液態金屬冷卻定向凝固過程中鑄件溫度的測量方法
2023-06-19 21:35:41 1
專利名稱：液態金屬冷卻定向凝固過程中鑄件溫度的測量方法
技術領域：
本發明涉及特種工藝過程中的鑄件溫度測定，屬實驗測溫領域。
背景技術：
在定向凝固和單晶葉片生產中，目前廣泛應用的是「高速凝固(HRS)法」。但溫度梯度往往達不到要求，特別是對於大尺寸燃氣輪機葉片的生產，HRS法的上述缺點十分突出。液態金屬冷卻(LMC)定向凝固技術用於製備葉片開始於20世紀70年代，以低熔點液態金屬(Sn、Al等)作為冷卻區域的冷卻介質，將模殼直接浸入液態金屬中，冷卻效果比較穩定，溫度梯度和凝固速率較高，獲得的鑄件組織細密、雜晶缺陷較少，因而成為近年來的研究熱點。但是，由於LMC工藝的影響因素複雜，溫度場變化機理和凝固規律尚待研究，工藝尚不成熟，通過實驗測溫來研究鑄件內的溫度場就有很大的必要。然而，由於模殼和鑄件在真空爐內處於抽拉運動狀態，且模殼與加熱套、擋板間的距離很近，熱電偶必須有柔性引出線，而過多的引出線又會影響輻射散熱，使得實驗得到的溫度場與實際生產中的不一致；另一方面，由於模殼浸入液態金屬，熱電偶也隨之浸入，會使偶絲與液態金屬接觸，形成短路； 再加上定向凝固熱區溫度一般要超過高溫合金熔點，因此必須有一種既柔性又密封，而且耐1600°C以上高溫，在運動中始終不受擋板阻隔，並且成本低的測溫方法。目前，國內尚無比較成型的LMC鑄件溫度測定方法。因此，測溫問題一直是LMC工藝研究者的重大技術難關。2007年于靖在博士論文中(高溫合金葉片定向凝固過程微觀組織數值模擬.北京清華大學機械工程系，2007 79)使用了一種熱電偶測溫方法，基本上可以適應模殼的抽拉運動，但是不能避免金屬液接觸偶絲，只能用於無液態金屬冷卻的工藝；1976年A. F. Giamei 用保護管從坩堝頂部插入，採用公用極偶絲減少了偶絲數量，實現了 LMC試樣的測溫，但此方法要求鑄件形狀簡單，測溫點必須在同一條豎直線上，對試樣內部溫度場幹擾較大，且依賴於專門的實驗設備來實現，不能適用於生產用爐的抽拉運動。
發明內容
本發明的目的是提供一種使用常用實驗材料，在準確採集鑄件指定點溫度的同時，保證液態冷卻金屬不會侵入熱電偶保護層導致偶絲短路的熱電偶測溫方法。本發明的技術方案如下液態金屬冷卻定向凝固過程中鑄件溫度的測量方法之一，其特徵在於，是一種上引出埋線式測量方法，依次含有以下步驟步驟(1)，把帶有橢圓截面的陶瓷絕緣管的熱電偶絲水平的伸入型殼測溫點並埋在鑄件中，所述的熱電偶絲是一種超細的鉬銠熱電偶絲，直徑為0. Imm到0. 2mm，橢圓截面的陶瓷絕緣管長軸為1. 5mm，在所述超細鉬銠熱電偶絲的偶頭上用漿料塗敷，代替保護管， 以減小測量滯後與誤差，鑄件放在加熱套內；步驟O)，從測溫點到所述型殼上端面的熱電偶絲採用分節的所述橢圓截面的陶瓷絕緣管，並埋入所述型殼中，從所述型殼的上端面引到熱區上蓋之間，也採用分節的所述橢圓截面的陶瓷絕緣管並向上彎折盤旋，從所述熱區上蓋邊緣的縫隙引出到接線盤。液態金屬冷卻定向凝固過程中鑄件溫度的測量方法之二，其特徵在於，是一種上引出直線式測量方法，依次含有以下步驟步驟(1)，把帶有橢圓截面的陶瓷絕緣管的熱電偶絲水平的伸入型殼測溫點並埋在鑄件中，所述的熱電偶絲是一種超細的鉬銠熱電偶絲，直徑為0. Imm到0. 2mm，橢圓截面的陶瓷絕緣管長軸為1. 5mm，在所述超細鉬銠熱電偶絲的偶頭上用漿料塗敷，代替保護管， 以減小測量滯後與誤差，鑄件放在加熱套內；步驟( ，從測溫點到所述型殼上端面採用幾段不分節的所述橢圓截面的陶瓷絕緣管，所述各橢圓截面的陶瓷絕緣管之間的交界處用漿料密封，並將最後一段所述橢圓截面的陶瓷絕緣管用所述漿料固定在所述型殼的上端面上，從所述型殼上端面向上彎曲盤旋，並從所述熱區上蓋邊緣的縫隙引出到接線盤。液態金屬冷卻定向凝固過程中鑄件溫度的測量方法之三，其特徵在於，是一種下引出埋線式測量方法，依次含有以下步驟步驟(1)，把帶有橢圓截面的陶瓷絕緣管的熱電偶絲水平的伸入型殼測溫點並埋在鑄件中，所述的熱電偶絲是一種超細的鉬銠熱電偶絲，直徑為0. Imm到0. 2mm，橢圓截面的陶瓷絕緣管長軸為1. 5mm，在所述超細鉬銠熱電偶絲的偶頭上用漿料塗敷，代替保護管， 以減小測量滯後與誤差，鑄件放在加熱套內；步驟O)，從測溫點到所述型殼下端面的熱電偶絲採用分節的所述橢圓截面的陶瓷絕緣管，從所述型殼的下端面經結晶盤上表面再連接到所述結晶盤下表面外側的所述分節的橢圓截面的陶瓷絕緣管全部採用所述漿料密封並粘固在所述結晶盤的側面，再用外加有不鏽鋼波紋管的所述分節的橢圓截面的陶瓷絕緣管依次經表面加有浮動擋板的冷卻金屬液體內部從所述浮動擋板的上端面引出再連接到接線盤。液態金屬冷卻定向凝固過程中鑄件溫度的測量方法之四，其特徵在於是一種下引出直線式測量方法，依次含有以下步驟步驟(1)，把帶有橢圓截面的陶瓷絕緣管的熱電偶絲水平的伸入型殼測溫點並埋在鑄件中，所述的熱電偶絲是一種超細的鉬銠熱電偶絲，直徑為0. Imm到0. 2mm，橢圓截面的陶瓷絕緣管長軸為1. 5mm，在所述超細鉬銠熱電偶絲的偶頭上用漿料塗敷，代替保護管， 以減小測量滯後與誤差，鑄件放在加熱套內；步驟O)，從測溫點到上表面與所述型殼下端面相連的結晶盤的下表面外側採用幾段不分節的所述橢圓截面的陶瓷絕緣管，在交界處用所述漿料密封，從所述橢圓截面的陶瓷絕緣管下表面開始採用外加有不鏽鋼波紋管的分節陶瓷絕緣管經過上表面浮動擋板的冷卻液態金屬後再從所述浮動擋板上表面引出後連接到接線盤。本發明與現有技術相比，具有以下優點該方法可用於在準確採集鑄件指定點溫度的同時，保證液態冷卻金屬(SruAl等)不會侵入熱電偶保護層導致偶絲短路，並且使得熱電偶絲能適應型殼的抽拉運動。此方法只使用常用實驗材料，無需專門器材，易於實現； 可大大提高測溫實驗成功率；降低了實驗成本；減少了測溫器材本身對輻射傳熱的幹擾； 不會由於熱電偶敷設而限制抽拉工藝範圍。
圖1上引出埋線式示意圖。圖2上引出直線式示意圖。圖3下引出埋線式示意圖。圖4下引出直線式示意圖。圖中1-熱區上蓋，2-加熱套，3-型殼，4-鑄件，5-熱電偶絲，6-絕緣陶瓷管，7-漿料，8-冷卻液態金屬，9-浮動擋板，10-固定擋板，11-結晶盤，12-熱電偶頭，13-不鏽鋼波
紋管；
具體實施例方式本發明的思路是1)將帶有陶瓷絕緣管的熱電偶頭伸入鑄件，在偶頭上用陶瓷漿料塗敷，代替保護管，這樣，鑄件金屬與電偶焊頭之間只間隔一層漿料，減小了測溫滯後與誤差。2)將帶有分節絕緣管的電偶絲埋在型殼中，既可防止液態金屬接觸偶絲，又可避免引出線在模殼外對輻射的幹擾。3)在幾何條件允許剛性引出線的情況下，採用整體不分節絕緣管實現密封，防止液態金屬接觸偶絲。4)在熱區以外，溫度低於鋼的熔點的部分，例如液態冷卻金屬中，採用不鏽鋼波紋管，實現引出偶絲柔性部分的密封。5)在以上密封方法都難以實行的引線上，用漿料直接塗敷偶絲的暴露部分，實現密封。此法需要用手工小心操作，確保密封，還要小心避免乾燥後的漿料開裂或在爐內受熱應力而開裂。6)使用超細熱電偶(偶絲直徑0. 1-0. 2mm，長圓截面絕緣管長徑1. 5mm左右)，便於塗敷或埋入殼中，並可減小引出線在模殼外對輻射的幹擾。定向凝固多用於高溫合金鑄件，而高溫合金熔化澆注溫度一般都很高，目前能用於高溫合金測溫的偶絲是鎢錸熱電偶和鉬銠熱電偶。鎢錸電偶絲的價格便宜，但塑性差，鉬銠電偶絲塑性好，變形時不易折斷。本發明針對不同塑性的偶絲，將偶絲引出方向分為兩種，型殼上端引出和型殼下端引出。上端引出要求熱電偶絲塑性好不易斷；下引出需要較多的漿料塗敷。從測溫點到型殼上端或下端的引線方法也分為兩種，一種是完全埋入型殼，另一種是在型殼外採用無分節的直絕緣管引出。如果模殼形狀和偶絲塑性允許，應儘量採用第一種，可以完全避免對輻射傳熱的幹擾；第二種仍然會產生一定幹擾，且需要較多的漿料塗敷。基於以上兩種不同點，根據具體實驗條件，本發明有4種不同實現方式。1)上引出埋線式。從測溫點到型殼上端的偶絲採用分節絕緣管，埋入型殼。從型殼上端到熱區上蓋之間仍採用分節絕緣管，並彎折盤旋，以保證模殼下拉時偶絲有足夠的連接長度。從上蓋邊緣縫隙引出至接線盤。2)上引出直線式。從測溫點經過幾段不分節的直絕緣管引至型殼上端，段與段之間的交界處用漿料密封，並將最後一段用漿料固定在型殼上端。應根據模殼形狀，儘量減少段數。從模殼上端往上的部分用分節絕緣管按方式1)引出。3)下引出埋線式。從測溫點到型殼下端的偶絲採用分節絕緣管，埋入型殼。採用
6分節絕緣管，從型殼下端到結晶盤下表面，全部用漿料密封並粘固在結晶盤上，再用分節絕緣管外加不鏽鋼波紋管經冷卻過金屬液內部，引到熱區外側，出液面，再連至接線盤。波紋管與結晶盤下表面連接處需用其他方法加固，並用漿料保證密封。 4)下引出直線式。採用類似方式幻的辦法，用直絕緣管引至模殼下端，在採用類似方式幻的辦法從模殼下端引至接線盤。
權利要求
1.液態金屬冷卻定向凝固過程中鑄件溫度的測量方法，其特徵在於，是一種上引出埋線式測量方法，依次含有以下步驟步驟(1)，把帶有橢圓截面的陶瓷絕緣管的熱電偶絲水平的伸入型殼測溫點並埋在鑄件中，所述的熱電偶絲是一種超細的鉬銠熱電偶絲，直徑為0. Imm到0. 2mm，所述橢圓截面的陶瓷絕緣管長軸為1. 5mm，在所述超細鉬銠熱電偶絲的偶頭上用漿料塗敷，代替保護管， 以減小測量滯後與誤差，鑄件放在加熱套內；步驟O)，從測溫點到所述型殼上端面的熱電偶絲採用分節的所述橢圓截面的陶瓷絕緣管，並埋入所述型殼中，從所述型殼的上端面引到熱區上蓋之間，也採用分節的所述橢圓截面的陶瓷絕緣管並向上彎折盤旋，從所述熱區上蓋邊緣的縫隙引出到接線盤。
2.液態金屬冷卻定向凝固過程中鑄件溫度的測量方法，其特徵在於，是一種上引出直線式測量方法，依次含有以下步驟步驟(1)，把帶有橢圓截面的陶瓷絕緣管的熱電偶絲水平的伸入型殼測溫點並埋在鑄件中，所述的熱電偶絲是一種超細的鉬銠熱電偶絲，直徑為0. Imm到0. 2mm，所述橢圓截面的陶瓷絕緣管長軸為1. 5mm，在所述超細鉬銠熱電偶絲的偶頭上用漿料塗敷，代替保護管， 以減小測量滯後與誤差，鑄件放在加熱套內；步驟O)，從測溫點到所述型殼上端面採用幾段不分節的所述橢圓截面的陶瓷絕緣管， 各所述橢圓截面的陶瓷絕緣管之間的交界處用所述漿料密封，並將最後一段所述橢圓截面的陶瓷絕緣管用所述漿料固定在所述型殼的上端面上，從所述型殼上端面向上彎曲盤旋， 並從所述熱區上蓋邊緣的縫隙引出到接線盤。
3.液態金屬冷卻定向凝固過程中鑄件溫度的測量方法，其特徵在於，是一種下引出埋線式測量方法，依次含有以下步驟步驟(1)，把帶有橢圓截面的陶瓷絕緣管的熱電偶絲水平的伸入型殼測溫點並埋在鑄件中，所述的熱電偶絲是一種超細的鉬銠熱電偶絲，直徑為0. Imm到0. 2mm，所述橢圓截面的陶瓷絕緣管長軸為1. 5mm，在所述超細鉬銠熱電偶絲的偶頭上用漿料塗敷，代替保護管， 以減小測量滯後與誤差，鑄件放在加熱套內；步驟O)，從測溫點到所述型殼下端面的熱電偶絲採用分節的所述橢圓截面的陶瓷絕緣管，從所述型殼的下端面經結晶盤上表面再連接到所述結晶盤下表面外側的所述分節的橢圓截面的陶瓷絕緣管全部採用所述漿料密封並粘固在所述結晶盤的外側面，再用外加有不鏽鋼波紋管的所述分節的橢圓截面的陶瓷絕緣管依次經表面加有浮動擋板的冷卻金屬液體內部從所述浮動擋板的上端面引出再連接到接線盤。
4.液態金屬冷卻定向凝固過程中鑄件溫度的測量方法，其特徵在於是一種下引出直線式測量方法，依次含有以下步驟步驟(1)，把帶有橢圓截面的陶瓷絕緣管的熱電偶絲水平的伸入型殼測溫點並埋在鑄件中，所述的熱電偶絲是一種超細的鉬銠熱電偶絲，直徑為0. Imm到0. 2mm，所述橢圓截面的陶瓷絕緣管長軸為1. 5mm，在所述超細鉬銠熱電偶絲的偶頭上用漿料塗敷，代替保護管， 以減小測量滯後與誤差，鑄件放在加熱套內；步驟O)，從測溫點到上表面與所述型殼下端面相連的結晶盤的下表面外側採用幾段不分節的所述橢圓截面的陶瓷絕緣管，在交界處用所述漿料密封，從所述橢圓截面的陶瓷絕緣管下表面開始採用外加有不鏽鋼波紋管的所述分節的橢圓截面的陶瓷絕緣管經過上表面加有浮動擋板的冷卻液態金屬後再從所述浮動擋板上表面引出後連接到接線盤。
全文摘要
液態金屬冷卻定向凝固過程中鑄件溫度的測量方法屬於鑄件的測溫領域，其特徵在於採用超細熱電偶絲，在偶頭上用陶瓷漿料塗敷，以減小測量滯後與誤差，把所述熱電偶絲埋在型殼中，在儘量防止與冷卻金屬接觸的同時也避免引出線在型殼外對輻射的幹擾，在幾何條件允許使用剛性引出線時，使用整體不分節陶瓷絕緣管密封防止與冷卻金屬接觸，在熱區以外的液態冷卻金屬中採用不鏽鋼波紋管，也可用漿料直接塗敷偶絲的暴露部分，實現密封。相應地提出了偶絲從測溫點到型殼上端面或下端面的引線方法。本發明在準確採集鑄件指定點溫度的同時可保證液態冷卻金屬不會侵入熱電偶保護層以防止偶絲短路。
文檔編號B22D2/00GK102507033SQ201110319938
公開日2012年6月20日 申請日期2011年10月20日 優先權日2011年10月20日
發明者唐寧, 張航, 柳百成, 許慶彥 申請人:清華大學