高溫共晶點灌注方法研究

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)北京長城計量測試技術(shù)研究所，北京100095）

0 引言

現(xiàn)行的ITS-90國際溫標(biāo)在銀凝固點（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℃）任意一個固定點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的高溫精準(zhǔn)測量需求。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，使高溫共晶點成為下一代溫標(biāo)的發(fā)展方向［2］。

高溫共晶點研制過程中，灌注方法是一項關(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便，但是灌注效率較低，且對坩堝本身的碳消耗較大，坩堝破裂的風(fēng)險較高。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)粘連問題。

為解決上述問題，設(shè)計了采用長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)問題，且通過試驗驗證了實際應(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坩堝內(nèi)，經(jīng)加熱熔化后制成高溫共晶點的方法。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普遍采用的灌注方法，多個國家的計量院均發(fā)表過采用直接共晶法灌注坩堝的論文［3-6］。

直接共晶法的優(yōu)點是操作簡單，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，體積會大幅減少，需要不斷重復(fù)灌注試驗。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坩堝［7］。表1為航空工業(yè)計量所灌注一個Co-C共晶點坩堝所需的試驗次數(shù)和添加混合粉末質(zhì)量情況，可見灌滿此坩堝經(jīng)過了13次灌注試驗，且最后5次試驗每次添加粉末質(zhì)量均低于2 g。

表1 灌滿一個Co-C共晶點坩堝的試驗記錄

2 預(yù)共晶灌注法

在進(jìn)行共晶點坩堝灌注時，首先將混合粉末添加入一個“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坩堝內(nèi)。俄羅斯VNIIOFI［8］和中國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 所示為切開后的坩堝，可見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”問題。但是，該方法在兩個坩堝連接處存在共晶體粘連問題，且預(yù)共晶坩堝上開孔一側(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 切開后的坩堝

圖3 為NIM發(fā)布的預(yù)共晶灌注試驗過程，使用加長的薄襯套作為預(yù)共晶坩堝，圖3（a），（b）為預(yù)共晶過程，首先在預(yù)共晶坩堝中形成灌滿共晶點坩堝所需質(zhì)量的金屬-碳共晶體，之后將較長的襯套取出，倒置放在共晶點坩堝內(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，完成共晶點坩堝的灌注。

圖3 NIM發(fā)布的預(yù)共晶灌注試驗過程

由于預(yù)共晶坩堝的長度較長，且該坩堝內(nèi)沒有黑體腔，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的次數(shù)，提高灌注效率。預(yù)共晶容器的一部分最后會作為共晶點坩堝內(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，試驗時存在一定的破裂風(fēng)險。

3 帶延長襯套的直接共晶坩堝

直接共晶法操作簡單，制約某灌注效率的核心問題是坩堝內(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，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，采用延長襯套的方法。

目前，主流的共晶點坩堝內(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填充混合粉末的有效容積，通過延長石墨襯套來增加有效容積。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］，在襯套上開有一個寬和深均為0.5 mm的凹槽，便于在灌注試驗結(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)計的帶延長襯套的直接灌注法坩堝內(nèi)部結(jié)構(gòu)示意圖和實物圖，主要包括帶黑體腔的共晶點坩堝、延長襯套、保護(hù)坩堝、坩堝蓋。保護(hù)坩堝利用共晶點坩堝上部的螺紋，與共晶點坩堝連接，以保護(hù)延長襯套在試驗過程中不破裂。保護(hù)坩堝與共晶點坩堝的基本尺寸類似，與延長襯套配合后，相當(dāng)于將共晶點坩堝整體延長。延長襯套和保護(hù)坩堝的長度可根據(jù)灌注系統(tǒng)的溫場條件進(jìn)行調(diào)整，本文設(shè)計了20 mm和45 mm兩種長度的延長襯套和保護(hù)坩堝，前者應(yīng)用于溫場較差的灌注系統(tǒng)中，后者應(yīng)用于溫場較好的灌注系統(tǒng)中。由于延長襯套隔開了共晶體與兩個坩堝之間的螺紋連接處，使得取下延長坩堝時非常方便，不存在共晶體粘連問題。

圖5 帶延長襯套的直接灌注法坩堝

采用長度為45 mm的延長坩堝灌注Co-C共晶點，試驗記錄如表2所示。需要說明的是，此時采用的坩堝與表1所用的坩堝型號不同，坩堝長度有所減少，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題，在添加金屬-碳混合粉末時，使用玻璃棒將粉末盡量壓實，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 使用延長坩堝灌注Co-C共晶點試驗記錄

由表2可知，使用延長坩堝的灌注次數(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。灌注試驗后取下保護(hù)坩堝，沿凹槽掰斷延長襯套，觀察共晶體上表面，可見其表面比較平整，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，說明灌注的共晶體較為致密，沒有出現(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，同時避免試驗后共晶體在兩個坩堝連接處粘連導(dǎo)致二者無法分離，設(shè)計了一種帶導(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)共晶坩堝的長度可根據(jù)灌注系統(tǒng)溫場情況進(jìn)行調(diào)整，若灌注系統(tǒng)的均溫段較長，可適當(dāng)延長預(yù)共晶坩堝長度，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，首先在該坩堝內(nèi)灌注共晶點坩堝所需質(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坩堝內(nèi)部容積計算得到。之后利用共晶點坩堝上端的螺紋將二者連接起來，加熱共晶體使其成為熔融態(tài)，在重力作用下流入共晶點坩堝內(nèi)。在此過程中，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坩堝的連接處。

由于熔融態(tài)共晶體具有流動性，與液態(tài)物質(zhì)有一定相似性，可能會在斜坡前端橫向流動，粘結(jié)到兩個坩堝連接處。為避免出現(xiàn)橫向流動問題，在斜坡前端設(shè)計了一個凸出的尖峰，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。

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，發(fā)現(xiàn)在共晶點坩堝內(nèi)，共晶體上表面有一定傾斜，因此需要延長共晶體在熔融狀態(tài)下的時間來平抑上表面，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)果對比

為研究不同灌注方法對復(fù)現(xiàn)結(jié)果的影響，對Co-C-1#和Co-C-3#坩堝進(jìn)行了復(fù)現(xiàn)試驗，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)上下平臺溫度控制準(zhǔn)確性、測試用標(biāo)準(zhǔn)光電高溫計短期波動度等影響因素，采用不同灌注方法制作的Co-C共晶點復(fù)現(xiàn)溫坪的拐點溫度略有差異，由表3可知，拐點溫度差約為75 mK，可認(rèn)為采用不同灌注方法對復(fù)現(xiàn)結(jié)果并無顯著影響。

6 結(jié)論

針對高溫共晶點研制過程中的關(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)計了兩種坩堝結(jié)構(gòu)，分別為帶延長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)試驗驗證，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)問題，二者均達(dá)到了設(shè)計目的。相比之下，帶延長襯套的直接共晶法坩堝灌注的水平度較好效果更加理想。