一種雙坩堝定向凝固裝置的製作方法

2023-07-11 00:13:41 2

專利名稱：一種雙坩堝定向凝固裝置的製作方法
技術領域：
本發明涉及材料的定向凝固領域，具體是一種雙坩堝定向凝固裝置。
二背景技術：
在定向凝固實驗中，試樣的微觀組織對材料的最終性能起著十分重要的作用，例 如定向生長的一次枝晶間距對合金的力學性能的影響。定向生長的微觀組織的一次枝晶間 距除了受凝固參數的直接影響外，而且還與坩堝中的熔體對流情況有關。故而很有必要來 研究熔體對流對定向凝固一次枝晶間距的影響。 根據不同直徑坩堝內的熔體對流強弱的大小來研究對流對一次枝晶間距的影響， 通常採用不同直徑的試樣分別在對應大小的坩堝內獨立實驗。在這種情況下，並不能保證 不同直徑試樣的實驗條件完全一樣，例如固液界面前沿的溫度梯度，抽拉速率等。所以在 研究不同直徑試樣的微觀組織的時候，並不能完全排除試樣直徑影響因素外的其它影響因 素。單獨考慮試樣直徑對微觀組織的影響是不合理的，因為在每個單獨實驗情況下，其凝固 工藝參數可能存在微弱差異，這就造成微觀組織(一次枝晶間距)的變化可能不完全是試 樣直徑變化造成的。目前國外有人提出了由多種大小直徑各異的剛玉管捆綁在一起，浸入 到一大坩堝熔融合金中的裝置，利用該裝置來研究在同一實驗環境下不同直徑剛玉管中的 微觀組織，這種裝置有效地排除了試樣直徑外其它實驗條件對微觀組織的影響，該裝置很 好地應用於研究合金在對流及擴散條件下微觀組織的形成及演化規律。但是，由於現有技 術中各種直徑的坩堝捆綁在一起時並不同軸，且與發熱體亦不同軸，這就造成各坩堝內的 熔體溫度場不同，對微觀組織造成一定的影響。同時，由於在試樣內部鑲嵌有多根剛玉管， 定向凝固實驗後試樣的切削加工難度較大。
三
發明內容
為克服現有技術中存在的由於坩堝軸線與加熱體軸線不同軸，使各坩堝內的熔體 溫度場不同，對微觀組織造成影響的缺陷，以及定向凝固實驗後試樣的切削加工難度較大 的不足，本發明提出了一種雙坩堝定向凝固裝置。 本發明包括大坩堝、石墨發熱體、感應線圈、小坩堝、隔熱板、抽拉杆、冷卻器和接 頭，其中，隔熱板位於冷卻器上端，接頭位於冷卻器內；抽拉杆一端位於冷卻器內，並與接頭 一端連接，抽拉杆另一端穿過冷卻器底板上的抽拉孔，位於冷卻器外。小坩堝嵌套在大坩堝 內，並且兩個坩堝同軸，形成了雙坩堝。雙坩堝的一端位於冷卻器內，與接頭另一端連接；雙 坩堝的另一端穿過隔熱板中心的過孔，置於感應線圈中。感應線圈位於隔熱板上表面。
大坩堝的外徑小於與之配合的石墨發熱體的內徑，並且兩者之間有5 10mm的間 隙。小坩堝的外徑同接頭上的連接環的內徑。大坩堝的內徑與小坩堝的外徑之間的距離同 接頭上的連接環的厚度，並通過接頭上的連接環將大坩堝與小坩堝固定在接頭上。
接頭包括固定底座和連接環。接頭的固定底座的高度為冷卻器內腔高度的1/3 ; 在該固定底座的一端端面中心有抽拉杆的安裝孔；在固定底座的另一端端面有與固定底座同軸的圓形連接環。連接環的內徑同小坩堝的外徑，連接環的外徑同大坩堝的內徑；連接環 的高度為雙坩堝高度的1/10。 接頭與大坩堝與小坩堝配合時，連接環的外表面與大坩堝的內表面貼合，連接環 的內表面與小坩堝的外表面貼合。 本發明採用相互嵌套而成的雙坩堝裝置，並通過接頭及位於接頭端面的連接環將 相互嵌套的坩堝固定。由於接頭上端面的連接環與接頭是同軸的，所以保證了兩個坩堝同 軸。在確保兩坩堝同軸的前提下，使兩坩堝內的熔體的溫度場一致，提供了不同直徑的試棒 在同一實驗參數下同時進行抽拉的條件。同時，由於本發明在定向凝固過程中，在大坩堝內 部嵌套一根剛玉管即可實現不同熔體對流狀態，所以減少了定向凝固實驗後試樣的切削加 工難度。與現有技術相比，本發明排除了不同溫度場對試樣定向凝固微觀組織的影響，更適 於研究定向凝固過程中熔體對流對微觀組織的影響，並且具有使用方便、成本低的特點。
四

圖1是雙坩堝定向凝固裝置的結構示意圖。
圖2是坩堝與接頭的配合示意圖。
圖3是坩堝與接頭配合示意圖的俯視圖。
圖4是小坩堝與大坩堝配合的軸測圖。
圖5是小坩堝與大坩堝配合軸測圖的剖視圖。
圖6是接頭的剖視圖。
圖7是接頭的俯視圖。 圖8是利用本發明裝置的定向凝固Pb-26% Bi合金的橫截面組織圖。 1.大坩堝2.石墨發熱體3.感應線圈4.小坩堝5.試樣6.隔熱板7.液
態Ga-In-Sn合金8.抽拉杆9.接頭 10.冷卻器
五具體實施方式

實施例一 本實施例是用於鉛鉍合金試樣的雙坩堝定向凝固裝置。 本實施例包括大坩堝1、石墨發熱體2、感應線圈3、小坩堝4、試樣5、隔熱板6、液 態Ga-In-Sn合金7、抽拉杆8、接頭9和冷卻器10，其中，隔熱板6位於冷卻器10上端，接 頭9位於冷卻器10內；抽拉杆8 —端位於冷卻器10內，並與接頭9 一端連接，抽拉杆8另 一端穿過冷卻器10底板上的抽拉孔，位於冷卻器10外。小坩堝4嵌套在大坩堝1內，並且 兩個坩堝同軸，形成了雙坩堝。雙坩堝的一端位於冷卻器IO內，與接頭9另一端連接；雙坩 堝的另一端穿過隔熱板6中心的過孔，置於感應線圈3中。感應線圈3位於隔熱板6上表 面。 如圖2所示，大坩堝1與小坩堝2均選用高純氧化鋁(99. 9% A1203)無底坩堝。本 實施例所選用的坩堝為北京達安拓公司生產的氧化鋁坩堝。大坩堝1的壁厚為0. 5mm，其外 徑小於與之配合的石墨發熱體2的內徑，並且兩者之間有5mm的間隙。小坩堝4的壁厚為 0.6mm，其外徑同接頭9連接環的內徑。大坩堝1的內徑與小坩堝4的外徑之間的距離同接 頭9上的連接環的厚度，並通過接頭9上的連接環將大坩堝1與小坩堝2固定在接頭9上。
接頭9包括固定底座和連接環。接頭9的固定底座為圓形塊狀，固定底座的高度 為冷卻器內腔高度的1/3，本實施例固定底座的高度10mm ;在該固定底座的一端端面中心 有抽拉杆8的安裝孔；在固定底座的另一端端面有與固定底座同軸的圓形連接環。連接環 的內徑同小坩堝4的外徑，連接環的外徑同大坩堝1的內徑；連接環的高度為雙坩堝高度的 1/10，本實施例連接環的高度為10mm。 接頭9與大坩堝1與小坩堝2配合時，將連接環的外表面與大坩堝1的內表面貼 合，將連接環的內表面與小坩堝4的外表面貼合。 裝配時，將接頭9接在抽拉杆8上，再將隔熱板6放在接頭9上，使接頭9穿過隔 熱板6中心的過孔。將大坩堝1套在位於接頭9上的連接環的外圓周上，小坩堝4則直接 插入連接環內；大坩堝1與小坩堝4均與接頭9同軸緊密配合。將坩堝置於隔熱板6上的 石墨發熱體2中心。雙坩堝裝置、石墨發熱體和感應線圈三者同軸。 如圖1所示。待所有安裝完畢後，通過抽拉杆8將接頭9降至冷卻器10內，使接 頭端面在Ga-In-Sn合金液面7下5mm。 在定向凝固實驗前，將實驗合金用線切割加工成管狀試樣及棒狀試樣，其中管狀 試樣的外徑及內徑由大坩堝內徑及小坩堝外徑決定，保證管狀試樣與兩坩堝的間隙均為 0. 5mm，而棒狀試樣的直逕取決於小坩堝的內徑，使棒狀試樣與小坩堝的間隙為0. 5mm即 可。將試樣5表面用砂紙打磨，用丙酮擦洗乾淨後分別放入兩坩堝內。啟動加熱電源，開始 加熱，待加至設定溫度後，使隔熱板6上的試樣5熔化為液態。保溫數分鐘，然後快速抽拉 10mm保證溫度場及溶度場均穩定下來，再以設定速度抽拉，抽拉所需凝固距離後快速淬火。 待爐室溫度降到室溫後，將試樣從坩堝中取出，進行後續金相處理。
實施例二 本實施例是用於鋁銅合金試樣的雙坩堝定向凝固裝置。 本實施例包括大坩堝1、石墨發熱體2、感應線圈3、小坩堝4、試樣5、隔熱板6、液 態Ga-In-Sn合金7、抽拉杆8、凝固試樣9、接頭9和冷卻器IO，其中，隔熱板6位於冷卻器 10上端，接頭9位於冷卻器10內；抽拉杆8—端位於冷卻器10內，並與接頭9一端連接， 抽拉杆8另一端穿過冷卻器10底板上的抽拉孔，位於冷卻器10外。小坩堝4嵌套在大坩 堝1內，並且兩個坩堝同軸，形成了雙坩堝。雙坩堝的一端位於冷卻器IO內，與接頭9另一 端連接；雙坩堝的另一端穿過隔熱板6中心的過孔，置於感應線圈3中。感應線圈3位於隔 熱板6上表面。 如圖2所示，大坩堝1與小坩堝2均選用高純氧化鋁(99. 9% A1203)無底坩堝。本 實施例所選用的坩堝為北京達安拓公司生產的氧化鋁坩堝。大坩堝1的壁厚為0. 5mm，其外 徑小於與之配合的石墨發熱體2的內徑，並且兩者之間有7mm的間隙。小坩堝4的壁厚為 0.6mm，其外徑同接頭9上的連接環的內徑。大坩堝1的內徑與小坩堝4的外徑之間的距離 同接頭9上的連接環的厚度，並通過接頭9上的連接環將大坩堝1與小坩堝2固定在接頭 9上。 接頭9包括固定底座和連接環。接頭9的固定底座為圓形塊狀，固定底座的高度 為冷卻器內腔高度的1/3，本實施例固定底座的高度10mm ;在該固定底座的一端端面中心 有抽拉杆8的安裝孔；在固定底座的另一端端面有與固定底座同軸的圓形連接環。連接環 的內徑同小坩堝4的外徑，連接環的外徑同大坩堝1的內徑；連接環的高度為雙坩堝高度的1/10，本實施例連接環的高度為10mm。 接頭9與大坩堝1與小坩堝2配合時，將連接環的外表面與大坩堝1的內表面貼 合，將連接環的內表面與小坩堝4的外表面貼合。 裝配時，將接頭9接在抽拉杆8上，再將隔熱板6放在接頭9上，使接頭9穿過隔 熱板6中心的過孔。將大坩堝1套在位於接頭9上的連接環的外圓周上，小坩堝4則直接 插入連接環內；大坩堝1與小坩堝4均與接頭9同軸緊密配合。將坩堝置於隔熱板6上的 石墨發熱體2中心。雙坩堝裝置、石墨發熱體和感應線圈三者同軸。 如圖1所示。待所有安裝完畢後，通過抽拉杆8將接頭9降至冷卻器10內，使接 頭端面在Ga-In-Sn合金液面下5mm。 在定向凝固實驗前，將實驗合金用線切割加工成管狀試樣及棒狀試樣，其中管狀 試樣的外徑及內徑由大坩堝內徑及小坩堝外徑決定，保證管狀試樣與兩坩堝的間隙均為 0. 5mm，而棒狀試樣的直逕取決於小坩堝的內徑，使棒狀試樣與小坩堝的間隙為0. 5mm即 可。將試樣5表面用砂紙打磨，用丙酮擦洗乾淨後分別放入兩坩堝內。啟動加熱電源，開始 加熱，待加至設定溫度後，使隔熱板6上的試樣5熔化為液態。保溫數分鐘，然後快速抽拉 10mm保證溫度場及溶度場均穩定下來，再以設定速度抽拉，抽拉所需凝固距離後快速淬火。 待爐室溫度降到室溫後，將試樣從坩堝中取出，進行後續金相處理。
實施例三 本實施例是用於鎳基高溫合金試樣的雙坩堝定向凝固裝置。 本實施例包括大坩堝1、石墨發熱體2、感應線圈3、小坩堝4、試樣5、隔熱板6、液 態Ga-In-Sn合金7、抽拉杆8、接頭9、接頭9和冷卻器10，其中，隔熱板6位於冷卻器10上 端，接頭9位於冷卻器10內；抽拉杆8 —端位於冷卻器10內，並與接頭9 一端連接，抽拉杆 8另一端穿過冷卻器10底板上的抽拉孔，位於冷卻器10外。小坩堝4嵌套在大坩堝1內， 並且兩個坩堝同軸，形成了雙坩堝。雙坩堝的一端位於冷卻器IO內，與接頭9另一端連接； 雙坩堝的另一端穿過隔熱板6中心的過孔，置於感應線圈3中。感應線圈3位於隔熱板6 上表面。 如圖2所示，大坩堝1與小坩堝2均選用高純氧化鋁(99. 9% A1203)無底坩堝。本 實施例所選用的坩堝為北京達安拓公司生產的氧化鋁坩堝。大坩堝1的壁厚為0. 5mm，其外 徑小於與之配合的石墨發熱體2的內徑，並且兩者之間有10mm的間隙。小坩堝4的壁厚為 0.6mm，其外徑同接頭9上的連接環的內徑。大坩堝1的內徑與小坩堝4的外徑之間的距離 同接頭9上的連接環的厚度，並通過接頭9上的連接環將大坩堝1與小坩堝2固定在接頭 9上。 接頭9包括固定底座和連接環。接頭9的固定底座為圓形塊狀，固定底座的高度 為冷卻器內腔高度的1/3，本實施例固定底座的高度10mm ;在該固定底座的一端端面中心 有抽拉杆8的安裝孔；在固定底座的另一端端面有與固定底座同軸的圓形連接環。連接環 的內徑同小坩堝4的外徑，連接環的外徑同大坩堝1的內徑；連接環的高度為雙坩堝高度的 1/10，本實施例連接環的高度為10mm。 接頭9與大坩堝1與小坩堝2配合時，將連接環的外表面與大坩堝1的內表面貼 合，將連接環的內表面與小坩堝4的外表面貼合。 裝配時，將接頭9接在抽拉杆8上，再將隔熱板6放在接頭9上，使接頭9穿過隔
6熱板6中心的過孔。將大坩堝1套在位於接頭9上的連接環的外圓周上，小坩堝4則直接 插入連接環內；大坩堝1與小坩堝4均與接頭9同軸緊密配合。將坩堝置於隔熱板6上的 石墨發熱體2中心。雙坩堝裝置、石墨發熱體和感應線圈三者同軸。 如圖1所示。待所有安裝完畢後，通過抽拉杆8將接頭9降至冷卻器10內，使接 頭端面在Ga-In-Sn合金液面下5mm。 在定向凝固實驗前，將實驗合金用線切割加工成管狀試樣及棒狀試樣，其中管狀 試樣的外徑及內徑由大坩堝內徑及小坩堝外徑決定，保證管狀試樣與兩坩堝的間隙均為 0. 5mm，而棒狀試樣的直逕取決於小坩堝的內徑，使棒狀試樣與小坩堝的間隙為0. 5mm即 可。將試樣5表面用砂紙打磨，用丙酮擦洗乾淨後分別放入兩坩堝內。啟動加熱電源，開始 加熱，待加至設定溫度後，使隔熱板6上的試樣5熔化為液態。保溫數分鐘，然後快速抽拉 10mm保證溫度場及溶度場均穩定下來，再以設定速度抽拉，抽拉所需凝固距離後快速淬火。 待爐室溫度降到室溫後，將試樣從坩堝中取出，進行後續金相處理。
實施例四 本實施例是用於鉛錫合金試樣的雙坩堝定向凝固裝置。 本實施例包括大坩堝1、石墨發熱體2、感應線圈3、小坩堝4、試樣5、隔熱板6、液 態Ga-In-Sn合金7、抽拉杆8、接頭9和冷卻器10，其中，隔熱板6位於冷卻器10上端，接 頭9位於冷卻器10內；抽拉杆8 —端位於冷卻器10內，並與接頭9 一端連接，抽拉杆8另 一端穿過冷卻器10底板上的抽拉孔，位於冷卻器10外。小坩堝4嵌套在大坩堝1內，並且 兩個坩堝同軸，形成了雙坩堝。雙坩堝的一端位於冷卻器IO內，與接頭9另一端連接；雙坩 堝的另一端穿過隔熱板6中心的過孔，置於感應線圈3中。感應線圈3位於隔熱板6上表 面。 如圖2所示，大坩堝1與小坩堝2均選用高純氧化鋁(99. 9% A1203)無底坩堝。本 實施例所選用的坩堝為北京達安拓公司生產的氧化鋁坩堝。大坩堝1的壁厚為0. 5mm，其外 徑小於與之配合的石墨發熱體2的內徑，並且兩者之間有8mm的間隙。小坩堝4的壁厚為 0.6mm，其外徑同接頭9連接環的內徑。大坩堝1的內徑與小坩堝4的外徑之間的距離同接 頭9上的連接環的厚度，並通過接頭9上的連接環將大坩堝1與小坩堝2固定在接頭9上。
接頭9包括固定底座和連接環。接頭9的固定底座為圓形塊狀，固定底座的高度 為冷卻器內腔高度的1/3，本實施例固定底座的高度10mm ;在該固定底座的一端端面中心 有抽拉杆8的安裝孔；在固定底座的另一端端面有與固定底座同軸的圓形連接環。連接環 的內徑同小坩堝4的外徑，連接環的外徑同大坩堝1的內徑；連接環的高度為雙坩堝高度的 1/10，本實施例連接環的高度為10mm。 接頭9與大坩堝1與小坩堝2配合時，將連接環的外表面與大坩堝1的內表面貼 合，將連接環的內表面與小坩堝4的外表面貼合。 裝配時，將接頭9接在抽拉杆8上，再將隔熱板6放在接頭9上，使接頭9穿過隔 熱板6中心的過孔。將大坩堝1套在位於接頭9上的連接環的外圓周上，小坩堝4則直接 插入連接環內；大坩堝1與小坩堝4均與接頭9同軸緊密配合。將坩堝置於隔熱板6上的 石墨發熱體2中心。雙坩堝裝置、石墨發熱體和感應線圈三者同軸。 如圖1所示。待所有安裝完畢後，通過抽拉杆8將接頭9降至冷卻器10內，使接 頭端面在Ga-In-Sn合金液面7下5mm。
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在定向凝固實驗前，將實驗合金用線切割加工成管狀試樣及棒狀試樣，其中管狀 試樣的外徑及內徑由大坩堝內徑及小坩堝外徑決定，保證管狀試樣與兩坩堝的間隙均為 0. 5mm，而棒狀試樣的直逕取決於小坩堝的內徑，使棒狀試樣與小坩堝的間隙為0. 5mm即 可。將試樣5表面用砂紙打磨，用丙酮擦洗乾淨後分別放入兩坩堝內。啟動加熱電源，開始 加熱，待加至設定溫度後，使隔熱板6上的試樣5熔化為液態。保溫數分鐘，然後快速抽拉 10mm保證溫度場及溶度場均穩定下來，再以設定速度抽拉，抽拉所需凝固距離後快速淬火。 待爐室溫度降到室溫後，將試樣從坩堝中取出，進行後續金相處理。
權利要求
一種雙坩堝定向凝固裝置，包括坩堝、石墨發熱體(2)、感應線圈(3)、隔熱板(6)、抽拉杆(8)、冷卻器(10)和接頭(9)，其中，感應線圈(3)位於隔熱板(6)上表面，隔熱板(6)位於冷卻器(10)上端，接頭(9)位於冷卻器(10)內；抽拉杆(8)一端位於冷卻器(10)內，並與接頭(9)一端連接，抽拉杆(8)另一端穿過冷卻器(10)底板上的抽拉孔，位於冷卻器(10)外；其特徵在於，所述的坩堝包括大坩堝(1)和小坩堝(4)，並且小坩堝(4)嵌套在大坩堝(1)內；大坩堝(1)和小坩堝(4)同軸，形成了雙坩堝；雙坩堝的一端位於冷卻器(10)內，與接頭(9)另一端連接；雙坩堝的另一端穿過隔熱板(6)中心的過孔，置於感應線圈(3)中。
2. 如權利要求l所述一種雙坩堝定向凝固裝置，其特徵在於，小坩堝(4)的外徑同接頭 (9)上的連接環的內徑；大坩堝(1)的內徑與小坩堝(4)的外徑之間的距離同接頭(9)上的 連接環的厚度，並通過接頭(9)上的連接環將大坩堝(1)與小坩堝(2)固定在接頭(9)上； 大坩堝(1)的外徑與石墨發熱體(2)之間有5 10mm的間隙。
3. 如權利要求l所述一種雙坩堝定向凝固裝置，其特徵在於，接頭(9)與大坩堝(1)與 小坩堝(2)配合時，將連接環的外表面與大坩堝(1)的內表面貼合，將連接環的內表面與小 坩堝(4)的外表面貼合。
4. 如權利要求l所述一種雙坩堝定向凝固裝置，其特徵在於，接頭(9)的固定底座的高 度為冷卻器內腔高度的1/3 ;在該固定底座的一端端面中心有抽拉杆(8)的安裝孔；在固定 底座的另一端端面有與固定底座同軸的圓形連接環。
5. 如權利要求3所述一種雙坩堝定向凝固裝置，其特徵在於，連接環的內徑同小坩堝(4) 的外徑，連接環的外徑同大坩堝(1)的內徑；連接環的高度為雙坩堝高度的1/10。
全文摘要
一種雙坩堝定向凝固裝置，坩堝包括大坩堝(1)和小坩堝(4)，並且小坩堝(4)嵌套在大坩堝(1)內；大坩堝(1)和小坩堝(4)同軸，形成了雙坩堝；雙坩堝的一端位於冷卻器(10)內，與接頭(9)另一端連接；雙坩堝的另一端穿過隔熱板(6)中心的過孔，置於感應線圈(3)中。本發明中，同軸的兩坩堝內的熔體的溫度場一致，提供了不同直徑的試棒在同一實驗參數下同時進行抽拉的條件。與現有技術相比，本發明排除了不同溫度場對試樣定向凝固微觀組織的影響，更適於研究定向凝固過程中熔體對流對微觀組織的影響，並且具有使用方便、成本低的特點。
文檔編號G01N25/00GK101718722SQ20091021905
公開日2010年6月2日 申請日期2009年11月19日 優先權日2009年11月19日
發明者傅恆志, 劉林, 李雙明, 胡小武, 高斯峰 申請人:西北工業大學