专利名称：一种高温度梯度定向凝固的复合感应加热装置的制作方法
技术领域：
本发明涉及高温合金定向凝固的高温度梯度获得技术，具体是一种高温度梯度定向凝固 的复合感应加热装置。(二) 背景技术高温合金的定向凝固技术是先进航空发动机核心热端部件制造的关键技术。为了更好控制 或优化定向凝固组织、获得更高、更稳定的性能，需要控制定向生长的传热、传质等凝固条 件。定向凝固过程中的加热条件是其中一个非常关键的部分。通过强化加热和冷却条件、可 以提高定向凝固过程的温度梯度，从而减少定向生长缺陷的形成、提高合金的力学性能。定向凝固技术中的加热方式有很多种通常是感应熔炼加石墨感应加热保温或石墨电 阻加热保温，还有直接感应加热、电子束区熔加热，激光区熔加热等。其中，电子束和激光 加热能量集中，有利于温度梯度的大幅提高，但是只能加热于表面、不能有坩埚，成型的形 状尺寸很小， 一般只能成型小尺寸的线材。工业生产定向高温合金部件通常采用石墨加热的 方法，其中石墨感应加热时，升温快，但是不容易实现对熔体的闭环控制；石墨电阻加热控 温容易，但升温非常慢。这两种加热方式是都是在定向过热保温阶段采用，由于传热是通过 热传导进行，且陶瓷模壳的隔热作用明显，所以对定向凝固的熔体过热作用非常有限，从而 达到的温度梯度比较低。目前有人提出了利用高频感应集中对凝固界面前沿液相进行加热， 从而有效的提高了固液界面前沿的温度梯度，冷却速度得到大幅度提高，可以使材料组织得 到细化，大幅度提高了材料的力学性能。但是，这种区域熔化液态金属冷却法的感应加热， 在抽拉速率较高的情况下，试件的熔化能力滞后抽拉速率，从而导致试件不能充分熔化，这 就限制了冷却速率的进一步提高。为了解决这个问题，也有采用上下两个感应加热器，分别 接在两个加热电源上。上面的感应加热器接低频电源，对试件进行预热，下面的感应加热器 接高频感应电源，对试件进行集中加热。这样使得实验参数更加复杂，实验工艺很难控制。本发明针对高梯度定向凝固的感应加热技术，提出了一种复合感应线圈，能较好的解 决以上问题。(三) 发明内容为克服现有技术中存在的固液界面前沿的强化加热效果有限，试件熔化不充分，以及采 用上下两个感应加热器时，使得实验参数更加复杂，实验工艺很难控制的不足，本发明提出 了一种高温度梯度定向凝固的复合感应加热装置。本发明提出的复合感应加热装置与抽拉系统、坩埚共同位于炉体中，被置于隔热板之上。 复合感应加热装置由内衬和线圈构成集中强化加热区，由线圈构成预加热区，并且集两者于 一体；用紫铜管做加热线圈。集中强化加热区的内衬为未封闭的铜制圆环，即在内衬圆环一侧有一条由圆环中心至外 圆上的贯通切缝，避免圆环内衬内电流构成回路而使电源短路；在切缝内填有绝缘云母带； 内衬内部剖面呈上部大、底部小的梯形空腔，梯形空腔底部中心处为刃形通孔，其作用是将 复合感应加热装置底部的感应涡流集中在该通孔的刃形部分，从而对实件进行集中加热；坩 埚置入刃形通孔中心，通过接头与抽拉系统连接；刃形通孔直径大于坩埚外径。内衬的外圆 表面有弧形凹槽，该凹槽的宽度大于加热线圈的外径，将加热线圈一端的一匝铜管银焊在该 弧形凹槽中，即形成了本发明的集中强化加热区。将其余的加热线圈缠上绝缘云母带后，在环形内衬上方以讲埚为中心绕制数距线圈，即 形成了本发明的预热部分。预热区线圈的匝数由试件长度确定，试件一半以上的长度处于复 合感应加热装置中；预热区线圈的内径大于坩埚外径，且根据试件要达到的预热温度以及高 频感应电源的加热功率来调节。感应加热器铜管内通入由电极处接入的自来水对整个复合感应器进行冷却，并将感应加 热器线圈的两端分别接入高频感应电源。本发明所采用的技术方案，在集中强化加热区以上进行较高温度的预热，保证高速抽拉 下熔体在经由集中强化加热区时能获得足够的过热度，实现高的温度梯度从而达到更高的冷 却速率。本发明在一个电源上，通过一个感应加热器同时实现了对实件预加热和集中强化加热， 既简化了实验工艺参数，同时又获得较高的冷却速率，细化了材料的微观组织，从而提高了 材料的力学性能。本发明将过热局限在界面前沿较小的区域，使得定向凝固过程中刚玉钳埚 不会因长时间过热而损坏。
图1是本发明所使用装置的结构示意图。图2是本发明复合感应加热装置的结构示意图。图3和图4分别是未闭合刃形紫铜圆环内衬的正视剖面图和俯视图。 图5是复合感应加热装置的温度分布示意图。 图6是实施方式的结构示意图。图中l.炉体 2.隔热板 3.冷却液 4.坩埚 5.复合感应加热装置 6.接头7.真空系统8.抽拉系统9.高频感应电源 IO.加热线圈 11.内衬12.圆环内衬刃形部分 B.预热温度 14.集中加热温度具体实施方式
本实施例提出的复合感应加热装置由铜内衬和线圈构成集中强化加热区，由线圈构成预 加热区，并且集两者于一体。本实施例的试件尺寸为小7X80醒，坩埚外径尺寸4)8mm，电 源高频感应电源频率200kHz (图6)，以内径为4)6mm、壁厚lmm的紫铜管做为加热线圈。具体实施中集中强化加热区的内衬11为外径40mm的未封闭铜制圆环，即在内衬11 一侧的圆环壁 上有一条自圆环中心至外圆上的贯通切缝，使得线圈两极断开，避免电源短路；在切缝内填 有绝缘云母带。内衬ll的内部剖面呈上部大，底部小的梯形空腔，梯形空腔底部中心处有深 度为lmm的刃形通孔12，使得对试件的加热集中在很窄的范围内；坩埚4置入刃形通孔12 中心，通过接头6与抽拉系统连接，并且刃形通孔12的内径与坩埚4的外径之间有1.5mm 的间隙。内衬圆表面有弧形凹槽，该凹槽的宽度大于加热线圈10的外径，将加热线圈10 — 端的一匝铜管焊在该弧形凹槽中，即形成了本发明的集中强化加热区。在焊接加热线圈10时， 将加热线圈的一端留一定长度作为连接高频感应电源的连接端子后，从切缝一端开始，将加 热线圈嵌入环形内衬外圆凹槽，并用银焊接， 一直焊接到切缝的另一端结束，但不能将环形 内衬上的切缝焊合在一起。之后将其余的线圈缠上绝缘云母带后，在环形内衬上方以柑埚4 为中心绕制数匝线圈，即形成了预热部分；所绕线圈的匝数应使试件一半以上的长度处于复 合感应加热装置5中。缠绕完毕后，留一定长度加热线圈10做为连接高频感应电源9的另一个端子。在复合感 应加热装置的两个连接高频感应电源的端子上分别采用银焊接焊上两个螺母。再将复合感应 加热装置安装到隔热板上。在使用复合感应加热装置(图1)时，先将装有试件的坩埚4装夹在接头6上，再放置中心带有通孔的隔热板2，然后再在隔热板之上将复合感应加热装置5接到高频感应电源9 上，坩埚4、隔热板2以及复合感应加热装置5同心后封好炉体1，再通过真空系统7将炉体 l抽到一定的真空度，然后开启高频感应电源9，通过复合感应加热装置5加热熔化试件，当 试件达到所要求的温度后，抽拉系统8以预定的速度将试件及坩埚4通过接头6向下抽拉浸 入冷却液3中使试件凝固。试件不断通过复合感应加热装置5加热熔化，再不断通过抽拉系 统8浸入冷却液3中凝固来实现定向凝固。使用中，在铜管内通入由电极处接入的自来水对整个复合感应器进行冷却。
权利要求
1. 一种高温度梯度定向凝固的复合感应加热装置，包括炉体(1)、坩埚(4)、抽拉系统(8)、加热装置和高频感应电源(9)，其特征在于加热装置是包括集中强化加热区和预加热区的复合感应加热装置(5)，其中集中强化加热区由内衬(11)和加热线圈(10)构成，预加热区由加热线圈(10)构成，并且两者集于一体；集中强化加热区的内衬(11)一侧的圆环上有一条由圆环中心至外圆上的贯通切缝；内衬(11)的内部剖面呈梯形空腔，空腔底部中心处有刃形通孔(12)，坩埚(4)置入刃形通孔(12)中心，通过接头(6)与抽拉系统(8)连接；加热线圈铜管(10)银焊在内衬(11)外圆表面的弧形凹槽中，并将其余的加热线圈在内衬(11)上方以坩埚(4)为中心绕制数匝；将加热器线圈的两端分别接入同一高频感应电源(9)。
2. 如权利要求l所述一种高温度梯度定向凝固的复合感应加热装置，其特征在于加热线 圈(10)内通入水对整个复合感应加热装置(5)进行冷却。
全文摘要
本发明是一种高温度梯度定向凝固的复合感应加热装置，由环形内衬(11)和加热线圈(10)构成集中强化加热区，并由该加热线圈构成预加热区，并且两者集于一体，形成复合感应加热装置(5)。内衬(11)为未封闭铜圆环；内衬内腔的剖面为梯形空腔，底部有装入坩埚(4)的刃形通孔(12)；加热线圈(10)银焊在内衬外圆表面的弧形凹槽中，并在内衬(11)上方以坩埚(4)为中心绕制数匝线圈；将复合感应加热装置(5)的两端分别接入高频感应电源(9)。本发明是在同一个加热电源上通过一个复合感应加热装置对试件预加热和强化加热，提高了温度梯度，将过热局限在界面前沿较小的区域，简化了工艺参数，获得较高的冷却速率，提高了材料的力学性能。
文档编号H05B6/28GK101277559SQ20071001759
公开日2008年10月1日 申请日期2007年3月30日 优先权日2007年3月30日
发明者傅恒志, 林 刘, 张卫国, 黄太文 申请人:西北工业大学