[发明专利]定向凝固过程连续测温装置和方法

说明书

技术领域：

本发明属于温度计量领域，具体为一种定向凝固过程连续测温装置和方法。

背景技术：

定向凝固技术广泛应用于航空发动机和燃气轮机的涡轮叶片制造。在定向凝固理论及工艺的研究过程中，常常要确定凝固过程中温度场的分布情况，所以需要对合金定向凝固时的温度场进行测定。然而定向凝固过程是在真空密闭条件下进行的，且凝固过程中的炉温高达1700℃，因此定向凝固炉的炉温数据采集和处理困难，并且采集数据的精确度低。目前，定向凝固炉的常用炉温数据采集方法如下：在陶瓷模壳的不同位置预先内置水平摆放的（内端密封）的陶瓷管，每个陶瓷管中插入一个热电偶，将所有热电偶外接于测温仪器，该测温仪器自动采集每个热电偶不同时刻的温度值。该方法的每个热电偶只能测量相同位置处温度随时刻的变化，却不能测量温度随垂直距离的变化，因而难以确定凝固过程中温度场的分布情况。

发明内容：

本发明的目的在于提供一种定向凝固过程连续测温装置和方法，解决定向凝固炉中温度连续测量困难，温度梯度难以准确计算等工程化问题。

本发明的技术方案是：

一种定向凝固过程连续测温装置，该连续测温装置包括：上升降系统、无纸记录仪、模壳夹杆、模壳、单孔陶瓷管、双孔陶瓷管、铂铑热电偶、感应铜圈、石墨环，具体结构如下：

双孔陶瓷管外侧设置单孔陶瓷管，双孔陶瓷管和单孔陶瓷管之间留有空隙，在单孔陶瓷管的外侧设置模壳，双孔陶瓷管安装于上升降系统下部，双孔陶瓷管内置铂铑热电偶，铂铑热电偶的测温端伸至单孔陶瓷管的下部，铂铑热电偶的另一端与无纸记录仪的输入端连接；固相合金放置于单孔陶瓷管与模壳之间，模壳的外侧设有：模壳夹杆、石墨环，模壳通过模壳夹杆夹持，石墨环的外侧设置感应铜圈，用于实现对固相合金的感应加热，形成合金熔区；合金熔区与合金熔区以下的凝固部分之间形成固液界面。

一种所述装置的定向凝固过程连续测温方法，在模壳内预先内置相同高度的且底端密封的单孔陶瓷管，单孔陶瓷管在模壳内固定不动并平行于温度梯度方向，单孔陶瓷管将铂铑热电偶与合金熔体隔离；热电偶两极置入双孔陶瓷管内，双孔陶瓷管高度在模壳高度以上；双孔陶瓷管插入单孔陶瓷管底部，且双孔陶瓷管顶端固定于上升降系统；热电偶两极顶端外接无纸记录仪；无纸记录仪自动采集不同时刻的温度值。

所述的定向凝固过程连续测温方法，对定向凝固过程不同位置进行连续测温，对比不同位置的温度分布情况。

所述的定向凝固过程连续测温方法，将温度随时刻的变化曲线转化成温度随距离的变化曲线，在合金的固液相线温度区间内的斜率即温度梯度。

所述的定向凝固过程连续测温方法，被测量的定向凝固炉包括高速水冷定向凝固炉、液态金属冷却定向凝固炉或区域熔化液态金属冷却定向凝固炉。

所述的定向凝固过程连续测温方法，具体步骤如下：

（1）对于高速水冷和液态金属冷却定向凝固炉，在熔模铸造的蜡模模组组装过程中，将底端密封的单孔陶瓷管固定于模壳的中心位置或周围不同位置，且单孔陶瓷管平行于温度梯度方向；对于区域熔化液态金属冷却定向凝固炉，使用底端密封的模壳，将底端密封的单孔陶瓷管固定于模壳的中心位置，且单孔陶瓷管平行于温度梯度方向；

（2）单孔陶瓷管底端与模壳底端齐平，单孔陶瓷管顶端与模壳顶端齐平，并保证经脱蜡-烧结后模壳中的陶瓷管固定不动；

（3）铂铑热电偶的两极插入两端开口的双孔陶瓷管，两极的焊接点暴露于双孔陶瓷管低端，两极的顶端暴露于双孔陶瓷管的顶端，双孔陶瓷管的长度在模壳高度以上；

（4）在模壳空腔内放置合金碎块，然后把内置单孔陶瓷管的模壳固定于炉体中，将包含热电偶的双孔陶瓷管插入单孔陶瓷管内，双孔陶瓷管的底端与单孔陶瓷管底端接触，双孔陶瓷管的顶端固定于上升降系统，热电偶两极外接于无纸记录仪；

（5）采用真空感应加热模壳：对于高速水冷和液态金属冷却定向凝固炉，加热温度为1400-1700℃；对于区域熔化液态金属冷却定向凝固炉，加热频率为1000-1500Hz；

（6）待加热温度或加热频率达到设置值时，合金熔体在模壳中静止1-20min，将双孔陶瓷管匀速上移，上移速度为0.1-100μm/s，测量热电偶上移过程中的温度变化；

（7）双孔陶瓷管上移结束后，可将双孔陶瓷管匀速下移，测量热电偶下移过程中的温度变化，或者将双孔陶瓷管下移至模壳低端，重新上移双孔陶瓷管，测量热电偶上移过程中的温度变化；

（8）处理无纸记录仪自动采集的温度值转化成温度随距离的边变化，并且根据合金的固液相线温度区间准确计算固液界面的温度梯度。