一种实时测定定向凝固过程中模壳内温度的系统和方法.pdf

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1、(10)申请公布号 CN 104236738 A (43)申请公布日 2014.12.24 CN 104236738 A (21)申请号 201410511126.5 (22)申请日 2014.09.29 G01K 7/04(2006.01) (71)申请人 江苏大学 地址 212013 江苏省镇江市京口区学府路 301 号 (72)发明人 贾志宏 张岩 赵玉涛 孙少纯 徐亮 张力 张若寰 郭海斌 (74)专利代理机构 南京经纬专利商标代理有限 公司 32200 代理人 楼高潮 (54) 发明名称 一种实时测定定向凝固过程中模壳内温度的 系统和方法 (57) 摘要 本发明提供了一种定向凝固炉在。

2、升温、 保温、 抽拉过程中模壳内高温合金温度的实时测温系 统和方法。测温系统包括热电偶、 固定装置、 连 接盘、 导线、 数据记录装置， 热电偶包括粗细两根 陶瓷管和 B 型热电偶丝， 粗陶瓷管为单孔、 细陶瓷 管为双孔 ； 固定装置固定在定向凝固炉的水冷铜 盘上， 其上有上下两个夹子 ； 连接盘包括不锈钢 法兰盘、 铜柱、 紧固螺母、 密封套筒、 密封套、 密封 圈 ； 导线为导电铜线 ； 数据记录系统为多通道、 多 类型温度记录仪。该测温系统成本低， 精度高， 解 决了定向凝固过程中模壳内温度场不易测定的难 题， 记录的数据可以输出， 便于研究。 (51)Int.Cl. 权利要求书 2 页。

3、 说明书 3 页 附图 3 页 (19)中华人民共和国国家知识产权局 (12)发明专利申请 权利要求书2页 说明书3页 附图3页 (10)申请公布号 CN 104236738 A CN 104236738 A 1/2 页 2 1. 一种实时测定定向凝固过程中模壳内温度的系统， 其特征在于 ： 所述系统包括热电 偶、 固定装置、 连接盘和信息采集装置 ； 热电偶由粗细两根纯刚玉陶瓷管和 B 型热电偶丝组成， 热电偶丝插入双孔细陶瓷管， 双孔细陶瓷管一端热电偶丝正负极焊接在一起， 单孔粗陶瓷管一端焊死， 套在热电偶丝正 负极焊在一起的双孔细陶瓷管的一端， 单孔粗陶瓷管短于细陶瓷管 ； 热电偶下端通。

4、过固定装置固定在定向凝固炉的水冷铜盘上， 上端则插入定向凝固用的 模壳内使之与金属液接触 ； 连接盘有两个， 第一连接盘在定向凝固炉内， 固定在定向凝固抽拉装置上 ； 第二连接盘 固定在定向凝固炉测温孔处 ； 热电偶正负极金属丝分别与第一连接盘的一端连接 ； 第一连接盘的另一端则通过导线 与第二连接盘的一端连接 ； 第二连接盘的另一端则通过导线与数据记录装置连接。 2. 如权利要求 1 所述的一种实时测定定向凝固过程中模壳内温度的系统， 其特征在 于 ： 所述固定装置由市售普通铁管卡和不锈钢夹子组成， 铁管卡尺寸由定向凝固炉水冷铜 盘确定， 铁管卡卡在水冷铜盘上， 不锈钢夹子用铜丝固定在铁管卡。

5、上， 不锈钢夹子的上夹子 固定单孔粗陶瓷管， 不锈钢夹子的下夹子固定双孔细陶瓷管， 能够随时调整夹子的位置， 以 便于更好的固定两根陶瓷管。 3. 如权利要求 1 所述的一种实时测定定向凝固过程中模壳内温度的系统， 其特征在 于 ： 单孔粗陶瓷管短于细陶瓷管 2-3cm。 4. 如权利要求 1 所述的一种实时测定定向凝固过程中模壳内温度的系统， 其特征在 于 ： 连接盘由不锈钢法兰盘、 铜柱、 紧固螺母、 密封套、 密封套筒、 密封圈构成 ； 铜柱插入不 锈钢法兰盘预留孔中， 铜柱上的紧固、 密封件上下对称， 铜柱上半部分依次为两个紧固螺 母、 密封套、 密封圈、 密封套筒 ； 密封圈为橡胶圈。

6、、 密封套和密封套筒由绝缘材料制成 ； 热电 偶正负极金属丝分别接在炉内连接盘上表面的两个突出铜柱上， 由紧固螺母固定。 5. 如权利要求 1 所述的一种实时测定定向凝固过程中模壳内温度的系统， 其特征在 于 ： 导线选择为0.5至3平方耐火铜导线， 铜导线正负极一端接在第一连接盘下表面的两个 突出铜柱上， 另一端连接在炉子测温孔处第二连接盘内表面铜柱上， 第二连接盘外表面铜 柱通过铜导线与数据记录装置连接。 6. 如权利要求 1 所述的一种实时测定定向凝固过程中模壳内温度的系统， 其特征在 于 ： 所述数据记录系统为多通道、 多类型、 数据记录频率最大要达到 1 秒的温度记录仪。 7. 如权。

7、利要求 1 所述的一种实时测定定向凝固过程中模壳内温度的系统， 其特征在 于 ： 所述 B 型热电偶丝选择 0.150.6mm 规格。 8. 如权利要求 1 所述的一种实时测定定向凝固过程中模壳内温度的系统， 其特征在 于 ： 所用粗陶瓷管为单孔， 可选内径 0.51.3mm、 外径 12.5mm ； 细陶瓷管为双孔， 可选内径 0.20.7mm、 外径 12mm ； 在选用时粗细陶瓷管要相匹配， 同时也要与热电偶丝匹配。 9. 使用如权利要求 1 所述系统实时测定定向凝固过程中模壳内温度的方法， 其特征在 于具体步骤如下 ： 定向凝固炉抽真空前， 先把固定装置和连接盘固定好， 然后把模壳放到。

8、水 冷铜盘上， 再把粗陶瓷管焊死的一端插入模壳内适当位置， 粗陶瓷管另一端通过固定装置 的上夹子固定， 接着把带有热电偶丝焊点的细陶瓷管轻轻插入粗陶瓷管， 保证细陶瓷管中 热电偶丝焊点与粗陶瓷管不接触， 然后细陶瓷管另一端通过固定装置中的下夹子固定 ； 细 权 利 要 求 书 CN 104236738 A 2 2/2 页 3 陶瓷管另一端伸出的热电偶丝分别接在第一连接盘上表面的两个突出铜柱上， 由紧固螺母 固定 ； 铜导线正负极一端接在第一连接盘下表面的两个突出铜柱上， 另一端连接在第二连 接盘内表面铜柱上， 第二连接盘外表面铜柱通过铜导线与数据记录装置连接 ； 定向凝固炉 开始工作， 当炉子。

9、内的保温加热器开始工作时， 打开数据采集装置， 温度升高到 200时， 热 电偶开始工作， 数据采集装置开始采集数据， 同时可以在装置的液晶显示器上观察温度， 结 束后把数据拷贝出进行分析。 权 利 要 求 书 CN 104236738 A 3 1/3 页 4 一种实时测定定向凝固过程中模壳内温度的系统和方法 0001 技术领域 0002 本发明涉及定向凝固温度检测技术领域， 特别是涉及一种定向凝固过程中模壳内 高温合金温度实时测定的系统和方法。 背景技术 0003 随着航空发动机及燃气轮机制造技术的发展， 制造高性能、 长寿命的定向凝固叶 片成为我国高新技术制造产业发展的关键技术之一 ； 而。

10、单晶高温合金叶片的应用， 使航空 发动机涡轮前温度大幅度提高， 推力增大， 油耗降低 ； 在定向凝固过程中， 温度场变化对单 晶叶片的生长起着决定性的作用， 而定向凝固过程中模壳内高温合金实时温度的测定对温 度场控制技术是至关重要的。 0004 目前， 金属液测温常用的测温方式， 一种是间接式测温， 即通过观察孔， 用光学高 温计、 红外测温仪， 间接测定金属液表面的温度， 此种测温方式受环境 ( 如观察孔玻璃的 材质、 附着污垢， 液面的熔融状态等条件 ) 影响， 测出的温度都是合金液表面温度， 不仅测 出的结果误差较大， 且无法得到合金液内部温度 ； 另一种是直接式测温， 即把测温装置 （。

11、一 般为铠装热电偶） 插入到合金液内部进行测温， 此种测温方法受测温环境影响较小， 精确度 高。 但定向凝固过程都在定向凝固炉中， 高温合金熔体浇注在模壳内， 热电偶需要插入模壳 内使之与合金液接触， 市场所售成品铠装热电偶保护管很粗大， 很难满足定向凝固模壳内 合金液的测温要求。 0005 本发明针对定向凝固过程中模壳内合高温合金液不易被测定的现状而开发， 具有 简便实用、 成本低、 精确度高、 测温范围大 （200 1800） 等优点， 并可以长时间进行高温 测量， 获得定向凝固过程中合金内部温度场的实时变化， 对研究定向凝固过程温度场及其 对定向凝固组织的控制， 优化工艺， 改善定向凝固。

12、组织性能都具有重要作用。 发明内容 0006 本发明的目的在于提供一种低成本、 简便实用、 测量精度高的实时测定定向凝固 过程中模壳内高温合金温度的系统和方法。 0007 本发明采用的测温系统， 包括热电偶、 固定装置、 连接盘和信息采集装置。 0008 （1） 热电偶由粗细两根纯刚玉陶瓷管和 B 型热电偶丝组成， 热电偶丝插入双孔细 陶瓷管， 双孔细陶瓷管一端热电偶丝正负极焊接在一起， 单孔粗陶瓷管一端焊死， 套在热电 偶丝正负极焊在一起的双孔细陶瓷管的一端， 单孔粗陶瓷管短于细陶瓷管 2-3cm。 0009 其中 B 型热电偶丝粗细对测温精度几乎无影响， 过细影响使用寿命， 过粗影响定 向。

13、凝固， 一般可选择 0.150.6mm 规格。 0010 陶瓷管不可过粗， 过粗影响定向凝固， 所用粗陶瓷管为单孔， 可选内径 0.51.3mm、 外径 12.5mm ； 细陶瓷管为双孔， 可选内径 0.20.7mm、 外径 12mm ； 在选用时粗细陶瓷管要 说 明 书 CN 104236738 A 4 2/3 页 5 相匹配， 同时也要与热电偶丝匹配。 （2） 热电偶下端通过固定装置固定在定向凝固炉的水冷铜盘上， 上端则插入定向凝固 用的模壳内使之与金属液接触。 0011 （3） 连接盘由不锈钢法兰盘、 铜柱、 紧固螺母、 密封套、 密封套筒、 密封圈构成。 0012 连接盘有两个， 第一。

14、连接盘在定向凝固炉内， 用螺丝固定在定向凝固抽拉装置上 ； 第二连接盘在定向凝固炉测温孔处， 用螺丝固定。 0013 铜柱插入不锈钢法兰盘预留孔中， 铜柱上的紧固、 密封件上下对称， 铜柱上半部分 依次为两个紧固螺母、 密封套、 密封圈、 密封套筒， 如图 3 所示 ； 密封圈为橡胶圈、 密封套和 密封套筒由绝缘材料制成 ； 热电偶正负极金属丝分别接在炉内连接盘上表面的两个突出铜 柱上， 由紧固螺母固定。 0014 （4） 导线可选择为0.5至3平方耐火铜导线， 铜导线正负极一端接在第一连接盘下 表面的两个突出铜柱上， 另一端连接在炉子测温孔处第二连接盘内表面铜柱上， 第二连接 盘外表面铜柱通。

15、过铜导线与数据记录装置连接。 0015 （5） 数据记录系统为多通道、 多类型、 数据记录频率最大要达到 1 秒的温度记录 仪。 0016 所述固定装置由市售普通铁管卡和不锈钢夹子组成， 铁管卡尺寸由定向凝固炉水 冷铜盘确定， 铁管卡卡在水冷铜盘上， 不锈钢夹子用铜丝固定在铁管卡上， 可以随时调整夹 子的位置， 以便于更好的固定两根陶瓷管 ； 不锈钢夹子的上夹子固定单孔粗陶瓷管， 不锈钢 夹子的下夹子固定双孔细陶瓷管。 0017 本发明所示技术方案具有如下优点 ： 实现定向凝固过程中对模壳内高温合金温度 场的长时间追踪， 数据记录装置对温度的记录间隔为 1 秒， 可以精确记录整个凝固过程中 温。

16、度场变化的每一个细节 ； 简便实用、 成本低、 精度高。 附图说明 0018 图 1 是实时测定定向凝固过程中模壳内高温合金温度系统的示意图。 0019 图 2 是热电偶示意图。 0020 图 3 是连接盘示意图。 0021 图中 ： 1.粗陶瓷管焊死端、 2.热电偶丝正负极焊接点、 3.单孔粗陶瓷管、 4.双孔细 陶瓷管、 5. 正极热电偶丝、 6. 负极热电偶丝 7. 固定装置、 8. 密封套、 9. 铜柱 10. 紧固螺母、 11.不锈钢法兰盘12.密封套筒、 13.密封圈、 14.漏斗、 15.上炉体、 16.保温加热器、 17. 数 据采集装置、 18. 模壳、 19. 热电偶、 2。

17、0. 第二连接盘、 21. 水冷铜盘、 22. 第一连接盘、 23. 铜 导线、 24. 下炉体。 具体实施方式 0022 下面结合附图对本发明作进一步说明。 0023 本发明采用的技术方案， 包括热电偶、 固定装置、 连接盘、 导线、 数据记录装置。 0024 热电偶包括单孔粗陶瓷管 3、 双孔细陶瓷管 4 和 B 型热电偶丝、 粗陶瓷管焊死端 1、 热电偶丝正负极焊接点 2 ； 固定装置 7 固定在定向凝固炉的水冷铜盘上， 其上有固定粗细陶 瓷管的上下两个夹子 ； 第一连接盘22固定在定向凝固炉抽拉装置上， 第二连接盘20固定在 说 明 书 CN 104236738 A 5 3/3 页 6。

18、 定向凝固炉的测温孔处， 连接盘包括密封套 8、 铜柱 9、 紧固螺母 10、 不锈钢法兰盘 11、 密封 套筒 12、 密封圈 13。 0025 本实施例子采用直径 0.2mm 的 B 型热电偶丝， 单孔粗陶瓷管 3 外径 2.5mm、 内径 1.3mm ； 双孔细陶瓷管 4 外径为 1.2mm、 内径为 0.3mm ； 热电偶中热电偶丝正负极分别插入双 孔细陶瓷管 4， 双孔细陶瓷管 4 一端热电偶丝正负极焊接在一起形成热电偶丝正负极焊接 点 2， 单孔粗陶瓷管 3 一端焊死形成 . 粗陶瓷管焊死端 1， 套在热电偶丝正负极焊在一起的 双孔细陶瓷管 4 一端 （粗陶瓷管短于细陶瓷管 2-3。

19、cm） ， 保护正负极焊接点， 套有粗陶瓷管的 一端插入模壳 ； 固定装置7固定在定向凝固炉的水冷铜盘上， 单孔粗陶瓷管3由固定装置的 上夹子固定， 双孔细陶瓷管 4 由固定装置的下夹子固定 ； 热电偶另一端正负极热电偶丝分 别接在第一连接盘 22 上表面的两个突出铜柱 9 上， 由紧固螺母固定 ； 铜导线 23 为 1.5 平方 耐火云母铜导线， 铜导线正负极一端接在第一连接盘 22 下表面的两个突出铜柱 9 上， 另一 端连接在第二连接盘 20 内表面铜柱 9 上， 第二连接盘 20 外表面铜柱 9 通过铜导线 23 与数 据采集装置 17 连接， 数据采集装置 17 选用上海大华仪表厂生。

20、产的 EX4B-10 温度记录仪。 0026 本装置的工作过程 ： 定向凝固炉抽真空前， 先把固定装置和连接盘固定好， 然后把 模壳放到水冷铜盘上， 再把粗陶瓷管焊死的一端插入模壳内适当位置， 粗陶瓷管另一端通 过固定装置的上夹子固定， 接着把带有热电偶丝焊点的细陶瓷管轻轻插入粗陶瓷管， 保证 细陶瓷管中热电偶丝焊点与粗陶瓷管不接触， 然后细陶瓷管另一端通过固定装置中的下夹 子固定 ； 细陶瓷管另一端伸出的热电偶丝分别接在第一连接盘上表面的两个突出铜柱上， 由紧固螺母固定 ； 铜导线正负极一端接在第一连接盘下表面的两个突出铜柱上， 另一端连 接在第二连接盘内表面铜柱上， 第二连接盘外表面铜柱通过铜导线与数据记录装置连接 ； 定向凝固炉开始工作， 当炉子内的保温加热器开始工作时， 打开数据采集装置， 温度升高到 200时， 热电偶开始工作， 数据采集装置开始采集数据， 同时可以在装置的液晶显示器上 观察温度， 结束后把数据拷贝出进行分析。 说 明 书 CN 104236738 A 6 1/3 页 7 图 1 说 明 书 附 图 CN 104236738 A 7 2/3 页 8 图 2 说 明 书 附 图 CN 104236738 A 8 3/3 页 9 图 3 说 明 书 附 图 CN 104236738 A 9 。