[發明專利]一種快速凝固傳熱性能綜合測試裝置和測試方法

有效

• 申請號: 201710828539.X
• 申請日: 2017-09-14
• 公開（公告）號: CN107643316B
• 公開（公告）日: 2019-09-17
• 發明（設計）人: 王萬林;周樂君;路程;高爾卓;朱晨陽;張凱旋;龍旭凱
• 申請（專利權）人: 中南大學
• 主分類號: G01N25/20
• 分類號: G01N25/20
• 代理公司: 長沙市融智專利事務所(普通合伙) 43114
• 代理人: 鄒劍峰

本發明公開了一種快速凝固傳熱性能綜合測試裝置和測試方法，包括金屬熔煉系統、粒徑及速度控制系統和樣品收集測量系統；金屬熔煉系統包括石墨坩堝和帶有溫度反饋的紅外測溫儀，用于對金屬試驗樣品加熱至液態；粒徑及速度控制系統包括控制熔融金屬液滴滴落粒徑的粒徑選擇器和用于控制熔融金屬液滴滴落速度的靜電場，樣品收集測量系統包括冷卻基底、高速攝像機、熱電偶和計算機，用于承接冷卻金屬熔煉系統滴落的金屬液滴并進行數據采集。本發明成本極低，耗材使用量很小，實驗方法操作簡便，測試結果準確，可以綜合測試金屬液滴在不同的滴落狀態(滴落粒徑和滴落速度)下的初始凝固情況，可以清晰的反映整個快速凝固過程，具有很強的說服力。

技術領域

本發明涉及一種快速凝固傳熱性能綜合測試裝置及方法，屬于金屬材料快速成型技術領域。

背景技術

制造業是支撐一個國家穩定、快速發展的基礎產業。鋼鐵由于其產品消耗量大且難以被其他材料替代的特點，成為了國民經濟里面的重中之重。鋼鐵3D打印作為鋼鐵制造業的前沿方向，受到很多研究人員的關注，目前鋼鐵3D打印只能完成對于各項性能要求較低的物件的制造，對于各項性能要求比較高的材料則難以使用3D打印完成。因此，研究粒徑、滴落速度對于凝固時間、傳熱性能以及成型后各項力學性能的影響勢在必行，這也為鋼鐵行業3D打印提供了指導性的結論。

目前，針對金屬液滴快速凝固傳熱性能的綜合測試方面的相關專利較少。

公開號為CN106282864A的中國專利文件公開了一種快速凝固高強韌鎂合金的制備成形方法，是采用高純氬保護條件下，在石墨坩堝內熔化原材料，并噴射在高速旋轉的銅棍上，制成厚度為5-18μm、寬度為0.5-2.5mm的急冷快速凝固鎂合金薄帶再切割粉碎為0.1-0.5mm的細粉狀后裝入專用往復擠壓裝置的擠壓桶內,在230-320℃往復擠壓一道次,最后再直接擠壓制成型材或板材。

公開號為CN105699412A的中國專利文件公開了一種金屬快速凝固熱流測試裝置及測試方法，實現金屬液滴快速凝固實驗，并測量凝固期間通過銅質基底的熱流量及其變化。用感應線圈對其加熱使之熔化。為使金屬液滴快速凝固，在銅質基底上采用冷卻水循環的方式進行快速冷卻。采集系統所采集的數據是溫度信號，并通過計算機計算出凝固過程中實時變化的熱流量。

以上兩個專利在快速凝固的成型和測試方面各有優勢，但是也存在一定的不足。前者試用的范圍比較小，只能用于特定種類金屬的快速成型且不能進行相關測試；后者的設備只能控制樣品的量，對樣品的粒徑以及樣品的滴落速度難以進行有效的控制，因此不能通過研究不同滴落狀態對于傳熱的影響，不能進行更深入的研究以獲得更加優秀的產品質量。

發明內容

本發明解決的技術問題是：針對現有的金屬3D打印技術難以滿足某些高端產品要求的高硬度及高強度的問題，提供一種快速凝固傳熱性能綜合測試裝置和方法，通過對樣品的滴落速度和粒徑的控制，研究粒徑與速度對于凝固時間及傳熱性能的影響，進而試驗出適應更高質量的金屬3D打印方案。

本發明采用如下技術方案實現：

一種快速凝固傳熱性能綜合測試裝置，包括金屬熔煉系統、粒徑及速度控制系統和樣品收集測量系統；

所述金屬熔煉系統包括石墨坩堝14和帶有溫度反饋的紅外測溫儀11，所述石墨坩堝14的外壁繞裝有電加熱感應線圈13，所述石墨坩堝14的底部開設有熔融金屬液滴滴落的開孔，所述空外測溫儀11對石墨坩堝14內的溫度進行檢測；

所述粒徑及速度控制系統包括控制熔融金屬液滴滴落粒徑的粒徑選擇器22和用于控制熔融金屬液滴滴落速度的靜電場23，所述粒徑選擇器22滑動設置在石墨坩堝14的底部，其上設有若干不同直徑的圓孔，該圓孔通過滑動粒徑選擇器與石墨坩堝底部的開孔對接，所述靜電場23設置在粒徑選擇器下方的熔融金屬液滴滴落的路徑上；