一种定向凝固装置及包括该定向凝固装置的定向凝固设备

技术领域

本发明涉及合金铸造技术领域，更具体地说，涉及一种定向凝固装置及包括该定向凝固装置的定向凝固设备。

背景技术

定向凝固技术是伴随高温合金的发展而逐渐发展起来的,其原理是，在凝固过程中，采用强制手段在凝固金属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,以获得具有特定取向柱状晶的技术。定向凝固技术很好的控制了凝固组织的晶粒取向,消除横向晶界,提高了材料的纵向力学性能。目前定向凝固技术广泛应用于高温合金铸造成形及冶金提纯领域。

定向凝固过程是一种强制凝固过程，是在定向凝固装置中，由隔热板将定向凝固装置的上部加热区和下部冷却区隔开而形成自上而下的沿高温合金轴向的一维温度梯度，高温合金在上部加热区被逐渐熔化，经由抽拉，高温合金熔化的部位被抽拉至下部冷却区进行强制冷却，实现单向排列的凝固组织，以提高合金性能。定向凝固过程中，影响凝固质量的重要参数主要包括凝固过程中固-液界面前言液相中的温度梯度和固-液界面向前推进速度，即凝固速率或称之为晶体生长速率。其中，凝固速率或晶体生长速率受合金的冷却速率和抽拉速率的影响。研究表明，温度梯度越高，凝固速率越快，合金的晶体生长状况越好，合金的力学性能越高。

但是在现有的定向凝固装置进行合金凝固过程中，随着固相长度的不断增加，晶体潜热的释放量越来越多，冷却介质的冷却能力下降，会导致合金的冷却速率下降及固-液界面前言的温度梯度下降，影响凝固速率，此时，仍然保持较高的抽拉速率会加剧冷却速率和温度梯度的下降，使合金的熔化和凝固均不及时，影响晶体微观组织的生长和形成状态，造成合金的力学性能下降。

因此，研制出提高温度梯度和冷却速率并能根据凝固过程中实际凝固速率的改变进行实时改变抽拉速率的定向凝固装置成为本领域人员亟需解决的技术问题。

发明内容

本发明的目的在于根据现有技术中的不足，提供一种定向凝固装置，其能够保持较高的温度梯度和冷却速率，并能够根据凝固过程中晶体的实际凝固速率的改变进行实时地改变抽拉速率，使晶体的微观组织，如枝晶组织、枝晶臂间距、合金微观偏析等，得到良好生长和形成，更好地实现定向凝固的效果，使合金得到良好的力学性能。本发明的目的还在于提供一种包括上述定向凝固装置的定向凝固设备。

本发明提供的一种定向凝固装置，位于真空炉内，包括：呈中空阶梯筒状的石墨受热体，所述石墨受热体沿轴向分别设置为加热区及过热区，所述过热区位于所述加热区下方且所述过热区的直径小于所述加热区的直径；位于所述石墨受热体内部的坩埚，所述坩埚的直径大于所述过热区的长度，所述坩埚的外壁上沿轴向设置有多个热电偶，各个所述热电偶之间保持同样的间距；围绕在所述石墨受热体外周的感应线圈，围绕在所述过热区的所述感应线圈设置为内外层叠的两层，围绕在所述加热区的所述感应线圈设置为单层，所述感应线圈与电源电连接；位于所述石墨受热体下方的隔热板，所述隔热板的中心处设置有供所述坩埚通过的通孔；用以冷却所述坩埚的冷却装置，所述冷却装置包括位于所述隔热板下方并与所述通孔连通且能够围绕自身竖直中心线进行转动的冷却室、能够进入和流出所述冷却室的冷却介质、带动所述冷却室转动的第一动力装置及存储所述冷却介质且与所述冷却室连通的储液室，所述储液室内设置有增压泵，所述冷却室上端沿周向设置有多个第一进液口且底部设置有第一出液口、以供所述冷却介质循环流动，所述冷却室的底部的中心处设置有开口；上端连接于所述坩埚底部、下端穿过所述冷却室且从所述开口伸出的抽拉装置，所述下端与所述开口能够相对滑动且二者之间设置有密封件实现密闭连接；连接于所述抽拉装置的下端且带动所述抽拉装置进行滑动的第二动力装置；与所述第二动力装置电连接、用于控制所述抽拉装置抽拉速率的控制器，所述控制器与所述热电偶电连接、能够接收各个所述热电偶测量的温度值，所述控制器能够根据沿自下而上方向的各个所述热电偶变化相同温度差值所用的时间的长短调整所述第二动力装置的动力输出、以控制所述抽拉速率，所述时间的长短与所述抽拉速率的大小呈负相关。

优选地，所述冷却室与所述第一动力装置通过齿轮传动，所述冷却室固定在从动齿轮上且与所述从动齿轮同轴。

优选地，所述冷却室外套设有固定室，所述固定室上端设置有与所述储液室连通的第二进液口、下端设置有所述储液室连通的第二出液口，所述固定室内壁与所述冷却室外壁之间保持间距以形成夹层，所述夹层设置为连通所述第一进液口和所述第二进液口的进液区、连通所述第一出液口和所述第二出液口的出液区及放置所述第一动力装置的密闭区。

优选地，所述第一出液口连接有指向所述冷却室中心处的导管，当所述坩埚下降至所述冷却室，所述导管末端指向所述坩埚外壁。

优选地，所述第二动力装置与所述抽拉装置之间设置有曲柄活塞结构，所述抽拉装置设置为所述曲柄活塞结构中的活塞。

优选地，所述第二动力装置设置为步进电机。

优选地，还包括呈中空管状、套设在所述感应线圈外部的保温套筒，所述保温套筒的下端伸入所述通孔内且贴合在所述通孔内壁上，所述坩埚从所述保温套筒的内部穿过。

优选地，所述控制器设置为单片机。

优选地，所述第一动力装置设置为带减速器的电机。

一套定向凝固设备，包括真空炉、真空抽取系统及定向凝固装置，其特征在于，所述定向凝固装置为如上任一项所述的定向凝固装置。

本发明提供的技术方案中，该定向凝固装置装置包括呈中空阶梯筒状的石墨受热体，石墨受热体沿轴向分别设置为加热区及过热区，过热区位于加热区下方且过热区的直径小于加热区的直径；位于石墨受热体内部的坩埚，坩埚的直径大于过热区的长度，坩埚的外壁上沿轴向设置有多个热电偶，各个热电偶之间保持同样的间距；围绕在石墨受热体外周的感应线圈，围绕在过热区的感应线圈设置为内外层叠的两层，围绕在加热区的感应线圈设置为单层，感应线圈与电源电连接；位于石墨受热体下方的隔热板，隔热板的中心处设置有供坩埚通过的通孔；用以冷却坩埚的冷却装置，冷却装置包括位于隔热板下方并与通孔连通且能够围绕自身竖直中心线进行转动的冷却室、能够进入和流出冷却室的冷却介质、带动冷却室转动的第一动力装置及存储冷却介质且与冷却室连通的储液室，储液室内设置有增压泵，冷却室上端沿周向设置有多个第一进液口且底部设置有第一出液口、以供冷却介质循环流动，冷却室的底部的中心处设置有开口；上端连接于坩埚底部、下端穿过冷却室且从开口伸出的抽拉装置，下端与开口能够相对滑动且二者之间设置有密封件实现密闭连接；连接于抽拉装置的下端且带动抽拉装置进行滑动的第二动力装置；与第二动力装置电连接、用于控制抽拉装置抽拉速率的控制器，控制器与热电偶电连接、能够接收各个热电偶测量的温度值，控制器能够根据沿自下而上方向的各个热电偶变化相同温度差值所用的时间的长短调整第二动力装置的动力输出、以控制抽拉速率，时间逐渐增长，抽拉速率逐渐减小。

如此设置，第一：石墨受热体设置为加热区和过热区，过热区的直径小于加热区的直径，相对应的过热区的感应线圈与坩埚的距离要小于加热区的感应线圈与坩埚的距离，利于过热区温度高于加热区的温度，且过热区的感应线圈为内外层叠的两层，加热区的感应线圈为单层，则过热区的温度能够明显高于加热区的温度，且过热区位于加热区下方，过热区下方即冷却装置，从而本发明提供的定向凝固装置明显提高了合金凝固过程中固-液界面前言的温度梯度，利于合金快速凝固和晶体定向生长；第二：冷却室上端沿周向设置有多个第一进液口，底部设置有第一出液口，而储液室内设置有增压泵，则冷却介质为循环流动，能够更快速地冷却高温合金，避免冷却介质的温度随着合金的固相长度增加而升高导致冷却速度变慢；第三：同时，冷却介质能够沿周向直接喷射到坩埚外壁上，且冷却室能够围绕自身竖直中心线进行转动，从而从第一出液口喷出的冷却介质能够均匀地喷射到坩埚外壁上，使坩埚的外壁沿周向能够得到同时冷却，保持相同的冷却速度，使合金冷却快速且均匀，不仅提高了冷却速度且使合金沿周向均匀冷却凝固，利于晶体的定向生长，能够提高合金的力学性能；第四：坩埚的外壁上沿轴向设置有多个热电偶，能够对合金轴向的各位置处进行实时地温度监测，各个热电偶之间保持同样的间距，利用控制器能够监测每个热电偶测量的温度值从合金熔点温度降低至凝固点温度所用的时间，利用沿自下而上方向合金各个位置凝固所用时间的长短来及时调整抽拉装置的抽拉速率，所用时间逐渐增长，控制抽拉速率逐渐减小，从而本发明提供的定向凝固装置能够根据凝固过程中晶体的实际凝固速率的改变进行实时地改变抽拉速率，使晶体的微观组织，如枝晶组织、枝晶臂间距、合金微观偏析等，得到良好生长和形成，更好地实现定向凝固的效果，使合金得到良好的力学性能。

附图说明

为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。

图1为本发明实施例中定向凝固装置整体结构示意图；

图2为本发明实施例中冷却装置结构示意图；

图3为本发明实施例中坩埚结构示意图。

图1-图3中：

石墨受热体-1、过热区-2、坩埚-3、热电偶-4、感应线圈-5、隔热板-6、冷却室-7、冷却介质-8、第一动力装置-9、储液室-10、第一进液口-11、第一出液口-12、抽拉装置-13、第二动力装置-14、控制器-15、固定室-16、第二进液口-17、第二出液口-18、导管-19、保温套筒-20、从动齿轮-21。

具体实施方式

为使本发明的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将对本发明的技术方案进行详细的描述。显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动的前提下所得到的所有其它实施方式，都属于本发明所保护的范围。

本具体实施方式的目的在于根据现有技术中的不足，提供一种定向凝固装置，其能够保持较高的温度梯度和冷却速率，并能够根据凝固过程中晶体的实际凝固速率的改变进行实时地改变抽拉速率，使晶体的微观组织，如枝晶组织、枝晶臂间距、合金微观偏析等，得到良好生长和形成，更好地实现定向凝固的效果，使合金得到良好的力学性能。本具体实施方式的目的还在于提供一套包括上述定向凝固装置的定向凝固设备。

以下，结合附图对实施例作详细说明。此外，下面所示的实施例不对权利要求所记载的发明的内容起任何限定作用。另外，下面实施例所表示的构成的全部内容不限于作为权利要求所记载的发明的解决方案所必需的。

请参考附图1和附图3，本实施例提供的一种定向凝固装置装置，包括呈中空阶梯筒状的石墨受热体1，石墨受热体1沿轴向分别设置为加热区及过热区2，过热区2位于加热区下方且过热区2的直径小于加热区的直径；位于石墨受热体1内部的坩埚3，坩埚3的直径大于过热区2的长度，坩埚3的外壁上沿轴向设置有多个热电偶4，各个热电偶4之间保持同样的间距；围绕在石墨受热体1外周的感应线圈5，围绕在过热区2的感应线圈5设置为内外层叠的两层，围绕在加热区的感应线圈5设置为单层，感应线圈5与电源电连接；位于石墨受热体1下方的隔热板6，隔热板6的中心处设置有供坩埚3通过的通孔；用以冷却坩埚3的冷却装置，冷却装置包括位于隔热板6下方并与通孔连通且能够围绕自身竖直中心线进行转动的冷却室7、能够进入和流出冷却室7的冷却介质8、带动冷却室7转动的第一动力装置9及存储冷却介质8且与冷却室7连通的储液室10，储液室10内设置有增压泵，冷却室7上端沿周向设置有多个第一进液口11且底部设置有第一出液口12、以供冷却介质8循环流动，冷却室7的底部的中心处设置有开口；上端连接于坩埚3底部、下端穿过冷却室7且从开口伸出的抽拉装置13，下端与开口能够相对滑动且二者之间设置有密封件实现密闭连接；连接于抽拉装置13的下端且带动抽拉装置13进行滑动的第二动力装置14；与第二动力装置14电连接、用于控制抽拉装置13抽拉速率的控制器15，控制器15与热电偶4电连接、能够接收各个热电偶4测量的温度值，控制器15能够根据沿自下而上方向的各个热电偶4变化相同温度差值所用的时间的长短调整第二动力装置14的动力输出、以控制抽拉速率，所述时间的长短与所述抽拉速率的大小呈负相关。

如此设置，第一：石墨受热体1设置为加热区和过热区2，过热区2的直径小于加热区的直径，相对应的过热区2的感应线圈5与坩埚3的距离要小于加热区的感应线圈5与坩埚3的距离，利于过热区2温度高于加热区的温度，且过热区2的感应线圈5为内外层叠的两层，加热区的感应线圈5为单层，则过热区2的温度能够明显高于加热区的温度，且过热区2位于加热区下方，过热区2下方即冷却装置，从而本发明提供的定向凝固装置明显提高了合金凝固过程中固-液界面前言的温度梯度，利于合金快速凝固和晶体定向生长；第二：冷却室7上端沿周向设置有多个第一进液口11，底部设置有第一出液口12，而储液室10内设置有增压泵，则冷却介质8为循环流动，能够更快速地冷却高温合金，避免冷却介质8的温度随着合金的固相长度增加而升高导致冷却速度变慢；第三：同时，冷却介质8能够沿周向直接喷射到坩埚3外壁上，且冷却室7能够围绕自身竖直中心线进行转动，从而从第一出液口12喷出的冷却介质8能够均匀地喷射到坩埚3外壁上，使坩埚3的外壁沿周向能够得到同时冷却，保持相同的冷却速度，使合金冷却快速且均匀，不仅提高了冷却速度且使合金沿周向均匀冷却凝固，利于晶体的定向生长，能够提高合金的力学性能；第四：如附图3所示，坩埚3的外壁上沿轴向设置有多个热电偶4，能够对合金轴向的各位置处进行实时地温度监测，各个热电偶4之间保持同样的间距，利用控制器15能够监测每个热电偶4测量的温度值从合金熔点温度降低至凝固点温度所用的时间，利用沿自下而上方向合金各个位置凝固所用时间的长短来及时调整抽拉装置13的抽拉速率，所使用时间的长短与抽拉速率呈负相关即所用时间逐渐增长，控制抽拉速率逐渐减小，避免了合金的冷却速率下降后仍然保持较高的抽拉速率会加剧合金冷却速率和温度梯度的下降，使合金的熔化和凝固均不及时，影响晶体微观组织的生长和形成状态，造成合金的力学性能下降的问题；从而本发明提供的定向凝固装置能够根据凝固过程中晶体的实际凝固速率的改变进行实时地改变抽拉速率，使晶体的微观组织，如枝晶组织、枝晶臂间距、合金微观偏析等，得到良好生长和形成，更好地实现定向凝固的效果，使合金得到良好的力学性能。

综上所述，与现有技术中的定向凝固装置相比，本发明提供的定向凝固装置不但能够保持较高的温度梯度和冷却速率，并能够根据凝固过程中晶体的实际凝固速率的改变进行实时地改变抽拉速率，使晶体的微观组织，如枝晶组织、枝晶臂间距、合金微观偏析等，得到良好生长和形成，更好地实现定向凝固的效果，使合金得到良好的力学性能。

需要说明的是，冷却室7的竖直中心线即为冷却室7如附图1中放置时沿竖直方向的中心线，本文所述竖直方向均为附图1中所示的竖直方向。

请参考附图2，具体地，冷却室7与第一动力装置9通过齿轮传动，冷却室7固定在从动齿轮21上且与从动齿轮21同轴。与从动齿轮21啮合的主动齿轮与第一动力装置9的动力输出轴同轴。如此设置，能够通过调整第一动力装置9的动力输出轴的转速来调整冷却室7的转速，且通过第一动力装置9的开关实现对冷却室7开始和停止转动的控制，结构简单，便于操作。

优选地，第一动力装置9设置为带减速器的电机。电机相较于其它动力装置如内燃机等，便于使用，且易于维修和更换。

具体地，冷却室7的第一进液口11和第一出液口12通过管路与储液室10相连通，储液室10可以与冷却室7同步转动或保持静止，若储液室10与冷却室7同步转动，储液室10需要与冷却室7共同固定在从动齿轮21的端面上，所需从动齿轮21的尺寸较大，且转动所需的动力增大，增加成本；若储液室10保持静止状态，则管路会随着冷却室7的转动缠绕在冷却室7外壁上，影响冷却介质8的流速，待冷却室7停止转动，还需要解开管路缠绕，操作繁琐，费时费力。

请参考附图2，为解决此问题，本实施例提供的冷却装置可进行如下设置，在冷却室7外套设有固定室16，固定室16的上端设置有与储液室10连通的第二进液口17、下端设置有与储液室10连通的第二出液口18，固定室16的内壁与冷却室7的外壁之间保持间距以形成夹层。夹层通过隔板分为三层，分别设置为连通第一进液口11和第二进液口17的进液区、连通第一出液口12和第二出液口18的出液区及放置第一动力装置9的密闭区。如此设置，冷却室7转动，而固定室16保持静止，固定室16与储液室10通过管路连通，冷却介质8通过管路和第二进液口17首先进入固定室16，存放在夹层内，然后通过第一进液口11进入转动的冷却室7，从而实现冷却介质8均匀地喷射到坩埚3外壁上；同时，冷却介质8喷射到坩埚3外壁后随之向冷却室7底部流动，通过第一出液口12进入夹层继而通过第二出液口18回到储液室10，实现循环流动；而夹层用隔板分为进液区和出液区，能够使冷却介质8的进流和回流分开，防止二者在夹层内混合，将回流的冷却介质8的热量散发到进流的冷却介质8内，影响对合金的冷却。

请参考附图2，进一步地，第一出液口12连接有指向冷却室7中心处的导管19，当坩埚3下降至冷却室7，导管19末端指向坩埚3外壁。如此设置，能够缩短第一出液口12到坩埚3的距离，能够确保冷却介质8可以从导管19内直接喷射到坩埚3的外壁上，增强冷却效果，防止增压泵压力不够，冷却介质8在没有导管19的情况下只能喷射到坩埚3附近，而不能和坩埚3外壁直接接触。

请参考附图1，具体地，第二动力装置14与抽拉装置13之间设置有曲柄活塞结构，抽拉装置13设置为曲柄活塞结构中的活塞。曲柄活塞结构中和动力连接的连杆同轴连接在第二动力装置14的动力输出轴，随第二动力装置14的动力输出轴同向转动，通过调整第二动力装置14的摆放位置设置好动力输出轴的转动方向，即能够使抽拉装置13沿特定方向滑动。如此设置，结构简单，抽拉装置13能够自动沿竖直方向进行往复运动：合金需要进行凝固时，抽拉装置13沿竖直方向向下方滑动，通过第二动力装置14能够实时控制和调整抽拉速率；待合金凝固结束，取出所得合金，抽拉装置13能够向上运动将坩埚3送回石墨受热体1内，以待下次使用。

优选地，第二动力装置14设置为步进电机。如此设置，控制器15调整步进电机的脉冲即能够调整抽拉速率，使用便捷，易于调控。

具体地，本实施例的控制器15可以设置为单片机，能够读取热电偶4测量的温度值并根据热电偶4变化相同温度差所用时间的长短来调整步进电机的脉冲频率的单片机为现有技术，其具体组成及工作原理本文不再赘述。如此设置，控制精准，且能够根据不同合金的不同参数对单片机数据库中的预设温度值和预设抽拉速率进行调整。

请参考附图1，作为可选地实施方式，定向凝固装置还包括呈中空管状、套设在感应线圈5外部的保温套筒20，保温套筒20的下端伸入通孔内且贴合在通孔内壁上，坩埚3从保温套筒20的内部穿过。如此设置，能够保证合金在进入冷却装置前，都能够保持接近于过热区2的温度，防止合金在离开过热区2及经过隔热板6时，发生降温，既会降低固-液界面前言的温度梯度，也会影响晶体微观组织的生长趋势。

本实施例还提供了一套定向凝固设备，包括真空炉、真空抽取系统及定向凝固装置，其中定向凝固装置为如上所述的定向凝固装置。如此设置，本实施例提供的定向凝固设备，能够能够保持较高的温度梯度和冷却速率，并能够根据凝固过程中晶体的实际凝固速率的改变进行实时地改变抽拉速率，使晶体的微观组织，如枝晶组织、枝晶臂间距、合金微观偏析等，得到良好生长和形成，更好地实现定向凝固的效果，使合金得到良好的力学性能。该有益效果的推导过程与上述定向凝固装置所带来的有益效果的推导过程大体类似，本文不再赘述。

对所公开的实施例的上述说明，使本领域专业技术人员能够实现或使用本发明。对这些实施例的多种修改对本领域的专业技术人员来说将是显而易见的，本文中所定义的一般原理可以在不脱离本发明的精神或范围的情况下，在其它实施例中实现。因此，本发明将不会被限制于本文所示的这些实施例，而是要符合与本文所公开的原理和新颖特点相一致的最宽的范围。