专利名称：一种用于超高温定向凝固的金属电阻加热装置的制作方法
技术领域：
本发明涉及金属材料的凝固加工领域，具体是一种用于超高温定向凝固的金属电 阻加热装置。
背景技术：
定向凝固技术在高温合金、磁性材料、复合材料等先进结构和功能材料等方面有 重要的应用。热流的控制是定向凝固技术中的重要环节，获得并保持单向热流是定向凝固 成功的重要保证。加强和保持较好的加热能力，是获得高温度梯度的必要条件之一。定向凝固技术中常用的加热方式有线圈感应加热、线圈感应加石墨套加热、电阻 加热、电子束区熔和激光区熔等。线圈感应加热的加热速率较快，但是其磁场涡流能导致材 料熔体内部形成较强的对流，对组织的稳定生长不利，后加入石墨套减小涡流，但是不易实 现对熔体的闭环控制。电子束和激光加热能量集中，有利于温度梯度的大幅提高，但是只能 加热于材料的表面，不能有坩埚，一般只能成型小尺寸的线材。电阻加热主要有石墨加热和 金属加热两种。石墨电阻加热控温容易，但升温非常慢，易挥发使工件渗碳。作为均衡温体 的发热材料，一般的金属加热体如Ni-Cr丝等只能满足1300°C以下的需求，而钽、钼等难以 承受氧气气氛下的高温，且在高温下具有一定的挥发性。
发明内容
为克服现有技术中存在的只能满足1300°C以下的需求、以及对材料产生污染，以 及能引起熔体内部流动的不足，本发明提出了一种超高温定向凝固的金属电阻加热装置。本发明采用难熔金属钨为加热体材料，包括电极、上热导环、电阻加热体和下热导 环。电阻加热体顶部与上热导环连接，底部与下热导环相连，电极分别位于上热导环上表面 固定，构成回路。电阻加热体包括四个相同的弧形加热块，每个弧形加热块的弧度为Ji/4。将四个 弧形加热块组合成为圆筒形，形成电阻加热体。弧形加热块的高度是1. 2 1. 7倍坩埚的 长度，壁厚为0.5 1.5mm。上热导环由两个半圆形环构成，其外径同电阻加热体的外径。下热导环为圆环形， 其外径亦同电阻加热体的外径。四个弧形加热块均勻分布于下热导环上；上热导环位于电阻加热体的顶部，并且 两个半圆形上热导环之间的结合面与电阻加热体中的某一对弧形加热块的结合面相重合。 两个上热导环之间保持安全间隙；相邻的弧形加热块之间亦保持安全间隙。两个电极分别 固定在各上热导环弧形的中间。使用时，在电阻加热装置的外围附加隔热屏进行屏蔽和保温，坩埚位于加热体内。 在坩埚和试样安装好后，为抑制加热体元件的蒸发和提高其使用温度，加热前要通过真空 系统对炉体抽真空，然后通过保护气系统充入氩气。加热时采用直流电源通过测温热偶测 定加热温度，可形成稳定的热场，最高温度可达2000°C。结合辐射挡板和冷却液的综合使
3用，可获得高的温度梯度，通过抽拉系统进行定向凝固抽拉。本发明的有益效果是由于本发明采用了高熔点的钨为发热体材料，加热温度高； 稳定性好，寿命长，热循环次数在500次以上；圆筒状的发热体通过辐射可提供均勻的温度 场，可实现对材料的加热和保温，且等温区的长度可根据制备工艺的需要设计成不同长度， 筒体内径也可根据试样直径大小进行调节，控温精确。钨是高熔点金属，该发热体能在超高温中工作，在2000°C时短期使用和1800°C时 长期使用；且在高温下具有足够低的蒸气压，蒸发速度也很小，不致污染炉膛和工件；相对 于石墨的还原性气氛，该加热体在中性气氛下即可使用。在加热过程中不会形成电磁扰动， 能减少定向凝固过程中熔体的流动。
四
图1是本发明的结构示意图。图2是本发明电阻加热体的结构示意图。图3是本发明电阻加热体的俯视剖面图。图4是本发明电阻加热体的俯视图。其中1.炉体 2.保护气系统3.真空系统4.坩埚5.电阻加热体6.隔热屏 7.辐射挡板 8.冷却液 9.抽拉系统 10.直流电源11.测温热偶12.电极13.上热导环14.弧形加热块15.下热导环
五具体实施例方式实施例一如图2所示，本实施例用钨制成，包括电极12、上热导环13、电阻加热体5和下热 导环15。电阻加热体5顶部与上热导环13连接，底部与下热导环15相连，电极12分别位 于上热导环13上表面固定，构成回路。电阻加热体5包括四个相同的弧形加热块14，每个弧形加热块的弧度为Ji/4。将 四个弧形加热块组合成为圆筒形，形成电阻加热体5。弧形加热块的壁厚为0. 5mm，高度是 1.2倍坩埚的长度。上热导环13由两个半圆形环构成；上热导环13的外径同电阻加热体5的外径。 下热导环15为圆环形；下热导环15的外径亦同电阻加热体5的外径。四个弧形加热块均勻分布于下热导环15上；两个半圆形上热导环13位于电阻加 热体5的顶部，并且两个半圆形上热导环13之间的结合面与电阻加热体5中的某一对弧形 加热块的结合面相重合；两个半圆形上热导环13的结合面与电阻加热体5相重合的结合面 位于电阻加热体5的同一直径线上。为避免短路和保证电流沿弧形加热块14的轴向传导，两个上热导环13之间保持 安全间隙；同理，相邻的弧形加热块14之间亦保持安全间隙；本实施实例中，所用安全间隙 为10mm。两电极12为长方体状，分别置于每个上热导环13弧形的中间位置；电极的底部 分别与两个上热导环13焊接。本实施例在定向凝固装置中使用的状态如图1所示。在电阻加热体5的外围附加 隔热屏6进行屏蔽和保温，坩埚位于加热体内。在坩埚4和试样安装好后，为抑制加热体元件的蒸发和提高其使用温度，加热前要通过真空系统3对炉体1抽真空，然后通过保护气系 统2充入氩气。加热时采用直流电源10通过测温热偶11测定加热温度，可形成稳定的热 场，最高温度可达2000°C。结合辐射挡板7和冷却液8的综合使用，可获得高的温度梯度， 通过抽拉系统9进行定向凝固抽拉。实施例二如图2所示，本实施例用钨制成，包括电极12、上热导环13、电阻加热体5和下热 导环15。电阻加热体5顶部与上热导环13连接，底部与下热导环15相连，电极12分别位 于上热导环13上表面固定，构成回路。电阻加热体5包括四个相同的弧形加热块14，每个弧形加热块的弧度为Ji/4。将 四个弧形加热块组合成为圆筒形，形成电阻加热体5。弧形加热块的壁厚为1.5mm，高度是 1.7倍坩埚的长度。上热导环13由两个半圆形环构成；上热导环13的外径同电阻加热体5的外径。 下热导环15为圆环形；下热导环15的外径亦同电阻加热体5的外径。四个弧形加热块均勻分布于下热导环15上；两个半圆形上热导环13位于电阻加 热体5的顶部，并且两个半圆形上热导环13之间的结合面与电阻加热体5中的某一对弧形 加热块的结合面相重合；两个半圆形上热导环13的结合面与电阻加热体5相重合的结合面 位于电阻加热体5的同一直径线上。为避免短路和保证电流沿弧形加热块14的轴向传导，两个上热导环13之间保持 安全间隙；同理，相邻的弧形加热块14之间亦保持安全间隙；本实施实例中，所用安全间隙 为10mm。两电极12为长方体状，分别置于每个上热导环13弧形的中间位置；电极的底部 分别与两个上热导环13焊接。本实施例在定向凝固装置中使用的状态如图1所示。在电阻加热体5的外围附加 隔热屏6进行屏蔽和保温，坩埚位于加热体内。在坩埚4和试样安装好后，为抑制加热体元 件的蒸发和提高其使用温度，加热前要通过真空系统3对炉体1抽真空，然后通过保护气系 统2充入氩气。加热时采用直流电源10通过测温热偶11测定加热温度，可形成稳定的热 场，最高温度可达2000°C。结合辐射挡板7和冷却液8的综合使用，可获得高的温度梯度， 通过抽拉系统9进行定向凝固抽拉。实施例三如图2所示，本实施例用钨制成，包括电极12、上热导环13、电阻加热体5和下热 导环15。电阻加热体5顶部与上热导环13连接，底部与下热导环15相连，电极12分别位 于上热导环13上表面固定，构成回路。电阻加热体5包括四个相同的弧形加热块14，每个弧形加热块的弧度为Ji/4。将 四个弧形加热块组合成为圆筒形，形成电阻加热体5。弧形加热块的壁厚为1.0mm，高度是 1.5倍坩埚的长度。上热导环13由两个半圆形环构成；上热导环13的外径同电阻加热体5的外径。 下热导环15为圆环形；下热导环15的外径亦同电阻加热体5的外径。四个弧形加热块均勻分布于下热导环15上；两个半圆形上热导环13位于电阻加 热体5的顶部，并且两个半圆形上热导环13之间的结合面与电阻加热体5中的某一对弧形 加热块的结合面相重合；两个半圆形上热导环13的结合面与电阻加热体5相重合的结合面位于电阻加热体5的同一直径线上。为避免短路和保证电流沿弧形加热块14的轴向传导，两个上热导环13之间保持 安全间隙；同理，相邻的弧形加热块14之间亦保持安全间隙；本实施实例中，所用安全间隙 为10mm。两电极12为长方体状，分别置于每个上热导环13弧形的中间位置；电极的底部 分别与两个上热导环13焊接。本实施例在定向凝固装置中使用的状态如图1所示。在电阻加热体5的外围附加 隔热屏6进行屏蔽和保温，坩埚位于加热体内。在坩埚4和试样安装好后，为抑制加热体元 件的蒸发和提高其使用温度，加热前要通过真空系统3对炉体1抽真空，然后通过保护气系 统2充入氩气。加热时采用直流电源10通过测温热偶11测定加热温度，可形成稳定的热 场，最高温度可达2000°C。结合辐射挡板7和冷却液8的综合使用，可获得高的温度梯度， 通过抽拉系统9进行定向凝固抽拉。
权利要求
一种超高温定向凝固的金属电阻加热装置，包括电阻加热体(5)和电极(12)；坩埚(4)位于电阻加热体(5)内；其特征在于电阻加热体(5)和电极(12)采用钨制成；电阻加热体(5)由四个弧度为π/4的弧形加热块(14)组合而成；上热导环(13)由两个半圆形环构成，位于电阻加热体(5)的顶端；下热导环(15)为圆环形，位于电阻加热体(5)的底部；两个半圆形上热导环(13)之间的结合面与电阻加热体(5)中的某两对弧形加热块(14)的结合面相重合；在两个上热导环(13)的顶部分别安置两个电极(12)。
2.如权利要求1所述一种超高温定向凝固的金属电阻加热装置，其特征在于弧形加热 块(14)的高度是1. 2 1. 7倍坩埚的长度。
3.如权利要求1所述一种超高温定向凝固的金属电阻加热装置，其特征在于弧形加热 块(14)的壁厚为0. 5 1. 5mm。
4.如权利要求1所述一种超高温定向凝固的金属电阻加热装置，其特征在于弧形加热 块(14)之间有安全间隙。
5.如权利要求1所述一种超高温定向凝固的金属电阻加热装置，其特征在于两个上热 导环(13)之间有安全间隙。
全文摘要
一种超高温定向凝固的金属电阻加热装置，采用难熔金属钨制成。电阻加热体(5)由四个弧度为π/4的弧形加热块(14)组合而成；上热导环(13)由两个半圆形环构成，位于电阻加热体(5)的顶端；下热导环(15)为圆环形，位于电阻加热体(5)的底部；两个半圆形上热导环(13)之间的结合面与电阻加热体(5)中的某一对弧形加热块(14)的结合面相重合；在个两半圆环形热导环(13)的顶部分别安置两个电极(12)。本发明在高温下具有足够低的蒸气压，并且不污染炉膛和工件；加热体在中性气氛下即可使用，在加热过程中不会形成电磁扰动，能减少定向凝固过程中熔体的流动，具有加热温度高、稳定性好、寿命长的特点。
文档编号H05B3/64GK101868075SQ20091002202
公开日2010年10月20日 申请日期2009年4月15日 优先权日2009年4月15日
发明者傅恒志, 刘林, 张军, 张卫国, 赵新宝 申请人:西北工业大学