[发明专利]一种用于定向凝固的封闭式水流直冷装置与方法

说明书

技术领域

本发明涉及定向凝固领域，具体为一种用于金属材料定向凝固过程中的封闭式水流直接冷却所使用的装置与方法。

背景技术

目前，在定向凝固过程中常用的下端冷却方式分为两种：一种是开放式冷却，包括液态金属冷却和大型水槽冷却，其特征是试样下端直接浸入冷却液中，因而冷却效果好，可获得较高的温度梯度，但设备复杂，造价较高，常用于大型实验或规模化生产；另一种为封闭式水流间接冷却，其特征是采用导热系数高的金属制作夹具，外侧焊接铜管或在夹具上钻孔通入水流以冷却夹具，再通过夹持试棒下端，利用夹具与试棒表面之间的传热，间接冷却试样。这种水流间接冷却设备简易，多用于小型定向凝固实验，但由于水流不能直接冷却试样下端，而依靠夹具内表面与试棒外表面之间的面接触传热，因而冷却效果较差，难以获得较高的温度梯度。另外，由于试棒尺寸及表面加工质量的差异对于面接触传热影响极大，因而即便是同一批实验，不同试棒获得的冷却效果也难以保证一致。

发明内容

本发明的目的在于提供一种用于定向凝固的封闭式水流直冷装置与方法，解决常规定向凝固实验中难以获得高温度梯度的问题。

本发明的技术方案如下：

一种用于定向凝固的封闭式水流直冷装置，该装置设有试棒、鼓形铜垫、夹具上盖、夹具、侧管，具体结构如下：

夹具由位于侧面的侧管、位于下部的下管、位于上部的上管连通形成三通的一体结构，侧管的端部为出水端，下管的端部为进水端；夹具上管的端部内壁与鼓形铜垫相对应，试棒从上管端部伸至夹具中，鼓形铜垫置于试棒与夹具上管的端部内壁之间，夹具上盖罩扣于鼓形铜垫和上管外侧，夹具上盖与上管通过螺纹连接紧固，形成密封。

所述的用于定向凝固的封闭式水流直冷装置，在上管外侧设置固定支架、固定螺栓，固定螺栓穿过固定支架顶持固定支架于上管上，固定螺栓与固定支架通过螺纹连接。

所述的用于定向凝固的封闭式水流直冷装置，上管端部的内壁为内锥面或内球面，内锥面或内球面的开口为自下至上逐渐变大。

所述的用于定向凝固的封闭式水流直冷装置，在下管上设有流量计、水阀。

所述装置用于定向凝固的封闭式水流直冷的方法，水流从夹具的下管端部流入，经侧管端部流出，试棒直接浸入水流中，冷却水在封闭的管道中流动，通过快速流动的水流直接冷却试棒，从而获得温度梯度。

所述的用于定向凝固的封闭式水流直冷的方法，通过固定螺栓的紧固与松开，实现试棒的抽拉与淬火。

所述的用于定向凝固的封闭式水流直冷的方法，通过调节水流流量实现冷速的控制。

所述的用于定向凝固的封闭式水流直冷的方法，具体步骤如下：

(1)试棒夹持与密封

试棒下端依次套上鼓形铜垫和夹具上盖后，插入夹具，并通过螺纹拧紧夹具上盖于夹具上，压紧鼓形铜垫，从而实现试棒的紧固密封与夹持；定向凝固结束后，拧开夹具上盖，即可取出试棒；

(2)夹具固定与淬火

通过固定支架上的固定螺栓顶住夹具，实现夹具的固定，并通过电机与传动机构带动固定支架上下移动，从而实现定向凝固所需的试棒抽拉动作；当需要进行试棒淬火时，松开固定螺栓，使夹具与试棒在重力作用下一起掉入下方的淬火液中；

(3)水流流量调节

通过在进水管上装配水阀与流量计，控制水流流量的大小，从而实现冷却速度的调节和控制。

本发明与现有技术相比，其优点主要有：

1、本发明通过快速流动的水流直接冷却试棒，显著提高了冷却效率，可获得较高的温度梯度；

2、本发明通过冷却水流在封闭的管道里流动，不至于产生蒸汽或飞溅，使用过程中安全性能好。

3、本发明装置具有结构简单、加工与使用成本低(装备中唯一的消耗品鼓形铜垫为工业标准件，市价约0.1元/只)以及操作方便的特点，可使用自来水进行冷却；

4、由于螺纹强大的紧固力及铜垫良好的延展性，该装置中的夹具密封性能良好，对试棒加工的尺寸精度和表面质量的要求均不高。以内径夹具为例，试棒直径在之间均可良好密封；

5、由于黄铜熔点较高，在定向凝固过程中不会因受热而丧失密封功能，因此本发明装置可用于包括高熔点合金在内的各种金属的定向凝固实验。

附图说明

图1为本发明装置结构示意图。

图2为本发明夹具结构主视图。

图3为本发明夹具结构左视图。