權(quán)利要求

1.用于金屬材料高通量制備系統(tǒng)的多功能高能束微區(qū)冶金熔煉爐，其特征在于： 所述用于金屬材料高通量制備系統(tǒng)的多功能高能束微區(qū)冶金熔煉爐包括爐體、冷卻部、加熱部、電磁感應(yīng)部、振動部、處理器和承載平臺； 所述爐體為呈倒錐臺形的側(cè)壁和底壁圍繞而成的頂部開口的桶形結(jié)構(gòu)；所述側(cè)壁為層狀復(fù)合結(jié)構(gòu)，由內(nèi)到外依次為耐熱層、減震層、絕緣層和冷卻層； 所述冷卻部包括冷卻水管路和電控閥門，至少部分所述冷卻水管路螺旋環(huán)繞設(shè)置在所述冷卻層中； 所述加熱部包括加熱臺，所述爐體置于加熱臺上，所述加熱臺內(nèi)部具有電阻絲加熱器和熱電偶； 所述電磁感應(yīng)部包括電磁感應(yīng)線圈，所述電磁感應(yīng)線圈螺旋環(huán)繞設(shè)置在所述絕緣層中； 所述振動部包括機(jī)械振動臺和超聲振動臺；所述機(jī)械振動臺上方設(shè)置有隔熱陶瓷，所述加熱臺設(shè)置于所述隔熱陶瓷上方；所述超聲振動臺設(shè)置于所述機(jī)械振動臺的下方； 所述處理器與所述電控閥門、加熱臺、機(jī)械振動臺、超聲振動臺和電磁感應(yīng)線圈通信連接； 所述承載平臺整體呈立方體狀，所述爐體、冷卻部、加熱部、電磁感應(yīng)部、振動部、處理器均內(nèi)置于所述承載平臺且所述爐體的頂部開口成為所述承載平臺的開口； 所述加熱臺的上表面設(shè)有復(fù)數(shù)個導(dǎo)電插銷，所述導(dǎo)電插銷穿過爐體底壁并與放置于所述爐體內(nèi)的熔煉坩堝相接觸，以實(shí)現(xiàn)對熔煉坩堝進(jìn)行通電。

2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的用于金屬材料高通量制備系統(tǒng)的多功能高能束微區(qū)冶金熔煉爐，其特征在于，所述加熱臺、機(jī)械振動臺和超聲振動臺共同組成多功能臺，所述多功能臺除加熱臺的上表面外的表面均被減震橡膠所包裹。 

3.根據(jù)權(quán)利要求1所述的用于金屬材料高通量制備系統(tǒng)的多功能高能束微區(qū)冶金熔煉爐，其特征在于，所述減震層的材料為減震橡膠。 

4.金屬材料高通量制備系統(tǒng)，其特征在于：所述金屬材料高通量制備系統(tǒng)包括權(quán)利要求1-3任意一項(xiàng)所述的用于金屬材料高通量制備系統(tǒng)的多功能高能束微區(qū)冶金熔煉爐、氣密裝置、高通量控制平臺和主控臺； 所述高通量控制平臺包括多個容置區(qū)劃，每個所述容置區(qū)劃放置一個所述用于金屬材料高通量制備系統(tǒng)的多功能高能束微區(qū)冶金熔煉爐； 所述氣密裝置內(nèi)設(shè)置有高能束熱源，并與所述用于金屬材料高通量制備系統(tǒng)的多功能高能束微區(qū)冶金熔煉爐對接以封閉所述爐體的頂部開口實(shí)現(xiàn)密封； 所述主控臺與氣密裝置、高通量控制平臺和用于金屬材料高通量制備系統(tǒng)的多功能高能束微區(qū)冶金熔煉爐的處理器通信連接。 

5.根據(jù)權(quán)利要求4所述的金屬材料高通量制備系統(tǒng)，其特征在于，氣密裝置包括圓柱形的底部開口的氣密罩，所述氣密罩底部開口邊沿設(shè)有向內(nèi)延伸的凸緣，所述凸緣上設(shè)有向下伸出的定位插銷，與所述承載平臺上的定位凹槽相配合，所述凸緣的延伸邊緣設(shè)置有一圈氣密橡膠。 

6.根據(jù)權(quán)利要求5所述的金屬材料高通量制備系統(tǒng)，其特征在于，所述氣密裝置包括供氣管路和氧分儀；所述供氣管路穿過氣密罩壁進(jìn)入氣密罩并向下延伸以將進(jìn)氣口伸入所述爐體的內(nèi)部；所述氧分儀的探頭及氣口設(shè)置在所述氣密罩壁上。 

7.根據(jù)權(quán)利要求5所述的金屬材料高通量制備系統(tǒng)，其特征在于，所述金屬材料高通量制備系統(tǒng)還包括高速攝像儀和紅外熱像儀，所述高速攝像儀和紅外熱像儀的探頭及氣口設(shè)于所述氣密罩壁上。 

8.根據(jù)權(quán)利要求4所述的金屬材料高通量制備系統(tǒng)，其特征在于，所述金屬材料高通量制備系統(tǒng)還包括預(yù)燒結(jié)線圈感應(yīng)爐。

說明書

多功能高能束微區(qū)冶金熔煉爐及金屬材料高通量制備系統(tǒng)

技術(shù)領(lǐng)域

本發(fā)明涉及金屬材料高通量制備工藝技術(shù)領(lǐng)域，尤其是涉及一種金屬材料高通量制備工藝用多功能高能束微區(qū)冶金熔煉爐及應(yīng)用了該多功能高能束微區(qū)冶金熔煉爐的金屬材料高通量制備系統(tǒng)。

背景技術(shù)

隨著現(xiàn)代材料科學(xué)技術(shù)的發(fā)展，以傳統(tǒng)試錯法為基礎(chǔ)的新型材料開發(fā)方法已經(jīng)難以適應(yīng)現(xiàn)代的工業(yè)環(huán)境了，其長周期、高成本、低效率等劣勢阻礙了現(xiàn)代科學(xué)以及工業(yè)的發(fā)展。自美國2011年材料基因組計(jì)劃的提出后，世界各國均十分重視新型材料的高效研發(fā)，主要分為建立高通量材料計(jì)算方法、高通量材料實(shí)驗(yàn)方法以及材料數(shù)據(jù)庫。其中高通量材料實(shí)驗(yàn)方法是新材料研發(fā)的重中之重，其需要能夠一次性高速成型大量成分、凝固條件等不同的材料。金屬材料熔點(diǎn)高、強(qiáng)度大、制備條件較為苛刻，實(shí)現(xiàn)高通量難度較大。激光、等離子束等高能束技術(shù)的成熟替代了傳統(tǒng)熔煉爐的方法，其高自由度以及高熱輸入為高通量制備金屬材料提供了可行的熱源。

目前新型金屬材料高通量制備聚焦于成分調(diào)控而忽略了冶金條件對金屬材料的組織性能的影響。冶金條件的參數(shù)控制是高通量制備需要考慮的一環(huán)，冶金條件是建立新型材料數(shù)據(jù)庫不可忽視的一環(huán)，因?yàn)榧幢闶窍嗤暮辖鸪煞衷O(shè)計(jì)，也會由于冶金條件的不同而使得最終合金的組織性能相去甚遠(yuǎn)。并且考察冶金條件的影響，也是使得金屬材料高通量制備研究更全面、更豐富的未來發(fā)展方向。

發(fā)明內(nèi)容

為此，本發(fā)明提出一種金屬材料高通量制備工藝用多功能高能束微區(qū)冶金熔煉爐，其能夠在凝固過程中對熔煉中的材料進(jìn)行氣氛調(diào)控、冷卻速率控制、振動頻率控制、電磁感應(yīng)以及通電等凝固條件的控制，從而調(diào)控微冶爐的各個功能區(qū)的參數(shù)達(dá)到對冶金條件的控制，為新型材料的研發(fā)提供了一種新的設(shè)備與方法。

具體的，本發(fā)明提供了一種金屬材料高通量制備工藝用多功能高能束微區(qū)冶金熔煉爐，其特征在于：

所述多功能高能束微區(qū)冶金熔煉爐包括爐體、冷卻部、加熱部、電磁感應(yīng)部、振動部、處理器和承載平臺；

所述爐體為呈倒錐臺形的側(cè)壁和底壁圍繞而成的頂部開口的桶形結(jié)構(gòu)；所述側(cè)壁為層狀復(fù)合結(jié)構(gòu)，由內(nèi)到外依次為耐熱層、減震層、絕緣層和冷卻層；

所述冷卻部包括冷卻水管路和電控閥門，至少部分所述冷卻水管路螺旋環(huán)繞設(shè)置在所述冷卻層中；

所述加熱部包括加熱臺，所述爐體置于加熱臺上，所述加熱臺內(nèi)部具有電阻絲加熱器和熱電偶；

所述電磁感應(yīng)部包括電磁感應(yīng)線圈，所述電磁感應(yīng)線圈螺旋環(huán)繞設(shè)置在所述絕緣層中；

所述振動部包括機(jī)械振動臺和超聲振動臺；所述機(jī)械振動臺上方設(shè)置有隔熱陶瓷，所述加熱臺設(shè)置于所述隔熱陶瓷上方；所述超聲振動臺設(shè)置于所述機(jī)械振動臺的下方；

所述處理器與所述電控閥門、加熱臺、機(jī)械振動臺、超聲振動臺和電磁感應(yīng)線圈通信連接；

所述承載平臺整體呈立方體狀，所述爐體、冷卻部、加熱部、電磁感應(yīng)部、振動部、處理器均內(nèi)置于所述承載平臺且所述爐體的頂部開口成為所述承載平臺的開口。

進(jìn)一步優(yōu)選的，所述加熱臺的上表面設(shè)有復(fù)數(shù)個導(dǎo)電插銷，所述導(dǎo)電插銷穿過爐體底壁并與放置于所述爐體內(nèi)的熔煉坩堝相接觸，以實(shí)現(xiàn)對熔煉坩堝進(jìn)行通電。

進(jìn)一步優(yōu)選的，所述加熱臺、機(jī)械振動臺和超聲振動臺共同組成多功能臺，所述多功能臺除加熱臺的上表面外的表面均被減震橡膠所包裹。

進(jìn)一步優(yōu)選的，所述減震層的材料為減震橡膠。

本發(fā)明還提供一種金屬材料高通量制備系統(tǒng)，其特征在于：所述系統(tǒng)包括前述的多功能高能束微區(qū)冶金熔煉爐、氣密裝置、高通量控制平臺和主控臺；

所述高通量控制平臺包括多個容置區(qū)劃，每個所述容置區(qū)劃放置一個所述多功能高能束微區(qū)冶金熔煉爐；

所述氣密裝置內(nèi)設(shè)置有高能束熱源，并可與所述多功能高能束微區(qū)冶金熔煉爐對接以封閉所述爐體的頂部開口實(shí)現(xiàn)密封；

所述主控臺與氣密裝置、高通量控制平臺和多功能高能束微區(qū)冶金熔煉爐的處理器通信連接。

進(jìn)一步優(yōu)選的，氣密裝置包括圓柱形的底部開口的氣密罩，所述氣密罩底部開口邊沿設(shè)有向內(nèi)延伸的凸緣，所述凸緣上設(shè)有向下伸出的定位插銷，與所述承載平臺上的定位凹槽相配合，所述凸緣的延伸邊緣設(shè)置有一圈氣密橡膠。

進(jìn)一步優(yōu)選的，所述氣密裝置包括供氣管路和氧分儀；所述供氣管路穿過氣密罩壁進(jìn)入氣密罩并向下延伸以將進(jìn)氣口伸入所述爐體的內(nèi)部；所述氧分儀的探頭及氣口設(shè)置在所述氣密罩壁上。

進(jìn)一步優(yōu)選的，所述金屬材料高通量制備系統(tǒng)還包括高速攝像儀和紅外熱像儀，所述高速攝像儀和紅外熱像儀的探頭及氣口設(shè)于所述氣密罩壁上。

進(jìn)一步優(yōu)選的，所述金屬材料高通量制備系統(tǒng)還包括預(yù)燒結(jié)線圈感應(yīng)爐。

本發(fā)明的多功能高能束微區(qū)冶金熔煉爐及金屬材料高通量制備系統(tǒng)：

將多個多功能高能束微區(qū)冶金熔煉爐依據(jù)加工條件放入系統(tǒng)的高通量控制平臺內(nèi)，將特殊設(shè)計(jì)的高能束熱源放置于微冶爐上方，氣密封后通入選擇的氣氛，應(yīng)用高能熱源熔化預(yù)燒結(jié)后的材料后調(diào)控微冶爐的各個功能區(qū)的參數(shù)達(dá)到對冶金條件的控制，依此對各個微冶爐內(nèi)的材料進(jìn)行加工，可以得到大量成分以及冶金條件不同的具有不同組織與性能的金屬材料，通過同時(shí)控制材料的成分、電磁環(huán)境、熔煉氣氛、冷卻速率、低頻大幅振動環(huán)境、高頻小幅振動環(huán)境以及通電環(huán)境，為新型材料的研發(fā)提供了一種新的設(shè)備與方法。

附圖說明

圖1為本發(fā)明金屬材料高通量制備系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)示意圖。

圖2為本發(fā)明多功能高能束微區(qū)冶金熔煉爐的結(jié)構(gòu)示意圖。

圖3為本發(fā)明系統(tǒng)中氣密裝置處局部放大的結(jié)構(gòu)示意圖。

圖4為本發(fā)明預(yù)燒結(jié)線圈感應(yīng)爐的結(jié)構(gòu)示意圖。

圖5為本發(fā)明第一種工藝條件制備得到合金試樣的金相組織照片。

圖6為本發(fā)明第二種工藝條件制備得到合金試樣的金相組織照片。

具體實(shí)施方式

以下將結(jié)合本發(fā)明實(shí)施例中的附圖對本發(fā)明實(shí)施例中的技術(shù)方案進(jìn)行描述。

具體地，本發(fā)明的金屬材料高通量制備系統(tǒng)包括以下組成部分，如圖1所示，多功能高能束微區(qū)冶金熔煉爐52，包括氣密罩47、氧分儀49、供氣管路（包括例如氣瓶50）在內(nèi)的氣密裝置和高通量控制平臺46，高速攝像儀和紅外熱像儀57，主控臺51。高通量控制平臺46包括多個陣列設(shè)置的容置區(qū)劃，每個容置區(qū)劃放置一個多功能高能束微區(qū)冶金熔煉爐52，高通量控制平臺46上設(shè)置有用于輸送冷卻液的進(jìn)、出液管48。氣密裝置可與多功能高能束微區(qū)冶金熔煉爐52對接以封閉爐體的頂部開口實(shí)現(xiàn)密封。

如圖2所示，多功能高能束微區(qū)冶金熔煉爐52包括爐體、冷卻部、加熱部、電磁感應(yīng)部、振動部、處理器和承載平臺。爐體為呈倒錐臺形的側(cè)壁和底壁圍繞而成的頂部開口的桶形結(jié)構(gòu)；側(cè)壁為層狀復(fù)合結(jié)構(gòu)，由內(nèi)到外依次為耐熱層、減震層、絕緣層和冷卻層。冷卻部包括冷卻水管路33和電控閥門43，至少部分冷卻水管路33螺旋環(huán)繞設(shè)置在冷卻層中。加熱部包括加熱臺39，爐體置于加熱臺39上，加熱臺內(nèi)部具有用于加熱的電阻絲加熱器和用于監(jiān)控溫度的熱電偶。電磁感應(yīng)部包括電磁感應(yīng)線圈34，電磁感應(yīng)線圈34螺旋環(huán)繞設(shè)置在絕緣層中，并通過電線管路37實(shí)現(xiàn)與電源的電連接。振動部包括機(jī)械振動臺41和超聲振動臺42；機(jī)械振動臺41上方設(shè)置有隔熱陶瓷40，加熱臺39設(shè)置于隔熱陶瓷40上方；超聲振動臺42設(shè)置于機(jī)械振動臺41的下方。處理器44與電控閥門43、加熱臺39、機(jī)械振動臺41、超聲振動臺42和電磁感應(yīng)線圈34通信連接，以實(shí)現(xiàn)處理器與上述組件的信息交互并對上述組件進(jìn)行控制。承載平臺整體呈立方體狀（可參見圖1中所示），爐體、冷卻部、加熱部、電磁感應(yīng)部、振動部、處理器均內(nèi)置于承載平臺且爐體的頂部開口成為承載平臺的開口。加熱臺39的上表面設(shè)有復(fù)數(shù)個（例如5個）導(dǎo)電插銷38，其穿過爐體底壁并與放置于爐體內(nèi)的熔煉坩堝相接觸，以實(shí)現(xiàn)對熔煉坩堝進(jìn)行通電。加熱臺39、機(jī)械振動臺41和超聲振動臺42共同組成多功能臺，多功能臺除加熱臺39的上表面外的表面均被減震橡膠36所包裹。減震層的材料也可為減震橡膠。承載平臺的開口外緣設(shè)置有熔煉坩堝卡槽31和用于配合氣密裝置上定位插銷而設(shè)置的定位凹槽32。處理器44的底部設(shè)有與系統(tǒng)的中控臺相連接通信的數(shù)據(jù)接口45。承載平臺的周壁上設(shè)有多個連接插銷和連接卡槽35，以與兩側(cè)的其他承載平臺進(jìn)行連接。

如圖3所示，氣密裝置包括圓柱形的底部開口的氣密罩47，氣密罩47內(nèi)設(shè)置有高能束熱源53。氣密罩47底部開口邊沿設(shè)有向內(nèi)延伸的凸緣，凸緣上設(shè)有向下伸出的定位插銷以與承載平臺上的定位凹槽32相配合，實(shí)現(xiàn)氣密罩47與承載平臺的固定，凸緣的延伸邊緣設(shè)置有一圈氣密橡膠54。氣密裝置包括供氣管路（主要包括送氣管線、電控氣閥58和氣瓶50）和氧分儀49；送氣管線穿過氣密罩壁進(jìn)入氣密罩47并向下延伸以將進(jìn)氣口55伸入爐體的內(nèi)部；氧分儀49的探頭及氣口設(shè)置在氣密罩壁上。高速攝像儀和紅外熱像儀57的探頭及氣口56也設(shè)于氣密罩壁上。

使用本發(fā)明的系統(tǒng)實(shí)施時(shí)，具體如以下描述所示：

1.首先將調(diào)配好設(shè)計(jì)合金成分的混合粉末送入預(yù)燒結(jié)線圈感應(yīng)爐（具體結(jié)構(gòu)可參見圖4，其內(nèi)部設(shè)置有電線30和感應(yīng)加熱線圈29）內(nèi)的熔煉坩堝中。預(yù)燒結(jié)線圈感應(yīng)爐內(nèi)部的感應(yīng)加熱線圈29對熔煉坩堝內(nèi)的混合粉末進(jìn)行干燥以及預(yù)燒結(jié)。開始采用低頻（300-600HZ），對混合粉末進(jìn)行加熱干燥，加熱干燥5min后，提高感應(yīng)爐的頻率，采用中頻（1200HZ-1500HZ），對試樣進(jìn)行預(yù)燒結(jié)，預(yù)燒結(jié)1min，將試樣快速預(yù)燒結(jié)成小塊。如果沒有預(yù)燒結(jié)，原料為粉末狀態(tài)會在后續(xù)高能束熔煉時(shí)粉末發(fā)生飛濺，造成污染且成形性不好，影響材料性能。熔煉坩堝下方設(shè)有5個凹口，是為后續(xù)與多功能高能束微區(qū)冶金熔煉爐52的導(dǎo)電插銷38配合以實(shí)現(xiàn)固定所設(shè)計(jì)的。熔煉坩堝的材質(zhì)需依靠所制備材料的理化性質(zhì)而定。如所制備為鋁，則坩堝可使用鋼制或碳化鎢制；加工鈦，坩堝可使用鋼制；加工鋼，坩堝可使用銅制；加工鎳，坩堝可使用碳化物制、石英制或氮化鋯制。這種特殊設(shè)計(jì)的坩堝材質(zhì)可以防止內(nèi)部材料與坩堝材料發(fā)生反應(yīng)或溶解，導(dǎo)致對得到的試樣發(fā)生污染。

2.將預(yù)燒結(jié)的粉末與熔煉坩堝一同放入本發(fā)明的多功能高能束微區(qū)冶金熔煉爐52內(nèi)。將所有多功能高能束微區(qū)冶金熔煉爐52放入高通量控制平臺46內(nèi)。多功能高能束微區(qū)冶金熔煉爐52的承載平臺可采用鋼制，爐體中空的內(nèi)部凹槽用于放置熔煉坩堝，凹槽底部穿過有5個特殊設(shè)計(jì)的導(dǎo)電插銷38，導(dǎo)電插銷38下方連接多功能臺，其多功能臺上方為加熱臺39，中部為機(jī)械振動臺41。加熱臺39與機(jī)械振動臺41之間安裝有剛性隔熱陶瓷40（氧化鋁陶瓷或氮化硅陶瓷），同時(shí)導(dǎo)電插銷38與內(nèi)部電源連接可以給熔煉坩堝通電。多功能臺下部是超聲振動臺42。在接觸熔煉坩堝的鋼板外層（耐熱層）以及下方多功能臺外層均有一層減震材料（例如減震橡膠36）。導(dǎo)電插銷38首先可以固定住熔煉坩堝，強(qiáng)迫熔煉坩堝與下方機(jī)械振動臺41或超聲振動器42一同做振動運(yùn)動；其次，導(dǎo)電插銷38頭部電極連接電源，當(dāng)需要在冶金過程中添加通電條件時(shí)，可以通過導(dǎo)電插銷38頭部電極，由下方處理器44控制電源向熔煉坩堝通電，以營造通電環(huán)境，通電的電壓與電流可通過主控臺51向處理器44發(fā)送信號以達(dá)到控制。多功能臺上部的加熱臺39可以在熔煉過程前以及過程中加熱熔煉坩堝底部，用于控制冶金過程，降低溫度梯度，加熱臺39通過內(nèi)設(shè)的電阻絲加熱，最高可加熱到300℃。加熱臺39內(nèi)部還配有微型熱電偶，可向處理器44以及主控臺51實(shí)時(shí)傳遞加熱臺39的溫度，可通過處理器44控制電阻絲加熱器的通斷以控制加熱溫度。剛性隔熱陶瓷40首先是為了防止加熱臺39的高溫對下方振動臺造成損傷，同時(shí)其也能夠固定住振動臺與加熱臺，防止振動無法傳遞到上方熔煉坩堝。下方機(jī)械振動臺41采用雙機(jī)械馬達(dá)振動，為營造冶金條件中的低頻大幅振動條件，其振動頻率可通過處理器44進(jìn)行控制。機(jī)械振動臺41下方為超聲振動臺42，可營造冶金條件中的高頻小幅度振動條件，其振動頻率也可通過處理器44進(jìn)行控制。包裹多功能臺以及熔煉坩堝的減震材料是為了防止振動對整個多功能高能束微區(qū)冶金熔煉爐52造成損傷，并降低外部的振動。整個多功能區(qū)通過下方兩邊進(jìn)入的外部電源進(jìn)行供電，由下方的連接外部主控臺51的處理器44進(jìn)行控制。

承載平臺的上表面設(shè)有包裹住熔煉坩堝開口的圓形的坩堝卡槽31，坩堝卡槽31內(nèi)設(shè)有氣密橡膠，坩堝卡槽31周邊設(shè)有定位凹槽32。定位凹槽32是為后續(xù)與氣密罩47定位使用，坩堝卡槽31以及內(nèi)部的氣密橡膠是為與氣密罩47下方完全卡和，達(dá)到氣密的效果。

多功能高能束微區(qū)冶金熔煉爐52（微冶爐）內(nèi)，在減震橡膠層外設(shè)有電磁感應(yīng)線圈，其能夠在冶金過程中營造電磁場環(huán)境，線圈的電流大小也可通過處理器44由主控臺51進(jìn)行控制。感應(yīng)線圈外則設(shè)有冷卻部，其由多功能高能束微區(qū)冶金熔煉爐52左側(cè)進(jìn)冷卻液右側(cè)出冷卻液，同時(shí)，左側(cè)進(jìn)液口可通過電控閥門43管理是否通冷卻液，電控閥門43通過處理器44由主控臺51進(jìn)行控制。其可通不同溫度的冷卻水、液氮等液體，進(jìn)而控制凝固過程中的冷卻梯度。多功能高能束微區(qū)冶金熔煉爐52的承載平臺的周側(cè)壁上設(shè)有連接插銷和連接卡槽35，可與兩側(cè)的其他承載平臺進(jìn)行對接連接。處理器44通過下方的數(shù)據(jù)接口45與外部主控臺51連接，用于傳遞多功能高能束微區(qū)冶金熔煉爐52內(nèi)部的各種參數(shù)以及控制多功能高能束微區(qū)冶金熔煉爐52的各個功能區(qū)。

系統(tǒng)的高通量控制平臺46如圖1所示，可以設(shè)8×12（共96）個微冶爐區(qū)劃，可一次加工96個不同成分以及冶金條件的試樣。平臺右側(cè)設(shè)有8個進(jìn)液口以及8個出液口48，用于給橫排的微冶爐提供冷卻液，共可營造8種不同的由冷卻液控制的冶金條件。平臺與所有的微冶爐內(nèi)的處理器44的數(shù)據(jù)接口45相連，連通至外部主控臺51進(jìn)而對所有微冶爐進(jìn)行統(tǒng)一控制與數(shù)據(jù)采集。

3.運(yùn)行高通量控制平臺46上方的高能束熱源53，將套住高能束熱源53的氣密罩47緊密地扣在微冶爐的定位凹槽32上方，隨后向氣密罩47內(nèi)通入氣體，通過氧分儀49監(jiān)控氣密罩47內(nèi)的氣氛，進(jìn)而調(diào)節(jié)氣密罩47內(nèi)的氣氛。通入冷卻液，將微冶爐內(nèi)的各個功能區(qū)的參數(shù)通過主控臺51進(jìn)行調(diào)節(jié)，開通氣密罩47內(nèi)的高速攝像儀和紅外熱像儀57對熔池進(jìn)行監(jiān)控，開通高能束熱源53（如高能激光束或等離子束等）對熔煉坩堝內(nèi)混合粉末進(jìn)行熔煉。熔煉完成后，冷卻1min后打開氣密罩47，進(jìn)行下一個微冶爐的熔煉。全部完成后，等待試樣完全冷卻后取出編號，以方便進(jìn)行之后的表征。

高能束熱源53以及氣密罩47如圖3所示，高能束熱源53可選用高能激光束或等離子束，具體參數(shù)（激光功率、加工時(shí)間、光斑尺寸、電流、電壓等）需要視實(shí)驗(yàn)計(jì)劃而改變。氣密橡膠54的應(yīng)用進(jìn)一步提高了氣密性。圖3所示下方左側(cè)配有送氣管，外接多種氣體氣瓶50，氣管通過特殊的形狀直接深入熔煉坩堝內(nèi)，充分保證坩堝內(nèi)的氣氛。外接氣體可通過電控氣閥58進(jìn)行控制，電控氣閥58通過主控臺51進(jìn)行控制，用于控制熔煉時(shí)的氣氛，可向內(nèi)通入氮?dú)狻⒀鯕?、氬氣、氦氣等多種氣體。激光器內(nèi)部配有熔池實(shí)時(shí)監(jiān)控裝置（攝像機(jī)與熱像儀），用于對熔煉時(shí)的試樣進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)控以及數(shù)據(jù)采集，因?yàn)檎{(diào)控熔煉條件會對熔煉過程試樣內(nèi)部的溫度梯度、熔體流動、熔池形貌造成較大影響，所以需要對試樣進(jìn)行實(shí)時(shí)信息采集。采集后的數(shù)據(jù)傳輸至主控臺。

實(shí)施例

應(yīng)用本系統(tǒng)對新型鋁合金成分以及溫度梯度進(jìn)行了實(shí)驗(yàn)。成分上實(shí)驗(yàn)材料選用2219以及5A05鋁合金，向其中加入不同含量的Mo與Cr，熔煉過程控制上通過改變激光功率、冷卻液的使用以及加熱臺加熱改變了冷卻速率。坩堝選用鋼制坩堝，冷卻液分別選用水以及液氮，加熱臺分為室溫以及200℃，保護(hù)氣氛選用氮?dú)?，激光功率選用800W，1000W以及1500W。

圖5所示為摻雜了0.1%Mo的2219鋁合金采用加熱臺200℃加熱，無冷卻液，激光功率采用1000W的試樣的組織，可以看出組織晶粒較大。圖6所示為摻雜了0.1%Mo的2219鋁合金加熱臺不加熱，采用冷卻水冷卻，激光功率采用1000W的試樣的組織，可以看出其組織相比圖5更為精細(xì)，經(jīng)過硬度測試后，圖5組織顯微硬度為78HV，而圖6組織顯微硬度為88HV，可以看出提高冷卻速率降低了晶粒尺寸，提高了材料的硬度。

以上所述，僅為本發(fā)明較佳的具體實(shí)施方式，但本發(fā)明的保護(hù)范圍并不局限于此，任何熟悉本技術(shù)領(lǐng)域的技術(shù)人員在本發(fā)明揭露的技術(shù)范圍內(nèi)，可輕易想到的變化或替換，都應(yīng)涵蓋在本發(fā)明的保護(hù)范圍之內(nèi)。因此，本發(fā)明的保護(hù)范圍應(yīng)以所述權(quán)利要求的保護(hù)范圍為準(zhǔn)。

多功能高能束微區(qū)冶金熔煉爐及金屬材料高通量制備系統(tǒng).pdf