專利名稱：一種用于定向凝固的封閉式水流直冷裝置與方法
技術領域：
本發明涉及定向凝固領域，具體為一種用于金屬材料定向凝固過程中的封閉式水流直接冷卻所使用的裝置與方法。
背景技術：
目前，在定向凝固過程中常用的下端冷卻方式分為兩種一種是開放式冷卻，包括液態金屬冷卻和大型水槽冷卻，其特征是試樣下端直接浸入冷卻液中，因而冷卻效果好，可獲得較高的溫度梯度，但設備復雜，造價較高，常用于大型實驗或規模化生產；另一種為封閉式水流間接冷卻，其特征是采用導熱系數高的金屬制作夾具，外側焊接銅管或在夾具上鉆孔通入水流以冷卻夾具，再通過夾持試棒下端，利用夾具與試棒表面之間的傳熱，間接冷卻試樣。這種水流間接冷卻設備簡易，多用于小型定向凝固實驗，但由于水流不能直接冷卻試樣下端，而依靠夾具內表面與試棒外表面之間的面接觸傳熱，因而冷卻效果較差，難以獲得較高的溫度梯度。另外，由于試棒尺寸及表面加工質量的差異對于面接觸傳熱影響極大， 因而即便是同一批實驗，不同試棒獲得的冷卻效果也難以保證一致。
發明內容
本發明的目的在于提供一種用于定向凝固的封閉式水流直冷裝置與方法，解決常規定向凝固實驗中難以獲得高溫度梯度的問題。本發明的技術方案如下一種用于定向凝固的封閉式水流直冷裝置，該裝置設有試棒、鼓形銅墊、夾具上蓋、夾具、側管，具體結構如下夾具由位于側面的側管、位于下部的下管、位于上部的上管連通形成三通的一體結構，側管的端部為出水端，下管的端部為進水端；夾具上管的端部內壁與鼓形銅墊相對應，試棒從上管端部伸至夾具中，鼓形銅墊置于試棒與夾具上管的端部內壁之間，夾具上蓋罩扣于鼓形銅墊和上管外側，夾具上蓋與上管通過螺紋連接緊固，形成密封。所述的用于定向凝固的封閉式水流直冷裝置，在上管外側設置固定支架、固定螺栓，固定螺栓穿過固定支架頂持固定支架于上管上，固定螺栓與固定支架通過螺紋連接。所述的用于定向凝固的封閉式水流直冷裝置，上管端部的內壁為內錐面或內球面，內錐面或內球面的開口為自下至上逐漸變大。所述的用于定向凝固的封閉式水流直冷裝置，在下管上設有流量計、水閥。所述裝置用于定向凝固的封閉式水流直冷的方法，水流從夾具的下管端部流入， 經側管端部流出，試棒直接浸入水流中，冷卻水在封閉的管道中流動，通過快速流動的水流直接冷卻試棒，從而獲得溫度梯度。所述的用于定向凝固的封閉式水流直冷的方法，通過固定螺栓的緊固與松開，實現試棒的抽拉與淬火。所述的用于定向凝固的封閉式水流直冷的方法，通過調節水流流量實現冷速的控制。所述的用于定向凝固的封閉式水流直冷的方法，具體步驟如下(1)試棒夾持與密封試棒下端依次套上鼓形銅墊和夾具上蓋后，插入夾具，并通過螺紋擰緊夾具上蓋于夾具上，壓緊鼓形銅墊，從而實現試棒的緊固密封與夾持；定向凝固結束后，擰開夾具上蓋，即可取出試棒；(2)夾具固定與淬火通過固定支架上的固定螺栓頂住夾具，實現夾具的固定，并通過電機與傳動機構帶動固定支架上下移動，從而實現定向凝固所需的試棒抽拉動作；當需要進行試棒淬火時， 松開固定螺栓，使夾具與試棒在重力作用下一起掉入下方的淬火液中；(3)水流流量調節通過在進水管上裝配水閥與流量計，控制水流流量的大小，從而實現冷卻速度的調節和控制。本發明與現有技術相比，其優點主要有1、本發明通過快速流動的水流直接冷卻試棒，顯著提高了冷卻效率，可獲得較高的溫度梯度；2、本發明通過冷卻水流在封閉的管道里流動，不至于產生蒸汽或飛濺，使用過程中安全性能好。3、本發明裝置具有結構簡單、加工與使用成本低(裝備中唯一的消耗品鼓形銅墊為工業標準件，市價約0. 1元/只)以及操作方便的特點，可使用自來水進行冷卻；4、由于螺紋強大的緊固力及銅墊良好的延展性，該裝置中的夾具密封性能良好， 對試棒加工的尺寸精度和表面質量的要求均不高。以08mm內徑夾具為例，試棒直徑在 07.5mm~08mm之間均可良好密封；5、由于黃銅熔點較高，在定向凝固過程中不會因受熱而喪失密封功能，因此本發明裝置可用于包括高熔點合金在內的各種金屬的定向凝固實驗。
圖1為本發明裝置結構示意圖。圖2為本發明夾具結構主視圖。圖3為本發明夾具結構左視圖。圖中1.試棒；2.鼓形銅墊；3.夾具上蓋；4.固定支架；5.固定螺栓；6.夾具； 7.流量計；8.水閥；9.側管；10.下管；11.上管。
具體實施例方式如圖1-3所示，本發明用于定向凝固的封閉式水流直冷裝置主要包括試棒1、鼓形銅(黃銅)墊2、夾具上蓋3、固定支架4、固定螺栓5、夾具6、流量計7、水閥8、側管9等， 具體結構如下夾具6由位于側面的側管9、位于下部的下管10、位于上部的上管11連通形成三通的一體結構，側管9的端部為出水端，下管10的端部為進水端。在下管10上設有流量計7、水閥8，在上管11外側設置固定支架4、固定螺栓5，固定螺栓5穿過固定支架4頂持固定支架4于上管11上，固定螺栓5與固定支架4通過螺紋連接。夾具上管11的端部內壁與鼓形銅墊2相對應，試棒1從上管11端部伸至夾具6 中，鼓形銅墊2置于試棒1與夾具上管11的端部內壁之間，夾具上蓋3罩扣于鼓形銅墊2 和上管11外側，夾具上蓋3與上管11通過螺紋連接緊固，從而實現密封。本發明中，上管11端部的內壁為內錐面或內球面，內錐面或內球面的開口為自下至上逐漸變大。本發明用于定向凝固的封閉式水流直冷的方法，水流從夾具6的下管10端部流入，經側管9端部流出，試棒1直接浸入水流中，冷卻水在封閉的管道中流動，通過快速流動的水流直接冷卻試棒1，從而獲得較高的溫度梯度。通過固定螺栓4的緊固與松開，可實現試棒的抽拉與淬火；通過調節水流流量可實現冷速的控制。具體如下1.試棒夾持與密封裝置的裝配結構如圖1所示，試棒1下端依次套上鼓形銅墊2和夾具上蓋3后，插入夾具6，并通過螺紋擰緊夾具上蓋3于夾具6上，壓緊鼓形銅墊2，從而實現試棒1的緊固密封與夾持；定向凝固結束后，擰開夾具上蓋3，即可取出試棒1。2.夾具固定與淬火通過固定支架4上的固定螺栓5頂住夾具6，實現夾具6的固定，并通過電機與傳動機構帶動固定支架4上下移動，從而實現定向凝固所需的試棒抽拉動作。當需要進行試棒淬火時，松開固定螺栓5，使夾具6與試棒1在重力作用下一起掉入下方的淬火液中。3.水流流量調節該裝置的冷卻效果與水流大小密切相關，通過在進水管上裝配水閥8與流量計7， 可控制水流流量的大小，從而實現冷卻速度的調節和控制。實施例本實施例中，試棒的材質為鎳基高溫合金，試棒直徑為08_，試棒的加熱溫度為 1600°C，水流流量為0. 8m3/h，試棒冷卻的溫度梯度可達400°C /cm，可獲得定向效果良好的高溫合金凝固組織。
權利要求
1.一種用于定向凝固的封閉式水流直冷裝置，其特征在于，該裝置設有試棒、鼓形銅墊、夾具上蓋、夾具、側管，具體結構如下夾具由位于側面的側管、位于下部的下管、位于上部的上管連通形成三通的一體結構， 側管的端部為出水端，下管的端部為進水端；夾具上管的端部內壁與鼓形銅墊相對應，試棒從上管端部伸至夾具中，鼓形銅墊置于試棒與夾具上管的端部內壁之間，夾具上蓋罩扣于鼓形銅墊和上管外側，夾具上蓋與上管通過螺紋連接緊固，形成密封。
2.按照權利要求1所述的用于定向凝固的封閉式水流直冷裝置，其特征在于，在上管外側設置固定支架、固定螺栓，固定螺栓穿過固定支架頂持固定支架于上管上，固定螺栓與固定支架通過螺紋連接。
3.按照權利要求1所述的用于定向凝固的封閉式水流直冷裝置，其特征在于，上管端部的內壁為內錐面或內球面，內錐面或內球面的開口為自下至上逐漸變大。
4.按照權利要求1所述的用于定向凝固的封閉式水流直冷裝置，其特征在于，在下管上設有流量計、水閥。
5.一種利用權利要求1所述裝置用于定向凝固的封閉式水流直冷的方法，其特征在于，水流從夾具的下管端部流入，經側管端部流出，試棒直接浸入水流中，冷卻水在封閉的管道中流動，通過快速流動的水流直接冷卻試棒，從而獲得溫度梯度。
6.按照權利要求5所述的用于定向凝固的封閉式水流直冷的方法，其特征在于，通過固定螺栓的緊固與松開，實現試棒的抽拉與淬火。
7.按照權利要求5所述的用于定向凝固的封閉式水流直冷的方法，其特征在于，通過調節水流流量實現冷速的控制。
8.按照權利要求5所述的用于定向凝固的封閉式水流直冷的方法，其特征在于，具體步驟如下(1)試棒夾持與密封試棒下端依次套上鼓形銅墊和夾具上蓋后，插入夾具，并通過螺紋擰緊夾具上蓋于夾具上，壓緊鼓形銅墊，從而實現試棒的緊固密封與夾持；定向凝固結束后，擰開夾具上蓋，即可取出試棒；(2)夾具固定與淬火通過固定支架上的固定螺栓頂住夾具，實現夾具的固定，并通過電機與傳動機構帶動固定支架上下移動，從而實現定向凝固所需的試棒抽拉動作；當需要進行試棒淬火時，松開固定螺栓，使夾具與試棒在重力作用下一起掉入下方的淬火液中；(3)水流流量調節通過在進水管上裝配水閥與流量計，控制水流流量的大小，從而實現冷卻速度的調節和控制。
全文摘要
本發明涉及定向凝固領域，具體為一種用于金屬材料定向凝固過程中的封閉式水流直接冷卻所使用的裝置與方法，解決常規定向凝固實驗中難以獲得高溫度梯度的問題。該裝置的夾具由位于側面的側管、位于下部的下管、位于上部的上管連通形成三通的一體結構，側管的端部為出水端，下管的端部為進水端；夾具上管的端部內壁與鼓形銅墊相對應，試棒從上管端部伸至夾具中，鼓形銅墊置于試棒與夾具上管的端部內壁之間，夾具上蓋罩扣于鼓形銅墊和上管外側，夾具上蓋與上管通過螺紋連接緊固，形成密封。水流從夾具的下管端部流入，經側管端部流出，試棒直接浸入水流中，冷卻水在封閉的管道中流動，通過快速流動的水流直接冷卻試棒，從而獲得溫度梯度。
文檔編號B22D27/04GK102528003SQ20101058155
公開日2012年7月4日 申請日期2010年12月9日 優先權日2010年12月9日
發明者付俊偉, 馮小輝, 李應舉, 楊院生, 羅天驕 申請人:中國科學院金屬研究所