂杯中安装有定向熔铸系统，定向熔铸系统包括加热装置、坩埚装置和保温装置；挂杯中安装保温装置，保温装置中装有加热装置，加热装置中装有坩埚装置，挂杯顶部两侧设有吊耳，挂杯通过两侧的吊耳铰接地悬挂在超重力离心机的旋转臂端部上。

所述的保温装置包括保护壳、上段气凝胶层、上段陶瓷纤维层、上固定环隔热层、中段气凝胶层、外侧中段陶瓷纤维层、最外层钼合金隔热层、次外层钼合金隔热层、内层钼合金隔热层、下固定环隔热层、下段陶瓷纤维层、下段气凝胶层、底座陶瓷纤维层、隔热支撑座、保温盖和炉顶气凝胶层；保护壳放置在挂杯中，保护壳的内周壁布置有环状沿圆周一圈的气凝胶层，气凝胶层从下到上分为下段气凝胶层、中段气凝胶层和上段气凝胶层，下段气凝胶层和中段气凝胶层之间设有下环形间隔，下环形间隔处布置下段加热结构的下段固定环；中段气凝胶层和上段气凝胶层之间设有上环形间隔，上环形间隔处布置上段加热结构的上段固定环；下段气凝胶层所在的保护壳中央固定有隔热支撑座，隔热支撑座和下段气凝胶层之间填充有底座陶瓷纤维层；底座陶瓷纤维层之上的上段气凝胶层和中段气凝胶层的内周壁布置有环状沿圆周一圈的陶瓷纤维层，陶瓷纤维层从下到上分为下段陶瓷纤维层、中段陶瓷纤维层和上段陶瓷纤维层，下段陶瓷纤维层、中段陶瓷纤维层和上段陶瓷纤维层分别位于紧贴下段气凝胶层、中段气凝胶层和上段气凝胶层的内周壁；中段陶瓷纤维层和下段陶瓷纤维层内部嵌装有环状的隔热层，隔热层从外到内分别依次为最外层钼合金隔热层、次外层钼合金隔热层和内层钼合金隔热层，上段固定环和隔热层之间设有上固定环隔热层，下段固定环和隔热层之间设有下固定环隔热层；中段陶瓷纤维层和下段陶瓷纤维层之间内嵌设有分别上下布置的下进线安装环道和下出线安装环道，下进线安装环道布置下段进电接线环，下出线安装环道布置下段出电接电环，下进线安装环道和下出线安装环道之间通过下段绝缘环隔绝；上段陶瓷纤维层和中段陶瓷纤维层之间内嵌设有分别上下布置的上进线安装环道和上出线安装环道，上进线安装环道布置上段进电接线环，上出线安装环道布置上段出电接电环，上进线安装环道和上出线安装环道之间通过上段绝缘环隔绝；上段陶瓷纤维层上端口形成阶梯口，阶梯口安装保温盖，在保护壳上端口安装炉顶气凝胶层，炉顶气凝胶层底面紧贴于保温盖和上段陶瓷纤维层的顶面；底座陶瓷纤维层之上的中段陶瓷纤维层和下段陶瓷纤维层内周形成加热内腔，加热内腔中安装坩埚装置。

所述的加热装置包括结构尺寸相同的上段加热结构和下段加热结构以及陶瓷盖，上段加热结构和下段加热结构分别上下同轴对接成一段构成总加热结构，总加热结构置于隔热支撑座之上的陶瓷纤维层内腔中，总加热结构内部安装坩埚装置，并在顶端安装陶瓷盖；上段加热结构包括上发热体、上加热管、上隔热腔体、上段进电接线环、上段出电接电环和上段固定环；上加热管的管壁内部中间开设有螺旋形卡槽，上发热体安装在螺旋形卡槽中，螺旋形卡槽的相邻槽道之间形成螺旋形凸台，上发热体和螺旋形凸台摩擦接触，上加热管的管壁内侧面开设有沿螺旋形卡槽间隔布置的热辐射孔，上发热体产生的热量透过热辐射孔以热辐射形式加热坩埚装置；安装了上发热体的上加热管再安装在上隔热腔体的内圈腔中，上隔热腔体管壁中部沿周向间隔开设有多个圆弧布置的隔热孔，隔热孔轴向贯通，隔热孔与内圈腔联通，内圈腔经螺旋形卡槽和热辐射孔连通，使得隔热孔与热辐射孔联通；上隔热腔体顶端周围设有上段进电接线环、上段出电接电环和上段固定环，上发热体的两端分别和上段进电接线环和上段出电接电环电连接，上段进电接线环和上段出电接电环再连接到地面供电系统；上段进电接线环、上段出电接电环外周围还设有上段固定环，上段固定环布置于保温装置结构内；下段加热结构包括下发热体、下加热管、下隔热腔体、下段进电接线环、下段出电接电环和下段固定环；下加热管的管壁内部中间开设有螺旋形卡槽，下发热体安装在螺旋形卡槽中，螺旋形卡槽的相邻槽道之间形成螺旋形凸台，下发热体和螺旋形凸台摩擦接触，下加热管的管壁内侧面开设有沿螺旋形卡槽间隔布置的热辐射孔，下发热体产生的热量透过热辐射孔以热辐射形式加热坩埚装置；安装了下发热体的下加热管再安装在下隔热腔体的内圈腔中，下隔热腔体管壁中部沿周向间隔开设有多个圆弧布置的隔热孔，隔热孔轴向贯通，隔热孔与内圈腔联通，内圈腔经螺旋形卡槽和热辐射孔连通，使得隔热孔与热辐射孔联通；下隔热腔体顶端周围设有下段进电接线环、下段出电接电环和下段固定环，下发热体的两端分别和下段进电接线环和下段出电接电环电连接，下段进电接线环和下段出电接电环再连接到地面供电系统；下段进电接线环、下段出电接电环外周围还设有下段固定环，下段固定环布置于保温装置结构内。

所述的坩埚装置包括坩埚和坩埚保护筒；坩埚装在坩埚保护筒中，坩埚保护筒再装在总加热结构的加热管中；坩埚两侧的外壁面均开设有竖直的条形槽，竖直方向较短一侧的条形槽作为上段热电偶固定槽，竖直方向较长一侧的条形槽作为下段热电偶固定槽，热电偶穿过陶瓷盖上的通孔放置在上段热电偶固定槽里检测上段加热结构的温度，热电偶穿过陶瓷盖上的通孔放置在下段热电偶固定槽里检测上段加热结构的温度。

将上发热体和下发热体的材料类型设置为不同，使上加热管和下加热管的升温速率、降温速率、温度不同，采用两端分区加热控制温度梯度。

上下段加热结构的供电系统和温控系统是相互独立的，分别通过上段热电偶固定槽和下段热电偶固定槽中的热电偶检测上下段加热结构的实时温度，并反馈独立控制上下段加热结构的加热温度。

本实用新型的离心主机具备提供1500g-50000g超重力环境下的能力，转子系统具备搭载高温熔铸炉能力，炉温从室温-1700℃，冷却速率和温度梯度可调可控，实验腔具备提供真空或冲入惰性气体的能力。装置结构简单，操作方便且安全可靠。

本实用新型的有益效果和特点是：

本实用新型公布的悬臂式离心超重力熔铸装置，在凝固阶段，通过控制上加热管和下加热管的降温速率，具备制备等轴晶、定向柱晶、单晶组织材料，有利于根据制备材料组织需求，控制温度场，解决了超重力熔铸过程中材料组织可控制备面临的冷却速率难控制的关键难题。

本实用新型公布的悬臂式离心超重力熔铸系统和方式，通过转速调控离心加速度，改变析出相之间的分离因子Δρng(Δρ为析出相与熔体的密度差，ng为离心加速度)；通过调控温度，改变熔体粘度η；通过凝固速率，调控析出相的尺寸d，控制析出相在熔体的沉降速率v＝d²×Δρng/η/18(其中，V析出相在熔体中的沉降速度，d为析出相的尺寸)，解决超重力凝固过程中成分梯度可控的关键难题。

本实用新型提供离心超重力熔铸与定向凝固系统，通过搭载高温熔铸炉或定向熔铸炉，可实现在离心超重力环境下，利用功率降低法实现超重力定向凝固功能，解决了超重力定向凝固过程中温度梯度难控制的关键难题，也为超重力环境下通过定向凝固技术发展新材料提供设备基础。

本实用新型适合1500g-50000g超重力环境，炉温从室温-1700℃，冷却速率和温度梯度可调可控，实验腔具备提供真空或冲入惰性气体的能力。装置结构简单，操作方便且安全可靠。

附图说明

图1是本实用新型离心超重力实验装置的主视图；

图2是图1的左侧视图；

图3是离心主机的局部放大结构图；

图4是转子系统的结构正视图；

图5是转子系统的结构侧视图；

图6是本实用新型下驱式主轴复合体的总体剖视图；

图7是本实用新型下驱式主轴复合体的上部局部放大剖视图；

图8是本实用新型下驱式主轴复合体的下部局部放大剖视图；

图9是主轴的结构示意图；

图10是连接法兰的结构剖视图；

图11是密封轴承圈的结构剖视图；

图12是轴承盖的结构剖视图；

图13是轴承座的结构剖视图；

图14是轴销的结构示意图；

图15为轴承座内部的油通道剖视结构图；

图16为轴承座内部和注油口内部剖视结构图；

图17是本实用新型下驱式主轴复合体在静止情况下添加润滑油的原理图；

图18是本实用新型下驱式主轴复合体在高速旋转情况下添加润滑油的原理图；

图19是在高速旋转过程中更换润滑油的原理图；

图20是转子系统设计的挂杯布置图；

图21是本实用新型的离心超重力定向熔铸系统的结构剖视图；

图22是挂杯的结构剖视图；

图23是熔铸系统除去挂杯的总体结构剖视图；

图24是保温装置结构示意图；

图25是保温装置的保护壳的结构示意图；

图25(a)是保护壳结构俯视图；

图25(b)是保护壳结构侧视剖视图；

图26是钼合金隔热层展开的结构示意图；

图27是加热装置结构示意图；

图28是加热管的结构示意图；

图29是隔热腔体的结构示意图；

图29(a)是坩埚结构的侧视图；

图29(b)是坩埚结构的俯视图；

图30是坩埚结构示意图；

图30(a)是坩埚结构俯视图；

图30(b)是坩埚结构侧视剖视图；

图31是超重力凝固工艺路线示意图。

图中附图标记如下：

离心主机1：1-1电机；1-2大带轮；1-3减震座；1-4平带；1-5小带轮；1-6下胀紧套；1-5转速传感器；1-8主轴；1-9圆柱滚子轴承；1-10角接触球轴承；1-11连接法兰；1-12上胀紧套；1-13冷油接口。

转子系统2：2-1挂臂；2-2挂销；2-4高速滑环；2-5限位轴承；底座法兰2-6。

实验腔3：3-1立式肘夹；3-2直线导轨；3-3实验腔盖；3-4实验腔体；3-5防护壳；3-6阻尼器；3-7真空接口；3-8实验腔底板。

升降系统4：4-1驱动电机；4-2升降机；4-3丝杠；4-4支架。

下驱式主轴复合体5：上胀紧套51、连接法兰52、主轴53、上密封轴承圈54、上轴承盖55、上油封56、上孔用弹性挡圈57、上O型圈58、角接触球轴承59、上轴用弹性挡圈510、轴承座511、扩口式直通管接口512、圆柱滚子轴承513、下O型圈514、下轴用弹性挡圈515、轴栓516、小带轮517、下胀紧套518、下轴承盖519、下油封520、下密封轴承圈521、下孔用弹性挡圈522；安装螺孔52-1；安装孔52-2；上径向通孔53-1；下径向通孔53-2；上凸台53-3；凸肩53-4；上凹槽53-5；中凸台53-6；环形下凹槽53-7；下台阶53-8；通孔54-1；圈环形凸台54-2；环形凹槽54-3；环形槽55-1；环形缺口槽55-2；通油孔55-4；盖环形凸台55-5；环形挡圈槽55-6；注油口551；油通道550；上密封槽511-3；下密封槽511-4；环形内凹台阶511-7；轴栓516；销孔516-1；上注油口551-1；下注油口551-2；内通道550-2；上油水平通道550-3；上油垂直通道550-4；竖油通道550-5；中油通道550-6；底油通道550-7；上堵油塞523、侧堵油塞524、上管口塞527、下管口塞528、上储油槽529、下储油槽530；上直通油通道512-1、下直通油通道512-2、上扩口式直通管接口512-3、下扩口式直通管接口512-4。

挂杯61：吊耳61-1。

加热装置62：上发热体62-1、上加热管62-2、上隔热腔体62-3、下发热体62-4、下加热管62-5、下隔热腔体62-6、上段进电接线环62-7、上段出电接电环62-8、下段进电接线环62-9、下段出电接电环62-10、上段固定环62-11、下段固定环62-12、陶瓷盖62-13；螺旋形卡槽62-2-1、螺旋形凸台62-2-2、热辐射孔62-2-3；内圈腔62-3-1、隔热孔62-3-2。

坩埚装置63：坩埚63-1、坩埚保护筒63-2、上段热电偶固定槽63-1-1、下段热电偶固定槽63-1-2。

保温装置64：保护壳64-1、上段气凝胶层64-2、上段陶瓷纤维层64-3、上段绝缘环64-4、上固定环隔热层64-5、中段气凝胶层64-6、外侧中段陶瓷纤维层64-7、最外层钼合金隔热层64-8、次外层钼合金隔热层64-9、内层钼合金隔热层64-10、下段绝缘环64-11、下固定环隔热层64-12、下段陶瓷纤维层64-13、下段气凝胶层64-14、底座陶瓷纤维层64-15、隔热支撑座64-16、保温盖64-17、炉顶气凝胶层64-18、上进线安装环道64-19、上出线安装环道64-20、上环形间隔64-21、下进线安装环道64-22，下出线安装环道64-23、下环形间隔64-24；护栏64-1-1、散热孔64-1-2；减重孔64-8-1。

具体实施方式

下面结合附图和具体实施对本实用新型作进一步说明。

如图1所示，具体实施的整个装置包括离心主机1、转子系统2、实验腔3、升降系统4和下驱式主轴复合体5；转子系统2和下驱式主轴复合体5安装在实验腔3内，实验腔3底部通过缓冲结构安装在装置底座上，离心主机1安装在实验腔3侧方的装置底座上并下驱式主轴复合体5下端连接，下驱式主轴复合体5上端和转子系统2连接，升降系统4安装在装置底座上且位于实验腔3上方，升降系统4和实验腔3的腔盖连接。

利用本实用新型装置进行材料性能测试过程实现满足了抗高温条件、特殊气氛环境、超重力等要求。考虑到此装置的运行环境，主要为超重力带来的影响，本实用新型装置结构为高强度轻质量的结构模块化设计，实验准备周期短，测试过程安全可靠。

实验腔3的主要功能是为转子系统2提供实验环境。

如图2所示，实验腔3包括立式肘夹3-1、直线导轨3-2、实验腔盖3-3、实验腔体3-4、防护壳3-5、阻尼器3-6和真空接口3-7；实验腔体3-4底部的实验腔底板3-8通过阻尼器3-6固定安装在离心超重力实验室的地面上，实验腔体3-4顶部设有实验腔盖3-3，实验腔盖3-3两侧外边缘设有凸板，凸板上开设通孔，实验腔体3-4顶面边缘固定有竖直的直线导轨3-2，凸板的通孔套装于直线导轨3-2中，通过直线导轨3-2和凸板通孔的配合安装使得实验腔盖3-3与实验腔体3-4的精确定位安装配合，防止漏气，满足实验环境对高真空的要求；

实验腔盖3-3周围的实验腔体3-4顶面沿圆周均布固定安装有三个立式肘夹3-1，实验腔盖3-3通过立式肘夹3-1与实验腔体3-4固定，立式肘夹3-1具体为卡扣式连接锁紧结构；实验腔盖3-3采用高强度钢板制作，实验腔盖3-3在盖上后，用三个手动立式肘夹3-1压紧，以防止试验过程中有碎片飞出撞击实验腔盖3-3。实验腔盖3-3需在试验腔3内完全消除真空，恢复常压后才能打开。

实验腔盖3-3和实验腔体3-4接触面之间用O型橡胶圈密封，能确保实验腔3所需的真空度，试验时腔内抽成真空至10^-2Pa，避免转子系统2在空气中由于高速旋转引起的功率消耗和温升；试验腔3内真空度未达到要求时不允许转子系统2的超速旋转试验。实验腔体3-4侧壁开设有真空接口3-7，真空接口3-7与外部的地面真空系统或充气系统相连，一旦实验发生意外，可以快速向实验腔3内冲入惰性气体；实验腔体3-4内周围设有三层防护壳3-5，防护壳3-5用于在受撞击后充分变形以吸收破坏能量。防护壳3-5由高强度钢板材料焊接成形，焊缝进行100％射线检测，焊缝不允许有气孔，夹渣，裂纹存在。防护壳3-5用于安全的吸收试验过程中出现意外时所释放的能量，阻止碎片飞出，防止试验台出现严重损坏，避免试验人员发生任何伤害。

实验腔盖3-3上开有视窗，视窗用于观察试验腔3内的状况。

阻尼器3-6安装在实验腔体3-4三个支座的底部，用于支撑整个试验腔体3-4，并提供运动的阻力，减少离心主机1的振动，同时避免地面振动对实验机运行安全的影响。

升降系统4的主要功能提升或下降实验腔盖3-3和转子系统2，挂杯61在挂臂2-1上的安装。

如图2所示，升降系统4包括驱动电机4-1、升降机4-2、丝杠4-3和升降支架4-4；升降支架4-4横跨安装在实验腔3上方，驱动电机4-1固定在升降支架4-4上，驱动电机4-1输出轴经升降机4-2和丝杠4-3传动连接驱动丝杠4-3上下升降，升降机4-2内部有丝杠螺母，驱动电机4-1输出轴经传动机构带动丝杠螺母旋转，经丝杠螺母副带动丝杠4-3旋转同时上下升降，丝杠4-3竖直布置，丝杠4-3下端和实验腔盖3-3的中心固定连接；需要打开实验腔盖3-3时，由驱动电机4-1经升降机4-2带动丝杠4-3自动上下升降，丝杠4-3进而带动实验腔盖3-3沿直线导轨3-2上下升降，实现实验腔盖3-3的开启和关闭。升降支架4-4支撑整个升降系统4。

离心主机1的主要功能是，为离心超重力作用下材料性能测试装置提供离心超重力。

如图3所示，离心主机1包括电机1-1、大带轮1-2、减震座1-3、平带1-4和转速传感器1-5；电机1-1通过减震座1-3安装在实验腔3的侧方，电机1-1的输出轴和大带轮1-2同轴连接，大带轮1-2经平带1-4和下驱式主轴复合体5的小带轮517带传动连接；电机1-1为离心主机1提供动力，其功率计算及电机选择是离心主机设计中的重要组成部分，根据离心机的工作要求进行功率计算，可以合理的确定电动机的功率。小带轮517侧方安装有转速传感器1-5，转速传感器1-5固定连接于实验腔3底部。

该装置选择平带1-4传动，材料为帆布平带1-4，进行增速传动，传动比可根据需要进行调整。平带1-4具有弹性，可缓和冲击和振动载荷，运转平稳，无噪声；当过载时，带即在轮上打滑，可防止其它零件损坏。大带轮1-2和小带轮517通过平带1-4进行传动。减震座1-3安装在电机1-1的下方，用于减轻离心机高速旋转产生的振动。转速传感器1-5用于测量主轴53的转速，与各种转速数字显示仪配套使用及计算机接口电路直接联系，能无接触测量转速、线速。

如图6所示，下驱式主轴复合体5包括主轴53、扭矩输入机构、传动结构和扭矩输出机构，传动结构包括机械传动机构和密封润滑机构，主轴53上端和扭矩输入机构连接，主轴53中部安装有机械传动机构和密封润滑机构，主轴53下端安装有扭矩输出机构；扭矩输出机构和外部旋转驱动力连接，带动主轴53旋转，主轴53经机械传动机构和密封润滑机构套装在离心超重力装置的实验腔底板中心孔中，主轴53上端将旋转动力传递到扭矩输入机构，经扭矩输入机构带动离心超重力装置的实验腔内的离心主机作离心超重力运动。

扭矩输入机构包括上胀紧套51和连接法兰52，机械传动机构包括上轴承盖55、角接触球轴承59、上轴用弹性挡圈510、轴承座511、圆柱滚子轴承513、下轴用弹性挡圈515、轴栓516、下轴承盖519和下密封轴承圈521，密封润滑机构包括上油封56、上孔用弹性挡圈57、上O型圈58、扩口式直通管接口512、下O型圈514、下油封520、下孔用弹性挡圈522、注油口551和油通道550，扭矩输出机构包括主轴53、小带轮517和下胀紧套518。

如图10所示，连接法兰52设有外凸缘，外凸缘沿圆周间隔开设有安装螺孔52-1，螺钉穿过安装螺孔52-1将连接法兰52固定连接离心超重力腔室内的转子系统；连接法兰52的中心开设通孔作为安装孔52-2，主轴53上端通过上胀紧套51套装于连接法兰52的安装孔52-2中，主轴53和连接法兰52同轴固接旋转，上胀紧套51、连接法兰52和主轴53同轴固接，连接法兰52上端和转子系统2的底座法兰2-6通过螺栓同轴固接；主轴53高速旋转时，连接法兰52和上胀紧套51随主轴53一起旋转。在主轴53的轴向力作用下，上胀紧套51的内外套内缩外涨使主轴53和上胀紧套51包容面产生足够的摩擦力以传递扭矩；在主轴53受力过载时，上胀紧套51的内外套内涨外缩，减少主轴53和上胀紧套51包容面产生的摩擦力，通过主轴53和胀紧套51异速旋转，实现主轴53的过载保护。上胀紧套51使零件制造和安装简单，通过上胀紧套51依赖摩擦传动，无需在主轴53表面上开槽，从而避免开槽对主轴53强度的影响。上胀紧套51拆卸方便，具有良好的互换性。

根据主轴53传递的扭矩和负荷，上胀紧套51选择原则为：传递扭距：Mt≥a×M；承受轴向力：Ft≥a×Fx；传递力：Ft≥a×(Fx2+(M×d×10-3/2)2)0.5；承受径向力：Pt≥a×Fr×103/d/l，式中：a：安全系数；M：需传递的扭矩，KN·m；Fx：需承受的轴向力，KN；Ft：需承受径向力，KN；Mt：胀套的额定扭矩，KN·m；Ft：胀套的额定轴向力；KN；d、l：胀套的内径和内环宽度，mm；Pt：胀套与轴结合面上的压力，N/mm2。

如图9所示，主轴53上下部开设有上径向通孔53-1和下径向通孔53-2，主要是传递转矩，是主轴复合体的关键零件，根据传递转矩，选择不同的材料类型，具备较强的强度和韧性；轴栓516材料的剪切强度大于等于主轴53材料的剪切强度。

如图6所示，主轴53中部外套装有轴承座511，轴承座511和主轴53中部之间具有径向间隙形成游动腔，轴承座511通过密封槽和密封圈密封固定套装在实验腔底板3-8的中心通孔中；

如图7所示，游动腔上部内的主轴53外周面设有外凸缘，外凸缘下侧的主轴53外套装角接触球轴承59，主轴53中间设有凸肩53-4，角接触球轴承59径向支撑位于轴承座511上部内周面和主轴53上的凸肩53-4之间，角接触球轴承59下侧设有上轴用弹性挡圈510，上轴用弹性挡圈510嵌装在凸肩53-4下方的主轴53外周面所开设的环形上凹槽53-5中，通过上轴用弹性挡圈510和主轴53的外凸缘将角接触球轴承59轴向定位安装；角接触球轴承59采用背对背排列，支点间跨距较大，悬臂长度较小，悬臂端支承刚度较大。

游动腔上端口设有上轴承盖55，上轴承盖55活动套装在主轴53外，上轴承盖55下端面和轴承座511上端面通过螺杆固定连接。

上轴承盖55在底部内圈周面开设有环形缺口槽55-2，环形缺口槽55-2中安装有上油封56，上油封56下侧设有上孔用弹性挡圈57，上孔用弹性挡圈57嵌装在上轴承盖55环形缺口槽内周面所开设的环形挡圈槽55-6中，通过上孔用弹性挡圈57和环形缺口槽55-2的内顶面将上油封56轴向定位装在环形缺口槽55-2中。上油封56是柔性弹性体，在高速旋转和振动情况下仍可保持稳定的密封作用；高速旋转条件下，上孔用弹性挡圈57阻挡角接触球轴承59润滑油飞溅或轴承其他部件损伤飞出污染或损伤上油封56。上轴承盖55上方的主轴53外套装有上密封轴承圈54，如图12所示，上轴承盖55上端面设有两道环形槽55-1，如图11所示，上密封轴承圈54下端设有两圈圈环形凸台54-2，两圈环形凸台分别嵌装在两道环形槽55-1中，上密封轴承圈54处的主轴53开设有径向经过轴心线的上径向通孔53-1，轴栓516从上密封轴承圈54上部一侧通孔54-1穿入，经上径向通孔53-1穿过后从上密封轴承圈54上部另一侧通孔穿出，再被U型金属棒轴向轴向限位安装，使得上密封轴承圈54轴向向下压紧安装在上轴承盖55上端面，通过轴栓516将主轴53的扭矩传递到上轴承密封圈54，使得上轴承密封圈54和主轴53同轴旋转，巧妙地同时实现上轴承盖55和主轴53之间密封连接。根据传递转矩的大小对通孔54-1和上径向通孔53-1的孔径调整；轴栓516选择不同的材料类型，具备较强的强度和韧性；轴栓516的剪切强度大于等于主轴53材料的剪切强度。

上轴承密封圈54下端的圈环形凸台54-2卡装入上轴承盖55上端的环形槽55-1中，同时上轴承盖55上端的相邻环形槽55-1之间形成的盖环形凸台55-5卡装入上轴承密封圈54下端的相邻圈环形凸台54-2之间形成的环形凹槽54-3中，上轴承密封圈54下端的圈环形凸台54-2和环形凹槽54-3以及上轴承盖55上端的环形槽55-1和盖环形凸台55-5之间形成空隙作为阶梯型迷宫密封通道；主轴53高速旋转时，轴栓516带动上轴承密封圈54随主轴53一起旋转，但上轴承盖55固定不动；通过形成阶梯型迷宫密封通道的油润确保上轴承密封圈54与上轴承盖55相对运动流畅，同时起到密封作用。对于下轴承盖519和下密封轴承圈521之间也同样存在阶梯型迷宫密封结构和作用。

轴承座511上端面开设有环形的上密封槽511-3，上密封槽511-3中安装上O型圈58和上轴承盖55下端面密封装配，满足该装置在高真空环境下的密封要求。

轴承座511用来安装圆柱滚子轴承513，同时对上密封轴承圈54、上轴承盖55和角接触球轴承59提供支撑。上密封轴承圈54为角接触球轴承59、圆柱滚子轴承513提供密封，同时将主轴53的旋转扭矩传递到轴承上。上密封轴承圈54通过轴栓516传递的扭矩使其随主轴53一起旋转。

上油封56是柔性弹性体，在高速旋转和振动情况下仍可保持稳定的密封作用。上油封56安装在环形缺口槽55-2内，为上轴承盖55提供密封。工作过程中，为角接触球轴承59提供润滑油，上孔用弹性挡圈57嵌装在上轴承盖55内壁上环形凹槽55-6内，高速旋转条件下，上孔用弹性挡圈57阻挡角接触球轴承59润滑油飞溅外泄或轴承其他部件损伤飞出污染或损伤上油封56。

游动腔下部的主轴53和轴承座511之间结构和游动腔上部的主轴53和轴承座511之间结构基本相同。

如图8所示，游动腔下部内的主轴53外周面套装圆柱滚子轴承513，圆柱滚子轴承513外圈顶部紧靠在轴承座511底部内壁的环形内凹台阶511-7上，圆柱滚子轴承513内圈底面紧靠下轴用弹性挡圈515上；下轴用弹性挡圈515安装在主轴53外周面开设的环形下凹槽53-7里面，用来固定圆柱滚子轴承513，通过下轴用弹性挡圈515和主轴53的台阶面将圆柱滚子轴承513轴向定位安装；圆柱滚子轴承513能在较高转速在温度工作；仅能承受径向力；承受负载大，适应性强，能使下驱式主轴复合体满足多种工况环境的要求；根据转速、传递的力矩旋转不同型号的圆柱滚子轴承513，方便维护保养。圆柱滚子轴承513与主轴53同轴，且随主轴53高速旋转。

游动腔下端口设有下轴承盖519，下轴承盖519活动套装在主轴53外，下轴承盖519上端面和轴承座511下端面利用螺杆固接，下轴承盖519在顶部内圈周面开设有环形缺口槽55-2，环形缺口槽55-2中安装有下油封520，下油封520上侧设有下孔用弹性挡圈522，下孔用弹性挡圈522嵌装在下轴承盖519环形缺口槽内周面所开设的环形挡圈槽55-6中，通过主轴53外周面、环形缺口槽55-2的内壁面和下孔用弹性挡圈522固定下油封520；下轴承盖519下方的主轴53外套装有下密封轴承圈521，下轴承盖519下端面设有两道环形槽，下密封轴承圈521上端设有两圈环形凸台，两圈环形凸台分别嵌装在两道环形槽中，下密封轴承圈521处的主轴53开设有径向经过轴心线的下径向通孔53-2，轴栓516从下密封轴承圈521下部一侧通孔穿入，经下径向通孔53-2穿过后从下密封轴承圈521下部另一侧通孔穿出，再被U型金属棒轴向轴向限位安装，使得下密封轴承圈521轴向向上压紧安装在下轴承盖519上端面，使得下密封轴承圈521和主轴53同轴旋转，同时实现下轴承盖519和主轴53之间密封连接；轴承座511下端面开设有环形的下密封槽511-4，下密封槽511-4中安装下O型圈514和下轴承盖519上端面密封装配，满足该装置在高真空环境下的密封要求。

如图13所示，轴承座511外侧壁开设有注油口551，具体实施中两侧均设有注油口551，注油口551安装扩口式直通管接口512，扩口式直通管接口512连接外部的地面油冷系统，控制注入或者关闭阻塞，提供润滑油和油冷却。轴承座511内部设有油通道550，注油口551经油通道550和游动腔连通；油液从注油口551进入，经油通道550进入充满游动腔，再分别流经角接触球轴承59、圆柱滚子轴承513到上油封56和下油封520，形成动密封。

本实用新型上述离心超重力的主轴53采用一对角接触球轴承59、外圈无挡边的圆柱滚子轴承513、上轴用弹性挡圈510、轴承座511、扩口式直通管接口512和圆柱滚子轴承513组成固定-游动支承结构，这种结构设计可以补偿主轴53因热变形及制造安装误差所引起的长度变化。

组成固定-游动支承与离心超重力装置的转子系统相连。根据转子系统的机载重量，选择轴承适应不同转速下搭载不同重量，具有很强灵活性。

主轴53下端经下胀紧套518与小带轮517同轴固接，小带轮517与离心超重力装置的动力系统相连。小带轮517把旋转扭矩传递到主轴53。根据需要，通过调整小带轮传动比，满足不同转速工况环境，具有很强的适应性和拓展性。小带轮517与离心超重力装置的动力系统通过平带传递扭矩，平带具有弹性，可缓和冲击和振动载荷，运转平稳，无噪声；当过载时，带即在轮上打滑，可防止其它零件损坏。

下胀紧套518使零件制造和安装简单。安装胀套的轴和孔的加工无需过盈配合那样要求高精度的制造公差。下胀紧套518安装时无须加热、冷却或加压设备，只须将螺栓按要求的力矩拧紧即可，且调整方便，可以将轮毂在轴上方便地调整到所需位置。下胀紧套518的使用寿命长，强度高，依靠摩擦传动，对被联结件没有键槽削弱，也无相对运动。工作中不会产生磨损。在超载时，下胀紧套518将失去联结作用，可以保护设备不受损害。下胀紧套518拆卸方便，且具有良好的互换性。

对于轴栓516的定位装配如下：如图14所示，轴栓516穿出上密封轴承圈54上部另一侧通孔的端部开设有销孔516-1，U型金属棒的中间合端尺寸大于销孔516-1的内径，U型金属棒的两端共同伸入到销孔516-1并穿过出销孔516-1后弯折使得尺寸大于销孔516-1的内径，这样使得轴栓516端部被U型金属棒轴向限位装配。对于下密封轴承圈521和轴栓516之间具有上述同样的装配关系结构。

这样高速旋转过程中，由于轴栓516的销孔516-2中安装U型金属棒，与轴销凸台516-1一起固定轴栓516。主轴53维修时，从轴栓516的销孔516-2中取出U型金属棒，然后从通孔53-1从抽出轴栓516，非常方便和快捷。

具体实施中，下驱式主轴复合体置于离心超重力装置的实验腔中，上端连接转子系统，下端连接动力系统，动力系统的驱动力经下驱式主轴复合体的主轴可靠有效地传递到转子系统，进而带动转子系统进行高速旋转进行离心超重力试验。通过下驱式主轴复合体能够实现过载保护；根据扭矩和负载大小，灵活改变下驱式主轴复合体机械传动机构的布局和轴承的类型；在高速旋转过程中，通过密封润滑机构随时添加或更换润滑油的结构设计，体现装置在长时间、高真空、超转速的特殊工况环境下安全运行等优势效果。

动力系统驱动力传递到小带轮517，经下胀紧套518带动下驱式主轴复合体的主轴53旋转时，主轴53经固定-游动支承结构在轴承座511中旋转，上端经上胀紧套51带动连接法兰52旋转，通过连接法兰52带动转子系统旋转。

在扭矩输入和输入机构中，通过连接法兰52和胀紧套51设计，利用胀紧套51摩擦传动的特点，无需在主轴53表面上开槽，避免开槽对主轴53强度的影响，同时主轴53过载时，胀紧套51通过内外套内涨外缩，减少主轴53和胀紧套51包容面产生的摩擦力，借助主轴53和胀紧套51异速旋转，实现对主轴53的过载保护；根据负载、转速，灵活调整小带轮517传动比，满足不同转速工况环境，具有很强的适应性和拓展性。小带轮517与离心超重力装置的动力系统通过平带传递扭矩，平带具有弹性，可缓和冲击和振动载荷，运转平稳，无噪声；当过载时，带即在轮上打滑，可防止其它零件损坏；在传动设计中采用双轴承结构，根据主轴53的扭矩和负载，灵活改变机械传动机构的布局和轴承的类型；密封润滑机构，具有随时添加或更换润滑油的功能，使本实用新型适合长时间、高真空、超转速的特殊工况环境。

下驱式主轴复合体的实施安装和工作过程如下

第一步：根据主轴传递的扭矩和负荷确定安全系数a，然后根据上胀紧套51选择原则确定上胀紧套51的型号和关键参数。

第二步：根据主轴传递的扭矩和负荷，确定灵活改变下驱式主轴复合体机械传动机构的布局和轴承(如角接触球轴承59、圆柱滚子轴承513)的类型。

第三步：在主轴53上安装传动结构。

第四步：检查下驱式主轴复合体工作时，传动结构中上轴承密封圈54、角接触球轴承59、圆柱滚子轴承513、下轴承密封圈521和轴栓516随主轴53旋转；上轴承盖55、上轴用弹性挡圈510、轴承座511、下轴用弹性挡圈515、下轴承盖519不随主轴53旋转。

第五步：在主轴53上安装密封润滑机构。

第六步：安装扭矩输入机构：主轴53穿过小带轮517中心空腔，使小带轮517上端面紧靠主轴53的下台阶53-8，用来定位小带轮517在主轴53上的安装位置，同时防止在高速旋转过程中小带轮517上移；下胀紧套518安装在小带轮517下部空腔，使主轴3外径和下胀紧套518的内径相同；下胀紧套518下端为自由端；主轴53高速旋转时，下胀紧套518下端自由晃动，避免下驱式主轴复合体为超静定结构，影响运行安全；小带轮517通过皮带与离心超重力装置的动力系统相连。通过主轴3外周面与下胀紧套518内壁面以及主轴53、下胀紧套518上部环形凸肩和小带轮517中间空腔内壁面之间的摩擦力来固定下胀紧套518；通过主轴53外周面与小带轮517内壁面以及主轴53、下胀紧套518上部环形凸肩和小带轮517中间空腔内壁面之间的摩擦力，以及下台阶53-8共同来定位小带轮517；下胀紧套518、小带轮517和主轴53同轴；下胀紧套518、小带轮517和主轴53同轴旋转。

第七步：安装扭矩输出机构：主轴53穿过连接法兰52的安装孔52-2，连接法兰52下端面紧靠上凸台53-3，用来定位连接法兰52在主轴53上的安装位置，同时防止在高速旋转过程中连接法兰52下移；上胀紧套51安装在连接法兰52安装孔52-2上部空腔，使主轴3的外径和上胀紧套51的内径相同；连接法兰52通过环形均匀分布的安装螺孔52-1上的6个螺杆与外部旋转结构连接，将下驱式主轴复合体的扭矩输出到外部旋转结构；通过主轴3外周面与上胀紧套51内壁面以及主轴53、上胀紧套51下部环形凸肩和连接法兰52中间空腔内壁面之间的摩擦力来固定上胀紧套51；通过主轴3外周面与连接法兰52内壁面以及主轴53、上胀紧套51下部环形凸肩和连接法兰52中间空腔内壁面之间的摩擦力来连接法兰52；上胀紧套51、连接法兰52和主轴53同轴；连接法兰52、上胀紧套51随主轴53同轴旋转。

第八步：对组装好的下驱式主轴复合体进行测试。

第九步：将组装好的下驱式主轴复合体与离心超重力装置连接。

如图15和图16所示，下驱式主轴复合体的润滑结构如下：注油口551包括上注油口551-1和下注油口551-2，扩口式直通管接口512包括上扩口式直通管接口512-3、下扩口式直通管接口512-4；轴承座511底部开设有分别位于上下布置的上注油口551-1和下注油口551-2，上注油口551-1和下注油口551-2外端分别密封安装有上扩口式直通管接口512-3、下扩口式直通管接口512-4，使得上注油口551-1和下注油口551-2内端分别形成相对封闭的上储油槽529、下储油槽530；上扩口式直通管接口512-3、下扩口式直通管接口512-4分别开设有水平径向的上直通油通道512-1、下直通油通道512-2，上直通油通道512-1、下直通油通道512-2的内端分别和上储油槽529、下储油槽530连通，上直通油通道512-1、下直通油通道512-2外端分别塞装有上管口塞527、下管口塞528。

油通道550包括上油水平通道550-3、上油垂直通道550-4、竖油通道550-5、中油通道550-6和底油通道550-7；轴承座511底部开设有分别位于上下布置且均沿径向水平方向的中油通道550-6和底油通道550-7，中油通道550-6和底油通道550-7径向外端分别和上注油口551-1和下注油口551-2内端的上储油槽529、下储油槽530连通；轴承座511中部设有沿轴向竖直方向的竖油通道550-5，竖油通道550-5底端和中油通道550-6径向内端连通，竖油通道550-5的顶端经同样沿轴向竖直方向的上油垂直通道550-4连通到轴承座511顶端面外部，竖油通道550-5的顶端经沿径向水平方向的上油水平通道550-3连通到轴承座511外侧壁外部，上油垂直通道550-4、上油水平通道550-3分别塞装有上堵油塞523、侧堵油塞524，竖油通道550-5的顶端经沿径向水平方向的内通道550-2一端连通；下轴承盖519的顶部侧壁和上轴承盖55底部侧壁均开设有通油孔55-4，底油通道550-7径向内端经下轴承盖519的通油孔55-4连通到圆柱滚子轴承513，内通道550-2另一端经上轴承盖55的通油孔55-4连通到角接触球轴承59。

本实用新型的下驱式主轴复合体的润滑方式如下：

包括静止情况下添加润滑油、高速情况下添加润滑油和高速情况中更换润滑油；

(A)在主轴53静止情况下，给下驱式主轴复合体添加润滑油的方式如下：

如图17所示用侧堵油塞524封堵上油水平通道550-3的外端口，从上油垂直通道550-4的上端口取下上堵油塞523，用上管口塞527封堵上扩口式直通管接口512-3的上直通油通道512-1外端口，下扩口式直通管接口512-4的下直通油通道512-2外端口取下下管口塞528；

润滑油从上油垂直通道550-4灌入到竖油通道550-5，润滑油沿竖油通道550-5向下进入中油通道550-6，再进入上储油槽529；当竖油通道550-5充满后，润滑油再充满上油水平通道550-3；然后用上堵油塞523封堵上油垂直通道550-4的上端口；此后在主轴53高速旋转过程中，充满上油水平通道550-3内的润滑油通过内通道550-2、上轴承盖55中的通油孔55-4流入到角接触球轴承59的滚子中，从而润滑角接触球轴承59，并利用上轴用弹性挡圈510防止润滑油泄露；

并且将外接高压输油管道与底油通道550-7入口连接，通过打压把润滑油灌入底油通道550-7和下储油槽530里面；然后再取下外接高压输油管道，用下管口塞528封堵下扩口式直通管接口512-4的下直通油通道512-2外端口；此后在润滑油在压力作用下，通过下轴承盖519中的通油孔55-4流入到圆柱滚子轴承513的滚子中，从而润滑圆柱滚子轴承513；

(b)在主轴53超重力离心高速旋转情况下，给下驱式主轴复合体添加润滑油的方式如下：

如图18所示用侧堵油塞524封堵上油水平通道550-3的外端口，用上堵油塞523封堵上油垂直通道550-4的上端口，上扩口式直通管接口512-3的上直通油通道512-1外端口取下上管口塞527，下扩口式直通管接口512-4的下直通油通道512-2外端口取下下管口塞528；

将外接高压输油管道与上扩口式直通管接口512-3的上直通油通道512-1外端口连接，通过打压经上直通油通道512-1把润滑油灌入中油通道550-6和上储油槽529里面；润滑油再压力作用下，沿竖油通道550-5进入上油水平通道550-3；充满上油水平通道550-3内的润滑油沿径向方向通过内通道550-2、上轴承盖55中的通油孔55-4流入到角接触球轴承59滚子中，从而润滑角接触球轴承59，并利用上轴用弹性挡圈510防止润滑油泄露；最后取下外接高压输油管道，用上管口塞527封堵上直通油通道512-1外端口；

同时将外接高压输油管道与下扩口式直通管接口512-4的下直通油通道512-2外端口连接，通过打压经下直通油通道512-2把润滑油灌入底油通道550-7和下储油槽530里面；充满底油通道550-7内的润滑油沿径向方向通过下轴承盖519中的通油孔55-4流入到圆柱滚子轴承513滚子中，从而润滑圆柱滚子轴承513，并利用下轴用弹性挡圈515防止润滑油泄露；最后取下外接高压输油管道，用下管口塞528封堵下直通油通道512-2外端口。

(c)在主轴53超重力离心高速旋转情况下，更换下驱式主轴复合体密封润滑机构内的润滑油方式如下：

如图19所示用侧堵油塞524封堵上油水平通道550-3的外端口，上油垂直通道550-4的上端口取下上堵油塞523，上扩口式直通管接口512-3的上直通油通道512-1外端口取下上管口塞527，下扩口式直通管接口512-4的下直通油通道512-2外端口取下下管口塞528；在主轴53超重力离心高速旋转的离心力作用下，角接触球轴承59的润滑油分别沿上油水平通道550-3和中油通道550-6流出；随着中油通道550-6中油量流出减少，储存在竖通油道550-5在重力和离心力作用下流向中油通道550-6再沿中油通道550-6流出；圆柱滚子轴承513的润滑油先流入到下储油槽530，再经离心作用下沿底油通道550-7流出。

具体实施，通过改变转速，控制润滑油流出的速度和流量。将过热的润滑油去除，根据实施三的过程，再给密封润滑机构添加新的润滑油。

转子系统2的主要功能是提供实验所需的离心超重力环境。

如图4和图5所示，转子系统2包括挂臂2-1、挂杯61、高速滑环2-4、限位轴承2-5和底座法兰2-6；挂臂2-1中心开设通孔，挂臂2-1中心通孔的底部孔端面固定连接底座法兰2-6的上端，底座法兰2-6下端和下驱式主轴复合体5的连接法兰52通过螺栓固接，挂臂2-1的两端对称铰接安装有挂杯61，挂杯61均通过挂销2-2铰接安装于挂臂2-1的末端；该装置工程测试过程中，挂臂2-1为主要承力件，采用具有较高热强性材料制备。挂销2-2连接挂臂2-1与挂杯61，为主要受力点，材料高强材料制备。挂杯61用于放置高温加热和性能测试装置，尺寸大小可以根据机载装置重量进行调整。

主轴53上端穿出连接法兰52后再穿过挂臂2-1中心的通孔后和紧固套装有高速滑环2-4，且上端部经限位轴承2-5套装于实验腔盖3-3内顶面中心的沉孔中；高速滑环2-4的内圈转子直接紧固在主轴53上，高速滑环2-4的外圈定子固定在实验腔盖3-3内顶面，高速滑环2-4的内圈转子与主轴18一起旋转；高速滑环2-4主要为挂杯61中搭载的机载装置提供控制信号传输通道，使其与地面控制系统通讯。

具体实施中，下驱式主轴复合体置于离心超重力装置的实验腔中，上端连接转子系统，下端连接动力系统，动力系统的驱动力经下驱式主轴复合体的主轴可靠有效地传递到转子系统，进而带动转子系统进行高速旋转进行离心超重力试验。通过下驱式主轴复合体能够实现过载保护；根据扭矩和负载大小，灵活改变下驱式主轴复合体机械传动机构的布局和轴承的类型；在高速旋转过程中，通过密封润滑机构随时添加或更换润滑油的结构设计，体现装置在长时间、高真空、超转速的特殊工况环境下安全运行等优势效果。

动力系统驱动力传递到小带轮517，经下胀紧套518带动下驱式主轴复合体的主轴53旋转时，主轴53经固定-游动支承结构在轴承座511中旋转，上端经上胀紧套51带动连接法兰52旋转，通过连接法兰52和底座法兰2-6的固接带动转子系统的挂臂2-1旋转，再带动挂臂2-1两端的挂杯61绕主轴53旋转，进而带动挂臂2-1、挂销2-2、挂杯61一起高速旋转。

每个挂杯61中安装有定向熔铸系统，如图21和图23所示，具体实施的定向熔铸系统包括挂杯61、加热装置62、坩埚装置63和保温装置64；挂杯61为上端开口的杯状结构，挂杯61中安装保温装置64，保温装置64中装有加热装置62，加热装置62中装有坩埚装置63，如图22所示，挂杯61顶部两侧设有吊耳61-1，挂杯61通过两侧的吊耳61-1铰接地悬挂在超重力离心机的旋转臂端部上。

具体实施中，挂杯61中安装加热装置62、坩埚装置63和保温装置64，采用钛合金、高强钢等材料整体锻造加工而成，内表面采用电抛光处理，同时能够承受高速旋转产生的离心应力，具有很高强高温强度和刚度。

实验过程中为了保持动平衡，对于臂式离心机，需采用2个挂杯61同时做实验(如图5)；对于鼓式离心机，需采用圆周对称结构做实验时，采用挂杯61的数量为偶数，具体挂杯数量取决于鼓式离心机的有效载荷和空间体积(如图20)。

保温装置64的功能是维持加热装置62的高温环境，防止热量散失。

如图24所示，保温装置64包括保护壳64-1、上段气凝胶层64-2、上段陶瓷纤维层64-3、上固定环隔热层64-5、中段气凝胶层64-6、外侧中段陶瓷纤维层64-7、最外层钼合金隔热层64-8、次外层钼合金隔热层64-9、内层钼合金隔热层64-10、下固定环隔热层64-12、下段陶瓷纤维层64-13、下段气凝胶层64-14、底座陶瓷纤维层64-15、隔热支撑座64-16、保温盖64-17和炉顶气凝胶层64-18。

保护壳64-1放置在挂杯61中，保护壳64-1的内周壁布置有环状沿圆周一圈的气凝胶层，气凝胶层从下到上分为下段气凝胶层64-14、中段气凝胶层64-6和上段气凝胶层64-2，下段气凝胶层64-14和中段气凝胶层64-6之间设有下环形间隔64-24，下环形间隔64-24处布置下段加热结构的下段固定环62-12；中段气凝胶层64-6和上段气凝胶层64-2之间设有上环形间隔64-21，上环形间隔64-21处布置上段加热结构的上段固定环62-11；下段气凝胶层64-14所在水平空间的保护壳64-1中央固定有隔热支撑座64-16，隔热支撑座64-16和下段气凝胶层64-14之间填充有底座陶瓷纤维层64-15；隔热支撑座64-16、底座陶瓷纤维层64-15顶面和下段气凝胶层64-14的顶面平齐位于同一水平面；

底座陶瓷纤维层64-15之上的上段气凝胶层64-2和中段气凝胶层64-6的内周壁布置有环状沿圆周一圈的陶瓷纤维层，陶瓷纤维层从下到上分为下段陶瓷纤维层64-13、中段陶瓷纤维层64-7和上段陶瓷纤维层64-3，下段陶瓷纤维层64-13、中段陶瓷纤维层64-7和上段陶瓷纤维层64-3分别位于紧贴下段气凝胶层64-14、中段气凝胶层64-6和上段气凝胶层64-2的内周壁；中段陶瓷纤维层64-7和下段陶瓷纤维层64-13内部嵌装有环状的隔热层，隔热层从外到内分别依次为最外层钼合金隔热层64-8、次外层钼合金隔热层64-9和内层钼合金隔热层64-10，上段固定环62-11和隔热层的最外层钼合金隔热层64-8之间设有上固定环隔热层64-5隔热，下段固定环62-12和隔热层之间设有下固定环隔热层64-12隔热。

中段陶瓷纤维层64-7和下段陶瓷纤维层64-13之间内嵌设有分别上下布置的下进线安装环道64-22和下出线安装环道64-23，下进线安装环道64-22布置下段进电接线环62-9，下出线安装环道64-23布置下段出电接电环62-10，下进线安装环道64-22和下出线安装环道64-23之间通过下段绝缘环64-11隔绝，使得下段进电接线环62-9和下段出电接电环62-10之间通过下段绝缘环64-11绝缘；上段陶瓷纤维层64-3和中段陶瓷纤维层64-7之间内嵌设有分别上下布置的上进线安装环道64-19和上出线安装环道64-20，上进线安装环道64-19布置上段进电接线环62-7，上出线安装环道64-20布置上段出电接电环62-8，上进线安装环道64-19和上出线安装环道64-20之间通过上段绝缘环64-4隔绝，使得上段进电接线环62-7和上段出电接电环62-8之间通过上段绝缘环64-4绝缘。

上段陶瓷纤维层64-3上端口形成上端大下端小的阶梯口，阶梯口安装保温盖64-17，在保护壳64-1上端口安装炉顶气凝胶层64-18，保温盖64-17和上段陶瓷纤维层64-3的顶面平齐位于同一水平面，炉顶气凝胶层64-18底面紧贴于保温盖64-17和上段陶瓷纤维层64-3的顶面；底座陶瓷纤维层64-15之上的中段陶瓷纤维层64-7和下段陶瓷纤维层64-13内周形成加热内腔，加热内腔中安装坩埚装置63。

保护壳64-1采用高强合金钢制备，比如镍基高温合金等，具有很高的熔点和强度。

如图25所示，保护壳64-1顶部和底部外壁面均设有多个护栏64-1-1，多个护栏64-1-1沿圆周间隔均布用于保护壳64-1放入和取出挂杯61；将保护壳64-1向挂杯61中安装时，利用具有六个推杆的动力装置顶住六个护栏64-1-1，把保护壳64-1推到其底部与挂杯61的底部接触；实验结束后，从挂杯61中取出保护壳64-1时，利用具有六个拉杆的动力装置抓住六个护栏64-1-1，把保护壳64-1从挂杯61中取出。

如图25所示，保护壳64-1的上半部分的壳壁开设有散热孔64-1-2。当保温装置64出现异常，造成保护壳64-1壳体温度剧增，通过散热孔64-1-2散热，降低保护壳64-1壳体温度，否则高温降低保护壳64-1强度，威胁实验安全，同时散热孔64-1-2也可以减轻保护壳64-1的重量。

如图26所示，最外层钼合金隔热层64-8、次外层钼合金隔热层64-9、内层钼合金隔热层64-10中层壁间隔均布地开设有减重孔64-8-1，以进行减重并同时系数热膨胀产生的热应力。

上段气凝胶层64-2、上段陶瓷纤维层64-3、上固定环隔热层64-5、保温盖64-17和炉顶气凝胶层64-18给加热装置62组成一个上段保温层。上段气凝胶层64-2直接与保护壳64-1内壁接触，上段陶瓷纤维层64-3安装在保温盖64-17和上段气凝胶层64-2之间，并通过炉顶气凝胶层防止热量向外散失。由于上段陶瓷纤维层具64-3有一定的韧性，在超重力下可以吸收部分能量，防止实验过程中陶瓷保温盖64-17在外力作用下破坏。由于陶瓷纤维隔热性能好，且具有弹性，上段陶瓷纤维层64-3和上固定环隔热层64-5直接安装在上加热管62-2的外壁，起到隔热保温和保护作用。

中段气凝胶层64-6、外侧中段陶瓷纤维层64-7、最外层钼合金隔热层64-8、次外层钼合金隔热层64-9、内层钼合金隔热层64-10、陶瓷纤维层64-13给加热装置62组成一个中段保温层。中段气凝胶层64-6直接与保护壳64-1内壁接触，中段气凝胶层64-6与内层钼合金隔热层64-10之间通过外侧中段陶瓷纤维层64-7隔热，上段固定环62-11、下段固定环62-12和外侧中段陶瓷纤维层64-7均为金属材料，上段固定环62-11和外侧中段陶瓷纤维层64-7之间用上固定环隔热层64-5隔热；下段固定环62-12和外侧中段陶瓷纤维层64-7之间用下固定环隔热层64-12隔热。

最外层钼合金隔热层64-8紧靠外侧中段陶瓷纤维层64-7安装，预留一些空隙，安装次外层钼合金隔热层64-9，再预留一些空隙，安装内层钼合金隔热层64-10。最外层钼合金隔热层64-8、次外层钼合金隔热层64-9和内层钼合金隔热层64-10之间预留一些空隙，防止金属热胀冷缩产生内应力，破坏保护壳64-1。

下段气凝胶层64-14、底座陶瓷纤维层64-15、隔热支撑座64-16给加热装置62组成一个下段保温层。下段气凝胶层64-14安装在保护壳64-1的内壁，底座陶瓷纤维层64-15安装在下段气凝胶层64-14和隔热支撑座64-16之间。隔热支撑座64-16对整个加热装置62起支撑作用。由于试验过程中，隔热支撑座64-16为最主要的承力部件，每次实验前，要仔细检查或应该经常更换。

具体实施中，如果加热装置62的最高温度低于1200℃，可以只用一层钼合金隔热层，如内层钼合金隔热层64-10，可以不用最外层钼合金隔热层64-8和次外层钼合金隔热层64-9。如果加热装置62的最高温度高于1600℃，需要同时采用最外层钼合金隔热层64-8、次外层钼合金隔热层64-9和内层钼合金隔热层64-10。最外层钼合金隔热层64-8、次外层钼合金隔热层64-9和内层钼合金隔热层64-10的厚度和间距根据离心机负载、最高温度、离心加速度进行设计组合，以适应不同温度、不同离心加速度环境下的熔铸要求。

加热装置62的功能是在离心超重力环境下给实验样品施加热量。

如图27和图28所示，加热装置62包括同轴分别上下布置且结构尺寸相同的上段加热结构和下段加热结构以及陶瓷盖62-13，上段加热结构和下段加热结构分别上下同轴对接成一段构成总加热结构，总加热结构置于隔热支撑座64-16之上的陶瓷纤维层内腔中，总加热结构内部安装坩埚装置63，并在顶端安装陶瓷盖62-13；

上段加热结构包括上发热体62-1、上加热管62-2、上隔热腔体62-3、上段进电接线环62-7、上段出电接电环62-8和上段固定环62-11；加热管内安装发热体，如图28所示，上加热管62-2的管壁内部中间开设有螺旋形卡槽62-2-1，上发热体62-1安装在螺旋形卡槽62-2-1中，螺旋形卡槽62-2-1的相邻槽道之间形成螺旋形凸台62-2-2，上发热体62-1和螺旋形凸台62-2-2摩擦接触，通过螺旋形凸台62-2-2防止上发热体62-1在超重力下向下滑移，上加热管62-2的管壁内侧面开设有沿螺旋形卡槽62-2-1间隔布置的热辐射孔62-2-3，上发热体62-1产生的热量透过热辐射孔62-2-3以热辐射形式加热坩埚装置63；如图29所示，安装了上发热体62-1的上加热管62-2再安装在上隔热腔体62-3的内圈腔62-3-1中，上隔热腔体62-3管壁中部沿周向间隔开设有多个圆弧布置的隔热孔62-3-2，隔热孔62-3-2轴向贯通，隔热孔62-3-2与内圈腔62-3-1联通，内圈腔62-3-1经螺旋形卡槽62-2-1和热辐射孔62-2-3连通，使得隔热孔62-3-2与热辐射孔62-2-3联通；

通过上隔热腔体62-3的设置，一方面以上隔热腔体62-3外壁防止热量向炉外散失，二来通过隔热孔62-3-2与热辐射孔62-2-3联通，最大限度将上发热体62-1产生的热量通过超重力产生的热对流，在上加热管62-2内部形成一个稳定的恒温区，从而形成一个完整的上段加热过程。

超重力的热对流下，加热管内圈内坩埚装置63周围的温度低的气流向加热装置62底部流动，加热管内圈内坩埚装置63周围的温度高的气流向加热装置62顶部流动；然后加热装置62底部后的气流经热辐射孔62-2-3到螺旋形卡槽62-2-1中被发热体加热后沿螺旋形卡槽62-2-1向加热装置62顶部流动，进而经陶瓷盖62-13接触冷却后形成温度低的气流，再透过热辐射孔62-2-3到加热管内圈内向加热装置62底部流动，形成热对流循环。

上隔热腔体62-3顶端周围设有上段进电接线环62-7、上段出电接电环62-8和上段固定环62-11，上发热体62-1的两端分别和上段进电接线环62-7和上段出电接电环62-8通过内部布设的绝热电线或者直接焊接电连接，上段进电接线环62-7和上段出电接电环62-8通过内部布设的绝热电线再连接到地面供电系统，由此通过上段进电接线环62-7和上段出电接电环62-8与地面供电系统连接形成闭环为上发热体62-1供电，地面供电系统连接温控系统；上段进电接线环62-7、上段出电接电环62-8外周围还设有上段固定环62-11，上段固定环62-11布置于保温装置64结构内；

下段加热结构包括下发热体62-4、下加热管62-5、下隔热腔体62-6、下段进电接线环62-9、下段出电接电环62-10和下段固定环62-12；加热管内安装发热体，下加热管62-5的管壁内部中间开设有螺旋形卡槽62-2-1，下发热体62-4安装在螺旋形卡槽62-2-1中，螺旋形卡槽62-2-1的相邻槽道之间形成螺旋形凸台62-2-2，下发热体62-4和螺旋形凸台62-2-2摩擦接触，通过螺旋形凸台62-2-2防止下发热体62-4在超重力下向下滑移，下加热管62-5的管壁内侧面开设有沿螺旋形卡槽62-2-1间隔布置的热辐射孔62-2-3，下发热体62-4产生的热量透过热辐射孔62-2-3以热辐射形式加热坩埚装置63；安装了下发热体62-4的下加热管62-5再安装在下隔热腔体62-6的内圈腔62-3-1中，下隔热腔体62-6管壁中部沿周向间隔开设有多个圆弧布置的隔热孔62-3-2，隔热孔62-3-2轴向贯通，隔热孔62-3-2与内圈腔62-3-1联通，内圈腔62-3-1经螺旋形卡槽62-2-1和热辐射孔62-2-3连通，使得隔热孔62-3-2与热辐射孔62-2-3联通。

通过下隔热腔体62-6的设置，一方面以下隔热腔体62-6外壁防止热量向炉外散失，二来通过隔热孔62-3-2与热辐射孔62-2-3联通，最大限度将下发热体62-4产生的热量通过超重力产生的热对流，在下加热管62-5内部形成一个稳定的恒温区，从而形成一个完整的下段加热过程。

超重力的热对流下，加热管内圈内坩埚装置63周围的温度低的气流向加热装置62底部流动，加热管内圈内坩埚装置63周围的温度高的气流向加热装置62顶部流动；然后加热装置62底部后的气流经热辐射孔62-2-3到螺旋形卡槽62-2-1中被发热体加热后沿螺旋形卡槽62-2-1向加热装置62顶部流动，进而经陶瓷盖62-13接触冷却后形成温度低的气流，再透过热辐射孔62-2-3到加热管内圈内向加热装置62底部流动，形成热对流循环。

下隔热腔体62-6顶端周围设有下段进电接线环62-9、下段出电接电环62-10和下段固定环62-12，下发热体62-4的两端分别和下段进电接线环62-9和下段出电接电环62-10通过内部布设的绝热电线或者直接焊接电连接，下段进电接线环62-9和下段出电接电环62-10通过内部布设的绝热电线再连接到地面供电系统，由此通过下段进电接线环62-9和下段出电接电环62-10与地面供电系统连接形成闭环为下发热体62-4供电，地面供电系统连接温控系统；下段进电接线环62-9、下段出电接电环62-10外周围还设有下段固定环62-12，下段固定环62-12布置于保温装置64结构内。

上段固定环62-11和下段固定环62-12分布安装在上加热管62-2和下加热管62-5连接，增加整个加热腔的刚度，防止它在超重力下晃动和变形。

由此，上段加热结构的上加热管62-2和下段加热结构的下加热管62-5同轴对接，上段加热结构的上隔热腔体62-3和下段加热结构的下隔热腔体62-6同轴对接，上段加热结构和下段加热结构组成一个完整的分区加热的加热装置62，使得超重力产生的热对流向配合完成更均匀的温度场。

上加热管和下上加热管采用高性能陶瓷材料制备，如空心球氧化铝陶瓷等。

具体实施中，将上发热体62-1和下发热体62-4的材料类型设置为不同，使上加热管62-2和下加热管62-5的升温速率、降温速率、温度不同，采用两端分区加热控制温度梯度。

加热装置62采用上段和下段分体加热进行上下分区加热和控温，可以实现上段加热结构和下段加热结构的顶端加热温度均低于或高于底端加热温度，上段加热结构和下段加热结构的加热温度均从顶端到底端逐渐渐变，上段加热结构的底端加热温度低于下段加热结构的顶端加热温度，通过多点控温在上加热管62-2和下加热管62-5内部形成温度场分布。

具体实施过程中：

(A)制备等轴晶合金材料，在加热阶段，上加热管62-2和下加热管62-5升温速率相同，且控制的最高温度相同，以确保坩埚63-1中合金熔体在上下两区具有均匀的温度分布；在凝固阶段，上加热管62-2和下加热管62-5的降温速率也相同。

(B)制备定向柱晶合金材料或单晶组织材料，且熔体凝固方向与离心超重力方向相反，在加热阶段，上加热管62-2和下加热管62-5升温速率相同，且控制的最高温度相同，以确保坩埚63-1中合金熔体在上下两区具有均匀的温度分布；在凝固阶段，必须确保下加热管62-5的降温速率大于上加热管62-2的降温速率，形成一个在坩埚63-1底部温度低、坩埚63-1顶部温度高的温度梯度分布，使柱状晶生长方向与超重力方向相反。

(C)制备定向柱晶合金材料或单晶组织材料，且熔体凝固方向与离心超重力方向相同，在加热阶段，上加热管62-2和下加热管62-5升温速率相同，且控制的最高温度相同，以确保坩埚63-1中合金熔体在上下两区具有均匀的温度分布；在凝固阶段，必须确保上加热管62-5的降温速率大于下加热管62-2的降温速率，形成一个在坩埚63-1顶部温度低、坩埚63-1底部温度高的温度梯度分布，使柱状晶生长方向与超重力相同。

连接线、发热体与地面电源连接电缆必须满足超重力的要求，防止设备运行过程中电缆损伤造成整个线路断路，从而影响实验。为了确保强度、抗氧化性能和导电性性能，接线环采用GH4169等金属材料制备。

陶瓷盖62-13盖在上加热管62-2的顶端，防止热端散失；陶瓷盖62-13底面中心固定设有凸台，凸台位于上加热管62-2中心的空腔内，保温并防止陶瓷盖62-13在超重力下下沉，同时防止加热腔在超重力下左右摇晃。

具体实施中，上隔热腔体62-3和下隔热腔体62-6采用高强度陶瓷材料制备，如复合氮化硼陶瓷材料。

陶瓷盖62-13用高强耐热压缩性能好的氧化铝陶瓷制备。

坩埚装置63的功能是用来放置熔化的试样。

坩埚装置63包括坩埚63-1和坩埚保护筒63-2；坩埚63-1装在坩埚保护筒63-2中，坩埚保护筒63-2再装在总加热结构的加热管中；如图30所示，坩埚63-1两侧的外壁面均开设有竖直的条形槽，竖直方向较短一侧的条形槽作为上段热电偶固定槽63-1-1，竖直方向较长一侧的条形槽作为下段热电偶固定槽63-1-2，用来检测并反馈控制上段加热结构的热电偶穿过陶瓷盖62-13上的通孔放置在上段热电偶固定槽63-1-1里检测上段加热结构的温度，用来检测并反馈控制下段加热结构的热电偶穿过陶瓷盖62-13上的通孔放置在下段热电偶固定槽63-1-2里检测上段加热结构的温度；

上下段加热结构的供电系统和温控系统是相互独立的，分别通过上段热电偶固定槽63-1-1和下段热电偶固定槽63-1-2中的热电偶检测上下段加热结构的实时温度，并反馈独立控制上下段加热结构的加热温度。

根据熔化材料不同，坩埚63-1选择不同材料，如高强石墨、氧化铝、钼合金等。

功率降低法在超重力下实现温度梯度的具体使用过程：

在加热阶段，给坩埚加热的上下两区同时加热直到坩埚中的材料完全熔化，根据设定的温度梯度与温控系统配合，分别独立控制上下段加热结构的供电功率，进而控制上下发热体62-1/62-4分区加热，在坩埚从形成一个从坩埚底部到顶部的温度梯度，使得熔化材料从坩埚底部到顶部的顺序凝固。试验过程中，通过改变超重力大小、上下区供电功率、坩埚形状及材料、凝固时间等措施，进行不同的温度梯度实施。

在坩埚63-1外面套上一个坩埚保护筒63-2后能防止超重力凝固过程中坩埚63-1破裂，发生高温熔体外流及意外。坩埚保护筒63-2采用高熔点钼合金制备。坩埚63-1为耗材，尤为对陶瓷坩埚，需要经常更换。

如果熔铸合金的密度小于5g/cm³，且离心加速度不高于1000g(g＝9.8m/s²)，选择高强石墨坩埚，可以不需要坩埚保护筒63-2。

如果熔铸合金的密度大于5g/cm³，且离心加速度高于1000g(g＝9.8m/s²)，如果选择母合金坩埚，可以不需要坩埚保护筒63-2。

如图31所示，利用该系统进行样品性能测试的具体过程：

第一步：根据合金类型，确定上发热体62-1和下发热体62-4的类型。

如果合金熔点(或需要熔化合金的最高温度)低于1200℃，发热体材料可以选择镍铬-镍硅等，对真空度没有要求。

如果合金熔点(或需要熔化合金的最高温度)在1000℃-1700℃，发热体材料可以选择钨钼合金等，要求真空度不低于5Pa。

第二步：根据合金类型，确定坩埚材料类型。

如果合金熔点(或需要熔化合金的最高温度)低于1200℃，且离心加速度不高于1500g，可以选择是石墨坩埚。

如果合金熔点(或需要熔化合金的最高温度)低于1200℃，且离心加速度高于1500g，可以选择是热等静压各向同性高强石墨坩埚。

如果合金熔点(或需要熔化合金的最高温度)高于1200℃，离心加速度高于1500g，可以选择钼合金坩埚。

第三步：打开真空接口3-7，给实验腔3破真空。

第四步：打开实验腔盖3-3上的立式肘夹3-1。

第五步：启动升降系统4，提升实验腔盖3-3和转子系统2。

第六步：打开挂销2-2，取出挂杯61。为了动平衡需要，同时取下左右两个挂杯。

第七步：根据实验温度确定发热体类型和坩埚类型，组装加热装置62。

第八步：在保护壳64-1内依次安装保温装置64、加热装置62和坩埚装置63。

第九步：将保护壳64-1安装到挂杯61中。

第十步：将挂杯61安装在离心主机上。

第十一步：将熔铸系统5所需的强电和弱信号线通过高速滑环2-3与地面控制系统和供电系统相连，并对连接结果进行测试，确定连接无误。

将热电偶控制线与地面控温系统相连。

第十二步：启动升降系统4，将升起的实验腔盖3-3和转子系统2放回实验腔3中，然后锁紧实验腔盖3-3上的立式肘夹3-1。

第十三步：启动离心主机1，使转子系统2在低速下旋转，对挂杯61进行动平衡测试。利用转速传感器1-5监测主轴1-8的转速。如果挂杯61振动厉害，立刻关掉离心主机1，通过调整挂杯61负载，直到动平衡测试满足技术规范要求。

第十四步：启动真空系统，通过真空接口3-7对实验腔3抽真空，直到试验腔3内的真空度达到熔铸要求后才能启动熔铸炉的加热系统5-1。

第十五步：当熔铸炉炉温达到合金熔点的0.8倍时，启动离心主机，一边加热，一边启动离心主机。

利用转速传感器1-5监测主轴1-8转速。离心主机1运行过程中加热系统5-1同时运行。

第十六步：当离心主机转速达到实验设定的转速后，持续加热直到合金完全熔化，并在设计的离心主机转速下保持10分钟。

第十七步：开始定向凝固。

在加热阶段，坩埚上下区同时加热直到坩埚中的材料完全熔化。在定向凝固阶段，根据设定的温度梯度，分别独立控制上下区的供电功率，与温控系统配合，在坩埚从形成一个从坩埚底部到顶部的温度梯度，实现熔化材料从坩埚底部到顶部的顺序凝固。

试验过程中，通过改变超重力大小、上下区供电功率、坩埚形状及材料、凝固时间等措施，获得不同的温度梯度要求，借此来控制凝固界面的位置，从而在凝固前沿的液-固界面形成所需的温度梯度。

实验过程中，温度信号实时传给信号采集器，信号采集器通过滑环与地面测控中心连接，从而获得实验过程中温度-时间曲线。

第十八步：当试样完全凝固后，依次关闭熔铸炉加热系统5-1和离心主机1。

第十九步：当温度减低到400℃以下，且离心主机1完全停稳后，打开真空接口3-7，给实验腔3破真空。

第二十步：当实验腔3内真空度达到1大气压时，打开实验腔盖3-3上的立式肘夹3-1，启动升降系统4，提升实验腔盖3-3和转子系统2。

第二十一步：打开挂销2-2，取出挂杯61，从挂杯61中取出熔铸炉和试样。

第二十二步：挂杯61打扫干净后，空挂杯61再装回到转子系统2中。

第二十三步：启动升降系统4，将升起的实验腔盖3-3和转子系统2放回实验腔3中，然后锁紧实验腔盖3-3上的立式肘夹3-1。

第二十四步：启动真空系统，通过真空接口3-7对实验腔3抽真空，直到试验腔3内的真空度达到1Pa后关闭真空系统。

Claims (7)

1.一种离心超重力熔铸与定向凝固系统，其特征在于：

包括离心主机(1)、转子系统(2)、实验腔(3)、升降系统(4)和下驱式主轴复合体(5)；转子系统(2)和下驱式主轴复合体(5)安装在实验腔(3)内，实验腔(3)底部通过缓冲结构安装在装置底座上，离心主机(1)安装在实验腔(3)侧方的装置底座上并下驱式主轴复合体(5)下端连接，下驱式主轴复合体(5)上端和转子系统(2)连接，升降系统(4)安装在装置底座上且位于实验腔(3)上方，升降系统(4)和实验腔(3)的腔盖连接；

所述的实验腔(3)包括立式肘夹(3-1)、直线导轨(3-2)、实验腔盖(3-3)、实验腔体(3-4)、防护壳(3-5)、阻尼器(3-6)和真空接口(3-7)；实验腔体(3-4)底部的实验腔底板(3-8)通过阻尼器(3-6)固定安装在离心超重力实验室的地面上，实验腔体(3-4)顶部设有实验腔盖(3-3)，实验腔盖(3-3)两侧外边缘设有凸板，凸板上开设通孔，实验腔体(3-4)顶面边缘固定有竖直的直线导轨(3-2)，凸板的通孔套装于直线导轨(3-2)中，通过直线导轨(3-2)和凸板通孔的配合安装使得实验腔盖(3-3)与实验腔体(3-4)的精确定位安装配合；实验腔盖(3-3)周围的实验腔体(3-4)顶面沿圆周均布固定安装有三个立式肘夹(3-1)，实验腔盖(3-3)通过立式肘夹(3-1)与实验腔体(3-4)固定；实验腔盖(3-3)和实验腔体(3-4)接触面之间用O型橡胶圈密封，实验腔体(3-4)侧壁开设有真空接口(3-7)，真空接口(3-7)与外部的地面真空系统或充气系统相连；实验腔体(3-4)内周围设有三层防护壳(3-5)；

所述的升降系统(4)包括驱动电机(4-1)、升降机(4-2)、丝杠(4-3)和升降支架(4-4)；升降支架(4-4)横跨安装在实验腔(3)上方，驱动电机(4-1)固定在升降支架(4-4)上，驱动电机(4-1)输出轴经升降机(4-2)和丝杠(4-3)传动连接驱动丝杠(4-3)上下升降，丝杠(4-3)竖直布置，丝杠(4-3)下端和实验腔盖(3-3)的中心固定连接；

所述的离心主机(1)包括电机(1-1)、大带轮(1-2)、减震座(1-3)、平带(1-4)和转速传感器(1-5)；电机(1-1)通过减震座(1-3)安装在实验腔(3)的侧方，电机(1-1)的输出轴和大带轮(1-2)同轴连接，大带轮(1-2)经平带(1-4)和下驱式主轴复合体(5)的小带轮(517)带传动连接；小带轮(517)侧方安装有转速传感器(1-5)；

所述的下驱式主轴复合体(5)包括主轴(53)、扭矩输入机构、传动结构和扭矩输出机构，传动结构包括机械传动机构和密封润滑机构，主轴(53)上端和扭矩输入机构连接，主轴(53)中部安装有机械传动机构和密封润滑机构，主轴(53)下端安装有扭矩输出机构；扭矩输出机构和外部旋转驱动力连接，带动主轴(53)旋转，主轴(53)经机械传动机构和密封润滑机构套装在离心超重力装置的实验腔底板中心孔中，主轴(53)上端将旋转动力传递到扭矩输入机构，经扭矩输入机构带动离心超重力装置的实验腔内的离心主机作离心超重力运动；

所述的转子系统(2)包括挂臂(2-1)、挂杯(61)、高速滑环(2-4)、限位轴承(2-5)和底座法兰(2-6)；挂臂(2-1)中心开设通孔，挂臂(2-1)中心通孔的底部孔端面固定连接底座法兰(2-6)的上端，底座法兰(2-6)下端和下驱式主轴复合体(5)的连接法兰(52)通过螺栓固接，挂臂(2-1)的两端对称铰接安装有挂杯(61)，挂杯(61)均通过挂销(2-2)铰接安装于挂臂(2-1)的末端；主轴(53)上端穿出连接法兰(52)后再穿过挂臂(2-1)中心的通孔后和紧固套装有高速滑环(2-4)，且上端部经限位轴承(2-5)套装于实验腔盖(3-3)内顶面中心的沉孔中；高速滑环(2-4)的内圈转子直接紧固在主轴(53)上，高速滑环(2-4)的外圈定子固定在实验腔盖(3-3)内顶面，高速滑环(2-4)的内圈转子与主轴(53)一起旋转；

所述的下驱式主轴复合体(5)中，扭矩输入机构包括上胀紧套(51)和连接法兰(52)，机械传动机构包括上轴承盖(55)、角接触球轴承(59)、上轴用弹性挡圈(510)、轴承座(511)、圆柱滚子轴承(513)、下轴用弹性挡圈(515)、轴栓(516)、下轴承盖(519)和下密封轴承圈(521)，密封润滑机构包括上油封(56)、上孔用弹性挡圈(57)、上O型圈(58)、扩口式直通管接口(512)、下O型圈(514)、下油封(520)、下孔用弹性挡圈(522)、注油口(551)和油通道(550)，扭矩输出机构包括主轴(53)、小带轮(517)和下胀紧套(518)；

连接法兰(52)设有外凸缘，外凸缘开设有安装螺孔(52-1)，螺钉穿过安装螺孔(52-1)将连接法兰(52)固定连接离心超重力腔室内的转子系统；连接法兰(52)的中心开设通孔作为安装孔(52-2)，主轴(53)上端通过上胀紧套(51)套装于连接法兰(52)的安装孔(52-2)中，主轴(53)和连接法兰(52)同轴固接旋转，上胀紧套(51)、连接法兰(52)和主轴(53)同轴固接，连接法兰(52)上端和转子系统(2)的底座法兰(2-6)通过螺栓同轴固接；主轴(53)中部外套装有轴承座(511)，轴承座(511)和主轴(53)中部之间具有径向间隙形成游动腔，轴承座(511)密封固定套装在实验腔底板(3-8)的中心通孔中；游动腔上部内的主轴(53)外周面设有外凸缘，外凸缘下侧的主轴(53)外套装角接触球轴承(59)，角接触球轴承(59)径向支撑位于轴承座(511)上部和主轴(53)上的凸肩(53-4)之间，角接触球轴承(59)下侧设有上轴用弹性挡圈(510)，上轴用弹性挡圈(510)嵌装在主轴(53)外周面所开设的环形上凹槽(53-5)中；游动腔上端口设有上轴承盖(55)，上轴承盖(55)活动套装在主轴(53)外，上轴承盖(55)下端面和轴承座(511)上端面通过螺杆固定连接；上轴承盖(55)在底部内圈周面开设有环形缺口槽(55-2)，环形缺口槽(55-2)中安装有上油封(56)，上油封(56)下侧设有上孔用弹性挡圈(57)，上孔用弹性挡圈(57)嵌装在上轴承盖(55)环形缺口槽内周面所开设的环形挡圈槽(55-6)中；上轴承盖(55)上方的主轴(53)外套装有上密封轴承圈(54)，上轴承盖(55)上端面设有两道环形槽(55-1)，上密封轴承圈(54)下端设有两圈圈环形凸台(54-2)，两圈环形凸台分别嵌装在两道环形槽(55-1)中，上密封轴承圈(54)处的主轴(53)开设有径向经过轴心线的上径向通孔(53-1)，轴栓(516)从上密封轴承圈(54)上部一侧通孔(54-1)穿入，经上径向通孔(53-1)穿过后从上密封轴承圈(54)上部另一侧通孔穿出，再被U型金属棒轴向轴向限位安装，使得上密封轴承圈(54)轴向向下压紧安装在上轴承盖(55)上端面，通过轴栓(516)将主轴(53)的扭矩传递到上密封轴承圈(54)，使得上密封轴承圈(54)和主轴(53)同轴旋转，同时实现上轴承盖(55)和主轴(53)之间密封连接；

游动腔下部内的主轴(53)外周面套装圆柱滚子轴承(513)，圆柱滚子轴承(513)外圈顶部紧靠在轴承座(511)底部内壁的环形内凹台阶(511-7)上，圆柱滚子轴承(513)内圈底面紧靠下轴用弹性挡圈(515)上；下轴用弹性挡圈(515)安装在主轴(53)外周面开设的环形下凹槽(53-7)里面；游动腔下端口设有下轴承盖(519)，下轴承盖(519)活动套装在主轴(53)外，下轴承盖(519)上端面和轴承座(511)下端面利用螺杆固接，下轴承盖(519)在顶部内圈周面开设有环形缺口槽(55-2)，环形缺口槽(55-2)中安装有下油封(520)，下油封(520)上侧设有下孔用弹性挡圈(522)，下孔用弹性挡圈(522)嵌装在下轴承盖(519)环形缺口槽内周面所开设的环形挡圈槽(55-6)中；下轴承盖(519)下方的主轴(53)外套装有下密封轴承圈(521)，下轴承盖(519)下端面设有两道环形槽，下密封轴承圈(521)上端设有两圈环形凸台，两圈环形凸台分别嵌装在两道环形槽中，下密封轴承圈(521)处的主轴(53)开设有径向经过轴心线的下径向通孔(53-2)，轴栓(516)从下密封轴承圈(521)下部一侧通孔穿入，经下径向通孔(53-2)穿过后从下密封轴承圈(521)下部另一侧通孔穿出，再被U型金属棒轴向轴向限位安装，使得下密封轴承圈(521)轴向向上压紧安装在下轴承盖(519)上端面，使得下密封轴承圈(521)和主轴(53)同轴旋转，同时实现下轴承盖(519)和主轴(53)之间密封连接；

轴承座(511)外侧壁开设有注油口(551)，注油口(551)安装扩口式直通管接口(512)，轴承座(511)内部设有油通道(550)，注油口(551)经油通道(550)和游动腔连通；油液从注油口(551)进入，经油通道(550)进入充满游动腔，再分别流经角接触球轴承(59)、圆柱滚子轴承(513)到上油封(56)和下油封(520)，形成动密封；主轴(53)下端经下胀紧套(518)与小带轮(517)同轴固接，小带轮(517)与离心超重力装置的动力系统相连；

每个所述的挂杯(61)中安装有定向熔铸系统，定向熔铸系统包括加热装置(62)、坩埚装置(63)和保温装置(64)；挂杯(61)中安装保温装置(64)，保温装置(64)中装有加热装置(62)，加热装置(62)中装有坩埚装置(63)，挂杯(61)顶部两侧设有吊耳(61-1)，挂杯(61)通过两侧的吊耳(61-1)铰接地悬挂在超重力离心机的旋转臂端部上；

所述的保温装置(64)包括保护壳(64-1)、上段气凝胶层(64-2)、上段陶瓷纤维层(64-3)、上固定环隔热层(64-5)、中段气凝胶层(64-6)、外侧中段陶瓷纤维层(64-7)、最外层钼合金隔热层(64-8)、次外层钼合金隔热层(64-9)、内层钼合金隔热层(64-10)、下固定环隔热层(64-12)、下段陶瓷纤维层(64-13)、下段气凝胶层(64-14)、底座陶瓷纤维层(64-15)、隔热支撑座(64-16)、保温盖(64-17)和炉顶气凝胶层(64-18)；保护壳(64-1)放置在挂杯(61)中，保护壳(64-1)的内周壁布置有环状沿圆周一圈的气凝胶层，气凝胶层从下到上分为下段气凝胶层(64-14)、中段气凝胶层(64-6)和上段气凝胶层(64-2)，下段气凝胶层(64-14)和中段气凝胶层(64-6)之间设有下环形间隔(64-24)，下环形间隔(64-24)处布置下段加热结构的下段固定环(62-12)；中段气凝胶层(64-6)和上段气凝胶层(64-2)之间设有上环形间隔(64-21)，上环形间隔(64-21)处布置上段加热结构的上段固定环(62-11)；下段气凝胶层(64-14)所在的保护壳(64-1)中央固定有隔热支撑座(64-16)，隔热支撑座(64-16)和下段气凝胶层(64-14)之间填充有底座陶瓷纤维层(64-15)；底座陶瓷纤维层(64-15)之上的上段气凝胶层(64-2)和中段气凝胶层(64-6)的内周壁布置有环状沿圆周一圈的陶瓷纤维层，陶瓷纤维层从下到上分为下段陶瓷纤维层(64-13)、中段陶瓷纤维层(64-7)和上段陶瓷纤维层(64-3)，下段陶瓷纤维层(64-13)、中段陶瓷纤维层(64-7)和上段陶瓷纤维层(64-3)分别位于紧贴下段气凝胶层(64-14)、中段气凝胶层(64-6)和上段气凝胶层(64-2)的内周壁；中段陶瓷纤维层(64-7)和下段陶瓷纤维层(64-13)内部嵌装有环状的隔热层，隔热层从外到内分别依次为最外层钼合金隔热层(64-8)、次外层钼合金隔热层(64-9)和内层钼合金隔热层(64-10)，上段固定环(62-11)和隔热层之间设有上固定环隔热层(64-5)，下段固定环(62-12)和隔热层之间设有下固定环隔热层(64-12)；中段陶瓷纤维层(64-7)和下段陶瓷纤维层(64-13)之间内嵌设有分别上下布置的下进线安装环道(64-22)和下出线安装环道(64-23)，下进线安装环道(64-22)布置下段进电接线环(62-9)，下出线安装环道(64-23)布置下段出电接电环(62-10)，下进线安装环道(64-22)和下出线安装环道(64-23)之间通过下段绝缘环(64-11)隔绝；上段陶瓷纤维层(64-3)和中段陶瓷纤维层(64-7)之间内嵌设有分别上下布置的上进线安装环道(64-19)和上出线安装环道(64-20)，上进线安装环道(64-19)布置上段进电接线环(62-7)，上出线安装环道(64-20)布置上段出电接电环(62-8)，上进线安装环道(64-19)和上出线安装环道(64-20)之间通过上段绝缘环(64-4)隔绝；上段陶瓷纤维层(64-3)上端口形成阶梯口，阶梯口安装保温盖(64-17)，在保护壳(64-1)上端口安装炉顶气凝胶层(64-18)，炉顶气凝胶层(64-18)底面紧贴于保温盖(64-17)和上段陶瓷纤维层(64-3)的顶面；底座陶瓷纤维层(64-15)之上的中段陶瓷纤维层(64-7)和下段陶瓷纤维层(64-13)内周形成加热内腔，加热内腔中安装坩埚装置(63)；

所述的加热装置(62)包括结构尺寸相同的上段加热结构和下段加热结构以及陶瓷盖(62-13)，上段加热结构和下段加热结构分别上下同轴对接成一段构成总加热结构，总加热结构置于隔热支撑座(64-16)之上的陶瓷纤维层内腔中，总加热结构内部安装坩埚装置(63)，并在顶端安装陶瓷盖(62-13)；上段加热结构包括上发热体(62-1)、上加热管(62-2)、上隔热腔体(62-3)、上段进电接线环(62-7)、上段出电接电环(62-8)和上段固定环(62-11)；上加热管(62-2)的管壁内部中间开设有螺旋形卡槽(62-2-1)，上发热体(62-1)安装在螺旋形卡槽(62-2-1)中，螺旋形卡槽(62-2-1)的相邻槽道之间形成螺旋形凸台(62-2-2)，上发热体(62-1)和螺旋形凸台(62-2-2)摩擦接触，上加热管(62-2)的管壁内侧面开设有沿螺旋形卡槽(62-2-1)间隔布置的热辐射孔(62-2-3)，上发热体(62-1)产生的热量透过热辐射孔(62-2-3)以热辐射形式加热坩埚装置(63)；安装了上发热体(62-1)的上加热管(62-2)再安装在上隔热腔体(62-3)的内圈腔(62-3-1)中，上隔热腔体(62-3)管壁中部沿周向间隔开设有多个圆弧布置的隔热孔(62-3-2)，隔热孔(62-3-2)轴向贯通，隔热孔(62-3-2)与内圈腔(62-3-1)联通，内圈腔(62-3-1)经螺旋形卡槽(62-2-1)和热辐射孔(62-2-3)连通，使得隔热孔(62-3-2)与热辐射孔(62-2-3)联通；上隔热腔体(62-3)顶端周围设有上段进电接线环(62-7)、上段出电接电环(62-8)和上段固定环(62-11)，上发热体(62-1)的两端分别和上段进电接线环(62-7)和上段出电接电环(62-8)电连接，上段进电接线环(62-7)和上段出电接电环(62-8)再连接到地面供电系统；上段进电接线环(62-7)、上段出电接电环(62-8)外周围还设有上段固定环(62-11)，上段固定环(62-11)布置于保温装置(64)结构内；下段加热结构包括下发热体(62-4)、下加热管(62-5)、下隔热腔体(62-6)、下段进电接线环(62-9)、下段出电接电环(62-10)和下段固定环(62-12)；下加热管(62-5)的管壁内部中间开设有螺旋形卡槽(62-2-1)，下发热体(62-4)安装在螺旋形卡槽(62-2-1)中，螺旋形卡槽(62-2-1)的相邻槽道之间形成螺旋形凸台(62-2-2)，下发热体(62-4)和螺旋形凸台(62-2-2)摩擦接触，下加热管(62-5)的管壁内侧面开设有沿螺旋形卡槽(62-2-1)间隔布置的热辐射孔(62-2-3)，下发热体(62-4)产生的热量透过热辐射孔(62-2-3)以热辐射形式加热坩埚装置(63)；安装了下发热体(62-4)的下加热管(62-5)再安装在下隔热腔体(62-6)的内圈腔(62-3-1)中，下隔热腔体(62-6)管壁中部沿周向间隔开设有多个圆弧布置的隔热孔(62-3-2)，隔热孔(62-3-2)轴向贯通，隔热孔(62-3-2)与内圈腔(62-3-1)联通，内圈腔(62-3-1)经螺旋形卡槽(62-2-1)和热辐射孔(62-2-3)连通，使得隔热孔(62-3-2)与热辐射孔(62-2-3)联通；下隔热腔体(62-6)顶端周围设有下段进电接线环(62-9)、下段出电接电环(62-10)和下段固定环(62-12)，下发热体(62-4)的两端分别和下段进电接线环(62-9)和下段出电接电环(62-10)电连接，下段进电接线环(62-9)和下段出电接电环(62-10)再连接到地面供电系统；下段进电接线环(62-9)、下段出电接电环(62-10)外周围还设有下段固定环(62-12)，下段固定环(62-12)布置于保温装置(64)结构内；

所述的坩埚装置(63)包括坩埚(63-1)和坩埚保护筒(63-2)；坩埚(63-1)装在坩埚保护筒(63-2)中，坩埚保护筒(63-2)再装在总加热结构的加热管中；坩埚(63-1)两侧的外壁面均开设有竖直的条形槽，竖直方向较短一侧的条形槽作为上段热电偶固定槽(63-1-1)，竖直方向较长一侧的条形槽作为下段热电偶固定槽(63-1-2)，热电偶穿过陶瓷盖(62-13)上的通孔放置在上段热电偶固定槽(63-1-1)里检测上段加热结构的温度，热电偶穿过陶瓷盖(62-13)上的通孔放置在下段热电偶固定槽(63-1-2)里检测上段加热结构的温度。

2.根据权利要求1所述的一种离心超重力熔铸与定向凝固系统，其特征在于：所述的上密封轴承圈(54)下端的圈环形凸台(54-2)卡装入上轴承盖(55)上端的环形槽(55-1)中，同时上轴承盖(55)上端的相邻环形槽(55-1)之间形成的盖环形凸台(55-5)卡装入上密封轴承圈(54)下端的相邻圈环形凸台(54-2)之间形成的环形凹槽(54-3)中，上密封轴承圈(54)下端的圈环形凸台(54-2)和环形凹槽(54-3)以及上轴承盖(55)上端的环形槽(55-1)和盖环形凸台(55-5)之间形成空隙作为阶梯型迷宫密封通道；主轴(53)高速旋转时，轴栓(516)带动上密封轴承圈(54)随主轴(53)一起旋转，但上轴承盖(55)固定不动；通过形成阶梯型迷宫密封通道的油润确保上密封轴承圈(54)与上轴承盖(55)相对运动流畅，同时起到密封作用。

3.根据权利要求1所述的一种离心超重力熔铸与定向凝固系统，其特征在于：所述的轴承座(511)上端面开设有环形的上密封槽(511-3)，上密封槽(511-3)中安装上O型圈(58)和上轴承盖(55)下端面密封装配。

4.根据权利要求1所述的一种离心超重力熔铸与定向凝固系统，其特征在于：所述的轴栓(516)穿出上密封轴承圈(54)上部另一侧通孔的端部开设有销孔(516-1)，U型金属棒的中间合端尺寸大于销孔(516-1)的内径，U型金属棒的两端共同伸入到销孔(516-1)并穿过出销孔(516-1)后弯折使得尺寸大于销孔(516-1)的内径，这样使得轴栓(516)端部被U型金属棒轴向限位装配。

5.根据权利要求3所述的一种离心超重力熔铸与定向凝固系统，其特征在于：所述的注油口(551)包括上注油口(551-1)和下注油口(551-2)，所述的扩口式直通管接口(512)包括上扩口式直通管接口(512-3)、下扩口式直通管接口(512-4)；轴承座(511)底部开设有分别位于上下布置的上注油口(551-1)和下注油口(551-2)，上注油口(551-1)和下注油口(551-2)外端分别密封安装有上扩口式直通管接口(512-3)、下扩口式直通管接口(512-4)，使得上注油口(551-1)和下注油口(551-2)内端分别形成相对封闭的上储油槽(529)、下储油槽(530)；上扩口式直通管接口(512-3)、下扩口式直通管接口(512-4)分别开设有水平径向的上直通油通道(512-1)、下直通油通道(512-2)，上直通油通道(512-1)、下直通油通道(512-2)的内端分别和上储油槽(529)、下储油槽(530)连通，上直通油通道(512-1)、下直通油通道(512-2)外端分别塞装有上管口塞(527)、下管口塞(528)；

所述的油通道(550)包括上油水平通道(550-3)、上油垂直通道(550-4)、竖油通道(550-5)、中油通道(550-6)和底油通道(550-7)；轴承座(511)底部开设有分别位于上下布置且均沿径向水平方向的中油通道(550-6)和底油通道(550-7)，中油通道(550-6)和底油通道(550-7)径向外端分别和上注油口(551-1)和下注油口(551-2)内端的上储油槽(529)、下储油槽(530)连通；轴承座(511)中部设有沿轴向竖直方向的竖油通道(550-5)，竖油通道(550-5)底端和中油通道(550-6)径向内端连通，竖油通道(550-5)的顶端经同样沿轴向竖直方向的上油垂直通道(550-4)连通到轴承座(511)顶端面外部，竖油通道(550-5)的顶端经沿径向水平方向的上油水平通道(550-3)连通到轴承座(511)外侧壁外部，上油垂直通道(550-4)、上油水平通道(550-3)分别塞装有上堵油塞(523)、侧堵油塞(524)，竖油通道(550-5)的顶端经沿径向水平方向的内通道(550-2)一端连通；下轴承盖(519)的顶部侧壁和上轴承盖(55)底部侧壁均开设有通油孔(55-4)，底油通道(550-7)径向内端经下轴承盖(519)的通油孔(55-4)连通到圆柱滚子轴承(513)，内通道(550-2)另一端经上轴承盖(55)的通油孔(55-4)连通到角接触球轴承(59)。

6.根据权利要求1所述的一种离心超重力熔铸与定向凝固系统，其特征在于：将上发热体(62-1)和下发热体(62-4)的材料类型设置为不同，使上加热管(62-2)和下加热管(62-5)的升温速率、降温速率、温度不同，采用两端分区加热控制温度梯度。

7.根据权利要求1所述的一种离心超重力熔铸与定向凝固系统，其特征在于：上下段加热结构的供电系统和温控系统是相互独立的，分别通过上段热电偶固定槽(63-1-1)和下段热电偶固定槽(63-1-2)中的热电偶检测上下段加热结构的实时温度，并反馈独立控制上下段加热结构的加热温度。

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