專利名稱：一種電磁感應(yīng)加熱裝置的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及材料領(lǐng)域的定向凝固控制，具體是一種電磁感應(yīng)加熱裝置。
二背景技術(shù)：
由Bridgman提出的定向凝固技術(shù)是近代先進材料加工技術(shù)的重大發(fā)展。與普通鑄 造方法得到的鑄件相比，定向凝固所得柱狀晶組織大大減少了偏析、疏松等鑄造缺陷， 形成了與主應(yīng)力軸平行的晶粒，消除了橫向晶界并大幅度改善了結(jié)構(gòu)材料的性能。在 實際生產(chǎn)中，定向凝固技術(shù)的應(yīng)用提高了高溫合金的高溫強度、熱疲勞性能、蠕變和 持久特性，使具有單向受力要求的航空發(fā)動機葉片力學性能有了新的飛躍。同時，該 技術(shù)還用于半導(dǎo)體、磁性材料、光學晶體、超導(dǎo)體等許多功能材料的制備，如磁性材 料鐵等，應(yīng)用定向凝固技術(shù)可以使其柱狀晶沿磁化軸方向生長，從而得到具有優(yōu)良磁 學性能的鑄件。因此，定向凝固技術(shù)和裝置的不斷改進，是推動高性能先進材料發(fā)展 的重要手段。定向凝固過程中固/液界面前沿液相中的溫度梯度和晶體生長速率是定向 凝固技術(shù)的重要工藝參數(shù)，其中溫度梯度與生長速率的比值是控制晶體生長形態(tài)的重 要判據(jù)。在提高溫度梯度的條件下，可以適當增加生長速率，獲得所要求的晶體形態(tài)， 并且細化凝固組織，改善鑄件質(zhì)量，同時還可以提高定向凝固鑄件的生產(chǎn)率。所以， 定向凝固技術(shù)的發(fā)展都是以提高固/液界面前沿溫度梯度為目標的。
加熱方式是決定溫度梯度高低的關(guān)鍵因素，目前實驗室和工業(yè)生產(chǎn)定向凝固過程 中的加熱方式主要有電阻加熱和電磁感應(yīng)加熱。電阻加熱是使用具有高熔點和高導(dǎo)電 率的材料如鉭等作為發(fā)熱體加熱試棒，該方法具有溫度場分布均勻、加熱溫度高且不 會對熔體產(chǎn)生外場干擾等優(yōu)點。但是，鉭等加熱體價格昂貴，實驗過程中對真空度要 求很高，且加熱和冷卻速率很慢。由于電阻加熱主要靠輻射傳熱，加熱面積大，難以 使熱量集中并在局部獲得大的熱流密度，因而溫度梯度很低。電磁感應(yīng)加熱是將試樣 放置在感應(yīng)線圈之中，處于交變磁場的金屬或半導(dǎo)體內(nèi)部感應(yīng)產(chǎn)生渦流，利用渦流和 磁滯損耗產(chǎn)生熱量。由于電磁感應(yīng)加熱過程中熱量完全產(chǎn)生于試棒本身，能量密度大， 容易實現(xiàn)窄熔區(qū)、大過熱，因而可以獲得高的加熱速率和高的溫度梯度。但是，電磁 力對熔體的強制攪拌使試棒中難以獲得穩(wěn)定生長的定向凝固組織。目前，定向凝固過程多采用石墨電阻加熱的方式，該方法由于石墨價格相對低廉 且控溫容易，因此受到了廣泛關(guān)注，但石墨電阻加熱的機構(gòu)復(fù)雜，故障頻繁且難以維
護，同時所得溫度梯度仍然較低，僅有100K/cm左右。西北工業(yè)大學在申請?zhí)枮?200810017988.7的專利申請文件中提出了電磁感應(yīng)結(jié)合石墨加熱的方法，實現(xiàn)了升溫 速率快且屏蔽了大部分電磁攪拌力，獲得了較好的定向凝固組織。分析發(fā)現(xiàn)，該方法 雖然通過改變石墨發(fā)熱體的形狀獲得了 200K/cm左右較高的溫度梯度，但由于電磁感 應(yīng)器和石墨發(fā)熱體高度較大，加熱面積大，難以使固/液界面前沿的熔體獲得集中加熱， 因此溫度梯度的提高有限。同時，石墨發(fā)熱體的厚度對電磁場的屏蔽和對試棒的加熱 能力影響較大石墨發(fā)熱體過厚，磁場屏蔽好但溫度梯度下降；石墨發(fā)熱體過薄，溫 度梯度高但熔體中的電磁攪拌力大，不利于定向凝固組織的獲得。 三、發(fā)明內(nèi)容
為了克服現(xiàn)有技術(shù)中存在的加熱過程中升溫和降溫速率慢，溫度梯度低，電磁感 應(yīng)加熱攪拌力太大，不利于定向組織生長的不足，本發(fā)明提出了一種電磁感應(yīng)加熱裝 置。
本發(fā)明包括石墨感應(yīng)加熱裝置、陶瓷坩堝、水冷結(jié)晶器、真空室、真空抽取系統(tǒng)、 下拉系統(tǒng)和高頻感應(yīng)加熱電源。其中，石墨感應(yīng)加熱裝置由線圈、高頻感應(yīng)器、石墨 加熱體和上隔熱保溫板組成。線圈為兩匝，套在高頻感應(yīng)器外圓表面凹槽內(nèi)，通過焊 接組織與高頻感應(yīng)器無縫連接。
高頻感應(yīng)器為兩匝圓環(huán)形，內(nèi)孔直徑大于石墨加熱體小端的外徑，外圓周表面有 線圈的安裝槽。兩匝高頻感應(yīng)器是由兩個結(jié)構(gòu)相同、方向相反的單匝高頻感應(yīng)器組合 而成。單匝高頻感應(yīng)器的一個表面從外向內(nèi)逐漸減薄，成為斜面，另一個表面為平面， 并且在單匝高頻感應(yīng)器的外圓周表面有一圈線圈的安裝槽；將兩個單距高頻感應(yīng)器的 平面貼合在一起，形成了本發(fā)明的內(nèi)錐形高頻感應(yīng)器。高頻感應(yīng)器內(nèi)圓處的厚度為外 圓處厚度的1/4。為防止短路，在兩個相貼合的單匝高頻感應(yīng)器之間加裝絕緣板。高頻 感應(yīng)器上沿半徑方向有斷路槽。
石墨加熱體為中空回轉(zhuǎn)體， 一端的內(nèi)徑和外徑均大于另一端的內(nèi)徑和外徑，形成 了大端和小端，并且大端與小端之間45。斜角過渡，使石墨加熱體呈漏斗形。加熱體 小端的內(nèi)徑大于陶瓷坩堝的外徑。安裝時
將凹形輻射擋板置于儲有冷卻用液態(tài)金屬的水冷結(jié)晶器上。將線圈嵌入高頻感應(yīng) 器外圓周上的線圈安裝槽內(nèi)并焊接牢固；將石墨加熱體的小端裝入雙匝高頻感應(yīng)器內(nèi) 孔中，并使線圈內(nèi)圓錐形的刃形處與石墨加熱體小端的外壁配合；上隔熱保溫板置于 石墨加熱體的大端之上，形成了石墨感應(yīng)加熱裝置。將石墨感應(yīng)加熱裝置置于輻射擋 板之上。高頻感應(yīng)器通過線圈與高頻感應(yīng)加熱電源相連接。陶瓷坩堝穿過凹形輻射擋 板、石墨加熱體和上隔熱保溫板的中孔與下拉系統(tǒng)相連接，并與石墨加熱體小端的內(nèi)
壁、凹形輻射擋板內(nèi)壁和上隔熱保溫板內(nèi)壁同陶瓷坩堝之間保有1.5 2mm的間隙。 將以上組件共同置于真空室中。
本發(fā)明將感應(yīng)加熱器加工成內(nèi)錐形，其刃形部位對漏斗形石墨加熱體的小端強制 感應(yīng)加熱，在漏斗形石墨加熱體的小端獲得很高的熱流密度，使漏斗形石墨加熱體小 端部位輻射加熱陶瓷坩堝中的試棒，在熔體固/液界面前沿獲得了很高的溫度梯度。漏 斗形石墨加熱體的大端對陶瓷坩堝中的試棒預(yù)熱，保證高抽拉速率下試棒的充分熔化 和過熱。同時，經(jīng)過對漏斗形石墨加熱體小端厚度的設(shè)計，屏蔽了電磁力對試棒中熔 體的強制攪拌。利用本裝置，能夠在TiAl合金、高溫合金中獲得了 400 700K/cm的 高溫度梯度，并在低熔體流動下使凝固組織中獲得了細密挺直的柱狀晶生長。因此， 電磁感應(yīng)加熱條件下，本發(fā)明在定向凝固過程中實現(xiàn)了高溫度梯度低熔體流動。
四

圖1是電磁感應(yīng)加熱裝置結(jié)構(gòu)示意圖，
圖2是石墨加熱體的結(jié)構(gòu)示意圖，
圖3是單匝內(nèi)錐形高頻感應(yīng)器俯視圖，
圖4是單匝內(nèi)錐形高頻感應(yīng)器A-A截面圖，
圖5是雙匝內(nèi)錐形高頻感應(yīng)器結(jié)構(gòu)示意圖，
圖6是感應(yīng)加熱裝置的結(jié)構(gòu)示意圖，
圖7是具體實施例的結(jié)構(gòu)示意圖。圖中 l.陶瓷坩堝 2.上隔熱保溫板 3.漏斗形石墨加熱體 4.內(nèi)錐形高頻感應(yīng)器
5.線圈 6.絕緣板 7.高頻感應(yīng)加熱電源 8.真空抽取系統(tǒng)
9.真空室 IO.凹形輻射擋板 ll.冷卻用液態(tài)金屬 12.水冷結(jié)晶器13.下拉系統(tǒng) 14.焊接組織
五具體實施方式
本實施例包括石墨感應(yīng)加熱裝置、陶瓷坩堝1、水冷結(jié)晶器12、真空室9、真空 抽取系統(tǒng)8、下拉系統(tǒng)13和高頻感應(yīng)加熱電源7。高頻感應(yīng)加熱電源7的頻率為 200KHZ，陶瓷柑堝1的外徑為9mm。
如附圖6中所示，石墨感應(yīng)加熱裝置由線圈、高頻感應(yīng)器4、石墨加熱體3和上 隔熱保溫板2組成。線圈為兩匝，采用6mm的中空紫銅管制成，套在高頻感應(yīng)器外圓 表面凹槽內(nèi)，通過焊接組織14與高頻感應(yīng)器無縫連接。
圓環(huán)形的高頻感應(yīng)器4用紫銅制成，為兩匝，其外圓周表面有直徑為6mm的弧形 凹槽，用于安裝線圈5;高頻感應(yīng)器4內(nèi)孔直徑大于石墨加熱體小端的外徑。兩匝高 頻感應(yīng)器是由兩個結(jié)構(gòu)相同、方向相反的單匝高頻感應(yīng)器組合而成。單匝高頻感應(yīng)器 的一個表面從外向內(nèi)逐漸減薄，成為斜面，另一個表面為平面；并且在單匝高頻感應(yīng) 器的外圓周表面有一圈線圈5的安裝槽；將兩個單匝高頻感應(yīng)器的平面貼合在一起， 形成了本實施例的內(nèi)錐形高頻感應(yīng)器4。高頻感應(yīng)器內(nèi)圓處的厚度為外圓處厚度的1/4。 本實施例中，高頻感應(yīng)器4的外圓處厚度為6mm，內(nèi)圓處的厚度為1.5mm，并且外圓 與內(nèi)圓之間光滑過渡，使高頻感應(yīng)器的內(nèi)圓形成了錐形；為防止短路，在兩個相貼合 的單匝高頻感應(yīng)器4之間加裝絕緣板6。高頻感應(yīng)器4上沿半徑方向有寬度為1.5mm 的斷路槽，并且兩匝高頻感應(yīng)器的斷路槽的位置相對應(yīng)。
用高純電極石墨制成的石墨加熱體3為中空回轉(zhuǎn)體，其上半部的內(nèi)徑和外徑均大 于下半部的內(nèi)徑和外徑，形成了大端和小端，并且大端與小端之間45。斜角過渡，使 石墨加熱體呈漏斗形。石墨加熱體3小端的內(nèi)徑大于陶瓷坩堝的外徑。本實施例中， 為了確保輻射加熱的效率，石墨加熱體3的內(nèi)壁與陶瓷坩堝(1)外壁之間的距離為 1.5mm。石墨加熱體3小端的高度為13mm，壁厚為9mm。石墨加熱體3的大端高度 為5mm，壁厚為7mm。石墨加熱體3小端裝入雙匝高頻感應(yīng)器內(nèi)孔中。
石墨加熱體3小端的內(nèi)壁、凹形輻射擋板10中孔內(nèi)壁和上隔熱保溫板2中孔內(nèi)壁 同陶瓷坩堝1之間保有1.5 2mm間隙。內(nèi)錐形高頻感應(yīng)器4的內(nèi)徑同石墨加熱體3 的外徑之間有1.5 2mm的距離。
安裝時將凹形輻射擋板10置于儲有冷卻用液態(tài)金屬11的水冷結(jié)晶器12上。將線圈5 嵌入高頻感應(yīng)器4外圓周上的線圈安裝槽內(nèi)并焊接牢固；將石墨加熱體3的小端裝入 雙匝高頻感應(yīng)器內(nèi)孔中，并使線圈內(nèi)圓錐形的刃形處與石墨加熱體3小端的外壁配合；
上隔熱保溫板2置于石墨加熱體3的大端之上，形成了石墨感應(yīng)加熱裝置。將石墨感 應(yīng)加熱裝置置于輻射擋板10之上。高頻感應(yīng)器4通過電極與高頻感應(yīng)加熱電源7相連 接。陶瓷坩堝1穿過凹形輻射擋板10、石墨加熱體3和上隔熱保溫板2的中孔與下拉 系統(tǒng)13相連接，并與石墨加熱體3小端的內(nèi)壁、凹形輻射擋板10內(nèi)壁和上隔熱保溫 板2內(nèi)壁同陶瓷坩堝1之間保有1.5 2mm的間隙。將以上組件共同置于真空室9中。 本實施例將感應(yīng)加熱器4加工成內(nèi)錐形，其刃形部位對漏斗形石墨加熱體3的小 端強制感應(yīng)加熱，在漏斗形石墨加熱體3的小端獲得很高的熱流密度，使漏斗形石墨 加熱體3小端部位輻射加熱陶瓷坩堝1中的試棒，在熔體固/液界面前沿獲得了很高的 溫度梯度。漏斗形石墨加熱體3的大端對陶瓷坩堝1中的試棒預(yù)熱，保證高抽拉速率 下試棒的充分熔化和過熱。同時，經(jīng)過對漏斗形石墨加熱體3小端厚度的設(shè)計，屏蔽 了電磁力對試棒中熔體的強制攪拌。利用本裝置，在TiAl合金、高溫合金中獲得了 400 700K/cm的高溫度梯度，凝固組織中獲得了細密挺直的柱狀晶生長且未觀察到流 動對枝晶生長的影響。因此，電磁感應(yīng)加熱條件下，利用本裝置在定向凝固過程中實 現(xiàn)了高溫度梯度低熔體流動。
權(quán)利要求1. 一種電磁感應(yīng)加熱裝置，包括石墨感應(yīng)加熱裝置、陶瓷坩堝(1)、水冷結(jié)晶器(12)、真空室(9)、真空抽取系統(tǒng)(8)、下拉系統(tǒng)(13)和高頻感應(yīng)加熱電源(7)，輻射擋板(10)置于儲有冷卻用液態(tài)金屬(11)的水冷結(jié)晶器(12)上，由線圈(5)、高頻感應(yīng)器(4)、石墨加熱體(3)和上隔熱保溫板(2)組成的石墨感應(yīng)加熱裝置置于輻射擋板(10)之上，高頻感應(yīng)器(4)通過線圈與高頻感應(yīng)加熱電源(7)相連接，陶瓷坩堝(1)穿過凹形輻射擋板(10)、石墨加熱體(3)和上隔熱保溫板(2)的中孔與下拉系統(tǒng)(13)相連接，并將以上組件置于真空室(9)中，其特征在于a. 高頻感應(yīng)器(4)是由兩個結(jié)構(gòu)相同、方向相反的單匝高頻感應(yīng)器組合而成；單匝高頻感應(yīng)器的一個表面從外向內(nèi)逐漸減薄，成為斜面，另一個表面為平面；將兩個單匝高頻感應(yīng)器的平面貼合在一起，形成了內(nèi)錐形高頻感應(yīng)器(4)；在兩個相貼合的單匝高頻感應(yīng)器(4)之間有絕緣板(6)；高頻感應(yīng)器(4)沿半徑方向有斷路槽；b. 石墨加熱體(3)一端的內(nèi)徑和外徑均大于另一端的內(nèi)徑和外徑，形成了大端和小端，并且大端與小端之間45°斜角過渡。
2. 如權(quán)利要求1所述電磁感應(yīng)加熱裝置，其特征在于高頻感應(yīng)器內(nèi)圓處的厚度為外圓 處厚度的1/4。
3. 如權(quán)利要求1所述電磁感應(yīng)加熱裝置，其特征在于線圈內(nèi)圓錐形的刃形處與石墨加 熱體(3)小端的外壁配合。
4. 如權(quán)利要求1所述電磁感應(yīng)加熱裝置，其特征在于石墨加熱體(3)小端的內(nèi)壁、凹 形輻射擋板(10)內(nèi)壁和上隔熱保溫板(2)內(nèi)壁同陶瓷坩堝(1)之間保有1.5 2mm的間隙。
專利摘要本實用新型涉及一種電磁感應(yīng)加熱裝置，高頻感應(yīng)器(4)為兩匝，其上下表面均為斜面，形成了內(nèi)錐形；兩匝高頻感應(yīng)器之間有絕緣板(6)，并且沿半徑方向有斷路槽。高頻感應(yīng)器內(nèi)圓處的厚度為外圓處厚度的1/4。石墨加熱體(3)一端的內(nèi)徑和外徑均大于另一端的內(nèi)徑和外徑，并且大端與小端之間45°斜角過渡，使石墨加熱體呈漏斗形。加熱體(3)小端的內(nèi)徑大于陶瓷坩堝(1)的外徑。高頻感應(yīng)器(4)的刃形部位對石墨加熱體(3)的小端強制感應(yīng)加熱，在熔體固/液界面前沿獲得了很高的溫度梯度。石墨加熱體(3)的大端對陶瓷坩堝(1)中的試棒預(yù)熱，保證高抽拉速率下試棒充分熔化和過熱。利用本裝置，在定向凝固過程中實現(xiàn)了高溫度梯度低熔體流動。
文檔編號H05B6/26GK201234368SQ20082002973
公開日2009年5月6日 申請日期2008年7月25日 優(yōu)先權(quán)日2008年7月25日
發(fā)明者傅恒志, 軍 沈, 羅文忠 申請人:西北工業(yè)大學