一种超重力定向凝固熔铸炉装置的制作方法

本实用新型涉及材料制备、定向凝固技术领域的一种超重力材料试验装置，尤其涉及一种超重力定向凝固熔铸炉装置。

背景技术：

随着现代航空发动机推重比增加和涡轮级数减少，涡轮前燃气进口温度从上世纪70年代的1400-1500k发展到本世纪初的1600-1750k，推重比12-15发动机涡轮前燃气进口温度将高达2000-2200k，这对发动机核心热端部件提出了更高的性能要求。高压涡轮工作叶片作为热端部件关键组成部分之一，服役时长期工作在高温、高压、高转速、交变负载等耦合加载条件下。

高压涡轮工作叶片作为航空发动机和燃气轮机热端部件关键组成部分之一，服役时长期工作在高温、高压、高转速、交变负载等耦合加载条件下，是发动机中工作条件最恶劣的转动部件，其使用可靠性直接影响整机性能。在高温合金的发展过程中，工艺对高温合金的发展起着很大的推动作用。通常为了提高高温合金的综合力学性能，采用两种途径：其一是加入大量合金化元素，通过合理的热处理工艺使之产生固溶强化、沉淀强化及晶界强化等，从而保证高温合金具有从室温到高温的良好强度、表明稳定性和较好的塑性；其二是从凝固工艺入手，采用定向凝固工艺，制备晶界平行于主应力轴从而消除有害横向晶界的柱状晶高温合金或制备消除所有晶界的单晶高温合金。

定向及单晶叶片由于消除横向晶界或完全消除晶界，晶体沿[001]特定方向生长，提高初熔温度及固溶处理窗口温度，增加γ数量并细化，大幅度提高了性能，提高使用温度。目前，几乎所有先进航空发动机均采用单晶高温合金。工业上广泛应用的快速凝固法制备单晶合金，其温度梯度只能达到100k/cm左右，凝固速率很低，导致凝固组织粗大，偏析严重，致使材料的性能千里没有得到充分发挥。微重力下的晶体生长，由于重力加速度减小而有效的抑制了重力造成的无规则热质对流，从而获得溶质分布高度均匀的晶体，但由于成本太高，无法工业化。

单晶合金可以通过在超重力环境下进行制备，但现有技术缺少了了超重力环境下实现定向凝固的温度梯度控制系统，缺少了超重力环境下实现定向凝固熔铸系统。

技术实现要素：

本实用新型需要解决的是针对上述超重力、高温试验条件下材料难以定向凝固熔铸的问题，高转速-高温耦合环境下材料定向凝固熔铸炉，提供一种装配简单、使用方便、安全系数高，且可用于超重力工况的定向温度梯度凝固，使得超重力下制备单晶合金具有了可能。

超重力下装置的试验过程必须满足抗高温条件、特殊气氛环境、高g值、冷却气体降温等要求，是确保该装置安全稳定运行的关键技术。

本实用新型未来实现上述要求和目的，采用的技术方案是：

本实用新型的定向凝固熔铸系统包括超重力试验舱和安装在超重力试验舱中的高温加热子系统和坩埚及气冷系统，高温加热子系统固定于超重力试验舱底部，坩埚及气冷系统置于高温加热子系统中。

超重力试验舱包括舱体接口件、上密封穹顶、舱体吊耳和舱体；舱体内部设有腔体，腔体上端开口，舱体的两侧侧壁向外连接有舱体吊耳，两侧的舱体吊耳铰接连接到超重力离心机的吊篮转臂上，上密封穹顶通过螺栓安装连接到舱体的腔体开口端面并密封连接；上密封穹顶的中央安装有舱体接口件，舱体接口件包括通讯上密封舱盖和通讯舱体，通讯上密封舱盖安装在通讯舱体的上端开口，通讯上密封舱盖和通讯舱体均设有外凸缘，外凸缘台阶面上开设第一螺孔，螺栓穿过第一螺孔连接到上密封穹顶；舱体接口件上还设有上玻璃压装法兰、上法兰紧固螺钉、石英玻璃和真空插座，石英玻璃被上玻璃压装法兰固定安装在通讯上密封舱盖顶部中心的开口处，上玻璃压装法兰通过上法兰紧固螺钉固定于上密封舱盖顶部，通讯上密封舱盖，通讯舱体底部开孔，开孔处安装真空插座；舱体的腔体内底面固定安装有布线支架和供气支架，舱体一侧壁上开设有接线孔和第一安装孔，舱体另一侧壁对称开设有接线孔和第二安装孔，接线孔处安装接线电极，接线电极经过接线孔与舱体内部的布线支架相连，弱信号控制电线经过第一安装孔与布线支架相连；第二安装孔中安装冷却气体阀装置，冷却气体经管路连接到冷却气体阀装置，冷却气体阀装置经供气支架上的管路和舱体内的试验仪器进出气口连通。

所述的高温加热子系统包括安装底座和布置在安装底座上的从上到下依次布置连接的上炉体、中炉体、下炉体以及莫来石保温层、上加热腔外体、下加热腔外体、上加热炉管、下加热炉管、坩埚支撑座和发热体；坩埚支撑座置于下炉体的下腔体隔热层底部，并底部固定于安装底座，加热腔体置于坩埚支撑座上，加热腔体包括上加热腔外体、下加热腔外体、上加热炉管和下加热炉管，上加热腔外体和下加热腔外体均为套筒结构，上加热腔外体和下加热腔外体分别位于上下同轴固定对接，上加热炉管、下加热炉管分别套装于上加热腔外体、下加热腔外体中，上加热腔外体、下加热腔外体在上炉体的上腔体隔热层、中炉体的中腔体隔热层、下炉体的下腔体隔热层之间填充有莫来石保温层；上加热炉管和下加热炉管的外壁均加工有螺旋状凹槽，螺旋状凹槽装有螺旋状的发热体，发热体产生的热量均匀辐射到上加热炉管和下加热炉管组成的加热炉管，在加热炉管中央形成高温区。

所述的坩埚及气冷系统置于坩埚支撑座上的上加热炉管和下加热炉管内部，坩埚及气冷系统包括进气管、冷却底座、冷速调节环、坩埚、排气盖和排气管；坩埚支撑座顶面上安装冷却底座，冷却底座上安装坩埚，坩埚顶端安装排气盖，坩埚中部套装冷速调节环；在坩埚上设置有中心容腔、冷却孔、温度梯度调节块、热量辐射槽、定位凸缘块、散热槽和气体排放孔；坩埚主体为柱形结构，坩埚顶面中央开设有圆柱盲孔作为中心容腔，中心容腔灌充待超重力定向凝固的金属熔液/金属试样；中心容腔周围的坩埚顶面沿圆周开设多个垂直通孔作为冷却孔，多个冷却孔沿周向间隔均布，冷却孔下端通入冷却气体；每个冷却孔中均安装有用于实现和调节定向凝固温度梯度的温度梯度调节块，温度梯度调节块和冷却孔孔壁之间存在间隙，温度梯度调节块在冷却孔能沿轴向上下移动；坩埚下部周面固定有环形的凸块作为定位凸缘块，定位凸缘块下部的外周柱面开设多个散热槽，散热槽从坩埚主体内壁径向向外延伸定位凸缘块外壁；定位凸缘块上方的坩埚外周柱面开设多个热量辐射槽，多个热量辐射槽沿周向间隔均布，相邻两个冷却孔之间的坩埚外周柱面均有一个热量辐射槽；在定位凸缘块顶面处的坩埚侧壁两侧对称开设通孔作为气体排放孔，气体排放孔将冷却孔和坩埚外部连通；冷却底座上端开口，开口内设有下环形槽，坩埚下端安装到冷却底座上端开口中，且通过下环形槽将坩埚的各个冷却孔下端连通，冷却底座底端开有和下环形槽连通的进气通孔；冷速调节环固定安装于坩埚的定位凸缘块上，冷速调节环顶面开设有一个或者两个垂直的集气槽孔，集气槽孔底端穿过冷速调节环内圈壁面和坩埚的气体排放孔连通；排气盖下端开口，开口内设有上环形槽，坩埚下端安装到排气盖下端开口中，且通过上环形槽将坩埚的各个冷却孔上端连通，排气盖底端开有和上环形槽连通的出气通孔，排气盖的出气通孔和排气管的一端连通；排气管另一端与外界相连通，将冷却气体排出；排气盖下端开口内的中间设置形成凸台，凸台嵌装于坩埚的中心容腔顶端内；

所述的坩埚支撑座内部开设有一个通气管道，通气管道用于定向凝固的冷却气体通入，通气管道上端贯穿出坩埚支撑座顶面作为出口并连通到冷却底座的进气通孔，通气管道下端贯穿出坩埚支撑座底部外壁后作为入口，和进气管一端连接，进气管另一端与冷却气源相连；定向凝固试验的冷却气体通过通气管道下端入口进入，经通气管道上端出口通入坩埚底部，通过对坩埚底部冷却，形成一个沿超重力方向的温度梯度而进行定向凝固，并且通过调控冷却气体的通入流量和发热体产生的温度，调控沿超重力方向的温度梯度分布。

工作过程中发热体产生热量，通过辐射加热上加热炉管和下加热炉管，在加热炉管中央形成高温区，通过改变不同高度位置的螺旋状凹槽螺距进而改变不同高度位置的发热体在加热炉管间距，配合坩埚支撑座通气管道通入的冷却气体温度和流量，从坩埚底部开始冷却，形成一个沿超重力方向的温度梯度。

所述的接线电极包括内六角螺钉、铜电极、电极绝缘套和电极固定绝缘套；铜电极为具有大小两端的结构，铜电极的大端端面中心开设有固定螺孔，固定螺孔周围的铜电极的大端端面开设有连接螺孔；电极绝缘套套装在铜电极的小端以及小端和大端之间的台阶上，内六角螺钉穿过连接螺孔连接到电极绝缘套，使得铜电极通过内六角螺钉固定安装在电极绝缘套中，内六角螺钉与铜电极之间设置有电极固定绝缘套；铜电极小端端部穿出电极绝缘套后连接到外部的强电源，铜电极在小端和大端之间的台阶上设有环形的尖锐凸起。

所述的冷却气体阀装置安装于超重力试验舱，包括内六角螺钉、通气阀座、密封套和密封件；通气阀座为具有大小两端的结构，通气阀座的大端端面中心开设有气管固定螺孔，气管固定螺孔和超重力试验舱外部的供气管或排气管密封连接，气管固定螺孔周围的通气阀座的大端端面开设有安装螺孔；密封套套装在通气阀座的小端以及小端和大端之间的台阶上，密封套开设有和安装螺孔对应的连接螺孔，内六角螺钉穿过安装螺孔和连接螺孔后连接到超重力试验舱侧壁的螺纹安装孔中，从而将通气阀座和密封套安装到超重力试验舱上，内六角螺钉与通气阀座的安装螺孔之间设置有密封件；通气阀座小端端部穿出密封套伸入到超重力试验舱内部；超重力试验舱内部的所述通气阀座小端端面中间开设气管连接螺孔，气管连接螺孔和气管固定螺孔之间通过通气阀座内部通道连通，气管连接螺孔和超重力试验舱内部的供气支架上的气管密封连接。

所述的通气阀座和铜电极一致，大端为圆形，小端为方形；所述的通气阀座和铜电极一致，在小端和大端之间的台阶上设有环形的尖锐凸起，尖锐凸起用于在通气阀座时起到定位作用，同时也可以限制离心机作用下通气阀座径向/轴向移动。

所述接线电极的铜电极的大端为圆形，小端为方形；所述的铜电极的小端端面设置有接线柱，接线柱和超重力装置的强电源的接线端连接。

所述的舱体吊耳径向伸出的凸耳部分的面开设多个间隔的固定孔，螺栓穿过固定孔连接到超重力离心机的转臂，使得舱体吊耳通过固定孔及螺栓与超重力离心机的转臂相连。

所述的舱体外侧壁上开设有真空接口，真空接口直接和舱体外部的真空管道连接。

所述的超重力试验舱内还安装有承力架、信号采集器和布线架，高温加热子系统的上加热炉管和下加热炉管内安装待定向凝固的材料试样，并设置有温度传感器，温度传感器连接信号采集器，信号采集器输出的导线通过布线架与弱信号导电滑环连接，再与地面测控中心连接；高温加热子系统设置有一路强电独立回路，一路强电独立回路控制加热内部不同高度位置的发热体进行高温加热，将地面一个强电独立回路通过离心离心机主轴导电滑环接入超重力试验舱的布线架；高温加热子系统设置有一路冷却气体回路，一路冷却气体独立回路控制通入的冷却气体流量，将地面一个冷却气体独立回路通过离心离心机主轴导电滑环接入超重力试验舱的冷却气体管路支架和排气管。

所述的超重力试验舱用于超重力定向凝固试验，设置两个第二安装孔，每个第二安装孔均安装有一个冷却气体阀装置，一个冷却气体阀装置作为供气装置，另一个冷却气体阀装置作为排气装置，冷却气体由超重力试验舱外部气源经供气滑环/供气管通入供气装置的气管固定螺孔，接着经供气装置的气管连接螺孔进入超重力试验舱内部的通气管道下端入口，为降温或冷却装置供气；超重力试验舱内部由通气管道上端出口排出的冷却气体经由气管通入排气装置的气管连接螺孔，接着经排气装置的气管固定螺孔连通到超重力试验舱外部的排气滑环/排气管排出。

所述的定向凝固熔铸系统置于离心机的超重力环境中。

本实用新型实现了高强度轻质量，结构模块化设计，实验准备周期短，凝固过程安全可靠，为为超重力下的试验提供了保障。

本实用新型可用于实现超重力环境下实现定向凝固的温度梯度控制，使得在超重力下能进行晶体生长，通过增大重力加速度而加强浮力对流，当浮力对流增强到一定程度时，就转化为层流状态，即重新层流化，同样抑制了无规则的热质对流。在加速旋转过程中造成液相强迫对流，由于极大的改变热质传输过程而引起了界面形貌的显著变化，导致糊状区宽度显著减小。液相快速流动引起界面前沿液相中的温度梯度极大的提高，非常有利于液相溶质的均匀混合和材料的平界面生长，枝晶生长形态发生显著的变化，由原来具有明显主轴的枝晶变为无明显主轴的穗状晶，穗状晶具有细密的显微组织。

本实用新型的有益效果是：

本实用新型为超重力环境下的定向凝固装置提供一套定向温度梯度凝固炉，可在超重力环境下对需定向凝固熔铸的材料样品进行温度梯度控制处理过程，可实现在离心载荷-热载荷耦合条件下材料定向凝固熔铸，可有效解决超重力、高温试验条件下材料定向凝固熔铸温度梯度的问题，具有结构简单，操作方案且安全系数较高的优点。

本实用新型配合超重力环境，可加热高转速条件下材料定向凝固熔铸样品，例如高温合金的定向及单晶晶体生长，解决了高速旋转状态下材料定向凝固熔铸温度梯度的关键难题，填补了国内技术行业的空白，且装备简单、操作方便。本实用新型适合1g-2000g超重力环境下，加热温度从常温-1250℃。

附图说明

图1是本实用新型在机载超重离心模拟装置的多功能实验舱主视图。

图2是舱体接口件1的主视图；c12-1上玻璃压装法兰；c12-2上法兰紧固螺钉；c12-3石英玻璃；c12-4通讯上密封舱盖；c12-5通讯舱体；c12-6真空插座；c12-7连接螺孔。

图3是舱体7的示意图；c7-1接线孔；c7-2第一安装孔。

图4是定向凝固熔铸系统的主视图；

图5是高温加热子系统的主视图；

图6为坩埚支撑座的结构剖视图；

图7为加热炉管的结构局部放大图；

图8为发热体的结构示意图；

图9为定向凝固熔铸系统的电气连接结构示意图。

图10是坩埚及气冷系统的总图；

图11是坩埚正面剖视图；

图12是坩埚俯视图；

图13是图7中标a部位的局部放大剖视图；

图14是图7中a-a的剖视图；

图15是坩埚的立体图。

图16是冷却底座的剖视图；

图17是冷速调节环的剖视图；

图18是排气盖的剖视图；

图19是排气盖的剖视图；

图20是接线电极的主剖视图；

图21是接线电极的铜电极剖视图及其局部放大图；内六角螺钉c51、铜电极c52、电极绝缘套c53、电极固定绝缘套c54、固定螺孔c52-1、连接螺孔c52-2、接线柱c52-3、安装螺孔c54-1。

图22是冷却气体阀装置的主视图；

图23是冷却气体阀装置的通气阀座的剖视图；

图24是本实用新型实验舱在超重力定向凝固实验实施中的连接安装示意图。

图中：上隔热盖1、上腔体外壳2、上腔体中壳3、上腔体隔热层4、上腔体下固定盖5、中隔热盖6、中腔体外壳7、中腔体中壳8、中腔体隔热层9、中腔体下固定盖10、下隔热盖11、下腔体外壳12、下腔体中壳13、下腔体隔热层14、下腔体下固定盖15、莫来石保温层16、上加热腔外体17、下加热腔外体18、上加热炉管21、下加热炉管20、坩埚支撑座21、发热体22、螺旋状凹槽21-1、通气管道21-1、安装底座23；坩埚25、中心容腔25-1、冷却孔25-2、温度梯度调节块25-3、热量辐射槽25-4、定位凸缘块25-5、散热槽25-6、气体排放孔25-7；进气管29、坩埚支撑座21、冷却底座26、冷速调节环27、坩埚25、排气盖28、排气管30；通气管道21-1、进气通孔26-1、下环形槽26-2、集气槽孔27-1、出气通孔28-1、上环形槽28-2、凸台28-3；

超重力试验舱c、舱体接口件c1、上密封穹顶c2、舱体吊耳c3、真空接口c4、接线电极c5、布线支架c6、舱体c7、供气支架c8、冷却气体阀装置c9、上玻璃压装法兰c12-1、上法兰紧固螺钉c12-2、石英玻璃c12-3、通讯上密封舱盖c12-4、通讯舱体c12-5、真空插座c12-6、第一螺孔c12-7、接线孔c7-1、第一安装孔c7-2；内六角螺钉c51、铜电极c52、电极绝缘套c53、电极固定绝缘套c54、固定螺孔c52-1、连接螺孔c52-2、接线柱c52-3、安装螺孔c54-1、内六角螺钉c91、通气阀座c92、密封套c93、密封件c94、固定螺孔c92-1、气管固定螺孔c92-2、气管连接螺孔c92-3。

具体实施方式

现结合附图对本实用新型作进一步详细的说明。这些附图均为简化的示意图，仅以示意方式说明本实用新型的基本结构，因此仅显示与本实用新型有关的构成。

如图1所示，定向凝固熔铸系统包括超重力试验舱c和安装在超重力试验舱c中的高温加热子系统和坩埚及气冷系统，高温加热子系统固定于超重力试验舱c底部，坩埚及气冷系统置于高温加热子系统中，形成如图4所示。

如图1所示，超重力试验舱c包括舱体接口件c1、上密封穹顶c2、舱体吊耳c3和舱体c7；舱体c7内部设有腔体，腔体上端开口，舱体c7的两侧侧壁向外连接有舱体吊耳c3，两侧的舱体吊耳c3铰接连接到超重力离心机的吊篮转臂上，上密封穹顶c2通过螺栓安装连接到舱体c7的腔体开口端面并密封连接。

如图2所示，上密封穹顶c2的中央安装有舱体接口件c1，舱体接口件c1包括通讯上密封舱盖c12-4和通讯舱体c12-5，通讯上密封舱盖c12-4安装在通讯舱体c12-5的上端开口，通讯上密封舱盖c12-4和通讯舱体c12-5均设有外凸缘，外凸缘台阶面上开设第一螺孔c12-7，螺栓穿过第一螺孔c12-7连接到上密封穹顶c2；舱体接口件c1上还设有上玻璃压装法兰c12-1、上法兰紧固螺钉c12-2、石英玻璃c12-3和真空插座c12-6，石英玻璃c12-3被上玻璃压装法兰c12-1固定安装在通讯上密封舱盖c12-4顶部中心的开口处，上玻璃压装法兰c12-1通过上法兰紧固螺钉c12-2固定于上密封舱盖c12-4顶部，通讯上密封舱盖c12-4，通讯舱体c12-5底部开孔，开孔处安装真空插座c12-6。

如图3所示，舱体c7的腔体内底面固定安装有布线支架c6和供气支架c8，舱体c7一侧壁上开设有接线孔c7-1和第一安装孔c7-2，舱体c7另一侧壁对称开设有接线孔和第二安装孔c7-3，接线孔c7-1处安装接线电极c5，接线电极c5经过接线孔c7-1与舱体c7内部的布线支架c6相连，弱信号控制电线经过第一安装孔c7-2与布线支架c6相连；第二安装孔c7-3中安装冷却气体阀装置c9，冷却气体经管路连接到冷却气体阀装置c9，冷却气体阀装置c9经供气支架c8上的管路和舱体c7内的试验仪器进出气口连通。

如图5所示，高温加热子系统包括安装底座23和布置在安装底座23上的从上到下依次布置连接的上炉体、中炉体、下炉体以及莫来石保温层16、上加热腔外体17、下加热腔外体18、上加热炉管19、下加热炉管20、坩埚支撑座21和发热体22；上隔热盖1、上腔体外壳2、上腔体中壳3、上腔体隔热层4、上腔体下固定盖5、中隔热盖6、中腔体外壳7、中腔体中壳8、中腔体隔热层9、中腔体下固定盖10、下隔热盖11、下腔体外壳12、下腔体中壳13、下腔体隔热层14、下腔体下固定盖15组成一个三个炉体构成的圆筒状高温加热子系统的外壳，主要用来在超重力环境下固定高温加热子系统，且在超重力环境下起到保护炉体的作用，总体形成了一个高温炉。

上炉体主要由上隔热盖1、上腔体外壳2、上腔体中壳3、上腔体隔热层4、上腔体下固定盖5组成，上腔体外壳2、上腔体中壳3、上腔体隔热层4分别从外到内安装形成上炉三层结构，上隔热盖1和上腔体下固定盖5分别安装于上炉三层结构的上端和下端使得上炉三层结构固定连接，上隔热盖1用来固定上炉体的上炉三层结构且起到隔热保温作用；上腔体外壳2和上腔体中壳3之间以及上腔体中壳3和上腔体隔热层4之间均有间隙作为空气隔热层，空气隔热层起到隔热保温的作用防止炉内热量散失。

中炉体主要由中隔热盖6、中腔体外壳7、中腔体中壳8、中腔体隔热层9、中腔体下固定盖10组成，中腔体外壳7、中腔体中壳8、中腔体隔热层9分别从外到内安装形成中炉三层结构，中隔热盖6和中腔体下固定盖10分别安装于中炉三层结构的上端和下端使得中炉三层结构固定连接，中隔热盖6用来固定中炉体的中炉三层结构且起到隔热保温作用，中隔热盖6具有隔热保温作用，防止热量在超重力作用下向下传导；中腔体外壳7和中腔体中壳8之间以及中腔体中壳8和中腔体隔热层9之间均有间隙作为空气隔热层，空气隔热层起到隔热保温的作用防止炉内热量散失；上炉体的上腔体下固定盖5和中炉体的中隔热盖6之间固定连接，上腔体下固定盖5和中隔热盖6连接用来连接上炉体和中炉体。

下炉体主要由下隔热盖11、下腔体外壳12、下腔体中壳13、下腔体隔热层14、下腔体下固定盖15组成，下腔体外壳12、下腔体中壳13、下腔体隔热层14分别从外到内安装形成下炉三层结构，下隔热盖11和下腔体下固定盖15分别安装于下炉三层结构的上端和下端使得下炉三层结构固定连接，下腔体下固定盖15底部通过螺栓螺钉固定于安装底座23，安装底座23固定于超重力离心机的超重力试验舱底座上，下隔热盖11用来固定下炉体的下炉三层结构且起到隔热保温作用，下隔热盖11具有隔热保温作用，防止热量在超重力作用下向下传导，下腔体下固定盖15用来将高温加热子系统固定在超重力试验装置的底部。下腔体外壳12和下腔体中壳13之间以及下腔体中壳13和下腔体隔热层14之间均有间隙作为空气隔热层，空气隔热层起到隔热保温的作用防止炉内热量散失；中炉体的中腔体下固定盖10和下炉体的下隔热盖11之间固定连接，中腔体下固定盖10和下隔热盖11连接用来连接中炉体和下炉体。

整个炉体通过上隔热盖1、上腔体下固定盖5、中隔热盖6、中腔体下固定盖10、下隔热盖11和下腔体下固定盖15四个地方对炉体进行加强，提高整个炉体在超重力环境下的刚度和强度，防止炉体运行过程中变形和破坏。上腔体下固定盖5和中隔热盖6、中腔体下固定盖10和下隔热盖11之间通过高强螺栓联接，方便安装及维护。

如图5和图6所示，坩埚支撑座21置于下炉体的下腔体隔热层14底部，并底部固定于安装底座23，加热腔体置于坩埚支撑座21上，坩埚支撑座21置于超重力试验舱底面上，坩埚支撑座21用来支撑整个炉体重量，以及超重力作用下产生的压应力，同时隔热，防止热量在超重力下通过热传导到超重力试验装置的底部。加热腔体包括上加热腔外体17、下加热腔外体18、上加热炉管19和下加热炉管20，上加热腔外体17和下加热腔外体18均为套筒结构，上加热腔外体17和下加热腔外体18分别位于上下同轴固定对接，下加热腔外体18底端固定于坩埚支撑座21的边缘，上加热炉管19、下加热炉管20分别套装于上加热腔外体17、下加热腔外体18中，上加热腔外体17、下加热腔外体18在上炉体的上腔体隔热层4、中炉体的中腔体隔热层9、下炉体的下腔体隔热层14之间填充有莫来石保温层16；如图7所示，上加热炉管19和下加热炉管20的外壁均加工有螺旋状凹槽22-1，螺旋状凹槽22-1装有螺旋状的发热体22，如图8所示，螺旋状凹槽22-1能有效地固定发热体防止在超重力下下滑，发热体22产生的热量均匀辐射到上加热炉管19和下加热炉管20组成的加热炉管，在由上加热炉管19和下加热炉管20组成的加热炉管中央形成高温区。

上加热腔外体17用来安装上加热炉管19，上加热腔外体17和上加热炉管19用来给装置上部分加热。下加热腔外体18用来安装下加热炉管20，下加热腔外体18和下加热炉管20用来给装置下部分加热。

上加热腔外体17和下加热腔外体18的上下环形端面沿圆周开设有多个用于连接上隔热盖1的贯穿通孔，轴连接件/杆连接件穿过上隔热盖1套装于上加热腔外体17和下加热腔外体18同一轴向的贯穿通孔中。

本实用新型的加热炉管和发热体22的结构设计，这样能发热体22防止发热体在超重力环境下脱落，并且还能通过调整螺旋状凹槽不同位置处的螺距调整加热效果。

工作过程中发热体22产生热量，通过辐射加热上加热炉管19和下加热炉管20，在加热炉管中央形成高温区，通过改变不同高度位置的螺旋状凹槽22-1螺距进而改变不同高度位置的发热体22在加热炉管间距，配合坩埚支撑座21通气管道21-1通入的冷却气体温度和流量，从坩埚底部开始冷却，形成一个沿超重力方向的温度梯度。

上加热炉管19和下加热炉管20采用高强度、低导热系数的陶瓷制作。

本实用新型具体实施中还要求包括发热体22的选型、高强度炉管17加工的螺旋状凹槽螺距、高强度炉管17的材料类型。

发热体22的选型：不同的发热体22允许使用的最高温度和对使用环境的要求不一样，需结合此装置的具体使用条件最高工作温度、真空环境和超重力环境)确定发热体22类型。如铁铬铝电热合金丝和铂金丝等。

上加热炉管19、下加热炉管20加工的螺旋状凹槽螺距：发热体22在超重力条件下容易拉升变形，甚至断裂。需考虑发热体22布局设计外还得考虑发热体22所带来的一系列变化影响，如防止在超重力条件下发热体22变形移动严重时断裂，从而影响设备的整体运行。

上加热炉管19、下加热炉管20的材料类型：根据发热体22类型和使用温度要求，确定上加热炉管19和下加热炉管20的材料类型。为防止超重力下上加热炉管19、下加热炉管20自重造成的变形，高温加热装置炉体设计为三层分体式，每层单独加固保温层。

如图9所示，超重力试验舱内还安装有承力架、信号采集器和布线架，高温加热子系统的上加热炉管19和下加热炉管20内安装待定向凝固的材料试样，并设置有温度传感器，温度传感器连接信号采集器，信号采集器输出的导线通过布线架与弱信号导电滑环连接，再与地面测控中心连接；

高温加热子系统设置有一路强电独立回路，一路强电独立回路控制加热内部不同高度位置的发热体22进行高温加热，将地面一个强电独立回路通过离心离心机主轴导电滑环接入超重力试验舱的布线架；

高温加热子系统设置有一路冷却气体回路，一路冷却气体独立回路控制通入的冷却气体流量，将地面一个冷却气体独立回路通过离心离心机主轴导电滑环接入超重力试验舱的冷却气体管路支架和排气管。

具体实施中，具体实施中，将控制高温加热装置的一个独立控温温度延长导线接入信号采集器，信号采集器将接受的温度信号，从模拟信号转变为数字信号；数字信号通过布线架与信号滑环连接，再与地面测控中心连接。

炉温由固定或焊接在待测试样上的温度传感器通过控温仪和测控系统控制。

本实用新型装置安装使用时，先将下腔体下固定盖15通过螺栓固定于超重力试验装置底部，坩埚支撑座21安装于下腔体下固定盖15上，下腔体外壳12、下腔体中壳13、下腔体隔热层14通过螺栓与下腔体下固定盖15连接，下隔热盖11通过螺栓与中腔体下固定盖10连接，中腔体中壳8、中腔体隔热层9、中腔体下固定盖10通过螺栓与中腔体下固定盖10连接，再通过螺栓与上腔体下固定盖5、中隔热盖6连接。

将莫来石保温层16直接放置在陶瓷的加热炉管19、20和下腔体隔热层14、中腔体隔热层9、上腔体隔热层4之间。莫来石保温层16既可以起到缓冲作用又可以隔绝热量。

高温加热子系统可重复使用，仅需要通过更换合适的发热体2和加热炉管19、20以满足不同的实验要求，具有结构简单且安全系数较高的优点。

如图10所示，坩埚及气冷系统置于坩埚支撑座21上的上加热炉管19和下加热炉管20内部，上加热炉管19和下加热炉管20内壁和坩埚及气冷系统之间存在间隙，坩埚及气冷系统包括进气管29、冷却底座26、冷速调节环27、坩埚25、排气盖28和排气管30；坩埚支撑座21顶面上安装冷却底座26，冷却底座26上安装坩埚25，坩埚25顶端安装排气盖28，坩埚25中部套装冷速调节环27；由进气管、冷却底座、冷速调节环、坩埚、排气盖和排气管为定向凝固装置提供一个定向凝固所需的温度梯度控制系统。

如图11所示，在坩埚25上设置有中心容腔25-1、冷却孔25-2、温度梯度调节块25-3、热量辐射槽25-4、定位凸缘块25-5、散热槽25-6和气体排放孔25-7；坩埚25主体为柱形结构，坩埚25顶面中央开设有圆柱盲孔作为中心容腔25-1，中心容腔25-1灌充待超重力定向凝固的金属熔液/金属试样；中心容腔25-1周围的坩埚25顶面沿圆周开设多个垂直通孔作为冷却孔25-2，多个冷却孔25-2沿周向间隔均布，冷却孔25-2下端通入冷却气体；每个冷却孔25-2中均安装有用于实现和调节定向凝固温度梯度的温度梯度调节块4，温度梯度调节块4和冷却孔25-2孔壁之间存在间隙，温度梯度调节块4在冷却孔25-2能沿轴向上下移动；具体实施中，冷却孔25-2和坩埚支撑座21的通气管道21-1上端出口相连，经通气管道21-1向冷却孔25-2中通入冷却气体。冷却孔25-2为冷却气体在坩埚壁扩散的通道，主要是利用冷却气体带走热量，实现冷却坩埚的目的。

如图11和图15所示，坩埚25下部周面固定有环形的凸块作为定位凸缘块25-5，定位凸缘块25-5和坩埚25主体一体成型，定位凸缘块25-5下部的外周柱面开设多个散热槽25-6，具体实施中散热槽25-6的数量为冷却孔25-2的两倍，散热槽25-6从坩埚25主体内壁径向向外延伸定位凸缘块25-5外壁，并贯穿出定位凸缘块25-5外壁，散热槽25-6底部贯穿出定位凸缘块25-5底面；散热槽25-6在坩埚25的定位凸缘块25-5下端形成一个空腔，增强坩埚25下部的散热效果，有利于坩埚凝固过程中温度梯度的形成。同时，通过定位凸缘块25-5及其上的散热槽25-6在坩埚33下端形成一个空腔，增强坩埚25下部的散热效果，有利于坩埚25凝固过程中温度梯度的形成。定位凸缘块25-5除了开设散热槽25-6下部的上部部分在高温加热子系统中安装坩埚25时辅助确定位置，防止超重力下坩埚25安装晃动。

如图11和图13所示，定位凸缘块25-5上方的坩埚25外周柱面开设多个热量辐射槽25-4，多个热量辐射槽25-4沿周向间隔均布，具体实施中热量辐射槽25-4的数量和冷却孔25-2的数量相同，相邻两个冷却孔25-2之间的坩埚25外周柱面均有一个热量辐射槽25-4，热量辐射槽25-4轴向贯穿出坩埚25顶面，散热槽25-6径向外侧部贯穿出坩埚25外周面；具体实施中，热量辐射槽25-4与超重力定向凝固熔铸炉的高温加热子系统中的上加热炉管19、下加热炉管20和发热体22配合，用来加热坩埚。

如图11和图12和图14所示，在定位凸缘块25-5顶面处的坩埚25侧壁两侧对称开设通孔作为气体排放孔25-7，气体排放孔25-7将冷却孔25-3和坩埚25外部连通，气体排放孔25-7与冷却孔25-3形成一个冷却气体通路，用于排放冷却气体，同时防止高温下冷却气体膨胀对坩埚25产生的破坏；

如图16所示，冷却底座26用来连接坩埚和坩埚支撑座，冷却底座26上端开口，开口内设有下环形槽26-2，下环形槽26-2的圆周尺寸和坩埚25的冷却孔25-2圆周相一致，坩埚25下端安装到冷却底座26上端开口中，且通过下环形槽26-2将坩埚25的各个冷却孔25-2下端连通，冷却底座26底端开有和下环形槽26-2连通的进气通孔26-1；具体实施中，冷却底座26上端开口内设有内外两道下环形槽26-2，两道下环形槽26-2连接相通，外圈的一道下环形槽26-2和坩埚25的冷却孔25-2圆周对应连通，内圈的一道下环形槽26-2开设进气通孔26-1。

如图17所示，冷速调节环27固定安装于坩埚25的定位凸缘块25-5上，冷速调节环27底面和定位凸缘块25-5顶面紧贴，被定位凸缘块25-5顶面承托，冷速调节环27顶面开设有一个或者两个垂直的集气槽孔27-1，集气槽孔27-1的数量和坩埚25的气体排放孔25-7数量相同，集气槽孔27-1顶端穿出冷速调节环27和坩埚25外部连通，集气槽孔27-1底端穿过冷速调节环27内圈壁面和坩埚25的气体排放孔25-7连通，用来收集冷却坩埚后的气体。

如图18所示，排气盖28处于上加热炉管19和下加热炉管20内部的最上方部分，排气盖28下端开口，开口内设有上环形槽28-2，上环形槽28-2的圆周尺寸和坩埚25的冷却孔25-2圆周也相一致，坩埚25下端安装到排气盖28下端开口中，且通过上环形槽28-2将坩埚25的各个冷却孔25-2上端连通，为冷却气体提供气路，排气盖28底端开有和上环形槽28-2连通的出气通孔28-1，排气盖28的出气通孔28-1和排气管30的一端连通，用于排出冷却气体；排气管30另一端通过超重力试验舱内部的通气支架、超重力离心机滑环与外界相连通，将冷却气体排出；具体实施中，排气盖28下端开口内的中间设置形成凸台28-3，凸台28-3嵌装于坩埚25的中心容腔25-1顶端内，能固定坩埚防止超重力作用下坩埚晃动；

如图6和图10所示，坩埚支撑座21的作用是支撑坩埚和高温加热子系统在超重力下产生的压力，坩埚支撑座21内部开设有一个通气管道21-1，通气管道21-1用于定向凝固的冷却气体通入，通气管道21-1上端贯穿出坩埚支撑座21顶面作为出口并连通到冷却底座26的进气通孔26-1，通气管道21-1下端贯穿出坩埚支撑座21底部外壁后作为入口，和进气管29一端连接，进气管29另一端通过超重力试验舱内部的通气支架与超重力试验舱外的冷却气源相连，为冷却系统提供冷却气体；

如图10所示，定向凝固试验的冷却气体通过通气管道21-1下端入口进入，经通气管道21-1上端出口通入坩埚25底部，通过对坩埚25底部冷却，形成一个沿超重力方向的温度梯度而进行定向凝固，并且通过调控冷却气体的通入流量和发热体22产生的温度，调控沿超重力方向的温度梯度分布。

如图1所示，超重力试验舱c用于超重力定向凝固试验，设置两个第二安装孔c7-3，每个第二安装孔c7-3均安装有一个冷却气体阀装置，一个冷却气体阀装置作为供气装置，另一个冷却气体阀装置作为排气装置，冷却气体由超重力试验舱外部气源经供气滑环/供气管通入供气装置的气管固定螺孔c92-2，接着经供气装置的气管连接螺孔c92-3进入超重力试验舱c内部的通气管道21-1下端入口，为降温或冷却装置供气；超重力试验舱c内部由通气管道21-1上端出口排出的冷却气体经由气管通入排气装置的气管连接螺孔c92-3，接着经排气装置的气管固定螺孔c92-2连通到超重力试验舱c外部的排气滑环/排气管排出。

坩埚25用于超重力环境下定向凝固过程的金属熔液/金属试样盛装。

坩埚25采用高强陶瓷材料，使坩埚具有足够的强度和刚度，确保安装到定向熔铸炉后在超重力下能正常工作。

坩埚材料具有极低的孔隙率，确保定向凝固过程中，高温熔体在超重力下不能够从坩埚中渗出，以方便灵活地适用于各种类型的超重力定向凝固熔铸炉。

冷却气体为液氮、压缩空气等，冷却气体温度不高于5℃，压力不高于5mpa，压力可控可调。根据温度梯度要求，冷却气体类型可以改变。

本实用新型能适合1g-2500g超重力环境，温度从常温-1700℃。

如图20和图21所示，接线电极c5包括内六角螺钉c51、铜电极c52、电极绝缘套c53和电极固定绝缘套c54；铜电极c52为具有大小两端的结构，铜电极c52的大端端面中心开设有固定螺孔c52-1，固定螺孔c52-1周围的铜电极c52的大端端面开设有连接螺孔c52-2；电极绝缘套c53套装在铜电极c52的小端以及小端和大端之间的台阶上，内六角螺钉c51穿过连接螺孔c52-2连接到电极绝缘套c53，使得铜电极c52通过内六角螺钉c51固定安装在电极绝缘套c53中，内六角螺钉c51与铜电极c52之间设置有电极固定绝缘套c54；铜电极c52小端端部穿出电极绝缘套c53后连接到外部的强电源，铜电极c52在小端和大端之间的台阶上设有环形的尖锐凸起。

如图22和图23所示，冷却气体阀装置c9安装于超重力试验舱，包括内六角螺钉c91、通气阀座c92、密封套c93和密封件c94；通气阀座c92为具有大小两端的结构，通气阀座c92安装于超重力试验舱侧壁的螺纹安装孔中，通气阀座c92大端朝外安装，通气阀座c92主要用来通气，最高气压不高于c5mpa；由紫铜制备。通气阀座c92的大端端面中心开设有气管固定螺孔c92-2，气管固定螺孔c92-2和超重力试验舱外部的供气管或排气管密封连接，气管固定螺孔c92-2周围的通气阀座c92的大端端面开设有安装螺孔c92-1；密封套c93套装在通气阀座c92的小端以及小端和大端之间的台阶上，密封套c93开设有和安装螺孔c92-1对应的连接螺孔，内六角螺钉c91穿过安装螺孔c92-1和连接螺孔后连接到超重力试验舱侧壁的螺纹安装孔中，从而将通气阀座c92和密封套c93安装到超重力试验舱上，内六角螺钉c91与通气阀座c92的安装螺孔c92-1之间设置有密封件c94，密封件c94用来将内六角螺钉c91与通气阀座c92隔离；通气阀座c92小端端部穿出密封套c93伸入到超重力试验舱内部；超重力试验舱内部的通气阀座c92小端端面中间开设气管连接螺孔c92-3，气管连接螺孔c92-3和气管固定螺孔c92-2之间通过通气阀座c92内部通道连通，气管连接螺孔c92-3和超重力试验舱内部的供气支架上的气管密封连接。

安装螺孔c92-1开设有四个，四个安装螺孔c92-1沿周向间隔均布，密封套c93对应也开设有四个安装螺孔。

通气阀座c92和铜电极c52一致，大端为圆形，小端为方形，小端为方形和超重力试验舱侧壁的方通孔配合，使得通气阀座c92限制转动；通气阀座c92和铜电极c52一致，在小端和大端之间的台阶上设有环形的尖锐凸起，尖锐凸起相比安装螺孔c92-1更靠近中间位置，尖锐凸起用于在通气阀座c92时起到定位作用，同时也可以限制离心机作用下通气阀座c92径向/轴向移动。

本实用新型的通气阀座c92选用紫铜合金，具有良好的塑形，在确保通气情况下，具有良好的塑形，防止通气阀座在超重力和冷却交互作用下的疲劳失效。

密封套c93将通气阀座c92和超重力试验舱隔离密封，防止通气阀座c92和超重力试验舱固定时的缝隙漏气，降低实验舱内的真空度。密封套c93利用聚四氟乙烯制备，具有隔热保温效果，防止冷却气体温度降低。

密封件c94将通气阀座c92和内六角螺钉c91隔离密封，用来密封内六角螺钉c91与通气阀座c92连接的缝隙，防止漏气，降低实验舱内的真空度。密封件c94也可利用聚四氟乙烯制备，具有隔热保温效果，防止冷却气体温度通过内六角螺钉c91散掉。

冷却气体阀装置置于超重力环境下，尤其是用于超重力定向凝固试验。超重力方向沿超重力试验舱的轴向，通气阀座安装于超重力试验舱的侧壁，因此超重力方向沿通气阀座c92的径向方向。

接线电极c5的连接螺孔c52-2开设有四个，四个连接螺孔c52-2沿周向间隔均布，电极固定绝缘套c54对应也开设有四个安装螺孔。

接线电极c5的铜电极c52的大端为圆形，小端为方形；铜电极c52的小端端面设置有接线柱c52-3，接线柱c52-3和超重力装置的强电源的接线端连接。

舱体吊耳c3径向伸出的凸耳部分的面开设多个间隔的固定孔，螺栓穿过固定孔连接到超重力离心机的转臂，使得舱体吊耳c3通过固定孔及螺栓与超重力离心机的转臂相连。

如图1所示，舱体c7外侧壁上开设有真空接口c4，真空接口c4直接和舱体c7外部的真空管道连接。

本实用新型的冷却子系统在超重力环境下，能满足最大供气压力不低于c5mpa的要求，有利于通过调节冷却气体流量或压力给加热或降温装置控制冷却速率的范围，能非常灵活地满足各种类型超重力机载装置的降温要求，适应性强，应用范围宽。

定向凝固熔铸系统置于离心机的超重力环境中。超重力试验舱为超重力环境下材料定向凝固的试验舱，置于离心机的吊篮中。

本实用新型熔铸炉的使用和运行过程如下：

如图24所示，具体实施在定向凝固过程中，是将坩埚25安装于超重力环境中在超重力下工作，施加超重力方向沿坩埚25轴向向下方向。具体是安装于超重力定向凝固熔铸炉的高温加热子系统中。

实验前，根据熔铸合金类型，确定温度梯度、合金熔化温度、离心主机转速和温度梯度调节块25的质量。下面详细说明该实用新型的使用和运行过程：

第一步：超重力离心装置的定向熔铸系统安装在实验舱内，将超重力试验舱置于离心机的吊篮中，在超重力试验舱内放置高温加热装置，并通过安装在加热装置内的坩埚熔化试样；通过主机轴上的电滑环连接、气体密封滑环分别与地面上测试上位机系统和冷却气源连接。

将布置在坩埚周围的测温热电偶的导线和信号采集器连接，信号采集器将接收温度模拟信号，并将模拟信号转变为数字信号。

第二步：启动真空系统，使实验舱内的真空度达到10^-2pa。

第三步：当实验舱内的真空度达到10^-2pa后，启动加热系统。一个强电独立回路分别连接到上加热炉管19和下加热炉管20，在加热区形成高温区。

开始超重力定向凝固试验的加热阶段，在没有冷却气体通入情况下，发热体22产生的热量，通过热量辐射槽25-4辐射和热传导到坩埚25外壁，进而加热坩埚25对中心容腔25-1中的金属试样进行加热，熔化坩埚中的试样。

第四步：当加热炉管19、20内的温度达到合金熔点的0.8倍时，启动离心主机，一边加热，一边启动离心主机。

第五步：当离心主机转速达到实验设定的转速后，持续加热直到合金完全熔化，并在设计的离心主机转速下保持10分钟。

第六步：启动冷却系统，开始定向凝固。

在超重力定向凝固试验的凝固阶段，冷却气体经进气管29进入坩埚支撑座21内部的通气管道21-1，再经进气通孔26-1进入下环形槽26-2，进而通入到坩埚25的各个冷却孔25-2，进而从冷却孔25-2下端进入坩埚25内部，对坩埚25开始进行冷却。初始温度梯度调节块25-3位于冷却孔25-2的底部，冷却气体的压力推动温度梯度调节块25-3，并从温度梯度调节块25-3和冷却孔25-2孔壁之间的间隙中流经到冷却孔25-2顶部，使得由下到上通过冷却孔25-2孔壁热传导对中心容腔25-1进行冷却。

对于凝固阶段的控制，温度梯度调节块25-3在冷却孔25-2的移动过程中分别受超重力的重量、与冷却孔25-2孔壁之间的摩擦力以及冷却气体的压力影响，温度梯度调节块25-3两端受力存在压差，通过设置超重力作用下温度梯度调节块25-3的超重量、温度梯度调节块25-3移动过程中与坩埚25的冷却孔25-2孔壁之间的摩擦力以及冷却气体的压力，根据需要可结合使温度梯度调节块25-3在压差作用下上下调节移动，来实现超重力定向凝固过程中的温度梯度。这样能够实现由下到上的中心容腔25-1逐渐温度降低冷却，使得在中心容腔25-1已经熔化的金属试样由下到上按照需要逐渐凝固，实现了定向凝固。

实施中，在精确计算超重力作用下温度梯度调节块27的重量、温度梯度调节块27移动过程中与坩埚壁的摩擦力基础上，根据设定的温度梯度，通过精确控制冷却气体的压力，在定向凝固过程中，使温度梯度调节块27在压差作用下以恒定的速度向上移动，来控制凝固界面的位置，从而在凝固前沿的液-固界面形成所需的温度梯度。

试验过程中，通过改变超重力大小、冷却气体流量、时间、温度梯度调节块的重量等措施，与超重力定向熔铸炉高温加热子系统配合，实现不同的温度梯度要求。通过冷却底座对坩埚底部冷却，并将分散气体的收集到坩埚冷却孔；冷速调整环收集坩埚下部的冷却气体，并根据温区要求调整位置，实现不同温区要求。

冷却实施定向凝固后，坩埚25的冷却孔25-2内已经实施流经过的冷却气体从冷却孔25-2顶端进入上环形槽28-2，收集在上环形槽28-2中，进而经出气通孔28-1后由排气管30排出。

但是当温度梯度调节块25-3在冷却孔25-2中堵塞时，冷却气体的压力从气体排放孔25-7的小径孔再经过冷速调节环27的集气槽孔27-1流通到坩埚25外部，避免了冷却气体的压力不断增大，避免了内部压力无限增大导致的安全问题。

根据通入冷却气体的流量、压力和超重力大小，通过调整冷速调节环27沿坩埚25的定位凸缘块25-5的高度来改变坩埚沿超重力方向的温度分布，实现能够根据实验要求精确控制定向凝固时的温度梯度，并能外排压力过高的坩埚25内部冷却气体。

实验过程中，温度信号实时传给信号采集器，信号采集器将获得模拟信号转变为数字信号，再通过布线架与信号滑环连接，最后与地面测控中心连接，从而获得实验过程中温度-时间曲线。

第七步：当试样完全凝固后，关闭加热系统。

第八步：当温度降低到合金固相线温度以下时，关闭离心主机。

第九步：当温度降低到200℃以下时，关闭冷却系统和真空系统。

由此，本实用新型能通过热电偶独立控制高温加热装置的加热温度，与通气管道21-1通入坩埚底部的冷却气量，对坩埚底部冷却，形成一个沿超重力方向的温度梯度。通过调控通入流量和温度，调控温度梯度。