一种局部强化电阻加热高梯度定向凝固装置.pdf

一种局部强化电阻加热高梯度定向凝固装置，包括上炉体和下炉体。在上炉体内，由上炉体的中心向外，依次有坩埚、电阻环、钨筒和屏蔽层，并且坩埚、电阻环和钨筒均位于屏蔽层内。在钨筒和电阻环的上表面，分别有电源线接出；钨筒的电源线与电阻环的电源线分别独立的与电源连接，并通过钨筒对位于坩埚内的试样整体加热，通过位于坩埚下部的电阻环对坩埚内的试样局部强化加热。两个热电偶分别位于钨筒上部和电阻环的下部，分别用于测量钨筒和电阻环的温度。本发明将整体加热和局部强化加热相结合，使试样在固/液界面前沿获得高温度梯度的同时充分熔化，降低了低熔点元素的烧损、扩大了适用材料类型和试样尺寸，并消除了传统感应加热引起的熔体强制对流。

1.  一种局部强化电阻加热高梯度定向凝固装置，包括电源线(1)、热电偶(2)、隔热板(3)、结晶器(4)、炉体、液态金属(5)、抽拉系统(6)、坩埚(9)、钨筒(10)和屏蔽层(11)，炉体包括上炉体(14)和下炉体(7)，在下炉体(7)内，由下炉体的中心向外，依次有抽拉系统(6)和结晶器(4)，在结晶器(4)内装有液态金属(5)；抽拉系统(6)穿过下炉体(7)的炉底，与伺服电机相连；在结晶器(4)的底部有两个冷却水入口8；在上炉体(14)内，由上炉体的中心向外，依次有坩埚(9)、钨筒(10)和屏蔽层(11)，坩埚(9)一端穿过上炉体(14)底部的中心孔，与位于下炉体(7)内中心的抽拉系统(6)相连；并通过热电偶(2)测量钨筒(10)的温度；其特征在于，所述的局部强化电阻加热高梯度定向凝固装置还包括电阻环(13)和钽电极(15)；电阻环(13)位于隔热板(3)上方钨筒(10)内、套装在坩埚(9)的外圆周上；钽电极(15)的一端与电源线连接；钽电极(15)另一端的端面上有凹槽，电阻环(13)未封闭端嵌入该凹槽内构成闭合回路；电阻环(13)上接有热电偶(2)。

2.  如权利要求1所述一种局部强化电阻加热高梯度定向凝固装置，其特征在于，所述的电阻环(13)为圆周上有开口的套筒。

3.  如权利要求1所述一种局部强化电阻加热高梯度定向凝固装置，其特征在于，电阻环(13)与钨筒(10)和坩埚(9)之间不干涉；电阻环(13)与隔热板之间有间隙；电阻环(13)的轴线与炉体的中心线重合。

4.  如权利要求1所述一种局部强化电阻加热高梯度定向凝固装置，其特征在于，钨筒(10)的电源线与电阻环(13)的电源线分别独立的与电源连接。

一种局部强化电阻加热高梯度定向凝固装置
技术领域
本发明涉及定向凝固材料制备领域，具体是一种局部强化电阻加热高梯度定向凝固装置。
背景技术
定向凝固技术可使材料凝固组织按特定方向排列，获得定向及单晶组织，改善材料性能。在材料的定向凝固过程中，高的温度梯度是获得超细化组织、减小成分偏析、控制显微缺陷及相分布的保证。此外，高温度梯度可以在保证优化凝固组织的同时提高抽拉速率，从而提高生产效率。因此，高的温度梯度是定向凝固设备追求的目标。定向凝固技术的发展历史就是不断提高定向凝固设备温度梯度的历史。而大的温度梯度的获得可以通过强化加热和冷却条件。因此，各国学者及工程技术人员沿着这两条思路发明了一系列提高固/液界面前沿温度梯度的方法。
目前，在工业生产上广泛应用的定向凝固方法主要有快速凝固法(HRS)和液态金属冷却法(LMC)。HRS法是通过感应或者电阻加热对试样进行整体加热熔化，然后将铸件以一定的抽拉速率从炉子中移出完成定向凝固，温度梯度为60～100℃/cm。LMC法与HRS的主要区别在于冷却介质采用低熔点液态金属进行强制冷却，温度梯度可达100～300℃/cm。然而，HRS法和LMC法因为都是对试样进行全熔，因此，如果通过强化加热来提高温度梯度将会引起合金中低熔点元素的烧损。高能束区熔定向凝固法虽可以得到高的温度梯度，但是，只适用于小尺寸试样的定向凝固。例如，西北工业大学凝固技术国家重点实验室张军、崔春娟等人利用电子束悬浮区熔定向凝固制备了Si/TaSi₂共晶自生复合场发射材料，其温度梯度为350～500℃/cm。
西北工业大学凝固技术国家重点实验室在LMC法的基础上发展了一种新型的定向凝固技术——区域熔化液态金属冷却法((ZMLMC))。局部加热技术使固/液界面前沿得到充分的强化加热，从而可以获得高达1300℃/cm的温度梯度。但是，在抽拉速率较高的情况下，ZMLMC法采用的区域感应加热方式对试样的熔化能力滞后抽拉速率，从而导致实样不能充分熔化，这就限制了冷却速率的进一步提高。
本发明针对LMC法和ZMLMC法存在的不足，提出了一种局部强化电阻加热高梯度定向凝固装置。该装置将LMC法与区熔技术相结合，不但可以得到高达600℃/cm温度梯度，而且保证了试样完全熔化并降低了低熔点元素的烧损。另外，由于采用电阻加热，使适用范围扩大到了不导电材料，而且电阻加热不会像感应加热引起强制对流，可以获得稳定的晶体生长，从而便于凝固理论研究。
发明内容
为克服现有技术中存在的或者对试样进行整体加热熔化导致温度梯度较低；或者区域感应加热使试样不能充分熔化的不足，本发明提出了一种局部强化电阻加热高梯度定向凝固装置。
本发明包括电源线、热电偶、隔热板、结晶器、炉体、液态金属、抽拉系统、坩埚、钨筒和屏蔽层，炉体包括上炉体和下炉体，在下炉体内，由下炉体的中心向外，依次有抽拉系统和结晶器，在结晶器内装有液态金属；抽拉系统穿过下炉体的炉底，与伺服电机相连；在结晶器的底部有两个冷却水入口；在上炉体内，由上炉体的中心向外，依次有坩埚、钨筒和屏蔽层，坩埚一端穿过上炉体底部的中心孔，与位于下炉体内中心的抽拉系统相连；并通过热电偶测量钨筒的温度；其特征在于，所述的局部强化电阻加热高梯度定向凝固装置还包括电阻环和钽电极；电阻环位于隔热板上方钨筒内、套装在坩埚的外圆周上；钽电极的一端与固定在上炉体壁上的水冷电源线连接，另一端的端面上有凹槽，电阻环未封闭端嵌入该凹槽内构成闭合回路；电阻环上接有热电偶。
所述的电阻环为圆周上有开口的套筒。电阻环与钨筒和坩埚之间不干涉；电阻环与隔热板之间有间隙；电阻环的轴线与炉体的中心线重合。
所述的钨筒的电源线与电阻环的电源线分别独立的与电源连接。
本发明的有益效果是：本发明综合了ZMLMC法和HRS法的优点，通过钨筒对对试样进行整体加热，通过电阻环对试样固液界面前沿进行局部强化加热并用液态金属冷却。整体加热保证试样充分熔化，这样即使在高速抽拉时也不会在试样中出现未溶颗粒；固液界面前沿的局部强化加热使设备可以提供高的温度梯度，因此，本发明在保证试样完全熔化的同时可以得到高的温度梯度。具体的效果如表一所示。同时电阻环的材料、高度、厚度和内径均能够根据试样的尺寸及所需要的温度梯度进行调整。
由于采用电阻加热，该装置不仅适用于导电材料，还适用于陶瓷、半导体、陶瓷基复合材料等不导电材料。另外，钨筒和电阻环采用两台直流电源分别供电，两者的功率可以单独调节，从而，方便实现对试样的整体加热和局部强化加热。直流供电也保证了在加热过程中不会形成电磁扰动，减少了定向凝固过程中熔体的流动，便于定向凝固理论研究。
表一不同定向凝固装置制备试样熔化效果及定向情况比较

附图说明
图1是本发明所结合装置的示意图。
图2是本发明电阻环加热体的结构示意图。
图3是本发明电阻环加热体的俯视图。其中：
1.电源线   2.热电偶       3.隔热板    4.结晶器    5.液态金属    6.抽拉系统
7.下炉体   8.冷却水入口   9.坩埚      10.钨筒     11.屏蔽层     12.试样
13.电阻环  14.上炉体      15.钽电极
具体实施方式
实施例一
本实施例是一种局部强化电阻加热高梯度定向凝固装置，包括电源线1、热电偶2、隔热板3、结晶器4、炉体、液态金属5、抽拉系统6、坩埚9、钨筒10、屏蔽层11、电阻环13和钽电极15。本实施例加热的合金为DZ125定向凝固镍基高温合金，局部强化温度为2000℃，整体加热温度为1500℃，在保证试样完全熔化的基础上获得600℃/cm的温度梯度。
炉体包括上炉体14和下炉体7，在下炉体7内，由下炉体的中心向外，依次有抽拉系统6和结晶器4，在结晶器4内装有液态金属5；抽拉系统6穿过下炉体7的炉底，与伺服电机相连；在结晶器4的底部有两个冷却水入口8。
在上炉体14内，由上炉体的中心向外，依次有坩埚9、电阻环13、钨筒10和屏蔽层11，并且坩埚9、电阻环13和钨筒10均位于屏蔽层11内。在钨筒10和电阻环13的上表面，分别有电源线1接出；钨筒10的电源线与电阻环13的电源线分别独立的与电源连接，并通过钨筒10对位于坩埚9内的试样12整体加热，通过位于坩埚9下部的电阻环13对坩埚内的试样12局部强化加热。坩埚9一端穿过上炉体14底部的中心孔，与位于下炉体7内中心的抽拉系统6相连。两个热电偶2分别位于钨筒10上部和电阻环13的下部，分别用于测量钨筒10和电阻环13的温度。
在上炉体14和下炉体7之间有隔热板3。
用钽制作的电阻环13为圆周上有开口的套筒。电阻环13的外径小于钨筒10的内径，内径大于坩埚9的外径。电阻环13位于隔热板上方的钨筒10内、套装在坩埚9的外圆周上，并且电阻环13与钨筒10和坩埚9之间不干涉；电阻环与隔热板之间有间隙；电阻环的轴线与炉体的中心线重合。电阻环13的高度和厚度根据所加热的温度和固/液界面前沿的温度梯度确定，其确定原则为电阻环13在所需要的温度梯度下不发生软化。本实施例中，电阻环13的高度为10mm；电阻环13的厚度为0.5mm。
钽电极15为杆状，用于固定电阻环13并连接电源线。钽电极15的一端与固定在上炉体壁上的水冷电源线连接；钽电极15另一端的端面上有凹槽，电阻环13未封闭端嵌入该凹槽内构成闭合回路。
使用时，先将坩埚9装夹在抽拉系统6上，再放置中心带有通孔的隔热板3，然后将合金试样12放入坩埚9，降上炉体14并保证上炉体和下炉体同心，从而保证坩埚和加热装置同心，上下炉体闭合后再将加热装置的四根电源线1接到两个直流电源上，然后开启直流电源，通过钨筒10对试样12进行整体加热，当试样达到所要求的温度后，调整电阻环13的输入功率得到所需温度梯度，然后，抽拉系统6以设定的速度将试样12及坩埚9通过抽拉系统6向下移入液态金属冷却液5中来实现定向凝固。
按照实验设计要求，将多个同一成分的合金样品按照不同的速率进行定向凝固，得到不同生长速率下的组织花样，并进一步分析组织演化规律。根据最终实验结果，本装置的温度梯度高达600K/cm，而且在抽拉速率达到1mm/s时未发现最终获得的试样没有未熔颗粒的存在。
实施例二
本实施例是一种局部强化电阻加热高梯度定向凝固装置，包括电源线1、热电偶2、隔热板3、结晶器4、炉体、液态金属5、抽拉系统6、坩埚9、钨筒10、屏蔽层11、电阻环13和钽电极15。本实施例加热的合金为AM3单晶高温合金合金，局部强化温度为1650℃，整体加热温度为1500℃，在保证试样完全熔化的基础上获得290℃/cm的温度梯度。
炉体包括上炉体14和下炉体7，在下炉体7内，由下炉体的中心向外，依次有抽拉系统6和结晶器4，在结晶器4内装有液态金属5；抽拉系统6穿过下炉体7的炉底，与伺服电机相连；在结晶器4的底部有两个冷却水入口8。
在上炉体14内，由上炉体的中心向外，依次有坩埚9、电阻环13、钨筒10和屏蔽层11，并且坩埚9、电阻环13和钨筒10均位于屏蔽层11内。在钨筒10和电阻环13的上表面，分别有电源线1接出；钨筒10的电源线与电阻环13的电源线分别独立的与电源连接，并通过钨筒10对位于坩埚9内的试样12整体加热，通过位于坩埚9下部的电阻环13对坩埚内的试样12局部强化加热。坩埚9一端穿过上炉体14底部的中心孔，与位于下炉体7内中心的抽拉系统6相连。两个热电偶2分别位于钨筒10上部和电阻环13的下部，分别用于测量钨筒10和电阻环13的温度。
在上炉体14和下炉体7之间有隔热板3。
用钼制作的电阻环13为圆周上有开口的套筒。电阻环13的外径小于钨筒10的内径，内径大于坩埚9的外径。电阻环13位于隔热板上方的钨筒10内、套装在坩埚9的外圆周上，并且电阻环13与钨筒10和坩埚9之间不干涉；电阻环与隔热板之间有间隙；电阻环的轴线与炉体的中心线重合。电阻环13的高度和厚度根据所加热的温度和液固界面前沿的温度梯度确定，其确定原则为电阻环13在所需要的温度梯度下不发生软化。本实施例中，电阻环13的高度为5mm；电阻环13的厚度为1mm。
钽电极15为杆状，用于固定电阻环13并连接电源线。钽电极15的一端与固定在上炉体壁上的水冷电源线连接；钽电极15另一端的端面上有凹槽，电阻环13未封闭短嵌入该凹槽内构成闭合回路。
使用时，先将坩埚9装夹在抽拉系统6上，再放置中心带有通孔的隔热板3，然后将合金样品放入坩埚9，降上炉体14并保证上炉体和下炉体同心，从而保证坩埚和加热装置同心，上下炉体闭合后再将加热装置的四根电源线1接到两个直流电源上，然后开启直流电源，通过钨筒10对试样12进行整体加热，当试样达到所要求的温度后，调整电阻环13的输入功率得到所需温度梯度，然后，抽拉系统6以设定的速度将试样12及坩埚9通过抽拉系统6向下移入液态金属冷却液5中来实现定向凝固。
按照实验设计要求，将多个同一成分的合金样品按照不同的速率进行定向凝固，得到不同生长速率下的组织花样，并进一步分析组织演化规律。根据最终实验结果，本装置的温度梯度为290K/cm，而且在抽拉速率达到0.9mm/s时未发现最终获得的试样没有未熔颗粒的存在。
实施例三
本实施例是一种局部强化电阻加热高梯度定向凝固装置，包括电源线1、热电偶2、隔热板3、结晶器4、炉体、液态金属5、抽拉系统6、坩埚9、钨筒10、屏蔽层11、电阻环13和钽电极15。本实施例加热的合金为DZ125定向凝固镍基高温合金，局部强化温度为2000℃，整体加热温度为1500℃，在保证试样完全熔化的基础上获得600℃/cm的温度梯度。
炉体包括上炉体14和下炉体7，在下炉体7内，由下炉体的中心向外，依次有抽拉系统6和结晶器4，在结晶器4内装有液态金属5；抽拉系统6穿过下炉体7的炉底，与伺服电机相连；在结晶器4的底部有两个冷却水入口8。
在上炉体14内，由上炉体的中心向外，依次有坩埚9、电阻环13、钨筒10和屏蔽层11，并且坩埚9、电阻环13和钨筒10均位于屏蔽层11内。在钨筒10和电阻环13的上表面，分别有电源线1接出；钨筒10的电源线与电阻环13的电源线分别独立的与电源连接，并通过钨筒10对位于坩埚9内的试样12整体加热，通过位于坩埚9下部的电阻环13对坩埚内的试样12局部强化加热。坩埚9一端穿过上炉体14底部的中心孔，与位于下炉体7内中心的抽拉系统6相连。两个热电偶2分别位于钨筒10上部和电阻环13的下部，分别用于测量钨筒10和电阻环13的温度。
在上炉体14和下炉体7之间有隔热板3。
用钨制作的电阻环13为圆周上有开口的套筒。电阻环13的外径小于钨筒10的内径，内径大于坩埚9的外径。电阻环13位于隔热板上方的钨筒10内、套装在坩埚9的外圆周上，并且电阻环13与钨筒10和坩埚9之间不干涉；电阻环与隔热板之间有间隙；电阻环的轴线与炉体的中心线重合。电阻环13的高度和厚度根据所加热的温度和固/液界面前沿的温度梯度确定，其确定原则为电阻环13在所需要的温度梯度下不发生软化。本实施例中，电阻环13的高度为10mm；电阻环13的厚度为0.5mm。
钽电极15为杆状，用于固定电阻环13并连接电源线。钽电极15的一端与固定在上炉体壁上的水冷电源线连接；钽电极15另一端的端面上有凹槽，电阻环13未封闭端嵌入该凹槽内构成闭合回路。
使用时，先将坩埚9装夹在抽拉系统6上，再放置中心带有通孔的隔热板3，然后将合金试样12放入坩埚9，降上炉体14并保证上炉体和下炉体同心从而保证坩埚和加热装置同心，上下炉体闭合后再将加热装置的四根电源线1接到两个直流电源上，然后开启直流电源，通过钨筒10对试样12进行整体加热，当试样达到所要求的温度后，调整电阻环13的输入功率得到所需温度梯度，然后，抽拉系统6以设定的速度将试样12及坩埚9通过抽拉系统6向下移入液态金属冷却液5中来实现定向凝固。
按照实验设计要求，将多个同一成分的合金样品按照不同的速率进行定向凝固，得到不同生长速率下的组织花样，并进一步分析组织演化规律。根据最终实验结果，本装置的温度梯度高达600K/cm，而且在抽拉速率达到1mm/s时未发现最终获得的试样没有未熔颗粒的存在。
实施例四
本实施例是一种局部强化电阻加热高梯度定向凝固装置，包括电源线1、热电偶2、隔热板3、结晶器4、炉体、液态金属5、抽拉系统6、坩埚9、钨筒10、屏蔽层11、电阻环13和钽电极15。本实施例加热的合金为DZ125定向凝固镍基高温合金，局部强化温度为1500℃，整体加热温度为1500℃，在保证试样完全融化的基础上获得120℃/cm的温度梯度。
炉体包括上炉体14和下炉体7，在下炉体7内，由下炉体的中心向外，依次有抽拉系统6和结晶器4，在结晶器4内装有液态金属5；抽拉系统6穿过下炉体7的炉底，与伺服电机相连；在结晶器4的底部有两个冷却水入口8。
在上炉体14内，由上炉体的中心向外，依次有坩埚9、电阻环13、钨筒10和屏蔽层11，并且坩埚9、电阻环13和钨筒10均位于屏蔽层11内。在钨筒10和电阻环13的上表面，分别有电源线1接出；钨筒10的电源线与电阻环13的电源线分别独立的与电源连接，并通过钨筒10对位于坩埚9内的试样12整体加热，通过位于坩埚9下部的电阻环13对坩埚内的试样12局部强化加热。坩埚9一端穿过上炉体14底部的中心孔，与位于下炉体7内中心的抽拉系统6相连。两个热电偶2分别位于钨筒10上部和电阻环13的下部，分别用于测量钨筒10和电阻环13的温度。
在上炉体14和下炉体7之间有隔热板3。
用石墨制作的电阻环13为圆周上有开口的套筒。电阻环13的外径小于钨筒10的内径，内径大于坩埚9的外径。电阻环13位于隔热板上方的钨筒10内、套装在坩埚9的外圆周上，并且电阻环13与钨筒10和坩埚9之间不干涉；电阻环与隔热板之间有间隙；电阻环的轴线与炉体的中心线重合。电阻环13的高度和厚度根据所加热的温度和液固界面前沿的温度梯度确定，其确定原则为电阻环13在所需要的温度梯度下不发生软化。本实施例中，电阻环13的高度为5mm；电阻环13的厚度为0.5mm。
钽电极15为杆状，用于固定电阻环13并连接电源线。钽电极15的一端与固定在上炉体壁上的水冷电源线连接；钽电极15另一端的端面上有凹槽，电阻环13未封闭短嵌入该凹槽内构成闭合回路。
使用时，先将坩埚9装夹在抽拉系统6上，再放置中心带有通孔的隔热板3，然后将合金样品放入坩埚9，降上炉体14并保证上炉体和下炉体同心，从而保证坩埚和加热装置同心，上下炉体闭合后再将加热装置的四根电源线1接到两个直流电源上，然后开启直流电源，通过钨筒10对试样进行整体加热，当试样达到所要求的温度后，调整电阻环13的输入功率得到所需温度梯度，然后，抽拉系统6以设定的速度将试样12及坩埚9通过抽拉系统6向下移入液态金属冷却液5中来实现定向凝固。
按照实验设计要求，将多个同一成分的合金样品按照不同的速率进行定向凝固，得到不同生长速率下的组织花样，并进一步分析组织演化规律。根据最终实验结果，本装置的温度梯度最高可达120℃/cm，而且在抽拉速率达到0.8mm/s时未发现最终获得的试样没有未熔颗粒的存在。
实施例五
本实施例是一种局部强化电阻加热高梯度定向凝固装置，包括电源线1、热电偶2、隔热板3、结晶器4、炉体、液态金属5、抽拉系统6、坩埚9、钨筒10、屏蔽层11、电阻环13和钽电极15。本实施例加热的合金为DZ125定向凝固镍基高温合金，局部强化温度为1500℃，整体加热温度为1500℃，在保证试样完全融化的基础上获得120℃/cm的温度梯度。
炉体包括上炉体14和下炉体7，在下炉体7内，由下炉体的中心向外，依次有抽拉系统6和结晶器4，在结晶器4内装有液态金属5；抽拉系统6穿过下炉体7的炉底，与伺服电机相连；在结晶器4的底部有两个冷却水入口8。
在上炉体14内，由上炉体的中心向外，依次有坩埚9、电阻环13、钨筒10和屏蔽层11，并且坩埚9、电阻环13和钨筒10均位于屏蔽层11内。在钨筒10和电阻环13的上表面，分别有电源线1接出；钨筒10的电源线与电阻环13的电源线分别独立的与电源连接，并通过钨筒10对位于坩埚9内的试样12整体加热，通过位于坩埚9下部的电阻环13对坩埚内的试样12局部强化加热。坩埚9一端穿过上炉体14底部的中心孔，与位于下炉体7内中心的抽拉系统6相连。两个热电偶2分别位于钨筒10上部和电阻环13的下部，分别用于测量钨筒10和电阻环13的温度。
在上炉体14和下炉体7之间有隔热板3。
用硅钼化合物制作的电阻环13为圆周上有开口的套筒。电阻环13的外径小于钨筒10的内径，内径大于坩埚9的外径。电阻环13位于隔热板上方的钨筒10内、套装在坩埚9的外圆周上，并且电阻环13与钨筒10和坩埚9之间不干涉；电阻环与隔热板之间有间隙；电阻环的轴线与炉体的中心线重合。电阻环13的高度和厚度根据所加热的温度和液固界面前沿的温度梯度确定，其确定原则为电阻环13在所需要的温度梯度下不发生软化。本实施例中，电阻环13的高度为5mm；电阻环13的厚度为0.5mm。
钽电极15为杆状，用于固定电阻环13并连接电源线。钽电极15的一端与固定在上炉体壁上的水冷电源线连接；钽电极15另一端的端面上有凹槽，电阻环13未封闭短嵌入该凹槽内构成闭合回路。
使用时，先将坩埚9装夹在抽拉系统6上，再放置中心带有通孔的隔热板3，然后将合金样品放入坩埚9，降上炉体14并保证上炉体和下炉体同心从而保证坩埚和加热装置同心，上下炉体闭合后再将加热装置的四根电源线1接到两个直流电源上，然后开启直流电源，通过钨筒10对试样进行整体加热，当试样达到所要求的温度后，调整电阻环13的输入功率得到所需温度梯度，然后，抽拉系统6以设定的速度将试样12及坩埚9通过抽拉系统6向下移入液态金属冷却液5中来实现定向凝固。
按照实验设计要求，将多个同一成分的合金样品按照不同的速率进行定向凝固，得到不同生长速率下的组织花样，并进一步分析组织演化规律。根据最终实验结果，本装置的温度梯度最高可达120℃/cm，而且在抽拉速率达到0.8mm/s时未发现最终获得的试样没有未熔颗粒的存在。
实施例六
本实施例是一种局部强化电阻加热高梯度定向凝固装置，包括电源线1、热电偶2、隔热板3、结晶器4、炉体、液态金属5、抽拉系统6、坩埚9、钨筒10、屏蔽层11、电阻环13和钽电极15。本实施例加热的合金为DZ125定向凝固镍基高温合金，局部强化温度为1200℃，整体加热温度为1200℃，在保证试样完全融化的基础上获得90℃/cm的温度梯度。
炉体包括上炉体14和下炉体7，在下炉体7内，由下炉体的中心向外，依次有抽拉系统6和结晶器4，在结晶器4内装有液态金属5；抽拉系统6穿过下炉体7的炉底，与伺服电机相连；在结晶器4的底部有两个冷却水入口8。
在上炉体14内，由上炉体的中心向外，依次有坩埚9、电阻环13、钨筒10和屏蔽层11，并且坩埚9、电阻环13和钨筒10均位于屏蔽层11内。在钨筒10和电阻环13的上表面，分别有电源线1接出；钨筒10的电源线与电阻环13的电源线分别独立的与电源连接，并通过钨筒10对位于坩埚9内的试样12整体加热，通过位于坩埚9下部的电阻环13对坩埚内的试样12局部强化加热。坩埚9一端穿过上炉体14底部的中心孔，与位于下炉体7内中心的抽拉系统6相连。两个热电偶2分别位于钨筒10上部和电阻环13的下部，分别用于测量钨筒10和电阻环13的温度。
在上炉体14和下炉体7之间有隔热板3。
用镍铬合金制作的电阻环13为圆周上有开口的套筒。电阻环13的外径小于钨筒10的内径，内径大于坩埚9的外径。电阻环13位于隔热板上方的钨筒10内、套装在坩埚9的外圆周上，并且电阻环13与钨筒10和坩埚9之间不干涉；电阻环与隔热板之间有间隙；电阻环的轴线与炉体的中心线重合。电阻环13的高度和厚度根据所加热的温度和液固界面前沿的温度梯度确定，其确定原则为电阻环13在所需要的温度梯度下不发生软化。本实施例中，电阻环13的高度为5mm；电阻环13的厚度为0.5mm。
钽电极15为杆状，用于固定电阻环13并连接电源线。钽电极15的一端与固定在上炉体壁上的水冷电源线连接；钽电极15另一端的端面上有凹槽，电阻环13未封闭短嵌入该凹槽内构成闭合回路。
使用时，先将坩埚9装夹在抽拉系统6上，再放置中心带有通孔的隔热板3，然后将合金样品放入坩埚9，降上炉体14并保证上炉体和下炉体同心从而保证坩埚和加热装置同心，上下炉体闭合后再将加热装置的四根电源线1接到两个直流电源上，然后开启直流电源，通过钨筒10对试样进行整体加热，当试样达到所要求的温度后，调整电阻环13的输入功率得到所需温度梯度，然后，抽拉系统6以设定的速度将试样12及坩埚9通过抽拉系统6向下移入液态金属冷却液5中来实现定向凝固。
按照实验设计要求，将多个同一成分的合金样品按照不同的速率进行定向凝固，得到不同生长速率下的组织花样，并进一步分析组织演化规律。根据最终实验结果，本装置的温度梯度最高可达90℃/cm，而且在抽拉速率达到0.8mm/s时未发现最终获得的试样没有未熔颗粒的存在。