專利名稱：一種高溫度梯度定向凝固的復(fù)合感應(yīng)加熱裝置的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及高溫合金定向凝固的高溫度梯度獲得技術(shù)，具體是一種高溫度梯度定向凝固 的復(fù)合感應(yīng)加熱裝置。(二) 背景技術(shù)高溫合金的定向凝固技術(shù)是先進(jìn)航空發(fā)動(dòng)機(jī)核心熱端部件制造的關(guān)鍵技術(shù)。為了更好控制 或優(yōu)化定向凝固組織、獲得更高、更穩(wěn)定的性能，需要控制定向生長(zhǎng)的傳熱、傳質(zhì)等凝固條 件。定向凝固過程中的加熱條件是其中一個(gè)非常關(guān)鍵的部分。通過強(qiáng)化加熱和冷卻條件、可 以提高定向凝固過程的溫度梯度，從而減少定向生長(zhǎng)缺陷的形成、提高合金的力學(xué)性能。定向凝固技術(shù)中的加熱方式有很多種通常是感應(yīng)熔煉加石墨感應(yīng)加熱保溫或石墨電 阻加熱保溫，還有直接感應(yīng)加熱、電子束區(qū)熔加熱，激光區(qū)熔加熱等。其中，電子束和激光 加熱能量集中，有利于溫度梯度的大幅提高，但是只能加熱于表面、不能有坩堝，成型的形 狀尺寸很小， 一般只能成型小尺寸的線材。工業(yè)生產(chǎn)定向高溫合金部件通常采用石墨加熱的 方法，其中石墨感應(yīng)加熱時(shí)，升溫快，但是不容易實(shí)現(xiàn)對(duì)熔體的閉環(huán)控制；石墨電阻加熱控 溫容易，但升溫非常慢。這兩種加熱方式是都是在定向過熱保溫階段采用，由于傳熱是通過 熱傳導(dǎo)進(jìn)行，且陶瓷模殼的隔熱作用明顯，所以對(duì)定向凝固的熔體過熱作用非常有限，從而 達(dá)到的溫度梯度比較低。目前有人提出了利用高頻感應(yīng)集中對(duì)凝固界面前沿液相進(jìn)行加熱， 從而有效的提高了固液界面前沿的溫度梯度，冷卻速度得到大幅度提高，可以使材料組織得 到細(xì)化，大幅度提高了材料的力學(xué)性能。但是，這種區(qū)域熔化液態(tài)金屬冷卻法的感應(yīng)加熱， 在抽拉速率較高的情況下，試件的熔化能力滯后抽拉速率，從而導(dǎo)致試件不能充分熔化，這 就限制了冷卻速率的進(jìn)一步提高。為了解決這個(gè)問題，也有采用上下兩個(gè)感應(yīng)加熱器，分別 接在兩個(gè)加熱電源上。上面的感應(yīng)加熱器接低頻電源，對(duì)試件進(jìn)行預(yù)熱，下面的感應(yīng)加熱器 接高頻感應(yīng)電源，對(duì)試件進(jìn)行集中加熱。這樣使得實(shí)驗(yàn)參數(shù)更加復(fù)雜，實(shí)驗(yàn)工藝很難控制。本發(fā)明針對(duì)高梯度定向凝固的感應(yīng)加熱技術(shù)，提出了一種復(fù)合感應(yīng)線圈，能較好的解 決以上問題。(三) 發(fā)明內(nèi)容為克服現(xiàn)有技術(shù)中存在的固液界面前沿的強(qiáng)化加熱效果有限，試件熔化不充分，以及采 用上下兩個(gè)感應(yīng)加熱器時(shí)，使得實(shí)驗(yàn)參數(shù)更加復(fù)雜，實(shí)驗(yàn)工藝很難控制的不足，本發(fā)明提出 了一種高溫度梯度定向凝固的復(fù)合感應(yīng)加熱裝置。本發(fā)明提出的復(fù)合感應(yīng)加熱裝置與抽拉系統(tǒng)、坩堝共同位于爐體中，被置于隔熱板之上。 復(fù)合感應(yīng)加熱裝置由內(nèi)襯和線圈構(gòu)成集中強(qiáng)化加熱區(qū)，由線圈構(gòu)成預(yù)加熱區(qū)，并且集兩者于 一體；用紫銅管做加熱線圈。集中強(qiáng)化加熱區(qū)的內(nèi)襯為未封閉的銅制圓環(huán)，即在內(nèi)襯圓環(huán)一側(cè)有一條由圓環(huán)中心至外 圓上的貫通切縫，避免圓環(huán)內(nèi)襯內(nèi)電流構(gòu)成回路而使電源短路；在切縫內(nèi)填有絕緣云母帶； 內(nèi)襯內(nèi)部剖面呈上部大、底部小的梯形空腔，梯形空腔底部中心處為刃形通孔，其作用是將 復(fù)合感應(yīng)加熱裝置底部的感應(yīng)渦流集中在該通孔的刃形部分，從而對(duì)實(shí)件進(jìn)行集中加熱；坩 堝置入刃形通孔中心，通過接頭與抽拉系統(tǒng)連接；刃形通孔直徑大于坩堝外徑。內(nèi)襯的外圓 表面有弧形凹槽，該凹槽的寬度大于加熱線圈的外徑，將加熱線圈一端的一匝銅管銀焊在該 弧形凹槽中，即形成了本發(fā)明的集中強(qiáng)化加熱區(qū)。將其余的加熱線圈纏上絕緣云母帶后，在環(huán)形內(nèi)襯上方以講堝為中心繞制數(shù)距線圈，即 形成了本發(fā)明的預(yù)熱部分。預(yù)熱區(qū)線圈的匝數(shù)由試件長(zhǎng)度確定，試件一半以上的長(zhǎng)度處于復(fù) 合感應(yīng)加熱裝置中；預(yù)熱區(qū)線圈的內(nèi)徑大于坩堝外徑，且根據(jù)試件要達(dá)到的預(yù)熱溫度以及高 頻感應(yīng)電源的加熱功率來調(diào)節(jié)。感應(yīng)加熱器銅管內(nèi)通入由電極處接入的自來水對(duì)整個(gè)復(fù)合感應(yīng)器進(jìn)行冷卻，并將感應(yīng)加 熱器線圈的兩端分別接入高頻感應(yīng)電源。本發(fā)明所采用的技術(shù)方案，在集中強(qiáng)化加熱區(qū)以上進(jìn)行較高溫度的預(yù)熱，保證高速抽拉 下熔體在經(jīng)由集中強(qiáng)化加熱區(qū)時(shí)能獲得足夠的過熱度，實(shí)現(xiàn)高的溫度梯度從而達(dá)到更高的冷 卻速率。本發(fā)明在一個(gè)電源上，通過一個(gè)感應(yīng)加熱器同時(shí)實(shí)現(xiàn)了對(duì)實(shí)件預(yù)加熱和集中強(qiáng)化加熱， 既簡(jiǎn)化了實(shí)驗(yàn)工藝參數(shù)，同時(shí)又獲得較高的冷卻速率，細(xì)化了材料的微觀組織，從而提高了 材料的力學(xué)性能。本發(fā)明將過熱局限在界面前沿較小的區(qū)域，使得定向凝固過程中剛玉鉗堝 不會(huì)因長(zhǎng)時(shí)間過熱而損壞。

圖1是本發(fā)明所使用裝置的結(jié)構(gòu)示意圖。圖2是本發(fā)明復(fù)合感應(yīng)加熱裝置的結(jié)構(gòu)示意圖。圖3和圖4分別是未閉合刃形紫銅圓環(huán)內(nèi)襯的正視剖面圖和俯視圖。 圖5是復(fù)合感應(yīng)加熱裝置的溫度分布示意圖。 圖6是實(shí)施方式的結(jié)構(gòu)示意圖。圖中l(wèi).爐體 2.隔熱板 3.冷卻液 4.坩堝 5.復(fù)合感應(yīng)加熱裝置 6.接頭7.真空系統(tǒng)8.抽拉系統(tǒng)9.高頻感應(yīng)電源 IO.加熱線圈 11.內(nèi)襯12.圓環(huán)內(nèi)襯刃形部分 B.預(yù)熱溫度 14.集中加熱溫度具體實(shí)施方式
本實(shí)施例提出的復(fù)合感應(yīng)加熱裝置由銅內(nèi)襯和線圈構(gòu)成集中強(qiáng)化加熱區(qū)，由線圈構(gòu)成預(yù) 加熱區(qū)，并且集兩者于一體。本實(shí)施例的試件尺寸為小7X80醒，坩堝外徑尺寸4)8mm，電 源高頻感應(yīng)電源頻率200kHz (圖6)，以內(nèi)徑為4)6mm、壁厚lmm的紫銅管做為加熱線圈。具體實(shí)施中集中強(qiáng)化加熱區(qū)的內(nèi)襯11為外徑40mm的未封閉銅制圓環(huán)，即在內(nèi)襯11 一側(cè)的圓環(huán)壁 上有一條自圓環(huán)中心至外圓上的貫通切縫，使得線圈兩極斷開，避免電源短路；在切縫內(nèi)填 有絕緣云母帶。內(nèi)襯ll的內(nèi)部剖面呈上部大，底部小的梯形空腔，梯形空腔底部中心處有深 度為lmm的刃形通孔12，使得對(duì)試件的加熱集中在很窄的范圍內(nèi)；坩堝4置入刃形通孔12 中心，通過接頭6與抽拉系統(tǒng)連接，并且刃形通孔12的內(nèi)徑與坩堝4的外徑之間有1.5mm 的間隙。內(nèi)襯圓表面有弧形凹槽，該凹槽的寬度大于加熱線圈10的外徑，將加熱線圈10 — 端的一匝銅管焊在該弧形凹槽中，即形成了本發(fā)明的集中強(qiáng)化加熱區(qū)。在焊接加熱線圈10時(shí)， 將加熱線圈的一端留一定長(zhǎng)度作為連接高頻感應(yīng)電源的連接端子后，從切縫一端開始，將加 熱線圈嵌入環(huán)形內(nèi)襯外圓凹槽，并用銀焊接， 一直焊接到切縫的另一端結(jié)束，但不能將環(huán)形 內(nèi)襯上的切縫焊合在一起。之后將其余的線圈纏上絕緣云母帶后，在環(huán)形內(nèi)襯上方以柑堝4 為中心繞制數(shù)匝線圈，即形成了預(yù)熱部分；所繞線圈的匝數(shù)應(yīng)使試件一半以上的長(zhǎng)度處于復(fù) 合感應(yīng)加熱裝置5中。纏繞完畢后，留一定長(zhǎng)度加熱線圈10做為連接高頻感應(yīng)電源9的另一個(gè)端子。在復(fù)合感 應(yīng)加熱裝置的兩個(gè)連接高頻感應(yīng)電源的端子上分別采用銀焊接焊上兩個(gè)螺母。再將復(fù)合感應(yīng) 加熱裝置安裝到隔熱板上。在使用復(fù)合感應(yīng)加熱裝置(圖1)時(shí)，先將裝有試件的坩堝4裝夾在接頭6上，再放置中心帶有通孔的隔熱板2，然后再在隔熱板之上將復(fù)合感應(yīng)加熱裝置5接到高頻感應(yīng)電源9 上，坩堝4、隔熱板2以及復(fù)合感應(yīng)加熱裝置5同心后封好爐體1，再通過真空系統(tǒng)7將爐體 l抽到一定的真空度，然后開啟高頻感應(yīng)電源9，通過復(fù)合感應(yīng)加熱裝置5加熱熔化試件，當(dāng) 試件達(dá)到所要求的溫度后，抽拉系統(tǒng)8以預(yù)定的速度將試件及坩堝4通過接頭6向下抽拉浸 入冷卻液3中使試件凝固。試件不斷通過復(fù)合感應(yīng)加熱裝置5加熱熔化，再不斷通過抽拉系 統(tǒng)8浸入冷卻液3中凝固來實(shí)現(xiàn)定向凝固。使用中，在銅管內(nèi)通入由電極處接入的自來水對(duì)整個(gè)復(fù)合感應(yīng)器進(jìn)行冷卻。
權(quán)利要求
1. 一種高溫度梯度定向凝固的復(fù)合感應(yīng)加熱裝置，包括爐體(1)、坩堝(4)、抽拉系統(tǒng)(8)、加熱裝置和高頻感應(yīng)電源(9)，其特征在于加熱裝置是包括集中強(qiáng)化加熱區(qū)和預(yù)加熱區(qū)的復(fù)合感應(yīng)加熱裝置(5)，其中集中強(qiáng)化加熱區(qū)由內(nèi)襯(11)和加熱線圈(10)構(gòu)成，預(yù)加熱區(qū)由加熱線圈(10)構(gòu)成，并且兩者集于一體；集中強(qiáng)化加熱區(qū)的內(nèi)襯(11)一側(cè)的圓環(huán)上有一條由圓環(huán)中心至外圓上的貫通切縫；內(nèi)襯(11)的內(nèi)部剖面呈梯形空腔，空腔底部中心處有刃形通孔(12)，坩堝(4)置入刃形通孔(12)中心，通過接頭(6)與抽拉系統(tǒng)(8)連接；加熱線圈銅管(10)銀焊在內(nèi)襯(11)外圓表面的弧形凹槽中，并將其余的加熱線圈在內(nèi)襯(11)上方以坩堝(4)為中心繞制數(shù)匝；將加熱器線圈的兩端分別接入同一高頻感應(yīng)電源(9)。
2. 如權(quán)利要求l所述一種高溫度梯度定向凝固的復(fù)合感應(yīng)加熱裝置，其特征在于加熱線 圈(10)內(nèi)通入水對(duì)整個(gè)復(fù)合感應(yīng)加熱裝置(5)進(jìn)行冷卻。
全文摘要
本發(fā)明是一種高溫度梯度定向凝固的復(fù)合感應(yīng)加熱裝置，由環(huán)形內(nèi)襯(11)和加熱線圈(10)構(gòu)成集中強(qiáng)化加熱區(qū)，并由該加熱線圈構(gòu)成預(yù)加熱區(qū)，并且兩者集于一體，形成復(fù)合感應(yīng)加熱裝置(5)。內(nèi)襯(11)為未封閉銅圓環(huán)；內(nèi)襯內(nèi)腔的剖面為梯形空腔，底部有裝入坩堝(4)的刃形通孔(12)；加熱線圈(10)銀焊在內(nèi)襯外圓表面的弧形凹槽中，并在內(nèi)襯(11)上方以坩堝(4)為中心繞制數(shù)匝線圈；將復(fù)合感應(yīng)加熱裝置(5)的兩端分別接入高頻感應(yīng)電源(9)。本發(fā)明是在同一個(gè)加熱電源上通過一個(gè)復(fù)合感應(yīng)加熱裝置對(duì)試件預(yù)加熱和強(qiáng)化加熱，提高了溫度梯度，將過熱局限在界面前沿較小的區(qū)域，簡(jiǎn)化了工藝參數(shù)，獲得較高的冷卻速率，提高了材料的力學(xué)性能。
文檔編號(hào)H05B6/28GK101277559SQ20071001759
公開日2008年10月1日 申請(qǐng)日期2007年3月30日 優(yōu)先權(quán)日2007年3月30日
發(fā)明者傅恒志, 林 劉, 張衛(wèi)國, 黃太文 申請(qǐng)人:西北工業(yè)大學(xué)