本發(fā)明涉及高溫合金反重力鑄造，具體地，涉及一種高溫合金反重力充型及凝固過程的原位觀測裝置及方法。

背景技術(shù)：

1、反重力鑄造是通過調(diào)節(jié)上下罐壓力差使合金液沿著與重力相反方向自下而上充型并凝固成形的鑄造方法。反重力鑄造的優(yōu)勢有：充型平穩(wěn)且速率可控、快速冷卻且溫度場可調(diào)節(jié)、壓力下凝固且有利于鑄件凝固補縮，因此鑄件的力學(xué)性能高、組織致密、鑄造缺陷少；特別是對于薄壁件的充型，外加精準控壓使合金熔體進入超薄壁空腔。反重力鑄造能實現(xiàn)瞬態(tài)建壓和精準施壓，有利于獲得形狀復(fù)雜、輪廓清晰的薄壁鑄件。但是，反重力鑄造裝置在實驗過程中適用合金種類較為單一，主要涉及到鋁合金等低熔點合金，難以實現(xiàn)對高溫合金的研究。目前反重力鑄造基本上都是大型設(shè)備，其搭建成本高、占地空間大、移動不方便、無法大規(guī)模地進行反重力鑄造原位觀測實驗研究；而且由于內(nèi)部結(jié)構(gòu)復(fù)雜及實驗過程中的不透明性，無法通過常規(guī)實驗手段觀察到金屬液體在鑄型中的充型及凝固過程；受限于反重力操作流程復(fù)雜且工藝參數(shù)眾多等問題，無法滿足當前精密鑄件的發(fā)展需求。因此，如何設(shè)計出結(jié)構(gòu)簡單且易于實現(xiàn)原位觀測的多功能反重力鑄造裝置是當前急需解決的關(guān)鍵技術(shù)問題。

2、同步輻射x射線，可實現(xiàn)對合金材料微觀組織和結(jié)構(gòu)的高精確檢測和標定，可用于材料結(jié)構(gòu)中的物相分析、織構(gòu)分析等，同時還可以實現(xiàn)對材料微觀動態(tài)變化的實時觀測。其中，同步輻射成像技術(shù)以其強穿透性、高時空分辨率、無損、可視化等優(yōu)勢在金屬材料研究領(lǐng)域具有顯著的優(yōu)越性，能直接觀察金屬凝固過程。因此，采用同步輻射原位表征技術(shù)探究高溫合金的反重力充型和凝固過程具有重要意義。

3、經(jīng)檢索發(fā)現(xiàn)：

4、申請公開號為cn114226690a的中國發(fā)明專利，公開一種用于鋁合金差壓鑄造的控制方法及鑄造裝置，該專利主要涉及鋁合金差壓鑄造，合金種類較為單一，只能對單一材料中溫合金鋁合金進行調(diào)控，而對其它高熔點合金(如高溫合金)無法進行差壓鑄造調(diào)控操作；該裝置結(jié)構(gòu)復(fù)雜、操作復(fù)雜，無法將其安裝在同步輻射線站上進行同步輻射光源觀察內(nèi)部合金的充型及凝固。

5、申請公開號為cn117773070a的中國發(fā)明專利，公開反重力鑄造裝置和方法、原位觀測裝置和方法，高溫合金加熱充型及凝固在空氣中進行，通過裝置下端的電機運動推動推桿自下而上運動，進而調(diào)節(jié)推桿所受的壓力大小，由于借助推桿調(diào)節(jié)壓力，結(jié)構(gòu)和操作較為復(fù)雜。

6、現(xiàn)有技術(shù)中公開的反重力裝置，盡管實現(xiàn)了多功能鑄造應(yīng)用，然而仍沒有解決上述問題。

技術(shù)實現(xiàn)思路

1、針對現(xiàn)有技術(shù)中的缺陷，本發(fā)明的目的是提供一種高溫合金反重力充型及凝固過程的原位觀測裝置及方法。

2、根據(jù)本發(fā)明的一個方面，提供一種高溫合金反重力充型及凝固過程的原位觀測裝置，包括：

3、熔體鑄型機構(gòu)，包括石英片腔體以及設(shè)于所述石英片腔體內(nèi)的熔體槽和鑄型，所述鑄型位于所述熔體槽上方；所述石英片腔體上設(shè)有鑄型觀測窗口，同步輻射光源的x射線通過所述鑄型觀測窗口照射在所述鑄型的中心；

4、加熱機構(gòu)，用于對高溫合金進行加熱形成合金熔體，以及對所述鑄型進行加熱；

5、測溫機構(gòu)，用于測量所述合金熔體和所述鑄型的溫度；

6、調(diào)壓機構(gòu)，所述調(diào)壓機構(gòu)對所述熔體鑄型機構(gòu)的上密封室和下密封室同時施加壓力，在上密封室與下密封室之間形成壓力差，利用所述壓力差將所述合金熔體自下而上壓進所述鑄型中，所述鑄型充滿后，保持上密封室與下密封室壓力差恒定，直到鑄件凝固完成；

7、探測器，所述探測器獲取在同步輻射光源的照射下所述合金熔體實時充型及凝固行為的信號，實現(xiàn)高溫合金反重力充型及凝固過程的原位觀測。

8、進一步地，所述石英片腔體的上下兩端均具有通氣口，所述通氣口與所述調(diào)壓機構(gòu)連接；

9、所述熔體鑄型機構(gòu)包括兩片石英片板夾具，兩片所述石英片板夾具對齊合緊并密封，形成密封整體。

10、進一步地，所述鑄型的厚度小于0.50mm。

11、進一步地，所述加熱機構(gòu)為感應(yīng)加熱裝置，所述感應(yīng)加熱裝置放置在所述鑄型的正下方，所述感應(yīng)加熱裝置的感應(yīng)線圈高度不小于所述熔體槽的高度。

12、進一步地，所述感應(yīng)加熱裝置的感應(yīng)加熱溫度最高達到2000℃。

13、進一步地，所述測溫機構(gòu)，包括：

14、第一熱電偶，所述第一熱電偶與所述熔體槽外表面接觸，用于測量合金熔體的溫度；

15、第二熱電偶，所述石英片腔體上開設(shè)測溫孔，所述測溫孔的位置與所述鑄型相對應(yīng)，所述第二熱電偶位于所述測溫孔中，用于測量鑄型位置的溫度；

16、溫控器，用于顯示所述第一熱電偶和所述第二熱電偶的測量結(jié)果。

17、進一步地，所述調(diào)壓機構(gòu)，包括：

18、氣瓶，用于提供惰性氣體；

19、第一通氣管，其一端與所述氣瓶連接，另一端與所述石英片腔體的上端通氣口連接；

20、第二通氣管，其一端與所述氣瓶連接，另一端與所述石英片腔體的下端通氣口連接；

21、所述第一通氣管和所述第二通氣管上均設(shè)有氣閥。

22、根據(jù)本發(fā)明的另一方面，提供一種高溫合金反重力充型及凝固過程的原位觀測方法，利用上述的高溫合金反重力充型及凝固過程的原位觀測裝置實現(xiàn)，所述方法包括：

23、將裝置置于同步輻射光源的線站上，使x射線照射在鑄型的中心；

24、將待觀測塊狀高溫合金放置在熔體槽中，然后密封熔體鑄型機構(gòu)，將加熱機構(gòu)套在石英片腔體的外部；

25、將石英片腔體的上下通氣口與調(diào)壓機構(gòu)相連，形成連通的密閉空間；

26、利用加熱機構(gòu)對高溫合金加熱形成合金熔體，并對鑄型進行加熱，并通過測溫機構(gòu)實時監(jiān)測合金熔體和鑄型溫度；

27、當澆注溫度和鑄型溫度均達到預(yù)設(shè)溫度時，打開調(diào)壓機構(gòu)，在上下密封室內(nèi)通入預(yù)定壓力的惰性氣體介質(zhì)，達到平衡后，對上密封室和下密封室同時施加壓力，在上密封室與下密封室之間形成壓力差，將合金熔體自下而上壓進鑄型中，鑄型充滿后，保持上密封室與下密封室壓力差恒定，直到鑄件凝固完成；

28、通過探測器收集合金熔體實時充型及凝固行為對應(yīng)的信號，實現(xiàn)高溫合金反重力充型及凝固過程的原位觀測。

29、進一步地，所述通過探測器收集合金熔體實時充型及凝固行為對應(yīng)的信號，包括：利用成像探測器，收集同步輻射光源的透射信號，對透射信號進行處理使其成像，根據(jù)成像結(jié)果觀測凝固過程。

30、進一步地，所述通過探測器收集合金熔體實時充型及凝固行為對應(yīng)的信號，包括：利用衍射信號探測器，收集同步輻射光源的衍射信號，實現(xiàn)對反重力凝固過程中相的析出、相的轉(zhuǎn)變的實時分析。

31、與現(xiàn)有技術(shù)相比，本發(fā)明具有如下至少之一的有益效果：

32、1、本發(fā)明通過熔體鑄型機構(gòu)、加熱機構(gòu)、測溫機構(gòu)和調(diào)壓機構(gòu)之間的相互配合，并通過與同步輻射技術(shù)結(jié)合，實時觀察高溫合金熔體在壓力作用下的反重力充型和凝固行為，實現(xiàn)原位觀測合金熔體在鑄型中充型及凝固過程，能夠研究調(diào)壓工藝參數(shù)對反重力鑄造合金的影響，對優(yōu)化反重力鑄造技術(shù)有著重要作用。而且，該裝置結(jié)構(gòu)較簡單，設(shè)備運行安全可靠，經(jīng)濟環(huán)保，且該裝置可重復(fù)利用，可以進行大量微型反重力鑄造原位實驗研究，有利于解決反重力鑄造領(lǐng)域中充型和凝固協(xié)同控制的關(guān)鍵問題。

33、2、本發(fā)明實現(xiàn)了高溫合金熔化和熔體充型凝固過程的智能反饋調(diào)節(jié)，整個裝置可以實現(xiàn)較寬的工作溫度，能夠適用于低、中、高溫合金，并且簡化了傳統(tǒng)的反重力裝置，使得微型調(diào)壓鑄造更具有便捷性和安全性，操作更簡單。