一种熔模铸造用陶瓷材料性能表征装置及其使用方法与流程

本发明涉及精密铸造领域，具体为一种高温合金和钛铝合金精密铸造用陶瓷材料性能表征装置及其使用方法，适于模拟陶瓷铸型使用条件下的受热、力状态，检测铸型受热-力冲击后的退让性。

背景技术：

陶瓷型芯和陶瓷型腔是制备航空发动机空心叶片必要附属品，其性能优劣直接影响空心叶片性能。随着对航空发动机推重比要求的提高，基于流动力学和传热力学基本原理，发动机叶片内腔设计越来越复杂，从而对型芯的性能提出更加严格的要求，故如何对陶瓷铸型进行更加智能化性能表征成为技术急需解决的问题之一。针对高温合金和钛铝合金精密铸造过程中对陶瓷铸型，尤其是铸型中型芯部分，抗热震性和退让性的需求，提出近浇注条件下整体铸型抗热震性和退让性的表征方法；搭建能够实现快速加载、快速升降温且可实时监测待测样品变形状态的装置，模拟铸型使用条件下的受热、力状态，检测铸型受热-力冲击后的残余强度(即退让性)，建立整体铸型抗热震性和退让性的测试标准，形成陶瓷铸型服役过程中关键力学性能的测定依据。

整体铸型在使用过程中，会经受急剧升温、大温度梯度的热冲击和高温熔体的机械冲击，且在熔体凝固过程中，由于陶瓷热膨胀系数与金属材料凝固收缩率不匹配，铸型受到压应力而铸件受到拉应力。如果铸型没有足够的退让性，将导致铸件凝固时发生热裂或在后续热处理时产生再结晶。因此，如何表征铸型的抗热震性和退让性，并建立相应的评价方法以满足精密铸造的使用要求，是保证整体铸型满足铸造要求的关键。

技术实现要素：

本发明的目的在于提供一种熔模铸造用陶瓷材料性能表征装置及其使用方法，基于铸型的实际使用环境，构建出集抗热震性和退让性智能化检测为一体的新型整体铸型性能检测装置，实现整体铸型关键性能的量化表征，并建立相应的评价方法以满足精密铸造的使用要求。

为了实现上述目的，本发明的技术方案如下：

一种熔模铸造用陶瓷材料性能表征装置，该装置包括试样回收机构、推样机构、加热温控机构、加压传动机构，推样机构放置在支架二上，加热温控机构固定在底座上表面，推样机构位于加热温控机构的进口一侧，推样机构通过推杆与加热温控机构内的载样滑板相对应；加压机构分布在加热炉内部和底座下，加压机构通过加压辅具伸至加热温控机构内、与载样滑板上的陶瓷素胚相对应，加压机构通过门式立柱固定安装于底座；回收机构放置在支架一上，回收机构位于加热温控机构的出口一侧。

所述的熔模铸造用陶瓷材料性能表征装置，推样机构、加热温控机构、加压传动机构、回收机构分别与装置的计算机相连。

所述的熔模铸造用陶瓷材料性能表征装置，推样机构由推杆、底板、步进电机、陶瓷素胚、载样滑板构成，其中：载样滑板安装在底板上表面，并与底板呈滑动配合，载样滑板前端设有一槽型结构，陶瓷素胚通过人工放置在载样滑板的槽型结构内，推杆放置在底板上表面，推杆的一端安装步进电机，推杆的另一端与载样滑板相对应。

所述的熔模铸造用陶瓷材料性能表征装置，加热温控机构由加热炉、炉门塞砖、纤维内衬、温度控制器、加热电阻丝构成，加热炉固定放置在底座上，纤维内衬设置在加热炉内壁，温度控制器在加热炉外与加热电阻丝以导线相连接，加热电阻丝水平放置在加热炉内，加热炉的炉门处设置炉门塞砖。

所述的熔模铸造用陶瓷材料性能表征装置，加压传动机构由固定梁、加压辅具、滚珠丝杆、移动梁、门式立柱、同步齿轮系、减速器、伺服电机、电机底座、压头构成，其中：门式立柱含竖向相对平行设置的两个中空柱形结构，固定梁、移动梁上下安装在门式立柱的上部，共同构成门式结构，固定梁、移动梁位于两个中空柱形结构之间，固定梁与两个中空柱形结构固定连接，移动梁与两个中空柱形结构呈滑动配合；两个中空柱形结构内分别安装滚珠丝杆，滚珠丝杆与移动梁通过滚珠丝杆外螺纹啮合，滚珠丝杆下部与同步齿轮系连接；同步齿轮系采用三个齿轮互相啮合，中心大齿轮为主动轮，两侧小齿轮为从动轮，滚珠丝杆与同步齿轮系的小齿轮通过键连接，同步齿轮系的中心大齿轮与减速器通过轴连接，减速器又与伺服电机通过轴连接，减速器和伺服电机安装在电机底座上表面；加压辅具固定安装在移动梁中心，加压辅具最下端通过楔形槽安装压头。

所述的熔模铸造用陶瓷材料性能表征装置，还包括数据采集机构，数据采集机构由电阻应变片、导线、数据采集器构成，电阻应变片均布在加压传动机构的压头两侧，数据采集器固定安装在加热炉外壁上表面，导线穿加热炉顶部的加热辅具安装孔连接电阻应变片和数据采集器。

所述的熔模铸造用陶瓷材料性能表征装置，试样回收机构由回收仓、连接仓、耐热材料层构成，回收仓固定在支架一上，连接仓安装于回收仓和加热炉之间，耐热材料层设置在回收仓内壁。

所述的熔模铸造用陶瓷材料性能表征装置的使用方法，利用熔模铸造用陶瓷材料性能表征装置，进行高温环境下熔模铸造用陶瓷材料三点受力的断裂强度试验；试验前，人工将陶瓷素胚安装在载样滑板槽型结构上，之后装置在计算机的控制下进行全自动试验；试验过程中，加热温控机构首先启动进行炉内升温，达到指定温度后开始保温，推样机构开始工作，将陶瓷素胚送进加热炉内，直至试验完毕陶瓷素胚推到回收仓，推杆重新回到初始位置后，关闭熔模铸造用陶瓷材料性能表征装置。

所述的熔模铸造用陶瓷材料性能表征装置的使用方法，具体步骤如下：

(1)手动将所述陶瓷素胚安装在载样滑板槽型结构上，然后打开熔模铸造用陶瓷材料性能表征装置总电源，在计算机控制端启动熔模铸造用陶瓷材料性能表征装置，进行自动试验；

(2)加热炉开始以200～400℃/h速度加热升温，到达指定温度进行保温，此时步进电机开始工作，带动推杆运送陶瓷素胚、载样滑板至加热炉内，保温20～40min；

(3)到达保温时间后，伺服电机开始工作，经过减速器减速，带动同步齿轮系的中心大齿轮开始转动，两侧小齿轮也开始同步转动，滚珠丝杆在小齿轮的带动下开始转动，与滚珠丝杆相连的移动梁进行向下垂直移动，加压辅具和压头跟随移动梁开始向下恒速加荷；

(4)加荷完毕后，陶瓷素胚会发生弯曲变形直至断裂，压头表面贴附的电阻应变片会产生电信号，通过导线，传输至信号采集器，并在计算机端记录绘制“温度、应力、应变、时间”关系曲线，记录并绘制“温度-时间”、“应力-时间”“应力-应变”曲线，并计算抗折强度；

(5)试验完毕后，步进电机开始正转，继续向前移动，将陶瓷素胚经过连接仓推送至回收仓内，卸下陶瓷素胚和载样滑板后，载样滑板进入回收仓，在回收仓内自然冷却，冷却后的载样滑板从回收仓内取出，用于进行下次试验，步进电机开始反转，带动推杆向反方向运动，直至回到装样位置。

所述的熔模铸造用陶瓷材料性能表征装置的使用方法，利用计算机端实现除装样外的过程全自动控制，加荷应力控制采用力值反馈双pid电子伺服机械调速控制，实现不同加荷速度进行恒位移加荷。

本发明的设计思想是：

针对高温合金和钛铝合金精密铸造过程中对陶瓷铸型，尤其是铸型中型芯部分，抗热震性和退让性的需求，本发明提出近浇注条件下整体铸型抗热震性和退让性的表征方法；搭建能够实现快速加载、快速升降温且可实时监测待测样品变形状态的装置，模拟铸型使用条件下的受热、力状态，检测铸型受热-力冲击后的残余强度(即退让性)，建立整体铸型抗热震性和退让性的测试标准，形成陶瓷铸型服役过程中关键力学性能的测定依据。整体铸型在使用过程中，会经受急剧升温、大温度梯度的热冲击和高温熔体的机械冲击，且在熔体凝固过程中，由于陶瓷热膨胀系数与金属材料凝固收缩率不匹配，铸型受到压应力而铸件受到拉应力。如果铸型没有足够的退让性，将导致铸件凝固时发生热裂或在后续热处理时产生再结晶。因此，如何表征铸型的抗热震性和退让性，并建立相应的评价方法以满足精密铸造的使用要求，是保证整体铸型满足铸造要求的关键。

本发明的优点及有益效果是：

1、本发明更真实模拟和检测近浇注条件下整体铸型的抗热震性和退让性。

2、本发明消除了试验过程中出现的不压样、跳样现象。

3、本发明中的两种滑板，一种用于应力应变实验，一种用于残余应力强度实验。采用专用回收仓，里面铺设耐热材料层，实验结束后滑板进入回收仓，在仓内自然冷却，冷却后滑板可从回收仓内取出，进行下次试验循环利用特点更加绿色。

4、本发明采用高效节能全纤维内衬，升温快，保温效果好，超级节能。

5、本发明试样(陶瓷素胚)可以由室温进入高温区，保温后进行测试，实现连续测试；亦可将多个试样放置加热炉中，随炉升温后测试每个试样的性能。

6、本发明测试装置中，应力应变测试方式为加热炉恒温后，单个试样由室温推送至高温区，保温后按规定的加荷速率进行三点应力测试，可连续送样进行测试，同时可连续测试试样的最大挠度处的形变。

7、本发明测试装置中，退让性测试方法为试样由室温按规定升温速率加热至试验温度，恒温后，炉温降至第二目标测试温度(降温速率小于加热炉自然降温速率)，按规定的加荷速率进行三点抗折强度测试。

附图说明

图1是本发明的结构示意图(主视图)。

图2是本发明的结构示意图(纵剖面)。

图3是本发明三点弯曲试验机构的结构示意图(图1中c处的局部视图)。

图中：1-回收仓；2-连接仓；3-加热炉；4-炉门塞砖；5-推杆；6-底板；7-步进电机；8-支架一；9-底座；10-支架二；11-固定梁；12-加压辅具；13-滚珠丝杆；14-移动梁；15-门式立柱；16-数据采集器；17-纤维内衬；18-同步齿轮系；181-中心大齿轮；182-小齿轮；19-减速器；20-伺服电机；21-电机底座；22-耐热材料层；23-导线；24-压头；25-电阻应变片；26-陶瓷素胚；27-载样滑板；28-加热电阻丝；29-试样回收机构；30-推样机构；31-加热温控机构；32-加压传动机构；33-数据采集机构。

图4是利用本发明的三维建模透视试图。

具体实施方式

下面，结合附图对本发明进行详细描述。

如图1-图4所示，本发明熔模铸造用陶瓷材料性能表征装置，为一种测试、研究熔模铸造用陶瓷材料高温环境下三点受力条件下的断裂强度的装置，该装置包括试样回收机构29、推样机构30、加热温控机构31、加压传动机构32、数据采集机构33，推样机构30放置在支架二10上，加热温控机构31固定在底座9上表面，推样机构30位于加热温控机构31的进口一侧，推样机构30通过推杆5与加热温控机构31内的载样滑板27相对应；加压机构32分布在加热炉3内部和底座9下，加压机构32通过加压辅具12伸至加热温控机构31内、与载样滑板27上的陶瓷素胚26相对应，加压机构32通过门式立柱15固定安装于底座9；回收机构33放置在支架一8上，回收机构33位于加热温控机构31的出口一侧；推样机构30、加热温控机构31、加压传动机构32、回收机构33分别与装置的计算机相连，使其实现自动升温、试件送进、加压试验、试件回收的一体化控制。

所述推样机构30由推杆5、底板6、步进电机7、陶瓷素胚26、载样滑板27构成，其中：载样滑板27安装在底板6上表面，并与底板6呈滑动配合，载样滑板27前端设有一槽型结构，陶瓷素胚26通过人工放置在载样滑板27的槽型结构内，推杆5放置在底板6上表面(涂抹适当润滑脂)，推杆5的一端安装步进电机7，推杆5的另一端与载样滑板27相对应。当加热炉3温度加热至指定温度后，步进电机7收到计算机的信号后开始工作，带动推杆5使载样滑板27向加热炉3的方向移动。待试验完毕后，推样机构30又会收到计算机的传输信号继续向前推进，将陶瓷素胚26送至回收仓1并自动返回初始位置，见图2和图3。

所述加热温控机构31由加热炉3、炉门塞砖4、纤维内衬17、温度控制器、加热电阻丝28构成，加热炉3固定放置在底座9上，纤维内衬17设置在加热炉3内壁，温度控制器在加热炉3外与加热电阻丝28以导线相连接，加热电阻丝28水平放置在加热炉3内，加热炉3的炉门处设置炉门塞砖4，炉门塞砖4起到封闭加热炉3和隔热作用，并尽可能保证加热炉内温度保持在设置的温度范围，见图1和图3。

所述加压传动机构32是进行三点受力条件下的断裂强度试验的主要工作部件，主要由固定梁11、加压辅具12、滚珠丝杆13、移动梁14、门式立柱15、同步齿轮系18、减速器19、伺服电机20、电机底座21、压头24构成，其中：门式立柱15含竖向相对平行设置的两个中空柱形结构，固定梁11、移动梁14上下安装在门式立柱15的上部，共同构成门式结构，固定梁11、移动梁14位于两个中空柱形结构之间，固定梁11与两个中空柱形结构固定连接，移动梁14与两个中空柱形结构呈滑动配合。两个中空柱形结构内分别安装滚珠丝杆13，滚珠丝杆13与移动梁14通过滚珠丝杆外螺纹啮合，滚珠丝杆13下部与同步齿轮系18连接，同步齿轮系18采用三个齿轮互相啮合，中心大齿轮181为主动轮，两侧小齿轮182为从动轮，滚珠丝杆13与同步齿轮系18的小齿轮182通过键连接，同步齿轮系18的中心大齿轮181与减速器19通过轴连接，减速器19又与伺服电机20通过轴连接，减速器19和伺服电机20安装在电机底座21上表面。加压辅具12固定安装在移动梁14中心，加压辅具12最下端通过楔形槽安装压头24，见图1和图3。

所述数据采集机构33由电阻应变片25、导线23、数据采集器16构成，电阻应变片25均布在加压传动机构32的压头24两侧，数据采集器16固定安装在加热炉3外壁上表面，导线23穿加热炉3顶部的加热辅具12安装孔，将电阻应变片25和数据采集器16连接，用于陶瓷素胚26的应变数据的采集工作，见图3。

所述试样回收机构29由回收仓1、连接仓2、耐热材料层22构成，回收仓1固定在支架一8上，连接仓2安装于回收仓1和加热炉3之间，耐热材料层22设置在回收仓1内壁，用于保护回收仓1不被高温陶瓷素胚26损伤，见图1。

实施例

如图1-图4所示，利用本发明熔模铸造用陶瓷材料性能表征装置，进行高温环境下熔模铸造用陶瓷材料三点受力的断裂强度试验。试验前，需人工将陶瓷素胚26安装在载样滑板27槽型结构上，之后装置在计算机的控制下进行全自动试验；试验过程中，加热温控机构31首先启动进行炉内升温，达到指定温度后开始保温，推样机构30开始工作，将陶瓷素胚26送进加热炉3内，直至试验完毕陶瓷素胚26推到回收仓1，推杆5重新回到初始位置后，关闭熔模铸造用陶瓷材料性能表征装置。

(1)手动将所述陶瓷素胚26安装在载样滑板27槽型结构上，然后打开熔模铸造用陶瓷材料性能表征装置总电源，在计算机控制端启动熔模铸造用陶瓷材料性能表征装置，进行自动试验；

(2)加热炉3开始以300℃/h速度加热升温，到达指定温度，如：700℃后开始进行保温，此时步进电机7开始工作，带动推杆5运送陶瓷素胚26、载样滑板27至加热炉3内，保温30min；

(3)到达保温时间后，伺服电机20开始工作，经过减速器19减速，带动同步齿轮系18的中心大齿轮181开始转动，两侧小齿轮182也开始同步转动，滚珠丝杆13在小齿轮182的带动下开始转动，与滚珠丝杆13相连的移动梁14进行向下垂直移动，加压辅具12和压头24跟随移动梁14开始向下恒速加荷；滚珠丝杆13无间隙传动，垂直移动刚性加荷。

(4)加荷完毕后，陶瓷素胚会发生弯曲变形直至断裂，压头表面贴附的电阻应变片会产生电信号，通过导线，传输至信号采集器，并在计算机端记录绘制“温度、应力、应变、时间”关系曲线，记录并绘制“温度-时间”、“应力-时间”“应力-应变”曲线，并计算抗折强度；

(5)试验完毕后，步进电机7开始正转，继续向前移动，将陶瓷素胚26经过连接仓2推送至回收仓1内，卸下陶瓷素胚26和载样滑板27后，载样滑板27进入回收仓1，在回收仓1内自然冷却，冷却后的载样滑板27可从回收仓1内取出，可用于进行下次试验，步进电机7开始反转，带动推杆5向反方向运动，直至回到装样位置；

(6)如果还需连续进行其他试样的高温环境三点受力条件下的断裂强度测试，可以在上述操作的基础上直接开启熔模铸造用陶瓷材料性能表征装置的连续试验功能，加热炉3会持续保温，减少试验加热的等待时间，实现快速连续试验。

本发明中，操作控制系统包括计算机、基于windows测控软件，可以用于测试和研究熔模铸造用陶瓷材料关键力学性能，尤其是在近浇注条件下对整体铸型抗热震性和退让性的表征，满足hb5353.3-2004《熔模铸造陶瓷型芯性能试验方法第3部分：抗弯强度的测定》及hb5352.1-2004《熔模铸造型壳性能试验方法第1部分：抗弯强度的测定》测试标准。

实施例结果表明，采用本发明装置，可以利用商用计算机端实现除装样外的过程全自动控制，加荷应力控制采用力值反馈双pid电子伺服机械调速控制，可以不同加荷速度进行恒位移加荷。本发明可以针对不同材料的试样进行不同温度下的三点受力条件下的断裂强度测试，有应力应变模式和参与强度测定模式两种工作模式，可实现多个试样三点受力条件下的断裂强度连续测试。

其中，抗折测试试样数量及尺寸可以是连续送样，循环往复，每次1个试样/60×10×4mm或40×20×6mm1～6个。

以上所述，仅为本发明较佳的具体实施方式，但本发明的保护范围并不局限于此，任何熟悉本技术领域的技术人员在本发明揭露的技术范围内，根据本发明的技术方案及其发明构思加以等同替换或改变，都应涵盖在本发明的保护范围之内。