[发明专利]一种双坩埚定向凝固装置

说明书

一、技术领域

本发明涉及材料的定向凝固领域，具体是一种双坩埚定向凝固装置。

二、背景技术

在定向凝固实验中，试样的微观组织对材料的最终性能起着十分重要的作用，例 如定向生长的一次枝晶间距对合金的力学性能的影响。定向生长的微观组织的一次枝 晶间距除了受凝固参数的直接影响外，而且还与坩埚中的熔体对流情况有关。故而很 有必要来研究熔体对流对定向凝固一次枝晶间距的影响。

根据不同直径坩埚内的熔体对流强弱的大小来研究对流对一次枝晶间距的影响， 通常采用不同直径的试样分别在对应大小的坩埚内独立实验。在这种情况下，并不能 保证不同直径试样的实验条件完全一样，例如固液界面前沿的温度梯度，抽拉速率等。 所以在研究不同直径试样的微观组织的时候，并不能完全排除试样直径影响因素外的 其它影响因素。单独考虑试样直径对微观组织的影响是不合理的，因为在每个单独实 验情况下，其凝固工艺参数可能存在微弱差异，这就造成微观组织(一次枝晶间距)的 变化可能不完全是试样直径变化造成的。目前国外有人提出了由多种大小直径各异的 刚玉管捆绑在一起，浸入到一大坩埚熔融合金中的装置，利用该装置来研究在同一实 验环境下不同直径刚玉管中的微观组织，这种装置有效地排除了试样直径外其它实验 条件对微观组织的影响，该装置很好地应用于研究合金在对流及扩散条件下微观组织 的形成及演化规律。但是，由于现有技术中各种直径的坩埚捆绑在一起时并不同轴， 且与发热体亦不同轴，这就造成各坩埚内的熔体温度场不同，对微观组织造成一定的 影响。同时，由于在试样内部镶嵌有多根刚玉管，定向凝固实验后试样的切削加工难 度较大。

三、发明内容

为克服现有技术中存在的由于坩埚轴线与加热体轴线不同轴，使各坩埚内的熔体 温度场不同，对微观组织造成影响的缺陷，以及定向凝固实验后试样的切削加工难度 较大的不足，本发明提出了一种双坩埚定向凝固装置。

本发明包括大坩埚、石墨发热体、感应线圈、小坩埚、隔热板、抽拉杆、冷却器 和接头，其中，隔热板位于冷却器上端，接头位于冷却器内；抽拉杆一端位于冷却器 内，并与接头一端连接，抽拉杆另一端穿过冷却器底板上的抽拉孔，位于冷却器外。 小坩埚嵌套在大坩埚内，并且两个坩埚同轴，形成了双坩埚。双坩埚的一端位于冷却 器内，与接头另一端连接；双坩埚的另一端穿过隔热板中心的过孔，置于感应线圈中。 感应线圈位于隔热板上表面。

大坩埚的外径小于与之配合的石墨发热体的内径，并且两者之间有5～10mm的间 隙。小坩埚的外径同接头上的连接环的内径。大坩埚的内径与小坩埚的外径之间的距 离同接头上的连接环的厚度，并通过接头上的连接环将大坩埚与小坩埚固定在接头上。

接头包括固定底座和连接环。接头的固定底座的高度为冷却器内腔高度的1/3；在 该固定底座的一端端面中心有抽拉杆的安装孔；在固定底座的另一端端面有与固定底 座同轴的圆形连接环。连接环的内径同小坩埚的外径，连接环的外径同大坩埚的内径； 连接环的高度为双坩埚高度的1/10。

接头与大坩埚与小坩埚配合时，连接环的外表面与大坩埚的内表面贴合，连接环 的内表面与小坩埚的外表面贴合。

本发明采用相互嵌套而成的双坩埚装置，并通过接头及位于接头端面的连接环将 相互嵌套的坩埚固定。由于接头上端面的连接环与接头是同轴的，所以保证了两个坩 埚同轴。在确保两坩埚同轴的前提下，使两坩埚内的熔体的温度场一致，提供了不同 直径的试棒在同一实验参数下同时进行抽拉的条件。同时，由于本发明在定向凝固过 程中，在大坩埚内部嵌套一根刚玉管即可实现不同熔体对流状态，所以减少了定向凝 固实验后试样的切削加工难度。与现有技术相比，本发明排除了不同温度场对试样定 向凝固微观组织的影响，更适于研究定向凝固过程中熔体对流对微观组织的影响，并 且具有使用方便、成本低的特点。

四、附图说明

图1是双坩埚定向凝固装置的结构示意图。

图2是坩埚与接头的配合示意图。

图3是坩埚与接头配合示意图的俯视图。

图4是小坩埚与大坩埚配合的轴测图。

图5是小坩埚与大坩埚配合轴测图的剖视图。

图6是接头的剖视图。

图7是接头的俯视图。

图8是利用本发明装置的定向凝固Pb-26％Bi合金的横截面组织图。