专利名称：合金重熔与凝固中的微孔演化实时成像装置的制作方法
技术领域：
本实用新型涉及合金凝固的技术领域，尤其涉及一种合金重熔与凝固中的微孔演
化实时成像装置。
背景技术：
凝固过程中产生的孔洞是降低铝合金铸件性能的一个最重要的因素。这些孔洞的 尺寸大多有几十至几百微米，有的甚至达到毫米级，严重损害铸件的力学性能尤其是疲劳 性能。因而研究微孔的形成机理及其控制是非常重要的。 国外学者Fuoco， Philip等为了研究铝合金中微孔的形成与长大，使用了液淬方 法跟踪微孔的形成过程，但是这种方法不够直观，可操作性不好，难以准确研究微孔的形成 机理。Henkel等用声发射技术来测量新孔的形成，在Al-ll. 6% Si合金中发现在共晶凝固 中期有大量的新孔形成，这和公认的异质形核相矛盾，并且其方法的可信度不高。Q Han使 用高速摄像机实时观察研究了透明有机材料环已胺中气泡的形成与变化行为，但是不适合 观察合金中微孔的形成行为。 由于实时X射线技术具有强的穿透性，工业生产中常用来探测零件或焊缝的缺 陷，在科学研究中也用来观察合金的充型过程及缺陷形成，验证液态充型过程的计算机模 拟结果。Campbell使用X射线观察了减压凝固条件下bifilm的变化；P D Lee等使用微焦 点X射线实时观察了定向凝固铝铜等合金中微孔的形成与长大过程，试验过程较为复杂， 温度梯度设备的观察范围很小，试样船采用氮化硼烧结，成本过高，且难以观察合金重熔过 程时的变化。 为了更加深入的研究合金凝固过程中微孔形成及其机理，我们设计了一种新型合 金凝固过程微孔形成实时成像系统，由微焦点X-ray成像系统、X射线管与图像倍增器同步 移动平台、温度梯度装置、试样船系统组成。
实用新型内容本实用新型提供一种有利于观察的合金重熔与凝固中的微孔演化实时成像装置。 本实用新型采用如下技术方案 —种合金重熔与凝固中的微孔演化实时成像装置，包括升降装置、加热炉、微焦 点X射线管与控制器及用于接收并处理微焦点X射线管发射并穿过合金试样的X射线的图 像及数据分析计算机，在升降装置的升降台上设有试样船，试样船位于加热炉的炉膛内，所 述的试样船由U形框及前蒙皮、后蒙皮组成，前蒙皮、后蒙皮分别贴合在U形框的前后两侧， 并由U形框及前蒙皮、后蒙皮围合形成试样空腔，所述U形框的开口向上。 与现有技术相比，本实用新型具有如下优点 1同英国的相比，温度梯度装置结构形式简单，高温区与低温区组合，可实现大的 温度梯度，高达15°C /mm，观测窗口贯穿上下炉，试样观测范围大，可分别观测液相区，两相 区，固相区。[0011] 2X射线管与图像倍增器实现了在上下、前后方向上同步移动，可以寻找与跟踪合 金凝固过程中固液界面或液相区，以便与观察这些区域内的变化。 3开发了一种低成本易拆卸、易安装的试样船与结晶器，达到理想的冷却效果；合 金样品的安放与取出简便、易操作。 4同使用氮化硼陶瓷等烧结成型的试样船相比，由于采用耐高温金属材料的机械 装夹式结构，在保证铝液在其中不会泄露的前提下，本试样船在加热或冷却过程中不会因 为合金试样热胀冷縮效应导致试样船损坏，不但可以观察合金凝固时微孔的变化过程，也 可方便的观察合金重熔时微孔的变化过程。 5整个系统的制造成本和使用成本低。
图l是本实用新型系统的示意图，其中，l-机架，2-传动单元，3-丝杆 4-导轨 5-升降台6-衔接板7-出水管8-水槽9-炉架10-水嘴11-试样船12-下炉 13-微焦点X射线管及控制器14-上炉15-图像及数据分析系统16-轮子。 图2是本实用新型系统中的温度梯度加热炉，图2a是主视图，图2b是左视图，其 中，12-下炉 14-上炉 17-碳硅棒 18-炉膛 19-炉盖20-热电偶 21-左观察窗口 22-右观察窗口。 图3是射线同步移动装置结构示意图，其中，23-主电动机 24-左滑块 25-基 座 26-导轨27-左平台 28-左电机29-U形架 30-导轨31-主丝杠 32-右电机 33-右平台 34-导轨35-右丝杠36-右滑块37-左丝杠。 图4是试样船结构示意图，图4a是试样船的主视图，图4b是试样船的左视图，图 4c是图4b A-A局部剖视图的放大图，其中，38-前回形框39-螺钉40-后回形框41-U 形框42-前蒙皮43-后蒙皮44-销钉45-试样空腔。
具体实施方式—种合金重熔与凝固中的微孔演化实时成像装置，包括升降装置、加热炉、微焦 点X射线管与控制器13及用于接收并处理微焦点X射线管发射并穿过合金试样的X射线 的图像及数据分析系统15，在升降装置的升降台5上设有试样船ll，试样船11位于加热炉 的炉膛内，所述的试样船11由U形框40及前蒙皮41、后蒙皮42组成，前蒙皮41、后蒙皮42 分别贴合在U形框40的前后两侧，并由U形框40及前蒙皮41、后蒙皮42围合形成试样空 腔44，用螺钉38紧固，所述U形框40的开口向上，合金试样置于试样船的试样空腔中，出于 紧固后缝隙很小，熔化后的合金熔体靠自身表面张力作用而不泄露。 在本实施例中，参照图4，试样船的U形框，蒙皮，回形框采用耐高温金属材料制 作，如不锈钢，这种结构和材料选择使得合金试样的安放与取出都很方便，在装入合金试样 加热重熔过程中也不会由于热胀冷縮效应导致试样船损坏失效，并且不影响在后续的凝固 过程中的观测。试样船可重复使用，大大降低了使用成本。 参照图4，在试样船11上设有冷却装置，所述冷却装置由水嘴10及水槽8组成， 水嘴10朝向试样船ll，水槽8设在试样船11的下端并位于水嘴10的下方，在水 槽8上设有出水管7。试样船11下端用销钉44与水槽8固定，使试样船呈垂直方向。水嘴
410喷出的水量可以通过流量计调节，水嘴IO朝向试样船11喷出的水沿试样船流入水槽8， 并通过出水管7流走，这样在合金凝固时可以得到不同的冷却速度。 参照图2，加热炉由炉架9、下炉12及上炉14组成，下炉12设在炉架9上，上炉14 设在下炉12上，下炉12及上炉14包括炉体，在炉体的前、后两侧分别设有碳硅棒，在炉体 的左、右两侧分别设有用于透射X射线的左观察窗口 21、右观察窗口 22。上下炉的炉膛18 联通，且尺寸相等。通过热电偶20和与热电偶20相连的温控仪精确控制并测量炉膛温度， 范围为50-1500°C 。 一般设定上炉为高温区，温度一般在650度以上，下炉为低温区，温度一 般在500度以下，这样在上炉14和下炉12之间即形成了带有可调温度梯度的炉温过渡区， 合金的两相区即在此处，此处也是射线观测区。通过设定高温区与低温区的温度，理论上可 在观测区实现30°C /mm的温度梯度，实际上该装置可达到温度梯度为0_15°C /mm。为减少 X射线的衰减，在观测区左右两侧开两个个长且窄的左右窗口贯穿炉体，窗口区域覆盖上一 层隔热云母片，阻断炉膛与外界热流交换，上炉炉膛内加石墨均温衬套，窗口位置与碳硅棒 位置互不干涉，扩大了观察范围，便于实时观测合金凝固过程固相区、液相区或两相区域微 孔的演化。同英国帝国大学Lee的温度梯度装置不同，该装置不仅结构形式简单，还可实现 大的温度梯度，而且观测范围大，而且成本很低。 参照图3，所述的微焦点X射线管与控制器13及X射线的图像及数据分析系统15 被设在射线同步移动装置上，所述的射线同步移动装置包括基座25，在基座25上滑动连接 有U形架29且U形架29能在基座25上进行上下移动，在U形架29上连接有主丝杠31 ，主 丝杠31连接于主电动机23的输出轴，在U形架29的左、右立臂上分别左平台27、右平台 33且左平台27、右平台33能在U形架29的左、右立臂进行前后移动，在左平台27上设有 左滑块24且左滑块24与左平台27之间为左右方向的滑动连接，在左滑块24上螺纹连接 有左丝杠37，左丝杠连接于左电机28的输出轴，所述的微焦点X射线管与控制器13设在左 平台27上；在右平台33上设有右滑块36且右滑块36与右平台33之间为左右方向的滑动 连接，在右滑块36上螺纹连接有右丝杠35，右丝杠连接于右电机32的输出轴，所述的X射 线的图像及数据分析系统15设在右平台33上。射线同步移动装置是实现X-ray射线管与 图像及分析系统在上下、前后方向同步移动，便于跟踪确定需要的观测位置，改变观测区域 的放大倍数。 下文将参照图l，描述用来能实时观测合金重熔与凝固过程中微孔演变行为的本 实用新型系统的当前最佳实施例 其中 一 个实施例为将近共晶铝硅合金试样制成试样船所需尺寸 (3mmX10mmX650mm)，置入试样船ll，试样船11通过衔接板6与升降台5固定连接。开动 感应电机使得试样船11可以按不同的速度上下移动至所需位置，通过温度控制柜打开上 炉14与下炉12开始升温至所需温度梯度(AG = 2.2°C/mm)加热试样船，使得位于炉子窗 口 24区域的试样船内的试样自上而下熔化，升温过程中通过微焦点X射线控制器控制微焦 点X射线管13按设定电压(75KV)和功率(25W)发出射线，通过左右窗口穿透试样船11，使 用图像及数据分析系统15进行捕捉与分析合金熔化过程中微孔缺陷的演变行为；温度到 达设定温度后开始通过水嘴10向试样船11喷水冷却，使得试样船11内的熔体按与重力相 反的方向向上定向凝固，使用X射线管同步移动装置(附图3)寻找与确定两相区区域，在 凝固过程中使用微焦点X射线成像系统捕捉微孔的形成行为。[0027] 图5是实时观测近共晶铝硅合金重熔时选取的部分照片。图5a是此区域还未熔 化时照片，图中白色斑即是孔；图5b是此区域上部重熔下部未熔时的照片，上部熔化区域 的孔均已消失，通过录像分析发现是上浮消失，而不是溶解，下部未熔的孔仍保持不变；图 5c是此区域全部重熔的照片，合金试样原有的孔基本都消失。 图6是实时观测近共晶铝硅合金凝固时选取的部分照片。图6a是凝固前的射线 照片，图中没有孔；图6b是凝固开始(凝固方向向上)时的照片，图中在某些位置析出了少 量小气孔；图6c是新孔大量析出并且长大的照片；图6d是凝固结束时的照片，图中的孔均 为气孔，先析出的孔尺寸较后析出的孔大。
权利要求一种合金重熔与凝固中的微孔演化实时成像装置，包括升降装置、加热炉、微焦点X射线管与控制器(13)及用于接收并处理微焦点X射线管发射并穿过合金试样的X射线的图像及数据分析系统(15)，在升降装置的升降台(5)上设有试样船(11)，试样船(11)位于加热炉的炉膛内，其特征在于所述的试样船(11)由U形框(40)及前蒙皮(41)、后蒙皮(42)组成，前蒙皮(41)、后蒙皮(42)分别贴合在U形框(40)的前后两侧，并由U形框(40)及前蒙皮(41)、后蒙皮(42)围合形成试样空腔(44)，用螺钉(38)紧固，所述U形框(40)的开口向上。
2. 根据权利要求1所述的合金重熔与凝固中的微孔演化实时成像装置，其特征在于 在试样船(11)设有冷却装置，所述冷却装置由水嘴(10)及水槽(8)组成，水嘴(10)朝向试样船(ll)，水槽(8)设在试样船(11)的下端并位于水嘴(10)的下方，在水槽(8)上 设有出水管(7)。
3. 根据权利要求1或2所述的合金重熔与凝固中的微孔演化实时成像装置，其特征在于加热炉由炉架(9)、下炉(12)及上炉(14)组成，下炉(12)设在炉架(9)上，上炉(14) 设在下炉(12)上，下炉(12)及上炉(14)包括炉体，在炉体的前、后两侧分别设有碳硅棒， 在炉体的左、右两侧分别设有用于透射X射线的左观察窗口 (21)、右观察窗口 (22)。
4. 根据权利要求3所述的合金重熔与凝固中的微孔演化实时成像装置，其特征在于 所述的微焦点X射线管与控制器(13)及X射线的图像及数据分析系统(15)被设在射线同步移动装置上，所述的射线同步移动装置包括基座(25)，在基座(25)上滑动连接有U 形架(29)且U形架(29)能在基座(25)上进行上下移动，在U形架(29)上连接有主丝杠 (31)，主丝杠(31)连接于主电动机(23)的输出轴，在U形架(29)的左、右立臂上分别左平 台(27)、右平台(33)且左平台(27)、右平台(33)能在U形架(29)的左、右立臂进行前后 移动，在左平台(27)上设有左滑块(24)且左滑块(24)与左平台(27)之间为左右方向的 滑动连接，在左滑块(24)上螺纹连接有左丝杠(37)，左丝杠连接于左电机(28)的输出轴， 所述的微焦点X射线管与控制器(13)设在左平台(27)上；在右平台(33)上设有右滑块 (36)且右滑块(36)与右平台(33)之间为左右方向的滑动连接，在右滑块(36)上螺纹连接 有右丝杠(35)，右丝杠连接于右电机(32)的输出轴，所述的X射线的图像及数据分析系统 (15)设在右平台(33)上。
专利摘要一种合金重熔与凝固中的微孔演化实时成像装置，包括升降装置、加热炉、微焦点X射线管与控制器及用于接收并处理微焦点X射线管发射并穿过合金试样的X射线的图像及数据分析计算机，在升降装置的升降台上设有试样船，试样船位于加热炉的炉膛内，所述的试样船由U形框及前蒙皮、后蒙皮组成，前蒙皮、后蒙皮分别贴合在U形框的前后两侧，并由U形框及前蒙皮、后蒙皮围合形成试样空腔，所述U形框的开口向上。本实用新型具有低成本、易拆卸、易安装的试样船，达到理想的冷却效果，适于合金的重熔与凝固；设计有同步移动装置，实现跟踪观察；可方便的观察合金重熔与凝固时微孔的演变过程。
文档编号G01N23/04GK201464385SQ20092004439
公开日2010年5月12日 申请日期2009年6月5日 优先权日2009年6月5日
发明者廖恒成, 潘冶, 王慧萍, 赵磊 申请人:东南大学