專利名稱：合金重熔與凝固中的微孔演化實(shí)時(shí)成像裝置的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本實(shí)用新型涉及合金凝固的技術(shù)領(lǐng)域，尤其涉及一種合金重熔與凝固中的微孔演
化實(shí)時(shí)成像裝置。
背景技術(shù)：
凝固過(guò)程中產(chǎn)生的孔洞是降低鋁合金鑄件性能的一個(gè)最重要的因素。這些孔洞的 尺寸大多有幾十至幾百微米，有的甚至達(dá)到毫米級(jí)，嚴(yán)重?fù)p害鑄件的力學(xué)性能尤其是疲勞 性能。因而研究微孔的形成機(jī)理及其控制是非常重要的。 國(guó)外學(xué)者Fuoco， Philip等為了研究鋁合金中微孔的形成與長(zhǎng)大，使用了液淬方 法跟蹤微孔的形成過(guò)程，但是這種方法不夠直觀，可操作性不好，難以準(zhǔn)確研究微孔的形成 機(jī)理。Henkel等用聲發(fā)射技術(shù)來(lái)測(cè)量新孔的形成，在Al-ll. 6% Si合金中發(fā)現(xiàn)在共晶凝固 中期有大量的新孔形成，這和公認(rèn)的異質(zhì)形核相矛盾，并且其方法的可信度不高。Q Han使 用高速攝像機(jī)實(shí)時(shí)觀察研究了透明有機(jī)材料環(huán)已胺中氣泡的形成與變化行為，但是不適合 觀察合金中微孔的形成行為。 由于實(shí)時(shí)X射線技術(shù)具有強(qiáng)的穿透性，工業(yè)生產(chǎn)中常用來(lái)探測(cè)零件或焊縫的缺 陷，在科學(xué)研究中也用來(lái)觀察合金的充型過(guò)程及缺陷形成，驗(yàn)證液態(tài)充型過(guò)程的計(jì)算機(jī)模 擬結(jié)果。Campbell使用X射線觀察了減壓凝固條件下bifilm的變化；P D Lee等使用微焦 點(diǎn)X射線實(shí)時(shí)觀察了定向凝固鋁銅等合金中微孔的形成與長(zhǎng)大過(guò)程，試驗(yàn)過(guò)程較為復(fù)雜， 溫度梯度設(shè)備的觀察范圍很小，試樣船采用氮化硼燒結(jié)，成本過(guò)高，且難以觀察合金重熔過(guò) 程時(shí)的變化。 為了更加深入的研究合金凝固過(guò)程中微孔形成及其機(jī)理，我們?cè)O(shè)計(jì)了一種新型合 金凝固過(guò)程微孔形成實(shí)時(shí)成像系統(tǒng)，由微焦點(diǎn)X-ray成像系統(tǒng)、X射線管與圖像倍增器同步 移動(dòng)平臺(tái)、溫度梯度裝置、試樣船系統(tǒng)組成。

實(shí)用新型內(nèi)容本實(shí)用新型提供一種有利于觀察的合金重熔與凝固中的微孔演化實(shí)時(shí)成像裝置。 本實(shí)用新型采用如下技術(shù)方案 —種合金重熔與凝固中的微孔演化實(shí)時(shí)成像裝置，包括升降裝置、加熱爐、微焦 點(diǎn)X射線管與控制器及用于接收并處理微焦點(diǎn)X射線管發(fā)射并穿過(guò)合金試樣的X射線的圖 像及數(shù)據(jù)分析計(jì)算機(jī)，在升降裝置的升降臺(tái)上設(shè)有試樣船，試樣船位于加熱爐的爐膛內(nèi)，所 述的試樣船由U形框及前蒙皮、后蒙皮組成，前蒙皮、后蒙皮分別貼合在U形框的前后兩側(cè)， 并由U形框及前蒙皮、后蒙皮圍合形成試樣空腔，所述U形框的開口向上。 與現(xiàn)有技術(shù)相比，本實(shí)用新型具有如下優(yōu)點(diǎn) 1同英國(guó)的相比，溫度梯度裝置結(jié)構(gòu)形式簡(jiǎn)單，高溫區(qū)與低溫區(qū)組合，可實(shí)現(xiàn)大的 溫度梯度，高達(dá)15°C /mm，觀測(cè)窗口貫穿上下爐，試樣觀測(cè)范圍大，可分別觀測(cè)液相區(qū)，兩相 區(qū)，固相區(qū)。[0011] 2X射線管與圖像倍增器實(shí)現(xiàn)了在上下、前后方向上同步移動(dòng)，可以尋找與跟蹤合 金凝固過(guò)程中固液界面或液相區(qū)，以便與觀察這些區(qū)域內(nèi)的變化。 3開發(fā)了一種低成本易拆卸、易安裝的試樣船與結(jié)晶器，達(dá)到理想的冷卻效果；合 金樣品的安放與取出簡(jiǎn)便、易操作。 4同使用氮化硼陶瓷等燒結(jié)成型的試樣船相比，由于采用耐高溫金屬材料的機(jī)械 裝夾式結(jié)構(gòu)，在保證鋁液在其中不會(huì)泄露的前提下，本試樣船在加熱或冷卻過(guò)程中不會(huì)因 為合金試樣熱脹冷縮效應(yīng)導(dǎo)致試樣船損壞，不但可以觀察合金凝固時(shí)微孔的變化過(guò)程，也 可方便的觀察合金重熔時(shí)微孔的變化過(guò)程。 5整個(gè)系統(tǒng)的制造成本和使用成本低。

圖l是本實(shí)用新型系統(tǒng)的示意圖，其中，l-機(jī)架，2-傳動(dòng)單元，3-絲桿 4-導(dǎo)軌 5-升降臺(tái)6-銜接板7-出水管8-水槽9-爐架10-水嘴11-試樣船12-下爐 13-微焦點(diǎn)X射線管及控制器14-上爐15-圖像及數(shù)據(jù)分析系統(tǒng)16-輪子。 圖2是本實(shí)用新型系統(tǒng)中的溫度梯度加熱爐，圖2a是主視圖，圖2b是左視圖，其 中，12-下爐 14-上爐 17-碳硅棒 18-爐膛 19-爐蓋20-熱電偶 21-左觀察窗口 22-右觀察窗口。 圖3是射線同步移動(dòng)裝置結(jié)構(gòu)示意圖，其中，23-主電動(dòng)機(jī) 24-左滑塊 25-基 座 26-導(dǎo)軌27-左平臺(tái) 28-左電機(jī)29-U形架 30-導(dǎo)軌31-主絲杠 32-右電機(jī) 33-右平臺(tái) 34-導(dǎo)軌35-右絲杠36-右滑塊37-左絲杠。 圖4是試樣船結(jié)構(gòu)示意圖，圖4a是試樣船的主視圖，圖4b是試樣船的左視圖，圖 4c是圖4b A-A局部剖視圖的放大圖，其中，38-前回形框39-螺釘40-后回形框41-U 形框42-前蒙皮43-后蒙皮44-銷釘45-試樣空腔。
具體實(shí)施方式—種合金重熔與凝固中的微孔演化實(shí)時(shí)成像裝置，包括升降裝置、加熱爐、微焦 點(diǎn)X射線管與控制器13及用于接收并處理微焦點(diǎn)X射線管發(fā)射并穿過(guò)合金試樣的X射線 的圖像及數(shù)據(jù)分析系統(tǒng)15，在升降裝置的升降臺(tái)5上設(shè)有試樣船ll，試樣船11位于加熱爐 的爐膛內(nèi)，所述的試樣船11由U形框40及前蒙皮41、后蒙皮42組成，前蒙皮41、后蒙皮42 分別貼合在U形框40的前后兩側(cè)，并由U形框40及前蒙皮41、后蒙皮42圍合形成試樣空 腔44，用螺釘38緊固，所述U形框40的開口向上，合金試樣置于試樣船的試樣空腔中，出于 緊固后縫隙很小，熔化后的合金熔體靠自身表面張力作用而不泄露。 在本實(shí)施例中，參照?qǐng)D4，試樣船的U形框，蒙皮，回形框采用耐高溫金屬材料制 作，如不銹鋼，這種結(jié)構(gòu)和材料選擇使得合金試樣的安放與取出都很方便，在裝入合金試樣 加熱重熔過(guò)程中也不會(huì)由于熱脹冷縮效應(yīng)導(dǎo)致試樣船損壞失效，并且不影響在后續(xù)的凝固 過(guò)程中的觀測(cè)。試樣船可重復(fù)使用，大大降低了使用成本。 參照?qǐng)D4，在試樣船11上設(shè)有冷卻裝置，所述冷卻裝置由水嘴10及水槽8組成， 水嘴10朝向試樣船ll，水槽8設(shè)在試樣船11的下端并位于水嘴10的下方，在水 槽8上設(shè)有出水管7。試樣船11下端用銷釘44與水槽8固定，使試樣船呈垂直方向。水嘴
410噴出的水量可以通過(guò)流量計(jì)調(diào)節(jié)，水嘴IO朝向試樣船11噴出的水沿試樣船流入水槽8， 并通過(guò)出水管7流走，這樣在合金凝固時(shí)可以得到不同的冷卻速度。 參照?qǐng)D2，加熱爐由爐架9、下爐12及上爐14組成，下爐12設(shè)在爐架9上，上爐14 設(shè)在下爐12上，下爐12及上爐14包括爐體，在爐體的前、后兩側(cè)分別設(shè)有碳硅棒，在爐體 的左、右兩側(cè)分別設(shè)有用于透射X射線的左觀察窗口 21、右觀察窗口 22。上下爐的爐膛18 聯(lián)通，且尺寸相等。通過(guò)熱電偶20和與熱電偶20相連的溫控儀精確控制并測(cè)量爐膛溫度， 范圍為50-1500°C 。 一般設(shè)定上爐為高溫區(qū)，溫度一般在650度以上，下爐為低溫區(qū)，溫度一 般在500度以下，這樣在上爐14和下爐12之間即形成了帶有可調(diào)溫度梯度的爐溫過(guò)渡區(qū)， 合金的兩相區(qū)即在此處，此處也是射線觀測(cè)區(qū)。通過(guò)設(shè)定高溫區(qū)與低溫區(qū)的溫度，理論上可 在觀測(cè)區(qū)實(shí)現(xiàn)30°C /mm的溫度梯度，實(shí)際上該裝置可達(dá)到溫度梯度為0_15°C /mm。為減少 X射線的衰減，在觀測(cè)區(qū)左右兩側(cè)開兩個(gè)個(gè)長(zhǎng)且窄的左右窗口貫穿爐體，窗口區(qū)域覆蓋上一 層隔熱云母片，阻斷爐膛與外界熱流交換，上爐爐膛內(nèi)加石墨均溫襯套，窗口位置與碳硅棒 位置互不干涉，擴(kuò)大了觀察范圍，便于實(shí)時(shí)觀測(cè)合金凝固過(guò)程固相區(qū)、液相區(qū)或兩相區(qū)域微 孔的演化。同英國(guó)帝國(guó)大學(xué)Lee的溫度梯度裝置不同，該裝置不僅結(jié)構(gòu)形式簡(jiǎn)單，還可實(shí)現(xiàn) 大的溫度梯度，而且觀測(cè)范圍大，而且成本很低。 參照?qǐng)D3，所述的微焦點(diǎn)X射線管與控制器13及X射線的圖像及數(shù)據(jù)分析系統(tǒng)15 被設(shè)在射線同步移動(dòng)裝置上，所述的射線同步移動(dòng)裝置包括基座25，在基座25上滑動(dòng)連接 有U形架29且U形架29能在基座25上進(jìn)行上下移動(dòng)，在U形架29上連接有主絲杠31 ，主 絲杠31連接于主電動(dòng)機(jī)23的輸出軸，在U形架29的左、右立臂上分別左平臺(tái)27、右平臺(tái) 33且左平臺(tái)27、右平臺(tái)33能在U形架29的左、右立臂進(jìn)行前后移動(dòng)，在左平臺(tái)27上設(shè)有 左滑塊24且左滑塊24與左平臺(tái)27之間為左右方向的滑動(dòng)連接，在左滑塊24上螺紋連接 有左絲杠37，左絲杠連接于左電機(jī)28的輸出軸，所述的微焦點(diǎn)X射線管與控制器13設(shè)在左 平臺(tái)27上；在右平臺(tái)33上設(shè)有右滑塊36且右滑塊36與右平臺(tái)33之間為左右方向的滑動(dòng) 連接，在右滑塊36上螺紋連接有右絲杠35，右絲杠連接于右電機(jī)32的輸出軸，所述的X射 線的圖像及數(shù)據(jù)分析系統(tǒng)15設(shè)在右平臺(tái)33上。射線同步移動(dòng)裝置是實(shí)現(xiàn)X-ray射線管與 圖像及分析系統(tǒng)在上下、前后方向同步移動(dòng)，便于跟蹤確定需要的觀測(cè)位置，改變觀測(cè)區(qū)域 的放大倍數(shù)。 下文將參照?qǐng)Dl，描述用來(lái)能實(shí)時(shí)觀測(cè)合金重熔與凝固過(guò)程中微孔演變行為的本 實(shí)用新型系統(tǒng)的當(dāng)前最佳實(shí)施例 其中 一 個(gè)實(shí)施例為將近共晶鋁硅合金試樣制成試樣船所需尺寸 (3mmX10mmX650mm)，置入試樣船ll，試樣船11通過(guò)銜接板6與升降臺(tái)5固定連接。開動(dòng) 感應(yīng)電機(jī)使得試樣船11可以按不同的速度上下移動(dòng)至所需位置，通過(guò)溫度控制柜打開上 爐14與下爐12開始升溫至所需溫度梯度(AG = 2.2°C/mm)加熱試樣船，使得位于爐子窗 口 24區(qū)域的試樣船內(nèi)的試樣自上而下熔化，升溫過(guò)程中通過(guò)微焦點(diǎn)X射線控制器控制微焦 點(diǎn)X射線管13按設(shè)定電壓(75KV)和功率(25W)發(fā)出射線，通過(guò)左右窗口穿透試樣船11，使 用圖像及數(shù)據(jù)分析系統(tǒng)15進(jìn)行捕捉與分析合金熔化過(guò)程中微孔缺陷的演變行為；溫度到 達(dá)設(shè)定溫度后開始通過(guò)水嘴10向試樣船11噴水冷卻，使得試樣船11內(nèi)的熔體按與重力相 反的方向向上定向凝固，使用X射線管同步移動(dòng)裝置(附圖3)尋找與確定兩相區(qū)區(qū)域，在 凝固過(guò)程中使用微焦點(diǎn)X射線成像系統(tǒng)捕捉微孔的形成行為。[0027] 圖5是實(shí)時(shí)觀測(cè)近共晶鋁硅合金重熔時(shí)選取的部分照片。圖5a是此區(qū)域還未熔 化時(shí)照片，圖中白色斑即是孔；圖5b是此區(qū)域上部重熔下部未熔時(shí)的照片，上部熔化區(qū)域 的孔均已消失，通過(guò)錄像分析發(fā)現(xiàn)是上浮消失，而不是溶解，下部未熔的孔仍保持不變；圖 5c是此區(qū)域全部重熔的照片，合金試樣原有的孔基本都消失。 圖6是實(shí)時(shí)觀測(cè)近共晶鋁硅合金凝固時(shí)選取的部分照片。圖6a是凝固前的射線 照片，圖中沒(méi)有孔；圖6b是凝固開始(凝固方向向上)時(shí)的照片，圖中在某些位置析出了少 量小氣孔；圖6c是新孔大量析出并且長(zhǎng)大的照片；圖6d是凝固結(jié)束時(shí)的照片，圖中的孔均 為氣孔，先析出的孔尺寸較后析出的孔大。
權(quán)利要求一種合金重熔與凝固中的微孔演化實(shí)時(shí)成像裝置，包括升降裝置、加熱爐、微焦點(diǎn)X射線管與控制器(13)及用于接收并處理微焦點(diǎn)X射線管發(fā)射并穿過(guò)合金試樣的X射線的圖像及數(shù)據(jù)分析系統(tǒng)(15)，在升降裝置的升降臺(tái)(5)上設(shè)有試樣船(11)，試樣船(11)位于加熱爐的爐膛內(nèi)，其特征在于所述的試樣船(11)由U形框(40)及前蒙皮(41)、后蒙皮(42)組成，前蒙皮(41)、后蒙皮(42)分別貼合在U形框(40)的前后兩側(cè)，并由U形框(40)及前蒙皮(41)、后蒙皮(42)圍合形成試樣空腔(44)，用螺釘(38)緊固，所述U形框(40)的開口向上。
2. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的合金重熔與凝固中的微孔演化實(shí)時(shí)成像裝置，其特征在于 在試樣船(11)設(shè)有冷卻裝置，所述冷卻裝置由水嘴(10)及水槽(8)組成，水嘴(10)朝向試樣船(ll)，水槽(8)設(shè)在試樣船(11)的下端并位于水嘴(10)的下方，在水槽(8)上 設(shè)有出水管(7)。
3. 根據(jù)權(quán)利要求1或2所述的合金重熔與凝固中的微孔演化實(shí)時(shí)成像裝置，其特征在于加熱爐由爐架(9)、下爐(12)及上爐(14)組成，下爐(12)設(shè)在爐架(9)上，上爐(14) 設(shè)在下爐(12)上，下爐(12)及上爐(14)包括爐體，在爐體的前、后兩側(cè)分別設(shè)有碳硅棒， 在爐體的左、右兩側(cè)分別設(shè)有用于透射X射線的左觀察窗口 (21)、右觀察窗口 (22)。
4. 根據(jù)權(quán)利要求3所述的合金重熔與凝固中的微孔演化實(shí)時(shí)成像裝置，其特征在于 所述的微焦點(diǎn)X射線管與控制器(13)及X射線的圖像及數(shù)據(jù)分析系統(tǒng)(15)被設(shè)在射線同步移動(dòng)裝置上，所述的射線同步移動(dòng)裝置包括基座(25)，在基座(25)上滑動(dòng)連接有U 形架(29)且U形架(29)能在基座(25)上進(jìn)行上下移動(dòng)，在U形架(29)上連接有主絲杠 (31)，主絲杠(31)連接于主電動(dòng)機(jī)(23)的輸出軸，在U形架(29)的左、右立臂上分別左平 臺(tái)(27)、右平臺(tái)(33)且左平臺(tái)(27)、右平臺(tái)(33)能在U形架(29)的左、右立臂進(jìn)行前后 移動(dòng)，在左平臺(tái)(27)上設(shè)有左滑塊(24)且左滑塊(24)與左平臺(tái)(27)之間為左右方向的 滑動(dòng)連接，在左滑塊(24)上螺紋連接有左絲杠(37)，左絲杠連接于左電機(jī)(28)的輸出軸， 所述的微焦點(diǎn)X射線管與控制器(13)設(shè)在左平臺(tái)(27)上；在右平臺(tái)(33)上設(shè)有右滑塊 (36)且右滑塊(36)與右平臺(tái)(33)之間為左右方向的滑動(dòng)連接，在右滑塊(36)上螺紋連接 有右絲杠(35)，右絲杠連接于右電機(jī)(32)的輸出軸，所述的X射線的圖像及數(shù)據(jù)分析系統(tǒng) (15)設(shè)在右平臺(tái)(33)上。
專利摘要一種合金重熔與凝固中的微孔演化實(shí)時(shí)成像裝置，包括升降裝置、加熱爐、微焦點(diǎn)X射線管與控制器及用于接收并處理微焦點(diǎn)X射線管發(fā)射并穿過(guò)合金試樣的X射線的圖像及數(shù)據(jù)分析計(jì)算機(jī)，在升降裝置的升降臺(tái)上設(shè)有試樣船，試樣船位于加熱爐的爐膛內(nèi)，所述的試樣船由U形框及前蒙皮、后蒙皮組成，前蒙皮、后蒙皮分別貼合在U形框的前后兩側(cè)，并由U形框及前蒙皮、后蒙皮圍合形成試樣空腔，所述U形框的開口向上。本實(shí)用新型具有低成本、易拆卸、易安裝的試樣船，達(dá)到理想的冷卻效果，適于合金的重熔與凝固；設(shè)計(jì)有同步移動(dòng)裝置，實(shí)現(xiàn)跟蹤觀察；可方便的觀察合金重熔與凝固時(shí)微孔的演變過(guò)程。
文檔編號(hào)G01N23/04GK201464385SQ20092004439
公開日2010年5月12日 申請(qǐng)日期2009年6月5日 優(yōu)先權(quán)日2009年6月5日
發(fā)明者廖恒成, 潘冶, 王慧萍, 趙磊 申請(qǐng)人:東南大學(xué)