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        高溫共晶點(diǎn)灌注方法研究

        2020-11-18 11:15:20孟蘇劉旭東蔡靜董磊
        計(jì)測(cè)技術(shù) 2020年5期
        關(guān)鍵詞:襯套坩堝共晶

        孟蘇,劉旭東,蔡靜,董磊

        (1.北京工業(yè)大學(xué),北京100022;2.航空工業(yè)北京長(zhǎng)城計(jì)量測(cè)試技術(shù)研究所,北京100095)

        0 引言

        現(xiàn)行的ITS-90國(guó)際溫標(biāo)在銀凝固點(diǎn)(961.78℃)以上溫區(qū)的獲得方法是:根據(jù)Planck定律定義復(fù)現(xiàn),由銀(961.78℃)、金(1064.18℃)、銅(1084.62℃)任意一個(gè)固定點(diǎn)基于普朗克定律外推。外推導(dǎo)致不確定度隨溫度的升高而迅速增大,故ITS-90國(guó)際溫標(biāo)在高溫區(qū)存在較大不足[1],輻射溫度高溫段量傳不確定度較大,不足以保障日益增長(zhǎng)的高溫精準(zhǔn)測(cè)量需求。1999年,NMIJ的Yamada首次發(fā)布了金屬-碳共晶體具有與純凈金屬類似的相變特性,使高溫共晶點(diǎn)成為下一代溫標(biāo)的發(fā)展方向[2]。

        高溫共晶點(diǎn)研制過(guò)程中,灌注方法是一項(xiàng)關(guān)鍵技術(shù)。目前常用的灌注方法包括直接共晶法和預(yù)共晶法兩種,但是兩種方法均存在一定不足。直接共晶灌注法雖然操作簡(jiǎn)便,但是灌注效率較低,且對(duì)坩堝本身的碳消耗較大,坩堝破裂的風(fēng)險(xiǎn)較高。預(yù)共晶灌注法灌注效率較高,且不消耗坩堝本身的碳,提高了坩堝的耐用性,但是該方法操作較為復(fù)雜,且容易出現(xiàn)粘連問(wèn)題。

        為解決上述問(wèn)題,設(shè)計(jì)了采用長(zhǎng)石墨襯套的直接共晶坩堝以提高直接共晶法的灌注效率,并研制了具有特殊結(jié)構(gòu)的預(yù)共晶坩堝解決預(yù)共晶法的共晶體粘結(jié)問(wèn)題,且通過(guò)試驗(yàn)驗(yàn)證了實(shí)際應(yīng)用效果。

        1 直接共晶法

        直接共晶法是金屬粉末和碳粉直接放置在共晶點(diǎn)坩堝內(nèi),經(jīng)加熱熔化后制成高溫共晶點(diǎn)的方法。其具體操作為:在惰性氣體(通常為Ar氣)的保護(hù)氛圍中,向坩堝內(nèi)添加金屬-碳混合粉末,之后將坩堝放置在高溫共晶點(diǎn)灌注系統(tǒng)中加熱,使混合粉末熔化形成共晶體,待冷卻凝固后取出坩堝,向坩堝內(nèi)添加混合粉末,重復(fù)上述操作,直到坩堝灌滿為止。直接共晶法是世界各國(guó)普遍采用的灌注方法,多個(gè)國(guó)家的計(jì)量院均發(fā)表過(guò)采用直接共晶法灌注坩堝的論文[3-6]。

        直接共晶法的優(yōu)點(diǎn)是操作簡(jiǎn)單,僅需向坩堝內(nèi)逐次添加金屬-石墨混合粉末即可,且灌注試驗(yàn)只需要共晶體坩堝,不需要其他輔助配件。但是,由于混合粉末在熔化、凝固后,體積會(huì)大幅減少,需要不斷重復(fù)灌注試驗(yàn)。特別是最后幾次灌注操作中,因坩堝內(nèi)空間有限,每次添加的混合粉末質(zhì)量極少。上述問(wèn)題使得這種方法的灌注效率很低,通常需要數(shù)次甚至十余次灌注才能灌滿一個(gè)坩堝[7]。表1為航空工業(yè)計(jì)量所灌注一個(gè)Co-C共晶點(diǎn)坩堝所需的試驗(yàn)次數(shù)和添加混合粉末質(zhì)量情況,可見(jiàn)灌滿此坩堝經(jīng)過(guò)了13次灌注試驗(yàn),且最后5次試驗(yàn)每次添加粉末質(zhì)量均低于2 g。

        表1 灌滿一個(gè)Co-C共晶點(diǎn)坩堝的試驗(yàn)記錄

        2 預(yù)共晶灌注法

        在進(jìn)行共晶點(diǎn)坩堝灌注時(shí),首先將混合粉末添加入一個(gè)“預(yù)共晶坩堝”內(nèi),待預(yù)共晶坩堝灌滿后再將其放在共晶點(diǎn)坩堝上,加熱令預(yù)共晶坩堝內(nèi)的共晶體熔化,使其在重力的作用下流入共晶點(diǎn)坩堝內(nèi)。俄羅斯VNIIOFI[8]和中國(guó)NIM[9-10]均有使用預(yù)共晶灌注法的研究。

        圖1 為VNIIOFI發(fā)布的一種預(yù)共晶灌注方法,該方法使用特殊設(shè)計(jì)的外接預(yù)共晶坩堝,增大了可用于添加金屬-碳混合粉末的容積,起到了提高灌注效率的作用。

        圖2 所示為切開(kāi)后的坩堝,可見(jiàn)灌注的共晶體比較致密,未出現(xiàn)坩堝破裂和嚴(yán)重的“吃壁”問(wèn)題。但是,該方法在兩個(gè)坩堝連接處存在共晶體粘連問(wèn)題,且預(yù)共晶坩堝上開(kāi)孔一側(cè)的共晶體明顯多于另一側(cè),灌注效果并不理想。

        圖1 VNIIOFI發(fā)布的預(yù)共晶灌注方法及裝置

        圖2 切開(kāi)后的坩堝

        圖3 為NIM發(fā)布的預(yù)共晶灌注試驗(yàn)過(guò)程,使用加長(zhǎng)的薄襯套作為預(yù)共晶坩堝,圖3(a),(b)為預(yù)共晶過(guò)程,首先在預(yù)共晶坩堝中形成灌滿共晶點(diǎn)坩堝所需質(zhì)量的金屬-碳共晶體,之后將較長(zhǎng)的襯套取出,倒置放在共晶點(diǎn)坩堝內(nèi),加熱使固態(tài)物質(zhì)熔化并在重力作用下流入坩堝內(nèi),之后去掉襯套上端多余部分,完成共晶點(diǎn)坩堝的灌注。

        圖3 NIM發(fā)布的預(yù)共晶灌注試驗(yàn)過(guò)程

        由于預(yù)共晶坩堝的長(zhǎng)度較長(zhǎng),且該坩堝內(nèi)沒(méi)有黑體腔,使得預(yù)共晶坩堝內(nèi)部容積較大,單次可以添加較多質(zhì)量的混合粉末,因此可以大大減少灌注試驗(yàn)的次數(shù),提高灌注效率。預(yù)共晶容器的一部分最后會(huì)作為共晶點(diǎn)坩堝內(nèi)的襯套保留,因此預(yù)共晶容器的側(cè)壁厚度較薄,一般為1 mm,結(jié)構(gòu)強(qiáng)度較低,試驗(yàn)時(shí)存在一定的破裂風(fēng)險(xiǎn)。

        3 帶延長(zhǎng)襯套的直接共晶坩堝

        直接共晶法操作簡(jiǎn)單,制約某灌注效率的核心問(wèn)題是坩堝內(nèi)容積有限,每次添加混合粉末的質(zhì)量較少,且越接近灌滿時(shí),坩堝內(nèi)部容積越少,可添加混合粉末的質(zhì)量進(jìn)一步受到限制。為提高灌注效率,應(yīng)增加可用于添加混合粉末的內(nèi)部容積,采用延長(zhǎng)襯套的方法。

        目前,主流的共晶點(diǎn)坩堝內(nèi)部均采用了Hybrid結(jié)構(gòu)[11-13],即坩堝內(nèi)放置一石墨襯套,石墨襯套與坩堝之間填充石墨箔。Hybrid結(jié)構(gòu)坩堝實(shí)物圖和內(nèi)部結(jié)構(gòu)示意圖如圖4所示[14]。其中,石墨襯套厚度通常為1 mm,與黑體腔之間的部分為灌注共晶體時(shí)填充混合粉末的有效容積,通過(guò)延長(zhǎng)石墨襯套來(lái)增加有效容積。為了在灌注后去掉襯套的多余部分,采用類似NIM預(yù)共晶灌注襯套的方法[15],在襯套上開(kāi)有一個(gè)寬和深均為0.5 mm的凹槽,便于在灌注試驗(yàn)結(jié)束后將多余部分沿凹槽掰斷。

        圖4 hybrid結(jié)構(gòu)坩堝

        圖5 為所設(shè)計(jì)的帶延長(zhǎng)襯套的直接灌注法坩堝內(nèi)部結(jié)構(gòu)示意圖和實(shí)物圖,主要包括帶黑體腔的共晶點(diǎn)坩堝、延長(zhǎng)襯套、保護(hù)坩堝、坩堝蓋。保護(hù)坩堝利用共晶點(diǎn)坩堝上部的螺紋,與共晶點(diǎn)坩堝連接,以保護(hù)延長(zhǎng)襯套在試驗(yàn)過(guò)程中不破裂。保護(hù)坩堝與共晶點(diǎn)坩堝的基本尺寸類似,與延長(zhǎng)襯套配合后,相當(dāng)于將共晶點(diǎn)坩堝整體延長(zhǎng)。延長(zhǎng)襯套和保護(hù)坩堝的長(zhǎng)度可根據(jù)灌注系統(tǒng)的溫場(chǎng)條件進(jìn)行調(diào)整,本文設(shè)計(jì)了20 mm和45 mm兩種長(zhǎng)度的延長(zhǎng)襯套和保護(hù)坩堝,前者應(yīng)用于溫場(chǎng)較差的灌注系統(tǒng)中,后者應(yīng)用于溫場(chǎng)較好的灌注系統(tǒng)中。由于延長(zhǎng)襯套隔開(kāi)了共晶體與兩個(gè)坩堝之間的螺紋連接處,使得取下延長(zhǎng)坩堝時(shí)非常方便,不存在共晶體粘連問(wèn)題。

        圖5 帶延長(zhǎng)襯套的直接灌注法坩堝

        采用長(zhǎng)度為45 mm的延長(zhǎng)坩堝灌注Co-C共晶點(diǎn),試驗(yàn)記錄如表2所示。需要說(shuō)明的是,此時(shí)采用的坩堝與表1所用的坩堝型號(hào)不同,坩堝長(zhǎng)度有所減少,使得內(nèi)部容積減小了近10%。由于擔(dān)心灌注金屬過(guò)多,因此在完成3次灌注后掰斷了石墨襯套,但是觀察坩堝后發(fā)現(xiàn)仍有一些空隙,所以又進(jìn)行了后2次直接灌注法操作,直至將坩堝灌滿。

        為使灌注的共晶體更加致密,避免灌注后出現(xiàn)內(nèi)部空洞及共晶體上表面不水平等問(wèn)題,在添加金屬-碳混合粉末時(shí),使用玻璃棒將粉末盡量壓實(shí),不僅可以提高灌注品質(zhì),也能夠壓縮混合粉末的體積,增加單次添加粉末的質(zhì)量。

        表2 使用延長(zhǎng)坩堝灌注Co-C共晶點(diǎn)試驗(yàn)記錄

        由表2可知,使用延長(zhǎng)坩堝的灌注次數(shù)僅為5次,若不提前掰斷石墨襯套,則進(jìn)行4次灌注即可完成。相較于改進(jìn)前,效率得到顯著提升。灌注試驗(yàn)后取下保護(hù)坩堝,沿凹槽掰斷延長(zhǎng)襯套,觀察共晶體上表面,可見(jiàn)其表面比較平整,未出現(xiàn)大角度傾斜;黑體腔未出現(xiàn)破裂現(xiàn)象,添加金屬粉末質(zhì)量與共晶體的最終體積之比近似為共晶體密度,說(shuō)明灌注的共晶體較為致密,沒(méi)有出現(xiàn)較大空洞,灌注狀態(tài)比較理想。

        4 帶導(dǎo)流斜坡的預(yù)共晶坩堝

        為了增加預(yù)共晶容器的結(jié)構(gòu)強(qiáng)度,同時(shí)避免試驗(yàn)后共晶體在兩個(gè)坩堝連接處粘連導(dǎo)致二者無(wú)法分離,設(shè)計(jì)了一種帶導(dǎo)流斜坡的預(yù)共晶坩堝,具體結(jié)構(gòu)如圖6所示。由于該坩堝內(nèi)沒(méi)有黑體腔結(jié)構(gòu),因此增大了坩堝內(nèi)部容積,且該預(yù)共晶坩堝的長(zhǎng)度可根據(jù)灌注系統(tǒng)溫場(chǎng)情況進(jìn)行調(diào)整,若灌注系統(tǒng)的均溫段較長(zhǎng),可適當(dāng)延長(zhǎng)預(yù)共晶坩堝長(zhǎng)度,進(jìn)一步擴(kuò)大內(nèi)部容積。

        圖6 帶導(dǎo)流斜坡的預(yù)共晶坩堝結(jié)構(gòu)示意圖

        使用時(shí),首先在該坩堝內(nèi)灌注共晶點(diǎn)坩堝所需質(zhì)量的共晶體,具體質(zhì)量參數(shù)可根據(jù)共晶體密度和共晶點(diǎn)坩堝內(nèi)部容積計(jì)算得到。之后利用共晶點(diǎn)坩堝上端的螺紋將二者連接起來(lái),加熱共晶體使其成為熔融態(tài),在重力作用下流入共晶點(diǎn)坩堝內(nèi)。在此過(guò)程中,導(dǎo)流斜坡起到引導(dǎo)熔融態(tài)共晶體流向的作用,避免共晶體流向兩個(gè)坩堝的連接處。

        由于熔融態(tài)共晶體具有流動(dòng)性,與液態(tài)物質(zhì)有一定相似性,可能會(huì)在斜坡前端橫向流動(dòng),粘結(jié)到兩個(gè)坩堝連接處。為避免出現(xiàn)橫向流動(dòng)問(wèn)題,在斜坡前端設(shè)計(jì)了一個(gè)凸出的尖峰,如圖7所示,尖峰起到類似“垂露”的作用,從而避免熔融態(tài)共晶體在導(dǎo)流斜坡前端橫向流動(dòng)。

        圖7 導(dǎo)流斜坡頂端尖峰

        使用如圖7所示的預(yù)共晶坩堝灌注Co-C共晶點(diǎn),發(fā)現(xiàn)在共晶點(diǎn)坩堝內(nèi),共晶體上表面有一定傾斜,因此需要延長(zhǎng)共晶體在熔融狀態(tài)下的時(shí)間來(lái)平抑上表面,或者取下預(yù)共晶坩堝后再進(jìn)行1至2次直接灌注法操作,使共晶體上表面達(dá)到水平狀態(tài)。

        5 復(fù)現(xiàn)結(jié)果對(duì)比

        為研究不同灌注方法對(duì)復(fù)現(xiàn)結(jié)果的影響,對(duì)Co-C-1#和Co-C-3#坩堝進(jìn)行了復(fù)現(xiàn)試驗(yàn),采用帶導(dǎo)流斜坡的預(yù)共晶坩堝灌注了Co-C-1#坩堝,采用帶延長(zhǎng)襯套的直接共晶坩堝灌注了Co-C-3#坩堝,得到如表3所示的復(fù)現(xiàn)結(jié)果。

        表3 坩堝復(fù)現(xiàn)數(shù)據(jù)對(duì)比

        由于兩次瞄準(zhǔn)位置變化、復(fù)現(xiàn)爐加熱狀態(tài)變化、復(fù)現(xiàn)上下平臺(tái)溫度控制準(zhǔn)確性、測(cè)試用標(biāo)準(zhǔn)光電高溫計(jì)短期波動(dòng)度等影響因素,采用不同灌注方法制作的Co-C共晶點(diǎn)復(fù)現(xiàn)溫坪的拐點(diǎn)溫度略有差異,由表3可知,拐點(diǎn)溫度差約為75 mK,可認(rèn)為采用不同灌注方法對(duì)復(fù)現(xiàn)結(jié)果并無(wú)顯著影響。

        6 結(jié)論

        針對(duì)高溫共晶點(diǎn)研制過(guò)程中的關(guān)鍵技術(shù)——灌注方法,分析了直接共晶法和預(yù)共晶法存在的不足,設(shè)計(jì)了兩種坩堝結(jié)構(gòu),分別為帶延長(zhǎng)襯套的直接共晶法坩堝和帶導(dǎo)流斜坡的預(yù)共晶坩堝。經(jīng)試驗(yàn)驗(yàn)證,前者明顯提高了直接共晶法的灌注效率,后者有效避免了共晶體粘結(jié)問(wèn)題,二者均達(dá)到了設(shè)計(jì)目的。相比之下,帶延長(zhǎng)襯套的直接共晶法坩堝灌注的水平度較好效果更加理想。

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