[发明专利]一种快速凝固传热性能综合测试装置和测试方法

说明书

本发明公开了一种快速凝固传热性能综合测试装置和测试方法，包括金属熔炼系统、粒径及速度控制系统和样品收集测量系统；金属熔炼系统包括石墨坩埚和带有温度反馈的红外测温仪，用于对金属试验样品加热至液态；粒径及速度控制系统包括控制熔融金属液滴滴落粒径的粒径选择器和用于控制熔融金属液滴滴落速度的静电场，样品收集测量系统包括冷却基底、高速摄像机、热电偶和计算机，用于承接冷却金属熔炼系统滴落的金属液滴并进行数据采集。本发明成本极低，耗材使用量很小，实验方法操作简便，测试结果准确，可以综合测试金属液滴在不同的滴落状态(滴落粒径和滴落速度)下的初始凝固情况，可以清晰的反映整个快速凝固过程，具有很强的说服力。

技术领域

本发明涉及一种快速凝固传热性能综合测试装置及方法，属于金属材料快速成型技术领域。

背景技术

制造业是支撑一个国家稳定、快速发展的基础产业。钢铁由于其产品消耗量大且难以被其他材料替代的特点，成为了国民经济里面的重中之重。钢铁3D打印作为钢铁制造业的前沿方向，受到很多研究人员的关注，目前钢铁3D打印只能完成对于各项性能要求较低的物件的制造，对于各项性能要求比较高的材料则难以使用3D打印完成。因此，研究粒径、滴落速度对于凝固时间、传热性能以及成型后各项力学性能的影响势在必行，这也为钢铁行业3D打印提供了指导性的结论。

目前，针对金属液滴快速凝固传热性能的综合测试方面的相关专利较少。

公开号为CN106282864A的中国专利文件公开了一种快速凝固高强韧镁合金的制备成形方法，是采用高纯氩保护条件下，在石墨坩埚内熔化原材料，并喷射在高速旋转的铜棍上，制成厚度为5-18μm、宽度为0.5-2.5mm的急冷快速凝固镁合金薄带再切割粉碎为0.1-0.5mm的细粉状后装入专用往复挤压装置的挤压桶内,在230-320℃往复挤压一道次,最后再直接挤压制成型材或板材。

公开号为CN105699412A的中国专利文件公开了一种金属快速凝固热流测试装置及测试方法，实现金属液滴快速凝固实验，并测量凝固期间通过铜质基底的热流量及其变化。用感应线圈对其加热使之熔化。为使金属液滴快速凝固，在铜质基底上采用冷却水循环的方式进行快速冷却。采集系统所采集的数据是温度信号，并通过计算机计算出凝固过程中实时变化的热流量。

以上两个专利在快速凝固的成型和测试方面各有优势，但是也存在一定的不足。前者试用的范围比较小，只能用于特定种类金属的快速成型且不能进行相关测试；后者的设备只能控制样品的量，对样品的粒径以及样品的滴落速度难以进行有效的控制，因此不能通过研究不同滴落状态对于传热的影响，不能进行更深入的研究以获得更加优秀的产品质量。

发明内容

本发明解决的技术问题是：针对现有的金属3D打印技术难以满足某些高端产品要求的高硬度及高强度的问题，提供一种快速凝固传热性能综合测试装置和方法，通过对样品的滴落速度和粒径的控制，研究粒径与速度对于凝固时间及传热性能的影响，进而试验出适应更高质量的金属3D打印方案。

本发明采用如下技术方案实现：

一种快速凝固传热性能综合测试装置，包括金属熔炼系统、粒径及速度控制系统和样品收集测量系统；

所述金属熔炼系统包括石墨坩埚14和带有温度反馈的红外测温仪11，所述石墨坩埚14的外壁绕装有电加热感应线圈13，所述石墨坩埚14的底部开设有熔融金属液滴滴落的开孔，所述空外测温仪11对石墨坩埚14内的温度进行检测；

所述粒径及速度控制系统包括控制熔融金属液滴滴落粒径的粒径选择器22和用于控制熔融金属液滴滴落速度的静电场23，所述粒径选择器22滑动设置在石墨坩埚14的底部，其上设有若干不同直径的圆孔，该圆孔通过滑动粒径选择器与石墨坩埚底部的开孔对接，所述静电场23设置在粒径选择器下方的熔融金属液滴滴落的路径上；