金屬凝固試樣高通量的制備裝置和制備方法
【專利摘要】本發(fā)明公開了一種金屬凝固試樣高通量的制備裝置和制備方法，該裝置包括其包括坩堝、電阻爐、塞棒、測溫元件、窄縫狀噴嘴、陣列冷卻臺、移動系統(tǒng)、微機控制系統(tǒng)，坩堝、塞棒和測溫元件都位于電阻爐中，對金屬試樣進行控溫熔煉；坩堝底部和窄縫狀噴嘴連接，使熔化的金屬從窄縫狀噴嘴中流出薄層流體；陣列冷卻臺位于窄縫狀噴嘴的正下方，陣列冷卻臺和位于其底部的移動系統(tǒng)相連，微機控制系統(tǒng)控制電阻爐、塞棒、測溫元件和移動系統(tǒng)。本發(fā)明可用于快速篩選最優(yōu)工藝參數(shù)和凝固組織，利于材料基因庫的快速建立。
【專利說明】
金屬凝固試樣高通量的制備裝置和制備方法
技術(shù)領(lǐng)域
[0001]本發(fā)明涉及一種金屬制備裝置和方法，特別是涉及一種金屬凝固試樣高通量的制備裝置和制備方法。
【背景技術(shù)】
[0002]材料基因工程是目前研究的熱點。通過模擬和實驗相結(jié)合的方法建立材料的數(shù)據(jù)庫，即材料基因庫，在此基礎(chǔ)上來快速設(shè)計材料，極大縮短材料的研發(fā)周期和應(yīng)用周期。而在建立材料基因庫的過程中，因為材料眾多，需要建立的材料基因庫非常龐大。如何快速而準確的建立是目前需要解決的關(guān)鍵問題。高通量方法為研究材料基因庫的快速建立提供了一種非常高效的解決辦法。在數(shù)值計算設(shè)定一定范圍的基礎(chǔ)上，高通量制備材料將是非常關(guān)鍵的一步，在制備材料的同時，還得為下面的高通量表征做好準備，起著承上啟下的作用。
[0003]眾所周知，材料的最終性能是由材料中的組織形貌、相組成、溶質(zhì)分布和各種缺陷決定的。幾乎在所有的材料，尤其是金屬材料的生產(chǎn)及加工過程中都會經(jīng)歷一個由液態(tài)到固態(tài)的凝固過程，而凝固過程將對材料的最終性能起決定性作用。因此，通過開發(fā)金屬凝固試樣的高通量的制備裝置和方法，來快速篩選最優(yōu)加工工藝和凝固組織是非常有必要的。本發(fā)明將提供一種通過流出液態(tài)金屬薄層，在同等條件下高通量制備不同凝固條件的金屬試樣的裝置和方法。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0004]本發(fā)明所要解決的技術(shù)問題是提供一種金屬凝固試樣高通量的制備裝置和制備方法，其可用于快速篩選最優(yōu)工藝參數(shù)和凝固組織，利于材料基因庫的快速建立。
[0005]本發(fā)明是通過下述技術(shù)方案來解決上述技術(shù)問題的:一種金屬凝固試樣高通量的制備裝置，其特征在于，其包括坩禍、電阻爐、塞棒、測溫元件、窄縫狀噴嘴、陣列冷卻臺、移動系統(tǒng)、微機控制系統(tǒng)，坩禍、塞棒和測溫元件都位于電阻爐中，對金屬試樣進行控溫熔煉，坩禍底部和窄縫狀噴嘴連接，使熔化的金屬從窄縫狀噴嘴中流出薄層流體，陣列冷卻臺位于窄縫狀噴嘴的正下方，陣列冷卻臺和位于其底部的移動系統(tǒng)相連，微機控制系統(tǒng)控制電阻爐、塞棒、測溫元件和移動系統(tǒng)，微機控制系統(tǒng)包括相互連接的監(jiān)控臺和控制器，移動系統(tǒng)與監(jiān)控臺連接。
[0006]優(yōu)選地，所述塞棒可以進行垂直上下移動來控制流量，移動速率控制在0-lm/s。一定適合范圍內(nèi)速率可調(diào)，使得流量的范圍在一個合理的區(qū)間內(nèi)，用于匹配不同黏度母材都可以順利流出并獲得想要的流量，而且能夠匹配不同的平臺移動速度，實現(xiàn)不同生產(chǎn)率，還可以改變每層之間的融合狀態(tài)。
[0007]優(yōu)選地，所述窄縫狀噴嘴縫寬為0.l-50mm，長度為5-2000mm;從噴嘴中流出的金屬液流速控制在O-lOm/s。不同的金屬母材液體，有不同的黏度，潤濕角等不同的物性，實現(xiàn)不同母材同速率或者實現(xiàn)同母材不同速率都需要留下合理并且可用的工藝窗口區(qū)間，通過對常見金屬母材物性參數(shù)的相關(guān)計算，所選取的范圍不僅利于實驗的順利進行，也能夠反映出不同參數(shù)對最終效果的影響。
[0008]優(yōu)選地，所述陣列冷卻臺上設(shè)有預(yù)熱陶瓷平臺、不銹鋼平臺、水冷銅平臺，陣列冷卻臺通過采用不同材料的平臺和設(shè)定不同溫度來使位于不同平臺的金屬薄層以不同的冷卻速率凝固，冷卻速度范圍為10—3-103K/s;同時在每一平臺上設(shè)置拉伸測試模具、硬度測試和金相分析膜具、模量測試模具，為后續(xù)通量表征和力學測試做好準備，本發(fā)明包括但不限于預(yù)熱陶瓷平臺、不銹鋼平臺、水冷銅平臺，同時每一平臺上也不包括但不限于拉伸測試模具、硬度測試和金相分析膜具、模量測試模具，可根據(jù)具體需要進行改變。由于該方法的廣泛適應(yīng)性和高效的生產(chǎn)效率，配備不同的材料的實驗平臺，而不同材料的用途根據(jù)自身性能的特點和差異決定，隨配備不同的測設(shè)方法，在提尚生廣效率的基礎(chǔ)上，進一步提尚表征和測量的效率。
[0009]優(yōu)選地，所述微機控制系統(tǒng)控制電阻爐和測溫元件來使試樣加熱到設(shè)定溫度;微機控制系統(tǒng)控制移動系統(tǒng)，使陣列冷卻臺在垂直于窄縫狀噴嘴長度方向上進行移動，移動速度為0-100m/S。平臺移動速度的改變，有效且高效的控制每層金屬母材的厚度，移動速度影響重復(fù)操作的時間，直接影響金屬母材的凝固狀態(tài)，使得該實驗平臺的適用金屬材料范圍大大擴展，實驗數(shù)據(jù)豐富。
[0010]優(yōu)選地，所述測溫元件實時檢測坩禍內(nèi)金屬母材溫度，提供過熱度的相關(guān)數(shù)據(jù)反饋到微機控制系統(tǒng)，母材溫度異?；蚱x適合溫度不利于工作時，停止工作或溫度下降過快或過慢，不能按原有時間進行時，通過控制器調(diào)整塞棒，可適當增加或減少金屬液流出的速度，完成本次實驗，并提供溫度變化曲線以便于下次的改善。
[0011 ]優(yōu)選地，所述微機控制系統(tǒng)在日常工作時，通過控制器對各關(guān)鍵工件實現(xiàn)控制，實現(xiàn)自動完成所有工序，并儲存分析數(shù)據(jù)。
[0012]優(yōu)選地，所述移動系統(tǒng)的多維度運動和移速的可調(diào)，在塞棒調(diào)節(jié)流速的基礎(chǔ)上，用以實現(xiàn)調(diào)整同流速下不同厚度薄層，還可以進一步控制每次移動覆蓋薄層之間的時間間隔，控制每層金屬母材之間不同的結(jié)合時間和狀態(tài)，進行深一步的實驗研究。
[0013]優(yōu)選地，所述監(jiān)控臺會在實驗時實時顯示金屬液溫度，塞棒移動相關(guān)數(shù)據(jù)，平臺移動數(shù)據(jù)等相關(guān)關(guān)鍵數(shù)據(jù)，反饋實驗信息給實驗者，檢測實驗的進行。
[0014]本發(fā)明還提供了一種金屬凝固試樣高通量的制備方法，其特征在于，其包括以下步驟:
步驟一:在坩禍中加入需要熔煉的金屬母材；
步驟二:在微機控制系統(tǒng)中設(shè)定電阻爐溫度，通過電阻爐加熱熔化坩禍中的金屬母材；步驟三:當坩禍中的金屬母材完全熔化后，通過微機控制系統(tǒng)控制塞棒向上移動，通過控制塞棒移動速度，使得金屬液體流速均勻，最終直至金屬液體不能勻速流出時停止，使金屬液在自身重力作用下從窄縫狀噴嘴流出薄層；
步驟四:啟動移動系統(tǒng)，帶動陣列冷卻臺按設(shè)定軌跡和速度進行移動，進而批量得到所需不同凝固條件的試樣。
[0015]本發(fā)明的積極進步效果在于:本發(fā)明可用于快速篩選最優(yōu)工藝參數(shù)和凝固組織，利于材料基因庫的快速建立。本發(fā)明實驗適用的金屬母材多樣，控制實驗變量簡單有效，可以較快速的就某一變量或某幾個參數(shù)進行大量的實驗，借助檢測手段，可迅速有效的建立起某一變量參數(shù)的影響模型，構(gòu)建先關(guān)的數(shù)據(jù)庫，快速的篩選出最優(yōu)工藝，建立期工藝參數(shù)與凝固組織之間的關(guān)系，加速材料基因庫的建立。
【附圖說明】
[0016]圖1為本發(fā)明金屬凝固試樣高通量的制備裝置的結(jié)構(gòu)示意圖。
[0017]圖2為本發(fā)明陣列冷卻臺俯視示意圖。
【具體實施方式】
[0018]下面結(jié)合附圖給出本發(fā)明較佳實施例，以詳細說明本發(fā)明的技術(shù)方案。
[0019]如圖1所示，本發(fā)明金屬凝固試樣高通量的制備裝置包括坩禍1、電阻爐2、塞棒3、測溫元件4、窄縫狀噴嘴5、陣列冷卻臺6、移動系統(tǒng)7、微機控制系統(tǒng)，坩禍1、塞棒3和測溫元件4都位于電阻爐2中，對金屬試樣進行控溫熔煉;坩禍I底部和窄縫狀噴嘴5連接，使熔化的金屬從窄縫狀噴嘴5中流出薄層流體;陣列冷卻臺6位于窄縫狀噴嘴5的正下方，陣列冷卻臺6和位于其底部的移動系統(tǒng)7相連，微機控制系統(tǒng)控制電阻爐2、塞棒3、測溫元件4和移動系統(tǒng)7，微機控制系統(tǒng)包括相互連接的監(jiān)控臺8和控制器9，移動系統(tǒng)7與監(jiān)控臺8連接。
[0020]測溫元件實時檢測坩禍內(nèi)金屬母材溫度，提供過熱度的相關(guān)數(shù)據(jù)反饋到微機控制系統(tǒng)，母材溫度異?；蚱x適合溫度不利于工作時，即停止工作或溫度下降過快或過慢，不能按原有時間進行時，通過控制器調(diào)整塞棒，可適當增加或減少金屬液流出的速度，完成本次實驗，并提供溫度變化曲線以便于下次的改善。
[0021 ]微機控制系統(tǒng)在日常工作時，通過程序設(shè)置，通過控制器對各關(guān)鍵工件實現(xiàn)控制，實現(xiàn)自動完成所有工序，并儲存分析數(shù)據(jù)。
[0022]移動系統(tǒng)的多維度運動和移速的可調(diào)，在塞棒調(diào)節(jié)流速的基礎(chǔ)上，用以實現(xiàn)調(diào)整同流速下不同厚度薄層，還可以進一步控制每次移動覆蓋薄層之間的時間間隔，控制每層金屬母材之間不同的結(jié)合時間和狀態(tài)，進行深一步的實驗研究。
[0023]監(jiān)控臺會在實驗時實時顯示金屬液溫度，塞棒移動相關(guān)數(shù)據(jù)，平臺移動數(shù)據(jù)等相關(guān)關(guān)鍵數(shù)據(jù)，反饋實驗信息給實驗者，檢測實驗的進行。
[0024]控制器一方面可以控制實驗臺關(guān)鍵部件的運動，另一方面還可以通過手動直接操作控制器，干預(yù)實驗的進行和緊急停機，當面對試驗過程與程序設(shè)置有所偏差以及實驗中其他的一些意外情況，實驗人員可以通過控制器直接進行所需操作，使得本套實驗裝置可以靈活處理不同的實驗情況，也增加了實驗的安全性。
[0025]塞棒可以進行垂直上下移動來控制流量，移動速率控制在0-lm/s。
[0026]窄縫狀噴嘴縫寬為0.1-50mm，長度為5-2000mm;從噴嘴中流出的金屬液流速控制在O-lOm/s。
[0027]如圖2所示，陣列冷卻臺上設(shè)有預(yù)熱陶瓷平臺13、不銹鋼平臺14、水冷銅平臺15，陣列冷卻臺通過采用不同材料的平臺和設(shè)定不同溫度來使位于不同平臺的金屬薄層以不同的冷卻速率凝固，冷卻速度范圍為10—3-103K/s;同時在每一平臺上設(shè)置拉伸測試模具10、硬度測試和金相分析膜具11、模量測試模具12，為后續(xù)通量表征和力學測試做好準備，本發(fā)明包括但不限于預(yù)熱陶瓷平臺13、不銹鋼平臺14、水冷銅平臺15，同時每一平臺上也不包括但不限于拉伸測試模具10、硬度測試和金相分析膜具11、模量測試模具12，可根據(jù)具體需要進行改變。
[0028]微機控制系統(tǒng)控制電阻爐和測溫元件來使試樣加熱到設(shè)定溫度;微機控制系統(tǒng)控制移動系統(tǒng)，使陣列冷卻臺在垂直于窄縫狀噴嘴長度方向上進行移動，移動速度為O-1OOm/
So
[0029]為解決上述技術(shù)問題，還提供了一種金屬凝固試樣高通量的制備方法，其包括以下步驟:
步驟一:在坩禍中加入需要熔煉的金屬母材；
步驟二:在微機控制系統(tǒng)中設(shè)定電阻爐溫度，通過電阻爐加熱熔化坩禍中的金屬母材；將溫度設(shè)定于金屬母材理論熔點以上至少20攝氏度，至多不高于50攝氏度。
[0030]步驟三:當坩禍中的金屬母材完全熔化后，通過微機控制系統(tǒng)控制塞棒向上移動，通過控制塞棒移動速度，使得金屬液體流速均勻，最終直至金屬液體不能勻速流出時停止，使金屬液在自身重力作用下從窄縫狀噴嘴流出薄層。
[0031]步驟四:啟動移動系統(tǒng)，帶動陣列冷卻臺按設(shè)定軌跡和速度進行移動，進而批量得到所需不同凝固條件的試樣。
[0032]以輕質(zhì)鋼為實驗材料作為一個實施例進行說明，具體如下:在坩禍I中加入輕質(zhì)鋼母材，然后通過電阻爐加熱到1600 oC并保溫I小時來完全熔化母材;通過微機控制系統(tǒng)使塞棒向上移動I cm，進而使液態(tài)金屬液在自身重力作用下從窄縫狀噴嘴流出薄層。在液態(tài)金屬薄層流出的同時，移動系統(tǒng)帶動陣列冷卻臺按設(shè)定軌跡和移動速度進行移動，得到不同冷速和形狀的凝固試樣;待試樣冷卻后取出，分別進行拉伸測試、硬度測試和金相分析、模量測試。
[0033]所述塞棒可以進行垂直上下移動來控制流量，移動速率控制在0-lm/s。所述窄縫狀噴嘴縫寬為0.1_50mm，長度為5-2000mm;從噴嘴中流出的金屬液流速控制在O-lOm/s。所述陣列冷卻臺每一列通過采用不同材料和設(shè)定不同溫度(見圖2)來使每一列的金屬薄層以不同的冷卻速率凝固，冷卻速度范圍為10—3-103K/s;同時在每一列上設(shè)置多種形狀的模具，為后續(xù)通量表征和力學測試做好準備。圖2中所示為3X3矩陣，但本發(fā)明包括但不限于3X3矩陣，可根據(jù)具體需要進行改變;所述微機控制系統(tǒng)控制電阻爐和測溫元件來使試樣加熱到設(shè)定溫度;微機控制系統(tǒng)控制移動系統(tǒng)，使陣列冷卻臺在垂直于窄縫狀噴嘴長度方向上進行移動，移動速度為0-100m/S。本發(fā)明通過在坩禍底部可以放置窄縫狀噴嘴，從窄縫狀噴嘴中流出液態(tài)金屬薄層，薄層在一個移動的陣列冷卻臺上凝固，進而以高通量的方式制備出不同冷卻速率和不同形狀的凝固試樣。本發(fā)明可用于快速篩選最優(yōu)工藝參數(shù)和凝固組織。
[0034]以上所述的具體實施例，對本發(fā)明的解決的技術(shù)問題、技術(shù)方案和有益效果進行了進一步詳細說明，所應(yīng)理解的是，以上所述僅為本發(fā)明的具體實施例而已，并不用于限制本發(fā)明，凡在本發(fā)明的精神和原則之內(nèi)，所做的任何修改、等同替換、改進等，均應(yīng)包含在本發(fā)明的保護范圍之內(nèi)。
【主權(quán)項】
1.一種金屬凝固試樣高通量的制備裝置，其特征在于，其包括坩禍、電阻爐、塞棒、測溫元件、窄縫狀噴嘴、陣列冷卻臺、移動系統(tǒng)、微機控制系統(tǒng)，坩禍、塞棒和測溫元件都位于電阻爐中，對金屬試樣進行控溫熔煉，坩禍底部和窄縫狀噴嘴連接，使熔化的金屬從窄縫狀噴嘴中流出薄層流體，陣列冷卻臺位于窄縫狀噴嘴的正下方，陣列冷卻臺和位于其底部的移動系統(tǒng)相連，微機控制系統(tǒng)控制電阻爐、塞棒、測溫元件和移動系統(tǒng)，微機控制系統(tǒng)包括相互連接的監(jiān)控臺和控制器，移動系統(tǒng)與監(jiān)控臺連接。2.如權(quán)利要求1所述的金屬凝固試樣高通量的制備裝置，其特征在于，所述塞棒可以進行垂直上下移動來控制流量，移動速率控制在O-lm/s。3.如權(quán)利要求1所述的金屬凝固試樣高通量的制備裝置，其特征在于，所述窄縫狀噴嘴的縫寬為0.1-50mm，長度為5_2000mm;從噴嘴中流出的金屬液流速控制在O-lOm/s。4.如權(quán)利要求1所述的金屬凝固試樣高通量的制備裝置，其特征在于，所述陣列冷卻臺上設(shè)有預(yù)熱陶瓷平臺、不銹鋼平臺、水冷銅平臺，陣列冷卻臺通過采用不同材料的平臺和設(shè)定不同溫度來使位于不同平臺的金屬薄層以不同的冷卻速率凝固，冷卻速度范圍為10—3_103K/s;同時在每一平臺上設(shè)置拉伸測試模具、硬度測試和金相分析膜具、模量測試模具，為后續(xù)通量表征和力學測試做好準備。5.如權(quán)利要求1所述的金屬凝固試樣高通量的制備裝置，其特征在于，所述微機控制系統(tǒng)控制電阻爐和測溫元件來使試樣加熱到設(shè)定溫度;微機控制系統(tǒng)控制移動系統(tǒng)，使陣列冷卻臺在垂直于窄縫狀噴嘴長度方向上進行移動，移動速度為0-100m/S。6.如權(quán)利要求1所述的金屬凝固試樣高通量的制備裝置，其特征在于，所述測溫元件實時檢測坩禍內(nèi)金屬母材溫度，提供過熱度的相關(guān)數(shù)據(jù)反饋到微機控制系統(tǒng)，母材溫度異?；蚱x適合溫度不利于工作時，停止工作或溫度下降過快或過慢，不能按原有時間進行時，通過控制器調(diào)整塞棒，可適當增加或減少金屬液流出的速度，完成本次實驗，并提供溫度變化曲線以便于下次的改善。7.如權(quán)利要求1所述的金屬凝固試樣高通量的制備裝置，其特征在于，所述微機控制系統(tǒng)在日常工作時，通過控制器對各關(guān)鍵工件實現(xiàn)控制，實現(xiàn)自動完成所有工序，并儲存分析數(shù)據(jù)。8.如權(quán)利要求1所述的金屬凝固試樣高通量的制備裝置，其特征在于，所述移動系統(tǒng)的多維度運動和移速的可調(diào)，在塞棒調(diào)節(jié)流速的基礎(chǔ)上，用以實現(xiàn)調(diào)整同流速下不同厚度薄層，還可以進一步控制每次移動覆蓋薄層之間的時間間隔，控制每層金屬母材之間不同的結(jié)合時間和狀態(tài)，進行深一步的實驗研究。9.如權(quán)利要求1所述的金屬凝固試樣高通量的制備裝置，其特征在于，所述監(jiān)控臺會在實驗時實時顯示金屬液溫度，塞棒移動相關(guān)數(shù)據(jù)，平臺移動數(shù)據(jù)等相關(guān)關(guān)鍵數(shù)據(jù)，反饋實驗信息給實驗者，檢測實驗的進行。10.—種金屬凝固試樣高通量的制備方法，其特征在于，其包括以下步驟: 步驟一:在坩禍中加入需要熔煉的金屬母材； 步驟二:在微機控制系統(tǒng)中設(shè)定電阻爐溫度，通過電阻爐加熱熔化坩禍中的金屬母材； 步驟三:當坩禍中的金屬母材完全熔化后，通過微機控制系統(tǒng)控制塞棒向上移動，通過控制塞棒移動速度，使得金屬液體流速均勻，最終直至金屬液體不能勻速流出時停止，使金屬液在自身重力作用下從窄縫狀噴嘴流出薄層； 步驟四:啟動移動系統(tǒng)，帶動陣列冷卻臺按設(shè)定軌跡和速度進行移動，進而批量得到所需不同凝固條件的試樣。
【文檔編號】B22D37/00GK105855528SQ201610285662
【公開日】2016年8月17日
【申請日】2016年5月4日
【發(fā)明人】張云虎, 張亞博, 宋長江, 徐智帥, 仲紅剛, 翟啟杰
【申請人】上海大學