专利名称：一种强脉冲电流定向凝固装置的利记博彩app
技术领域：
本实用新型涉及一种凝固装置，具体地说，涉及一种强脉冲电流定向凝固装置。
背景技术：
现有的定向凝固装置均采用布里奇曼法，通过控制定向凝固过程中的温度梯度和 晶粒生长速率，来获得较好的凝固组织晶粒取向。同时通过尽可能提高凝固过程中固液界 面的温度梯度和生长速率来细化组织结构，以此来获得径向尺寸细小，同时晶粒生长方向 一致的凝固组织。但其设备结构复杂，而且比较难于实现。通过脉冲发生装置，利用电场力引起液相和固相的相对运动，促进枝晶破碎使晶 粒增多来细化晶粒，这种工艺方法由于与金属材料没有接触，能够很好的实现无污染细化 晶粒。相关资料表明，各种电场细晶技术、磁场细晶技术均能较好地达到细化凝固组织晶粒 的目的。而现有的脉冲电流晶粒细化装置只是对熔融金属自然凝固进行处理，在细化晶粒 的同时无法获得晶粒取向一致的组织。在中国专利200710177552. X中公开了一种复合磁场下金属材料高温处理方法与 装置，并对这种复合磁场下金属材料高温处理方法与装置作了详细描述。其对金属熔体施 加同轴同向的脉冲磁场和超导强磁场，控制晶粒尺寸和晶体取向。利用超导强磁场抑制熔 体中stocks重力沉降和自然对流来引导材料沿着一定的晶体取向凝固，利用脉冲磁场抑 制熔体中Marangoni对流作用，细化晶粒。该方法由于需要通过超导强磁场控制晶粒取向， 其装置设计复杂，生产成本亦较高，且超导强磁场电磁辐射亦较大，对工作环境会造成一定 的污染。
实用新型内容本实用新型要解决的技术问题是提供一种在定向凝固过程中既能控制晶粒取向， 同时又能细化晶粒尺寸的强脉冲电流定向凝固装置。为解决上述技术问题，本实用新型强脉冲电流定向凝固装置是由脉冲电流发生装 置和定向凝固装置两部分构成，脉冲电流发生装置向熔融金属提供电流脉冲，不断冲击生 长中的晶粒组织，导致晶粒细小；定向凝固装置产生金属凝固过程中的温度梯度，得到晶粒 生长方向一致的凝固组织。所述的脉冲电流发生装置，属于在时间上压缩能量的电容储能高功率脉冲电源， 采用放电回路短接的方式，通过控制系统控制充放电开关，使储存能量在极短时间内完成 释放，获得极高的脉冲电流峰值。所述的定向凝固装置，由加热控制器、抽拉传动机构、悬臂台、固定支架、水冷装置 和定向结晶炉组成加热控制器通过热电偶实时测量并反馈炉体温度，实现对炉体温度的 自动调节；抽拉传动机构控制定向结晶炉的垂直运动速度；悬臂台连接抽拉传动机构和固 定定向结晶炉。所述的定向凝固装置中的固定支架位于定向结晶炉壳体下方，固定于水平台面上，独立于其它装置。其上端设有试样夹持机构，用于固定盛放刚玉坩埚的冷端电极。使用 时，盛放金属溶体的刚玉坩埚嵌套在冷端电极上，完全排除了以往抽拉金属棒料时抽拉传 动机构的抖动对其金属溶体定向凝固晶粒组织取向的影响。所述的定向凝固装置中的水冷结构，由水冷套、过水槽块及进水管、出水管组成， 位于定向结晶炉的下部，中间填充有隔热材料，以防止热量向冷却水套和炉体传导；水冷结 构用以冷却刚玉坩埚的端部，将试样周围多余热量带走，提供较大的温度梯度。使用时，通 过调节冷却水的温度和流动速度，以及与定向结晶炉的炉体温度，实现液态金属合金液固 界面的大温差，以满足实验所需温度梯度的要求。为了解决金属凝固过程中，能同时对熔融金属施加强电流脉冲实现细晶和大温度 梯度实现定向凝固。使用时保持定向凝固装置不变，将脉冲电流发生装置正(负)极通过 带螺纹导线接头接入用以嵌套刚玉坩埚的冷端电极上，负(正)极通过一耐高温电极直接 通入刚玉坩埚中的熔融金属中实现短路连接，根据电脉冲参数调节指令，实现定向凝固过 程中对脉冲电流的控制。本实用新型强脉冲电流定向凝固装置是定向凝固技术和电变质脉冲处理技术的 结合。在定向凝固过程中同时施加脉冲电流，且脉冲电源的正负两端可交换连接在冷端电 极和热端电极，均可达到细晶目的。设备装置简单灵活，节约生产成本，效率大大提高，使材 料在一次加热过程中能同时完成晶粒尺寸和晶粒取向的控制，减少成分偏析与纤微疏松， 有利于提高金属合金的使用性能，获得特殊性能要求的金属材料。还可以减少电磁辐射的 伤害，减轻环境的负担。本实用新型的冷端电极夹持在固定支架上，完全排除了以往抽拉金 属棒料时抽拉传动机构的抖动对金属熔体定向凝固晶粒组织取向的影响。
以下结合附图对本实用新型强脉冲电流定向凝固装置作进一步详细说明。
图1为本实用新型强脉冲电流定向凝固装置结构的示意图。图2为本实用新型强脉冲电流定向凝固装置中抽拉传动机构沿A-A线的剖视图。图3为本实用新型强脉冲电流定向凝固装置中悬臂台结构沿B-B线的剖视图。图4为本实用新型强脉冲电流定向凝固装置中定向结晶炉结构的示意图。图5为本实用新型强脉冲电流定向凝固装置中炉体支架和水冷套结构的剖视图。图6为本实用新型强脉冲电流定向凝固装置中支撑体俯视图。图中1.加热控制器2.直流电机3.抽拉传动机构4.支撑体5.丝杠6.水 冷套7.定向结晶炉 8.螺杆 9.长螺杆 10.悬臂台11.固定支架 12.脉冲电源 13.直齿圆柱齿轮14.蜗轮蜗杆15.冷端电极16.隔热材料17.保温材料18.外电 热丝19.热电偶20.螺纹管21.热端电极22.内电热23.耐火泥浆涂层24.炉体 支架25.进水管
具体实施方式
如
图1，是强脉冲电流定向凝固装置的结构，它由脉冲电流发生装置和定向凝固装 置构成。所述的脉冲电流发生装置是向熔融金属提供电流脉冲，不断冲击生长中的晶粒组 织，导致晶粒细小；所述的定向凝固装置是提供金属凝固过程中的温度梯度，得到晶粒生长方向一致的凝固组织。其结构主要包括抽拉传动机构3、支撑体4、悬臂台10、水冷套6、隔 热材料16、定向结晶炉7和固定支架11、冷端电极15、热端电极21、热电偶19、加热控制器 1、脉冲电源12部分组成。并保持热端电极21、定向结晶炉7、冷端电极15三者同轴向。图2展示了本实用新型强脉冲电流定向凝固装置中抽拉传动机构沿A-A线的剖视 图，其采用抽拉传动机构的减速原理。其中，抽拉传动机构3通过直齿圆柱齿轮13和蜗轮 蜗杆14两级减速传动降低直流电机2的转速，再通过丝杠5传动将蜗轮的转动转变为支撑 体4垂直方向的直线运动，从而带动悬臂台10上的定向结晶炉7上下运动，控制定向结晶 炉7的垂直运动速度。图3给出了本实用新型强脉冲电流定向凝固装置中悬臂台结构沿B-B线的剖视 图。所述的悬臂台(10)的下端与支撑体(4)的端部使用定位销连接，可固定在任意位置， 悬臂台10上端通过四根长螺杆9与炉体支架24进行连接，定向结晶炉7和与水冷套6用 螺杆8进行连接固定，使支撑体4、悬臂台10、水冷套6、炉体支架24和定向结晶炉7成为一 体，实现通过抽拉传动机构3来直接控制定向结晶炉7的垂直运动的速度。如图6所示，使 用时可通过调节定位销的位置、长螺杆9的旋合长度等来调节支撑体4、悬臂台10、水冷套 6、炉体支架24和定向结晶炉7之间的相对位置来满足实验的要求。水冷套6和定向结晶炉7之间填充有隔热材料16，以避免热量向冷却水套过多辐 射或向支架传导，隔热材料为高铝耐火纤维棉毡，可在1000°c -1250°C下长期使用。如图5 所示，为提高电脉冲定向结晶炉7的轴向温度梯度，在炉体底部设置有水冷套6，选用导热 性能较好的铜材作为它的主要材料。通过调节进水管25中冷却水的温度和流动速度，以及 与定向结晶炉7的炉体温度，实现液态金属合金液固界面的大温差，以满足实验所需温度 梯度的要求。使用时，当工件在抽拉系统的作用下逐渐推出炉膛时，在水冷套6的激冷作用 下而较快冷却，使金属的固-液平面沿着炉管轴线向上推进。图4是本实用新型强脉冲电流定向凝固装置中定向结晶炉结构的示意图。所述的 定向结晶炉7为井式中空炉，是利用电流通过电阻体产生的热量来加热炉具。其采用外圈 稳恒加热，内圈补偿加热的方式来保证炉膛温度场分布的均勻性，外圈为马弗胆，内圈炉膛 由耐高温高铝陶瓷管构成。炉体由内电热丝22、外电热丝18、保温材料17及炉壁构成。选 用0Cr25A115作为发热体材料，在空气中将FeCrAl电阻丝加热到500°C左右并保温4 5h， 使材料表面逐渐形成氧化铝保护层，以提高电热元件的使用寿命。内电热丝22环绕于螺纹 管20上，螺纹管20材料为电熔刚玉管。炉管外壁上预制有螺纹槽，将外电热丝18绕成螺 旋状装进外圈中，起到加强保温性能，稳定炉温的作用。绕好电热丝后，在炉管外壁分数次 涂抹上厚度为5mm左右的耐火泥浆涂层23，并干燥固化，以避免电热丝在高温下受热变形 而脱离螺纹槽，造成相邻电热丝接触而短路，此外还可使电热丝与空气隔离，有效减轻电热 丝氧化，提高使用寿命。刚玉螺纹管、马弗胆及炉壁之间用硅酸铝耐火纤维充分填实，保证 其定向结晶炉7良好的保温性能。加热控制器1采用基于单片机的PID方法来控制定向结晶炉的炉体温度。合理地 设定PID算法控制器中的参数，在炉体内部即可以达到较好的加热和散热的动态平衡，从 而使其温度达到动态恒定。加热控制器1通过导线与热电偶19和定向结晶炉7电阻丝连 接，热电偶19插入定向结晶炉7的内壁，根据热电偶19测量到的定向结晶炉7炉体温度， 并反馈至加热控制器1，通过实时调整定向结晶炉7内圈电熔刚玉管加热的通电和断电状态，达到控制定向结晶炉7内部温度的目的。固定支架11置于悬臂架下方的水平台面上，独立于抽拉传动机构，并与抽拉初始 状态时悬臂台10位置保持一定的距离；冷端电极15固定在固定支架上端，材料为45钢，其 下端车削出内螺纹，热端电极21固定于悬臂架上，在实验过程中，刚玉坩埚嵌套在冷端电 极15上，脉冲电源的正(负)极连接在与冷端电极下端内螺纹等径的外螺纹接头上，旋入 螺纹即可完成冷端电极的接入；脉冲电源的负(正)极通过高温电极直接接入热端电极。脉冲电源12属于在时间上压缩能量的电容储能高功率脉冲电源，采用放电回路 短接的方式，使储存能量在500ns内完成释放，可以获得极高的脉冲电流峰值，提高固液界 面处的温度梯度，提高形核率，从而达到细化晶粒的目的。电脉冲参数为脉冲电源电容 0-120 μ F，脉冲电压峰值为3000V，脉冲工作频率0. 25-2. 5Hz，脉冲峰值电流可达0. IMA级。 使用时，接通脉冲电源，冷端电极15与热端电极21通过刚玉坩埚中的熔融金属构成闭合回 路，并与固定支架11 一起保持不动，定向结晶炉7、隔热材料16、水冷套6作为整体位于抽 拉控制系统悬臂台10上，由抽拉传动机构3控制定向结晶炉的垂直运动速度，实现熔融金 属相对于定向结晶炉7的定向移动。同时根据电脉冲参数调节指令，对金属溶体施加电流 脉冲，完成金属试样的定向凝固与晶粒细化。本实用新型结合定向凝固技术和电变质脉冲 处理技术，在金属熔体的一次凝固过程中同时控制细晶作用和控制晶粒取向作用。装置结 构简单，节约生产成本，提高效率；还可以减少电磁辐射的伤害，减轻环境的负担。
权利要求一种强脉冲电流定向凝固装置，包括加热控制器(1)、直流电机(2)、抽拉传动机构(3)、支撑体(4)、水冷套(6)、定向结晶炉(7)、悬臂台(10)、固定支架(11)和脉冲电源(12)，其特征在于所述的加热控制器(1)通过导线与热电偶(19)和定向结晶炉(7)电阻丝连接，热电偶(19)插入定向结晶炉(7)的内壁，根据热电偶(19)测量到的定向结晶炉(7)炉体温度，并反馈至加热控制器(1)控制定向结晶炉(7)内部温度。
2.根据权利要求1所述的强脉冲电流定向凝固装置，其特征在于所述的悬臂台(10) 的下端与支撑体(4)的端部使用定位销连接，可固定在任意位置，悬臂台(10)上端通过四 根长螺杆(9)与炉体支架(24)连接，定向结晶炉(7)与水冷套(6)用螺杆(8)连接固定， 使支撑体(4)、悬臂台(10)、水冷套(6)、炉体支架(24)和定向结晶炉(7)成为一体。
3.根据权利要求1所述的强脉冲电流定向凝固装置，其特征在于所述的固定支架(11)位于定向结晶炉(7)壳体下方，与悬臂台(10)位置保持一定的距离，冷端电极(15)由 夹持机构固定在固定支架(11)上端，热端电极(21)固定于悬臂架上，刚玉坩埚嵌套在冷端 电极(15)上，并保持热端电极(21)、定向结晶炉(7)、冷端电极(15)三者同轴。
4.根据权利要求1所述的强脉冲电流定向凝固装置，其特征在于所述的抽拉传动机 构⑶通过直齿圆柱齿轮(13)和蜗轮蜗杆(14)两级减速传动降低直流电机(2)的转速， 再通过丝杠(5)传动将蜗轮的转动转变为支撑体(4)垂直方向的直线运动，带动悬臂台 (10)上的定向结晶炉(7)上下运动，控制定向结晶炉(7)的垂直运动速度，直线运动速度为 10-1000 μm/s0
5.根据权利要求1所述的强脉冲电流定向凝固装置，其特征在于所述的水冷套(6) 设置在固定支架(11)的上部与定向结晶炉(7)之间填充有隔热材料(16)，隔热材料为高铝 耐火纤维棉毡；通过调节进水管(25)中冷却水的温度和流动速度与定向结晶炉(7)的炉体 温度，实现液态金属合金液_固界面的大温差。
6.根据权利要求1所述的强脉冲电流定向凝固装置，其特征在于所述的定向结晶炉 (7)，外圈为马弗胆，内圈炉膛为耐高温高铝陶瓷管，炉体由内电热丝(22)、外电热丝(18)、 保温材料(17)及炉壁构成，内电热丝(22)环绕于螺纹管(20)上，炉管外壁设有螺纹槽，将 外电热丝(18)绕成螺旋状装进外圈中，绕好电热丝后，在炉管外壁涂抹厚度为5mm的耐火 泥浆涂层(23)，并干燥固化，刚玉螺纹管、马弗胆及炉壁之间用硅酸铝耐火纤维充分填实， 保证定向结晶炉(7)的保温性能。
7.根据权利要求1所述的强脉冲电流定向凝固装置，其特征在于所述的脉冲电源(12)向熔融金属提供强脉冲电流，脉冲电源(12)输出的正、负极分别与冷端电极(15)和热 端电极(21)联接，通过刚玉坩埚中的熔融金属构成闭合放电回路；冷端电极(15)下端设有 内螺纹，脉冲电源(12)的正(负)极通过外螺纹导线接头，与冷端电极(15)通过螺纹旋合 完成电极连接。
专利摘要本实用新型公开了一种强脉冲电流定向凝固装置，包括加热控制器、抽拉传动机构、支撑体、定向结晶炉、悬臂台、固定支架和脉冲电源，加热控制器通过导线与热电偶和定向结晶炉电阻丝连接，热电偶插入定向结晶炉内壁，根据热电偶测量并实时传输到定向结晶炉内部温度值，实时调整定向结晶炉内圈电熔刚玉管加热的通电和断电状态，达到控制定向结晶炉内部温度的目的。脉冲电源通过导线与冷热端电极连接，根据电脉冲参数调节指令，完成对脉冲电流的控制；在设备简便的前提下获得晶粒尺寸细小、取向一致的柱状凝固组织，效果显著，还可减少电磁辐射的伤害，减轻环境的负担。
文档编号B22D27/02GK201711521SQ201020236710
公开日2011年1月19日 申请日期2010年6月24日 优先权日2010年6月24日
发明者胡鹏, 艾昌辉, 赵志龙 申请人:西北工业大学