專利名稱：高溫度梯度低熔體流動電磁感應加熱裝置的制作方法
技術領域：
本發明涉及材料領域的定向凝固控制，具體是一種高溫度梯度低熔體流動電磁感 應加熱裝置。
二背景技術：
由Bridgman提出的定向凝固技術是近代先進材料加工技術的重大發展。與普通鑄 造方法得到的鑄件相比，定向凝固所得柱狀晶組織大大減少了偏析、疏松等鑄造缺陷， 形成了與主應力軸平行的晶粒，消除了橫向晶界并大幅度改善了結構材料的性能。在 實際生產中，定向凝固技術的應用提高了高溫合金的高溫強度、熱疲勞性能、蠕變和 持久特性，使具有單向受力要求的航空發動機葉片力學性能有了新的飛躍。同時，該 技術還用于半導體、磁性材料、光學晶體、超導體等許多功能材料的制備，如磁性材 料鐵等，應用定向凝固技術可以使其柱狀晶沿磁化軸方向生長，從而得到具有優良磁 學性能的鑄件。因此，定向凝固技術和裝置的不斷改進，是推動高性能先進材料發展 的重要手段。定向凝固過程中固/液界面前沿液相中的溫度梯度和晶體生長速率是定向 凝固技術的重要工藝參數，其中溫度梯度與生長速率的比值是控制晶體生長形態的重 要判據。在提高溫度梯度的條件下，可以適當增加生長速率，獲得所要求的晶體形態， 并且細化凝固組織，改善鑄件質量，同時還可以提高定向凝固鑄件的生產率。所以， 定向凝固技術的發展都是以提高固/液界面前沿溫度梯度為目標的。
加熱方式是決定溫度梯度高低的關鍵因素，目前實驗室和工業生產定向凝固過程 中的加熱方式主要有電阻加熱和電磁感應加熱。電阻加熱是使用具有高烙點和高導電 率的材料如鉭等作為發熱體加熱試棒，該方法具有溫度場分布均勻、加熱溫度高且不 會對熔體產生外場干擾等優點。但是，鉭等加熱體價格昂貴，實驗過程中對真空度要 求很高，且加熱和冷卻速率很慢。由于電阻加熱主要靠輻射傳熱，加熱面積大，難以 使熱量集中并在局部獲得大的熱流密度，因而溫度梯度很低。電磁感應加熱是將試樣 放置在感應線圈之中，處于交變磁場的金屬或半導體內部感應產生渦流，利用渦流和 磁滯損耗產生熱量。由于電磁感應加熱過程中熱量完全產生于試棒本身，能量密度大， 容易實現窄熔區、大過熱，因而可以獲得高的加熱速率和高的溫度梯度。但是，電磁
3力對熔體的強制攪拌使試棒中難以獲得穩定生長的定向凝固組織。
目前，定向凝固過程多采用石墨電阻加熱的方式，該方法由于石墨價格相對低廉 且控溫容易，因此受到了廣泛關注，但石墨電阻加熱的機構復雜，故障頻繁且難以維
護，同時所得溫度梯度仍然較低，僅有100K/cm左右。西北工業大學在申請號為 200810017988.7的專利申請文件中提出了電磁感應結合石墨加熱的方法，實現了升溫 速率快且屏蔽了大部分電磁攪拌力，獲得了較好的定向凝固組織。分析發現，該方法 雖然通過改變石墨發熱體的形狀獲得了 200K/cm左右較高的溫度梯度，但由于電磁感 應器和石墨發熱體高度較大，加熱面積大，難以使固/液界面前沿的熔體獲得集中加熱， 因此溫度梯度的提高有限。同時，石墨發熱體的厚度對電磁場的屏蔽和對試棒的加熱 能力影響較大石墨發熱體過厚，磁場屏蔽好但溫度梯度下降；石墨發熱體過薄，溫 度梯度高但熔體中的電磁攪拌力大，不利于定向凝固組織的獲得。
發明內容
為了克服現有技術中存在的加熱過程中升溫和降溫速率慢，溫度梯度低，電磁感 應加熱攪拌力太大，不利于定向組織生長的不足，本發明提出了一種高溫度梯度低熔 體流動電磁感應加熱裝置。
本發明包括石墨感應加熱裝置、陶瓷坩堝、水冷結晶器、真空室、真空抽取系統、 下拉系統和高頻感應加熱電源。其中，石墨感應加熱裝置由線圈、高頻感應器、石墨 加熱體和上隔熱保溫板組成。線圈為兩匝，套在高頻感應器外圓表面凹槽內，通過焊 接組織與高頻感應器無縫連接。
高頻感應器為兩匝圓環形，內孔直徑大于石墨加熱體小端的外徑，外圓周表面有 線圈的安裝槽。兩匝高頻感應器是由兩個結構相同、方向相反的單匝高頻感應器組合 而成。單匝高頻感應器的一個表面從外向內逐漸減薄，成為斜面，另一個表面為平面， 并且在單匝高頻感應器的外圓周表面有一圈線圈的安裝槽；將兩個單匝高頻感應器的 平面貼合在一起，形成了本發明的內錐形高頻感應器。高頻感應器內圓處的厚度為外 圓處厚度的1/4。為防止短路，在兩個相貼合的單匝高頻感應器之間加裝絕緣板。高頻 感應器上沿半徑方向有斷路槽。
石墨加熱體為中空回轉體， 一端的內徑和外徑均大于另一端的內徑和外徑，形成 了大端和小端，并且大端與小端之間45°斜角過渡，使石墨加熱體呈漏斗形。加熱體小端的內徑大于陶瓷坩堝的外徑。 安裝時
將凹形輻射擋板置于儲有冷卻用液態金屬的水冷結晶器上。將線圈嵌入高頻感應 器外圓周上的線圈安裝槽內并焊接牢固；將石墨加熱體的小端裝入雙匝高頻感應器內 孔中，并使線圈內圓錐形的刃形處與石墨加熱體小端的外壁配合；上隔熱保溫板置于 石墨加熱體的大端之上，形成了石墨感應加熱裝置。將石墨感應加熱裝置置于輻射擋 板之上。高頻感應器通過線圈與高頻感應加熱電源相連接。陶瓷坩堝穿過凹形輻射擋 板、石墨加熱體和上隔熱保溫板的中孔與下拉系統相連接，并與石墨加熱體小端的內 壁、凹形輻射擋板內壁和上隔熱保溫板內壁同陶瓷坩堝之間保有1.5 2mm的間隙。 將以上組件共同置于真空室中。
本發明將感應加熱器加工成內錐形，其刃形部位對漏斗形石墨加熱體的小端強制 感應加熱，在漏斗形石墨加熱體的小端獲得很高的熱流密度，使漏斗形石墨加熱體小 端部位輻射加熱陶瓷坩堝中的試棒，在熔體固/液界面前沿獲得了很高的溫度梯度。漏 斗形石墨加熱體的大.端對陶瓷坩堝中的試棒預熱，保證高抽拉速率下試棒的充分熔化 和過熱。同時，經過對漏斗形石墨加熱體小端厚度的設計，屏蔽了電磁力對試棒中熔 體的強制攪拌。利用本裝置，能夠在TiAl合金、高溫合金中獲得400 700K/cm的高 溫度梯度，并在低熔體流動下使凝固組織中獲得了細密挺直的柱狀晶生長。因此，電 磁感應加熱條件下，本裝置在定向凝固過程中實現了高溫度梯度低熔體流動。
四
圖1是高溫度梯度低熔體流動電磁感應加熱裝置結構示意圖，
圖2是石墨加熱體的結構示意圖，
圖3是單匝內錐形高頻感應器俯視圖，
圖4是單匝內錐形高頻感應器A-A截面圖，
圖5是雙匝內錐形高頻感應器結構示意圖，
圖6是感應加熱裝置的結構示意圖，
圖7是具體實施例的結構示意圖。圖中 l.陶瓷坩堝 2.上隔熱保溫板 3.漏斗形石墨加熱體 4.高頻感應器
5.線圈 6.絕緣板 7.高頻感應加熱電源 8.真空抽取系統9.真空室 IO.凹形輻射擋板 ll.冷卻用液態金屬 12.水冷結晶器
13.下拉系統 14.焊接組織
五具體實施例方式
本實施例包括石墨感應加熱裝置、陶瓷坩堝1、水冷結晶器12、真空室9、真空 抽取系統8、下拉系統13和高頻感應加熱電源7。高頻感應加熱電源7的頻率為 200KHZ，陶瓷坩堝1的外徑為9mm。
如附圖6中所示，石墨感應加熱裝置由線圈、高頻感應器4、石墨加熱體3和上 隔熱保溫板2組成。線圈為兩匝，采用6mm的中空紫銅管制成，套在高頻感應器外圓 表面凹槽內，通過焊接組織14與高頻感應器無縫連接。
圓環形的高頻感應器4用紫銅制成，為兩匝，其外圓周表面有直徑為6mm的弧形 凹槽，用于安裝線圈5;高頻感應器4內孔直徑大于石墨加熱體小端的外徑。兩匝高 頻感應器是由兩個結構相同、方向相反的單匝高頻感應器組合而成。單匝高頻感應器 的一個表面從外向內逐漸減薄，成為斜面，另一個表面為平面；并且在單匝高頻感應 器的外圓周表面有一圈線圈5的安裝槽；將兩個單匝高頻感應器的平面貼合在一起， 形成了本實施例的內錐形高頻感應器4。高頻感應器內圓處的厚度為外圓處厚度的1/4。 本實施例中，高頻感應器4的外圓處厚度為6mm，內圓處的厚度為1.5mm，并且外圓 與內圓之間光滑過渡，使高頻感應器的內圓形成了錐形；為防止短路，在兩個相貼合 的單匝高頻感應器4之間加裝絕緣板6。高頻感應器4上沿半徑方向有寬度為1.5mm 的斷路槽，并且兩匝高頻感應器的斷路槽的位置相對應。
用高純電極石墨制成的石墨加熱體3為中空回轉體，其上半部的內徑和外徑均大 于下半部的內徑和外徑，形成了大端和小端，并且大端與小端之間45°斜角過渡，使 石墨加熱體呈漏斗形。石墨加熱體3小端的內徑大于陶瓷坩堝的外徑。本實施例中， 為了確保輻射加熱的效率，石墨加熱體3的內壁與陶瓷坩堝(1)外壁之間的距離為 1.5mm。石墨加熱體3小端的高度為13mm，壁厚為9mm。石墨加熱體3的大端高度 為5mm，壁厚為7mm。石墨加熱體3小端裝入雙匝高頻感應器內孔中。
石墨加熱體3小端的內壁、凹形輻射擋板10中孔內壁和上隔熱保溫板2中孔內壁 同陶瓷坩堝1之間保有1.5 2mm間隙。內錐形高頻感應器4的內徑同石墨加熱體3 的外徑之間有1.5 2mm的距離。安裝時
將凹形輻射擋板10置于儲有冷卻用液態金屬11的水冷結晶器12上。將線圈5嵌入高頻感應器4外圓周上的線圈安裝槽內并焊接牢固；將石墨加熱體3的小端裝入雙匝高頻感應器內孔中，并使線圈內圓錐形的刃形處與石墨加熱體3小端的外壁配合;
上隔熱保溫板2置于石墨加熱體3的大端之上，形成了石墨感應加熱裝置。將石墨感應加熱裝置置于輻射擋板10之上。高頻感應器4通過電極與高頻感應加熱電源7相連接。陶瓷坩堝1穿過凹形輻射擋板10、石墨加熱體3和上隔熱保溫板2的中孔與下拉系統13相連接，并與石墨加熱體3小端的內壁、凹形輻射擋板10內壁和上隔熱保溫板2內壁同陶瓷坩堝1之間保有1.5 2mm的間隙。將以上組件共同置于真空室9中。本實施例將感應加熱器4加工成內錐形，其刃形部位對漏斗形石墨加熱體3的小端強制感應加熱，在漏斗形石墨加熱體3的小端獲得很高的熱流密度，使漏斗形石墨加熱體3小端部位輻射加熱陶瓷坩堝1中的試棒，在熔體固/液界面前沿獲得了很高的溫度梯度。漏斗形石墨加熱體3的大端對陶瓷坩堝1中的試棒預熱，保證高抽拉速率下試棒的充分熔化和過熱。同時，經過對漏斗形石墨加熱體3小端厚度的設計，屏蔽了電磁力對試棒中熔體的強制攪拌。利用本裝置，在TiAl合金、高溫合金中獲得了400 700K/cm的高溫度梯度，凝固組織中獲得了細密挺直的柱狀晶生長且未觀察到流動對枝晶生長的影響。因此，電磁感應加熱條件下，利用本裝置在定向凝固過程中實現了高溫度梯度低熔體流動。
權利要求
1.一種高溫度梯度低熔體流動電磁感應加熱裝置，包括石墨感應加熱裝置、陶瓷坩堝(1)、水冷結晶器(12)、真空室(9)、真空抽取系統(8)、下拉系統(13)和高頻感應加熱電源(7)，輻射擋板(10)置于儲有冷卻用液態金屬(11)的水冷結晶器(12)上，由線圈(5)、高頻感應器(4)、石墨加熱體(3)和上隔熱保溫板(2)組成的石墨感應加熱裝置置于輻射擋板(10)之上，高頻感應器(4)通過線圈與高頻感應加熱電源(7)相連接，陶瓷坩堝(1)穿過凹形輻射擋板(10)、石墨加熱體(3)和上隔熱保溫板(2)的中孔與下拉系統(13)相連接，并將以上組件置于真空室(9)中，其特征在于a.高頻感應器(4)是由兩個結構相同、方向相反的單匝高頻感應器組合而成；單匝高頻感應器的一個表面從外向內逐漸減薄，成為斜面，另一個表面為平面；將兩個單匝高頻感應器的平面貼合在一起，形成了內錐形高頻感應器(4)；在兩個相貼合的單匝高頻感應器之間有絕緣板(6)；高頻感應器(4)沿半徑方向有斷路槽；b.石墨加熱體(3)一端的內徑和外徑均大于另一端的內徑和外徑，形成了大端和小端，并且大端與小端之間45°斜角過渡。
2. 如權利要求1所述高溫度梯度低熔體流動電磁感應加熱裝置，其特征在于高頻感應 器(4)內圓處的厚度為外圓處厚度的1/4。
3. 如權利要求1所述高溫度梯度低熔體流動電磁感應加熱裝置，其特征在于線圈內圓 錐形的刃形處與石墨加熱體(3)小端的外壁配合。
4. 如權利要求1所述高溫度梯度低熔體流動電磁感應加熱裝置，其特征在于石墨加熱 體(3)小端的內壁、凹形輻射擋板(10)內壁和上隔熱保溫板(2)內壁同陶瓷柑堝(1) 之間保有1.5 2mm的間隙。
全文摘要
本發明涉及高溫度梯度低熔體流動電磁感應加熱裝置，高頻感應器(4)為兩匝，其上下表面均為斜面，形成了內錐形；兩匝高頻感應器之間有絕緣板(6)，并且沿半徑方向有斷路槽。高頻感應器內圓處的厚度為外圓處厚度的1/4。漏斗形的石墨加熱體(3)一端的內徑和外徑均大于另一端的內徑和外徑，并且大端與小端之間45°斜面過渡。加熱體(3)小端的內徑大于陶瓷坩堝(1)的外徑。高頻感應器(4)的刃形部位對石墨加熱體(3)的小端強制感應加熱，在熔體固/液界面前沿獲得很高的溫度梯度。石墨加熱體(3)的大端對陶瓷坩堝(1)中的試棒預熱，使高抽拉速率下試棒充分熔化和過熱，在定向凝固過程中實現了高溫度梯度低熔體流動。
文檔編號H05B6/02GK101636015SQ20081015044
公開日2010年1月27日 申請日期2008年7月25日 優先權日2008年7月25日
發明者傅恒志, 軍 沈, 羅文忠 申請人:西北工業大學