CN219966409U - 一种高温合金定向凝固温度梯度控制装置 - Google Patents
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Abstract
本实用新型涉及一种高温合金定向凝固温度梯度控制装置，包括炉体(2)、加热件A(6)、加热件B(5)、坩埚(7)和升降装置，炉体(2)底部设有陶瓷环(3)，加热件B(5)设在陶瓷环(3)上，加热件A(6)悬空设在加热件B(5)的上；升降装置使坩埚(7)在加热件A(6)和加热件B(5)内移动；炉体(2)上设有连通的冷却水进口管(11)和冷却水出口管(8)。本装置能够实现合金熔体在上拉和下降的过程中控制铸锭轴向的温度梯度，同时加热温度为多段控制，能够实现铸锭在定向凝固过程中温度梯度的调控。解决现有定向凝固炉内加热系统单一，且铸锭在定向凝固过程中依靠空冷获得单一温度梯度的问题。
Description
技术领域
本实用新型涉及一种高温合金定向凝固温度梯度控制装置，属于合金定向凝固晶体生长调控领域。
背景技术
近年来，定向凝固技术被广泛的应用于合金分离和金属提纯领域。定向凝固技术可较好地控制凝固组织的晶粒取向，使材料的组织按特定方向排列，形成连续柱状晶组织或单晶组织，使材料的纵向力学性能以及材料的物理性质能得到很大提高。利用该技术制备的燃气涡轮发动机叶片，先进航空发动机的涡轮前进口温度已经接近2000K，几乎所有的先进发动机均使用定向或单晶涡轮叶片和导向叶片，其抗热冲击性能、疲劳寿命和高温蠕变抗力都得到了很大提高。目前，定向凝固技术已经被广泛应用于航空航天材料、超导材料、半导体材料、磁性材料和自生复合材料领域。
定向凝固是在凝固过程中采用强制的冷却手段使凝固部分和未凝固熔体中建立起特定方向的温度梯度，从而使熔体沿着与热流相反的方向凝固，利用晶体的生长方向与热流方向平行且相反的规律，获得具有特定取向柱状晶的技术。定向凝固需要两个条件：首先，热流向单一方向流动并垂直于生长中的凝固前沿；其次，晶体生长前方的熔体中没有稳定的结晶核心。定向凝固在材料的制备中发挥了重要的作用，其主要的手段有高温合金的定向以及多晶定向凝固，金属间化合物的晶向选择控制定向凝固，高温结构陶瓷的精确控制定向凝固等，在定向凝固领域中，晶体生长过程中仍然存在一些特殊的科学问题亟待解决，比如，慢速生长过程中各场以及高稳定性中、温度梯度引起的微区对流和晶体生长中微观缺陷形成机制与宏观控制中的科学问题等。在众多科学问题中，由于温度梯度作为凝固过程的驱动力，对凝固速率影响至关重要；并且在单晶硅生长过程中，温度梯度能够直接影响晶面择优生长的固液界面粗糙度；有关而且现有定向凝固炉装置设计中考虑温度梯度控制的较少，如本国专利CN214736201U公开了一种定向凝固炉装置，需依靠外加冷却液，形成强制冷却，铸锭在冷却过程中形成的温度梯度较大，晶体生长过程晶体缺陷较为明显，而且存在控制不当会造成冷却液的泄露；如本国专利CN 218425549 U公开了一种高温合金定向凝固炉装置，在CN214736201U专利基础上，考虑修改了铸锭上拉和下拉装置，仅从使用寿命角度，对定向凝固炉进行了改进。因此，现有定向凝固炉装置对温度梯度精确控制的设计考虑较少，尤其晶体稳定生长所需的小温度梯度的设计。
实用新型内容
本实用新型所要解决的技术问题是现有定向凝固炉内加热系统单一，且铸锭在定向凝固过程中依靠空冷获得单一温度梯度。
本实用新型解决其技术问题所采用的技术方案是：一种高温合金定向凝固温度梯度控制装置，包括炉体、加热件A、加热件B、坩埚和升降装置，所述炉体上端设置有炉盖，炉体底部设置有陶瓷环，加热件B设置在陶瓷环上，加热件A悬空设置在加热件B的上端，加热件A和加热件B均为环状加热器；坩埚设置在炉体内，且升降装置使其在加热件A和加热件B内部移动；所述炉体下部设置有冷却水进口管，上部设置有冷却水出口管，且冷却水进口管和冷却水出口管通过设置在炉体内壁的盘管连通。
其中，上述装置中所述加热件A由硅钼棒或铜线圈螺旋缠绕形成。
进一步，上述装置中还包括固定材料，所述加热件A的两端穿出炉体，且穿出端通过固定材料设置在炉体侧壁上。
其中，上述装置中所述加热件B由若干呈环状布置的U型硅钼棒构成。
进一步，上述装置中所述加热件B的外侧设置有保温套筒。
其中，上述装置中所述炉盖上端设置有调节阀。
其中，上述装置中升降装置包括升降电机和升降底座，所述升降底座穿设炉体底部，且穿入端设置在加热件A和加热件B内，坩埚设置在穿入端上，升降电机设置在炉体下端面上，且升降电机可驱动升降底座上下运动。
其中，上述装置中所述炉体下端间隔设置有若干支撑杆。
其中，上述装置中所述升降电机为伺服电机。
其中，上述装置中所述加热件A和加热件B的加热温度可调。
本实用新型的有益效果是：本装置结构简单，使用方便。本装置通过在定向凝固炉体内设定加热件A和加热件B，能够实现合金熔体在上拉和下降的过程中控制铸锭轴向的温度梯度；同时温度为多段控制，能够实现铸锭在定向凝固过程中温度梯度的调控，能够实现高温合金熔体定向凝固过程中多温梯度调控的实施。
附图说明
图1为本实用新型结构示意图；
图2为本实用新型全剖结构示意图；
图3为本实用新型爆炸图。
图中标记为：1是支撑杆，2是炉体，3是陶瓷环，4是保温套筒，5是加热件B，6是加热件A，7是坩埚，8是冷却水出口管，9是炉盖，10是升降电机，11是冷却水进口管，12是升降底座，13是固定材料，15是调节阀。
具体实施方式
下面结合附图对本实用新型进一步说明。
如图1至图3所示，本实用新型的一种高温合金定向凝固温度梯度控制装置，包括炉体2、加热件A6、加热件B5、坩埚7和升降装置，所述炉体2上端设置有炉盖9，炉体2底部设置有陶瓷环3，加热件B5设置在陶瓷环3上，加热件A6悬空设置在加热件B5的上端，加热件A6和加热件B5均为环状加热器；坩埚7设置在炉体2内，且升降装置使其在加热件A6和加热件B5内部移动；所述炉体2下部设置有冷却水进口管11，上部设置有冷却水出口管8，且冷却水进口管11和冷却水出口管8通过设置在炉体2内壁的盘管连通。本领域技术人员能够理解的是，本装置的炉体2上端设置炉盖9，实际通过炉盖9可封闭整个炉体2，而加热件A6悬空设置在加热件B5的上端，实际即是加热件A6和加热件B5依次竖直设置在炉体2内，为了隔热优选加热件B5下端通过陶瓷环3设置在炉体2内底面，而坩埚7通过升降装置在加热件A6和加热件B5内部移动，故优选加热件A6和加热件B5均为中空的环状加热器即可。通过冷却水进口管11和冷却水出口管8实现炉体2降温。本装置的坩埚7可以实现高温合金熔体向上和向下的定向凝固，当高温合金向上定向凝固时，将合金装入坩埚7中，调节升降装置高度，使坩埚7置于加热件B5内加热，合金熔体完全凝固后，通过升降装置使铸锭上升，坩埚7离开加热件B5后进入加热件A6，根据温度梯度需要，设置加热件A6的温度，这样在轴向可以实现自下而上的温度梯度准确控制；如果高温合金熔体向下定向凝固时，将装有合金材料的坩埚7置于加热件A6加热后，控制升降装置使坩埚7向下运动，坩埚7离开加热件A6后进入加热件B5，根据温度梯度需要，设置加热件B5的温度，这样在轴向可以实现自上而下的温度梯度准确控制，且本装置实际优选坩埚7为石墨制得也即是石墨坩埚。
优选的，上述装置中所述加热件A6由硅钼棒或铜线圈螺旋缠绕形成。本领域技术人员能够理解的是，为了方便坩埚7均匀加热，故本装置优选加热件A6由硅钼棒或铜线圈螺旋缠绕形成，使得加热件A6为中空的环状结构即可。
优选的，上述装置中还包括固定材料13，所述加热件A6的两端穿出炉体2，且穿出端通过固定材料13设置在炉体2侧壁上。本领域技术人员能够理解的是，由于加热件A6由硅钼棒或铜线圈螺旋缠绕形成，故其两端为连接点为了方便加热件A6的固定，本装置优选加热件A6的两端穿出炉体2，且穿出端通过固定材料13设置在炉体2侧壁上。而固定材料13实际优选为绝热和绝缘材料。
优选的，上述装置中所述加热件B5由若干呈环状布置的U型硅钼棒构成。本领域技术人员能够理解的是，为了坩埚7均匀受热，本装置优选加热件B5由若干呈环状布置的U型硅钼棒构成，而坩埚7可通过升降装置在其内部上下运动。
优选的，上述装置中所述加热件B5的外侧设置有保温套筒4。本领域技术人员能够理解的是，为了防止加热件B5的加热温度扩散，本装置优选在加热件B5的外侧设置有保温套筒4。
优选的，上述装置中所述炉盖9上端设置有调节阀15。本领域技术人员能够理解的是，为了方便炉体2内部气压调节，优选在炉盖9上端设置有调节阀15。这种结构设置实际可将调节阀15与真空泵相连，实现真空定向凝固。
优选的，上述装置中升降装置包括升降电机10和升降底座12，所述升降底座12穿设炉体2底部，且穿入端设置在加热件A6和加热件B5内，坩埚7设置在穿入端上，升降电机10设置在炉体2下端面上，且升降电机10可驱动升降底座12上下运动。本领域技术人员能够理解的是，
优选的，上述装置中所述炉体2下端间隔设置有若干支撑杆1。本领域技术人员能够理解的是，为了方便炉体2支撑，本装置优选在炉体2下端间隔设置有若干支撑杆1，可优选支撑杆1为4根且呈圆周均匀设置在炉体2下端。
优选的，上述装置中所述升降电机10为伺服电机。本领域技术人员能够理解的是，本装置优选升降电机10为伺服电机，提高装置的稳定性和控制精度。
优选的，上述装置中所述加热件A6和加热件B5的加热温度可调。本领域技术人员能够理解的是，为了方便装置的温度梯度控制，优选加热件A6和加热件B5的加热温度可调，具体是加热件A6调温范围为25℃～1750℃；加热件B5调温范围为25℃～1550℃。
本装置的具体操作步骤：高温合金熔体如果采用下拉方式进行定向凝固，首先通过在冷却水进口管11接入冷却水，保证冷却水出口管8流速度稳定；将装有合金熔体的坩埚7放在加热件A6内，关闭炉盖9，对炉内进行抽真空处理，真空度达到要求后，启动加热件A6；按照所需温度梯度要求，设定加热件B5加热温度；合金完全熔化和加热件B5达到预定温度后，控制升降电机10，使坩埚7按照预定的速度下降，坩埚7拉出加热件A6后，进入加热件B5，在加热件A6和加热件B5的作用下形成既定温度梯度要求范围；如果高温合金熔体采用上拉方式进行定向凝固，上述步骤一致，只需将装有合金的坩埚7放在加热件B5加热，然后加热件A6控制温度梯度即可实现。
实施例1
首先将Ti-65wt.％Si合金装入坩埚7内，将坩埚7放在升降底座12上，调整升降电机10，使坩埚7上升至加热件A6，盖上炉盖9，向炉体2的冷却水进口管11通入冷却水，然后盖上炉盖9，通过调节阀15，将炉内真空度控制在15Pa后，启动加热件A6，设置加热件A6的温度为1550℃；启动加热件B5，设置加热件B5温度为200℃，当坩埚7内的合金炉料完全熔化后，启动升降电机10，使坩埚7以5μm/s的速度开始下降，当坩埚7被拉出加热件A6后，进入加热件B5，此时在轴向形成一个温度梯度，采用双色测温仪测定不同等距出的温度，计算出温度梯度约为2.45℃/mm。
实施例2
结合图1和2，首先将Ti-65wt.％Si合金装入坩埚7内，将坩埚7放在升降底座12上，调整升降电机10，使坩埚7上升至加热件A6，盖上炉盖9，向炉体2的冷却水进口管11通入冷却水，然后盖上炉盖9，通过调节阀15，将炉内真空度控制在15Pa后，启动加热件A6，设置加热件A6的温度为1550℃；启动加热件B5，设置加热件B5温度为600℃，当坩埚7内的合金炉料完全熔化后，启动升降电机10，使坩埚7以5μm/s的速度开始下降，当坩埚7被拉出加热件A6后，进入加热件B5，此时在轴向形成一个温度梯度，采用双色测温仪测定不同等距出的温度，计算出温度梯度约为2.06℃/mm。
实施例3
结合图1和2，首先将Ti-65wt.％Si合金装入坩埚7内，将坩埚7放在升降底座12上，调整升降电机10，使坩埚7上升至加热件A6，盖上炉盖9，向炉体2的冷却水进口管11通入冷却水，然后盖上炉盖9，通过调节阀15，将炉内真空度控制在15Pa后，启动加热件A6，设置加热件A6的温度为1550℃；启动加热件B5，设置加热件B5温度为800℃，当坩埚7内的合金炉料完全熔化后，启动升降电机10，使坩埚7以5μm/s的速度开始下降，当坩埚7被拉出加热件A6后，进入加热件B5，此时在轴向形成一个温度梯度，采用双色测温仪测定不同等距出的温度，计算出温度梯度约为1.96℃/mm。
实施例4
结合图1和2，首先将Ti-85wt.％Si合金装入坩埚7内，将坩埚7放在升降底座12上，调整升降电机10，使坩埚7上升至加热件B5，盖上炉盖9，向炉体2的冷却水进口管11通入冷却水，然后盖上炉盖9，通过调节阀15，将炉内真空度控制在15Pa后，启动加热件B6，设置加热件B5的温度为1500℃；启动加热件B5，设置加热件A6温度为200℃，当坩埚7内的合金炉料完全熔化后，启动升降电机10，使坩埚7以5μm/s的速度开始上升，当坩埚7被拉出加热件B5后，进入加热件A6，此时在轴向形成一个温度梯度，采用双色测温仪测定不同等距出的温度，计算出温度梯度约为2.37℃/mm。
Claims (10)
1.一种高温合金定向凝固温度梯度控制装置，其特征在于：包括炉体(2)、加热件A(6)、加热件B(5)、坩埚(7)和升降装置，所述炉体(2)上端设置有炉盖(9)，炉体(2)底部设置有陶瓷环(3)，加热件B(5)设置在陶瓷环(3)上，加热件A(6)悬空设置在加热件B(5)的上端，加热件A(6)和加热件B(5)均为环状加热器；坩埚(7)设置在炉体(2)内，且升降装置使其在加热件A(6)和加热件B(5)内部移动；所述炉体(2)下部设置有冷却水进口管(11)，上部设置有冷却水出口管(8)，且冷却水进口管(11)和冷却水出口管(8)通过设置在炉体(2)内壁的盘管连通。
2.根据权利要求1所述的一种高温合金定向凝固温度梯度控制装置，其特征在于：所述加热件A(6)由硅钼棒或铜线圈螺旋缠绕形成。
3.根据权利要求2所述的一种高温合金定向凝固温度梯度控制装置，其特征在于：还包括固定材料(13)，所述加热件A(6)的两端穿出炉体(2)，且穿出端通过固定材料(13)设置在炉体(2)侧壁上。
4.根据权利要求1所述的一种高温合金定向凝固温度梯度控制装置，其特征在于：所述加热件B(5)由若干呈环状布置的U型硅钼棒构成。
5.根据权利要求4所述的一种高温合金定向凝固温度梯度控制装置，其特征在于：所述加热件B(5)的外侧设置有保温套筒(4)。
6.根据权利要求1所述的一种高温合金定向凝固温度梯度控制装置，其特征在于：所述炉盖(9)上端设置有调节阀(15)。
7.根据权利要求1所述的一种高温合金定向凝固温度梯度控制装置，其特征在于：升降装置包括升降电机(10)和升降底座(12)，所述升降底座(12)穿设炉体(2)底部，且穿入端设置在加热件A(6)和加热件B(5)内，坩埚(7)设置在穿入端上，升降电机(10)设置在炉体(2)下端面上，且升降电机(10)可驱动升降底座(12)上下运动。
8.根据权利要求1所述的一种高温合金定向凝固温度梯度控制装置，其特征在于：所述炉体(2)下端间隔设置有若干支撑杆(1)。
9.根据权利要求7所述的一种高温合金定向凝固温度梯度控制装置，其特征在于：所述升降电机(10)为伺服电机。
10.根据权利要求1所述的一种高温合金定向凝固温度梯度控制装置，其特征在于：所述加热件A(6)和加热件B(5)的加热温度可调。
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| GR01 | Patent grant | ||
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