一种金属凝固过程实时观察装置

1.本实用新型涉及射线成像和材料领域，具体涉及一种金属凝固过程实时观察装置。


背景技术：

2.x射线成像技术被广泛用来探测物体内部结构，射线源发出的射线穿过物体，在物体内部产生衰减，衰减后的x射线被射线探测器记录，并最终转化为灰度图像在显示器上显示出来，以此来达到不损坏物体就可以了解物体内部结构的目的。
3.金属材料的最终性能与其凝固过程密切相关，研究金属材料在凝固过程中的微观演化过程，可有助于金属材料力学和物理性能的提高
1.。由于金属材料的不透明性，研究者若想获得金属凝固过程动态变化情况，只能选择透明有机物模型来进行模拟，而此种模型有限，且与实际的金属存在性能参数上的较大差异，所以透明有机物不能完全模拟所有的金属合金系
1.。随着x射线成像技术的广泛应用，有材料学者开始利用同步辐射技术开展金属凝固成像实验
[2-4]
，但由于同步辐射光源是一个大科学装置，造价高，数量少，机时有限，用户使用需要预约，其便利性、易得性、灵活性不如实验室装置，满足不了用户随时使用的需求。
[0004]
完成本实用新型，可以为材料学者研究金属材料凝固的动态过程提供更为灵活便利的实用工具。
[0005]
参考文献：
[0006]
[1]曹飞王同敏."同步辐射成像技术在金属材料研究中的应用."中国材料进展36.3(2017):161-67.web.
[0007]
[2]kaukler w f,rosenberger f.metallurgical and materials transactions a[j],1994,25(8):1775-1777.
[0008]
[3]yin h b,koster j n.journal of crystal growth[j],1999,205:590-606.
[0009]
[4]王同敏许菁菁李军黄万霞刘晟初李廷举."金属合金枝晶生长同步辐射x射线实时成像观察."中国科学：技术科学10(2010):1214-220.web.


技术实现要素：

[0010]
为了解决上述问题，本实用新型提出一种金属凝固过程实时观察装置，是一种应用于实验室的小型成像装置，通过x射线成像方法来进行金属凝固过程的实时观察，可作为同步辐射光源进行此类研究的有益补充，为用户提供经济实用、灵活便利的研究装置。
[0011]
本实用新型的技术方案如下：
[0012]
一种金属凝固过程实时观察装置，包括：射线源1、射线探测器4和加热炉2；射线源1与计算机相连；射线探测器4与计算机相连；所述射线探测器4为用于接收x射线并转化为数字图像的平板探测器4，计算机上用操作软件控制射线源1和平板探测器4的工作；所述加热炉2包括加热炉丝8和热电偶，加热炉丝8与变压器相连，热电偶与温度记录仪相连。
[0013]
进一步地，所述实验装置还包括铅屏蔽外壳5，用于屏蔽射线；铅屏蔽外壳5内部设置有导轨，用来安装固定所述射线源1、所述平板探测器4和所述加热炉2；铅屏蔽外壳5内从上到下分别固定有所述射线源1、所述加热炉2和所述探测器4；且射线源1窗口，加热炉中心，探测器中心，三者成几何对中；铅屏蔽外壳5表面设置有开孔，使射线源1、探测器4的数据线、电源线与外部计算机和电源相连；铅屏蔽外壳5表面设置有开孔，使加热炉2的炉丝与外部变压器相连以及热电偶与温度记录仪相连。
[0014]
进一步地，采用所述加热炉2进行试样3的加热和降温；所述加热炉2的顶面和底面设置有通孔，使射线在穿过加热炉时不产生衰减；所述加热炉2的侧面开孔，使炉丝和热电偶线通过；所述加热炉2四周填充隔热材料；炉内温度通过两个热电偶测量。
[0015]
进一步地，射线源1通过串口与计算机相连。
[0016]
进一步地，射线源1通过rs232串口与计算机相连。射线探测器4通过cameralink或gige接口与计算机相连。
[0017]
进一步地，加热炉2包括盒体、盒盖和放置于加热炉内的氮化硼基体6、加热炉丝8和隔热材料。氮化硼基体6为加热基体。所述加热炉2盛放试样并对试样3进行加热，加热炉丝8盘绕在加热基体上，加热炉中间是方形凹槽设计，用于放置试样3，炉丝的温度通过调节变压器来进行温度的调节；凹槽附近有热电偶，用以测量温度，温度从温度记录仪上读出。
[0018]
进一步地，加热基体和炉丝8以及试样3均放置于加热炉的盒体12内，盒体12用于容纳加热基体6、加热炉丝8、试样3和隔热材料，隔热材料位于盒体12底部、顶部和侧面。
[0019]
具体地，一种实现金属材料凝固过程实时观察的实验室装置，包括：
[0020]
一台用于产生x射线的微焦点射线源1，通过导轨支架固定在铅屏蔽外壳5内；通过串口与计算机相连；
[0021]
一台用于接收x射线并转化为数字图像的平板探测器4，通过导轨支架固定在铅屏蔽外壳5内；通过cameralink或gige接口与计算机相连；
[0022]
计算机上用一套操作软件控制射线源1和平板探测器4的工作；
[0023]
一台小型加热炉2盛放试样并对试样3进行加热，加热基体材料是氮化硼，加热炉丝8是铂铑合金，盘绕在氮化硼基体6材料上，加热炉左右两部分结构完全相同，中间是方形凹槽设计，尺寸为35
×
25，深度小于0.5mm，用于放置坩埚和试样3，炉丝的温度通过调节变压器来进行温度的调节。凹槽附近有两个热电偶，用以测量温度，温度从温度记录仪上读出，可作为温度调节的依据。基体和炉丝以及试样3均放置于加热炉2内，加热炉2外形尺寸约为150mm
×
120mm
×
40mm，加热炉2用于容纳加热基体6、加热炉丝8、试样3和隔热材料。隔热材料位于加热炉底部、顶部和侧面。加热炉2包括盒体12和盒盖15，将隔热材料、加热基体6、加热炉丝8、试样3装入盒体12后，安装上盒盖，盒盖与盒体用螺钉连接，构成整个加热炉2。整个加热炉2位于距离射线源窗口约30mm位置，加热炉设计最高温度为800℃。在加热炉的顶面(即盒盖上表面)和底面(即盒体下表面)的光路位置上开孔，使x射线无衰减的通过，加热炉的盒体侧面有开孔，供炉丝和热电偶引出线通过。加热炉通过四角的螺钉固定在铅屏蔽外壳5的导轨支架上。
[0024]
一套铅屏蔽外壳5，用于安装固定x射线源1、平板探测器4、加热炉2，并屏蔽x射线。屏蔽外壳5内部设计有导轨，用来安装射线源1、平板探测器4、加热炉2，并在适当位置开孔，用于引出上述设备的线缆。屏蔽外壳5正面设计有门，更换试样时打开门操作即可。
[0025]
本实用新型的优点和有益效果：本实用新型，为用户提供基于实验室射线源的金属合金固、液界面形态的原位观察解决方案,可以为材料学者研究金属材料凝固的动态过程提供更为便利的实用工具。
附图说明
[0026]
图1：本实用新型装置几何结构框图；
[0027]
图2：加热炉内的加热结构；
[0028]
图3：加热炉的组成。
[0029]
图中，1-射线源，2-加热炉，3-试样，4-平板探测器，5-屏蔽外壳，6-氮化硼基体，7-试样的凹槽，8-加热炉丝，9-加热炉的手柄，10-加热炉的冷区，11-加热炉的热区，12-加热炉的盒体，13-加热结构，14-加热炉底部的开孔，15-加热炉的盒盖。
具体实施方式
[0030]
下面将结合本实用新型实施例中的附图，对本实用新型实施例中的技术方案进行清楚、完整的描述，显然，所描述的实施例仅为本实用新型的一部分实施例，而不是全部的实施例，基于本实用新型中的实施例，本领域的普通技术人员在不付出创造性劳动的前提下所获得的所有其他实施例，都属于本实用新型的保护范围。
[0031]
如图1-3所示，一种实现金属材料凝固过程实时观察的实验室装置，包括：一台用于产生x射线的微焦点射线源1，通过导轨支架固定在铅屏蔽外壳5内，通过rs232串口与计算机相连；一台用于接收x射线并转化为数字图像的平板探测器4，通过导轨支架固定在铅屏蔽外壳5内，通过cameralink或gige接口与计算机相连；计算机上用一套操作软件控制射线源1和平板探测器4的工作；一台小型加热炉2盛放试样3并对试样3进行加热，加热基体材料是氮化硼，加热炉丝8是铂铑合金，盘绕在氮化硼基体6材料上，加热炉2左右两部分结构完全相同，中间是方形凹槽设计，尺寸为35
×
25，深度小于0.5mm，为试样的凹槽7，用于放置坩埚和试样3，加热炉丝8与变压器相连，加热炉丝8的温度通过调节变压器来进行温度的调节。试样的凹槽7附近有两个热电偶，热电偶与温度记录仪相连，用以测量温度，温度从温度记录仪上读出，可作为温度调节的依据。加热炉2包括盒体(12)、盒盖(15)和放置于盒体(12)内的氮化硼基体6、加热炉丝8和隔热材料。基体6和炉丝8以及试样3均放置于加热炉盒体(12)内，加热炉盒体(12)为铝合金材质，盒体12尺寸约为150mm(长)
×
120mm(宽)
×
35mm(高)，用于容纳加热基体6、加热炉丝8、试样3和隔热材料。隔热材料位于加热炉底部、顶部和侧面。整个加热炉位于距离射线源窗口约30mm位置，加热炉设计最高温度约为800℃。在加热炉的顶面和底面的光路位置上开孔，使x射线无衰减的通过，加热炉侧面有开孔，供加热炉丝8和热电偶引出线通过。加热炉2通过四角的螺钉固定在铅屏蔽外壳5的导轨支架上。
[0032]
一套铅屏蔽外壳5，用于安装固定x射线源1、平板探测器4和加热炉2，并屏蔽x射线。屏蔽外壳5内部设计有导轨，用来从上到下安装射线源1、加热炉2和平板探测器4，且射线源窗口，加热炉中心，探测器中心，三者成几何对中。并在铅屏蔽外壳5表面适当位置开孔，用于引出上述设备的线缆，使射线源1、探测器4的数据线、电源线与外部计算机和电源相连，以及使加热炉的炉丝与外部变压器相连以及热电偶与温度记录仪相连。
[0033]
屏蔽外壳5正面设计有门，更换试样时打开门操作即可。
[0034]
图1为本实用新型装置几何结构框图。图示外框为铅屏蔽外壳5，屏蔽外壳5为长方体结构，尺寸约为500mm
×
300mm
×
300mm左右，壳内显示了几种设备的位置关系，壳内从上到下分别固定有射线源1、加热炉2(含试样3)、平板探测器4，三者均使用导轨平推入屏蔽外壳5内，并用螺钉紧固在导轨上；射线源1和平板探测器4的位置是固定的，而加热炉的位置可设置为上、下两个位置，根据分辨率需求使用不同的位置；屏蔽外壳5正前方设置有两个门及其门把手，打开门，可以放置上述设备进入屏蔽外壳5内，也可以更换试样。屏蔽外壳5侧面开孔，用于上述设备的引出线缆通过，引出线缆与外部计算机相连，通过计算机上的软件控制屏蔽外壳5内设备的启停、工作。
[0035]
图2为加热炉内的加热结构。加热结构分为热区、冷区，以便对试验形成温度梯度，进行凝固过程的控制。氮化硼基体6为加热基体。加热炉丝8为铂铑合金，炉丝盘绕并焊接在氮化硼材料的加热基体上，并将左右两部分加热基体连接起来，两端均有炉丝引出线，通过变压器来调节加热的温度。中间为试样凹槽7，用于盛放试样及其坩埚。
[0036]
图3为加热炉2的组成。加热炉为长方体结构，尺寸约为150mm(长)
×
120mm(宽)
×
40mm(高)左右。加热炉包括盒体12和盒盖15，两者通过螺钉相连；盒体底部及盒盖顶面，均开有孔，以利于射线穿透，使射线在穿过加热炉时不产生衰减。如图3所示，盒体底部的开孔14。盒体底部有四个长螺钉，用于安装固定加热结构，盒体12侧面开长孔和圆孔，用于加热结构13的把手引出、加热炉丝8引出和热电偶线通过。加热结构13与盒体12、盒盖15之间的空隙填充隔热材料。
[0037]
本实用新型适用于金属合金材料在凝固过程中的实时变化情况的成像。图像的分辨率范围在五微米到几十微米之间，具体数值与射线源1焦点大小、平板探测器4像素、及装置的几何布局有关。本装置依据所采用的射线源1、平板探测器4，最大可以达到五到十微米的分辨水平。本装置可以作为同步辐射光源的有益补充，且相比于复杂的大科学装置，具有更加灵活、随时可以供用户使用的优点。
[0038]
根据本实用新型的一个实施例，本实用新型的装置在使用时，通过射线成像实现金属合金凝固过程枝晶生长、固液界面演变等现象的实时观察，具体包括：
[0039]
将本装置中的设备连接好外部电源、数据线，给设备通电；
[0040]
开启x射线源1，通过软件进行预热，预热完成后暂时关闭射线源1；
[0041]
开启平板探测器4，通过软件进行平板探测器4的校正，校正完成，探测器4处于待机状态；
[0042]
打开屏蔽外壳5的门，将加热炉2及已固定的试样3从导轨推入屏蔽外壳5内，加热炉2的位置经过设计，这时试样3处于射线源1和探测器4之间的光路上；
[0043]
通过变压器给加热炉丝8加热，热电偶连接至外部温度记录仪，从两处热电偶的温度可以判断炉内温度区间，当温度达到金属合金的熔点后(本装置炉内设计最高加热温度约为800℃，不同的试样有不同的加热曲线，具体加热的升降温过程视试样3的不同而有不同)，保温一定时间，具体时间长短可根据试样的需求进行调节；
[0044]
开启x射线源1，在一定功率下，例如80kv，150μa参数下，进行成像实验，具体参数与所用射线源1、探测器4参数、及试样3的材料和厚度有关；
[0045]
同时开启平板探测器4，在一定采集参数下，例如100ms，进行成像实验；
[0046]
通过变压器调节温度，控制炉内温度缓慢下降；
[0047]
此时成像实验采集到金属凝固过程的动态演变图像，并进行存储，也可以通过图像软件来实时观察；
[0048]
降温完成后，试验结束，关闭设备电源；
[0049]
待试样降至室温时，可更换试样，进行下一个试样的成像实验，过程如前所述。
[0050]
尽管上面对本实用新型说明性的具体实施方式进行了描述，以便于本技术领域的技术人员理解本实用新型，且应该清楚，本实用新型不限于具体实施方式的范围，对本技术领域的普通技术人员来讲，只要各种变化在所附的权利要求限定和确定的本实用新型的精神和范围内，这些变化是显而易见的，一切利用本实用新型构思的实用新型创造均在保护之列。