具体实施方式

下面详细描述本发明的实施例，所述实施例的示例在附图中示出。下面通过参考附图描述的实施例是示例性的，旨在用于解释本发明，而不能理解为对本发明的限制。

下面根据图1和图2描述本发明提供的定向凝固装置100的基本结构。

如图1所示，定向凝固装置100包括保温炉110、容器120、铸模130和升降组件。其中保温炉110限定出保温腔111。容器120位于保温炉110的下方，容器120的容纳腔中装有用于对铸模130冷却的固态冷却颗粒200。

铸模130能够在保温位置和冷却位置之间往复移动。其中，在保温位置时，铸模130容置于保温腔111中进行保温，在冷却位置时，铸模130浸没在固态冷却颗粒中进行冷却。可以理解的是，在本发明提供的定向凝固装置100中，保温炉110中的保温腔111作为定向凝固的热端，容器120中装置的固态冷却颗粒200作为定向凝固的冷端，当铸模130从保温位置向冷却位置移动时，即当铸模130的下端的一部分从保温腔111中抽出并浸没在容器120中的固态冷却颗粒200中的过程中，由于铸模130的上半部分位于保温腔111中，因此在热端和冷端的作用下，铸模130中形成了稳定的定向的温度梯度，铸模130中的合金从而能够沿着温度梯度的方向逐渐凝固成型。需要说明的是，固态冷却颗粒200为具有高导热系数的固态颗粒，其作为冷端和与其接触的铸模130之间进行高效热交换，以对温度较高的铸模130进行冷却，具有优异的冷却能力。

升降组件用于承载铸模130，以驱动铸模130在保温位置和冷却位置之间往复移动，即铸模130能够在升降组件的作用下上升或下降以实现在保温位置和冷却位置之间往复移动。铸模130在升降组件的作用下下降时，铸模130逐渐被拉出保温腔111并浸入容器120中的固态冷却颗粒200中。铸模130在升降组件的作用下上升时，浸没在固态冷却颗粒200中的铸模130逐渐被拉出并伸入保温腔111中。

定向凝固装置100还包括搅拌组件，搅拌组件包括位于容器120内的搅拌辊，搅拌辊能够通过旋转搅动容器120中的固态冷却颗粒200。对固态冷却颗粒200的搅动能够使铸模130附近因吸收了热量温度升高的固态冷却颗粒200远离铸模130，同时使距离铸模130较远、还未与铸模130接触吸热的、温度较低的固态冷却颗粒200靠近铸模130并对其接触冷却，从而保证铸模130表面始终与冷态的固态冷却颗粒200接触，能够加速铸模130的冷却，提高冷却强度和温度梯度，进而有利于定向凝固。可选地，搅拌辊可以为一个也可以为多个。

根据本发明实施例提出的定向凝固装置采用高导热的固态冷却颗粒作为冷却介质，当铸模从保温位置向冷却位置移动的过程中，铸模的下端逐渐浸没在固态冷却颗粒中并与其接触发生热交换而被冷却，铸模中形成了单一方向上的稳定的温度梯度，从而有利于获得性能优良的定向凝固晶体。此外，固态冷却颗粒还可以隔绝保温炉中的热量对铸模中已凝固的晶体部分辐射加热，从而可以进一步提高温度梯度。搅拌组件对固态冷却颗粒的搅动能够加速铸模的冷却，提高冷却强度和温度梯度，进而有利于定向凝固。

本发明还提供了一种使用上述定向凝固装置100进行定向凝固的方法，包括以下步骤：

步骤1：升降组件使铸模130处于保温位置，铸模130在保温腔111中进行预热；

步骤2：将熔化的高温合金注入铸模130中；

步骤3：利用升降组件将铸模130向冷却位置移动，在该过程中，铸模130逐渐被位于容器120中的固态冷却颗粒200浸没并与固态冷却颗粒200发生热交换以使铸模130中的高温合金由下至上逐渐冷却凝固成型；

步骤4：铸模130到达冷却位置后停留预设时间直至铸模130中的合金完全凝固成型；

步骤5：待合金完全凝固成型后，将铸模130和凝固的合金取出脱模。

根据本发明实施例提供的定向凝固方法中采用固态冷却颗粒对铸模进行冷却，使铸模中的高温合金在单一方向的温度梯度下定向凝固成型，本发明提供的定向凝固方法与传统的液态金属冷却法相比，采用固态的冷却颗粒代替低熔点液态金属作为冷却介质，工艺简单且易于控制，并且由于冷却介质为性能稳定的固态，还可以避免冷却介质对铸模及其中的高温合金的污染，从而提高定向凝固晶体的质量和制备成功率。此外，固态冷却颗粒还可以隔绝保温炉中的热量对铸模中已凝固的晶体部分辐射加热，从而可以进一步提高温度梯度。

下面根据图1和图2对本发明的具体实施例进行描述。

如图1所示，本实施例的定向凝固装置100包括保温炉110、容器120、铸模130和升降组件。容器120位于保温炉110的下方，容器120的容纳腔中装有固态冷却颗粒200。铸模130在升降组件的作用下在保温位置和冷却位置之间上下移动，其中保温位置位于保温炉110的保温腔111中，冷却位置位于容器120中。可选地，容器120由钢制成。

在图1所示的实施例中，为了更好的对铸模130进行保温，保温炉110中还设有用于加热保温的发热件112。具体地，保温炉110的侧壁上环绕设置有发热件112，发热件112通电后温度升高，向铸模130辐射热量，使其温度升高以及保持在预定温度。保温炉110的上端设置有上盖113，上盖113可以防止保护腔111中的热量散失。保温炉110下端开口，铸模130能够通过保温炉110的下端开口伸入或伸出保温腔111。

进一步地，定向凝固装置100还包括环形隔热板170，环形隔热板170连接在保温炉110的下方，环形隔热板170套设铸模130，环形隔热板170用于隔离高温的保温腔111与低温的固态冷却颗粒200，避免保温腔111中的热量过多地向下辐射到固态冷却颗粒200中。可选地，环形隔热板170由碳砧或隔热陶瓷材料制成。

可选地，固态冷却颗粒200为高导热的金属颗粒。

本实施例的定向凝固装置100还包括冷却托盘150，冷却托盘150位于铸模130下方并承载铸模130，铸模130放置于冷却托盘150上。升降组件与冷却托盘150相连以便通过移动冷却托盘150实现铸模140的升降运动，即升降组件通过带动冷却托盘150实现铸模140与冷却托盘150的同步运动。

在本实施例中，铸模130为上下均开口的筒状模型，铸模130放置于冷却托盘150上，冷却托盘150的上表面将铸模130的下端开口封住以避免高温合金泄露，铸模130的上端开口用于向铸模130中浇注熔化的高温合金。冷却托盘150用于进一步对铸模130的下端进行冷却，提高定向凝固过程中的温度梯度。

进一步地，冷却托盘150为水冷盘，冷却托盘150内设有冷却水流道(图中未示出)，定向凝固装置100还包括进水管(图中未示出)和出水管(图中未示出)，进水管和出水管均与冷区托盘150相连，其中进水管与冷却水流道的进水端连通以便将冷却水通入冷却水流道中，出水管与冷却水流道的出水端连通以便将冷却水流道中的冷却水排出，冷却水流道中流动的冷却水不断带走热量，使冷却托盘150保持在较低的温度，从而对铸模130持续有效地冷却，保证了定向凝固过程中的温度梯度，有利于晶体的定向生长，从而有利于制备出性能优异的单晶叶片。

在本实施例中，如图1所示，升降组件具体地包括支撑杆141、桁架142和驱动控制装置(图中未示出)，其中桁架142位于冷却托盘150的下方，支撑杆141的上端与冷却托盘150的下表面相连，支撑杆141的下端与桁架142相连。驱动控制装置用于驱动并控制桁架142的上升和下降，从而可以带动冷却托盘150的上升和下降，最终带动铸模130在其保温位置和冷却位置之间往复移动。

进一步地，容器120的壁内设有水冷通道，容器120的壁能够对固态冷却颗粒200进行冷却。当吸收了热量温度升高的固态冷却颗粒200在搅拌辊的作用下与容器120的壁接触，容器120的壁吸收固态冷却颗粒200中的热量，使固态冷却颗粒200的温度降低到最初的冷却温度，而后冷却的固态冷却颗粒200在搅拌辊的作用下被带至铸模130处继续对其进行冷却，如此循环能够加速铸模130的冷却，进一步提高冷却强度和温度梯度。

具体地，如图2所示，搅拌辊包括中心轴线相互平行的主动辊161和从动辊162，其中主动辊161和从动辊162在水平面上的投影分别位于铸模130在水平面上的投影的两侧。主动辊161和从动辊162在上下方向上对齐设置，即主动辊161的中心轴线和从动辊162的中心轴线位于同一水平面上，以使结构更加合理。

另外，在本实施例中，如图1所示，主动辊161和从动辊162设置在容器120的靠近底部的位置。当铸模130处于保温位置时，主动辊161和从动辊162均位于桁架142的下方。当铸模130处于冷却位置时，主动辊161和从动辊162均位于铸模130的下方。如图2所示，桁架142在水平面上的投影位于主动辊161和从动辊162在水平面上的投影的中间，桁架142在下降的过程中能够伸入所述主动辊161和从动辊162之间，从而使设置在容器120中的主动辊161和从动辊162不会影响桁架142的移动。

搅拌组件还包括电机163、主动齿轮164、从动齿轮165和两个传动齿轮166，电机163与主动辊161相连并能够驱动主动辊161转动，主动辊161的一端与主动齿轮164相连，从动辊162的一端与从动齿轮165相连，主动齿轮164与从动齿轮165通过两个传动齿轮166啮合。搅拌组件运作时，电机163通过带动主动辊161转动从而带动主动齿轮164与主动辊161同步转动，主动齿轮164通过并列的两个传动齿轮166将驱动力传递给了从动齿轮165，从动齿轮165的转动从而带动了从动辊162的转动，并且可以理解的是，主动辊161和从动辊162的转动方向相反。

需要说明的是，在其他实施例中，主动辊161和从动辊162还可以有其他驱动方式，例如，主动齿轮164直接与传动齿轮166啮合，也可以实现主动辊161和从动辊162相互反转，或者，搅拌组件可以包括两个电机和两个主动辊，两个电机分别连接两个主动辊，两个主动辊之间没有传动关系，两个电机驱动两个主动辊转动方向相反，也可以实现上述功能。

使主动辊161和从动辊162的转动方向相反可以有规律地搅动固态冷却颗粒200。如上所述，由于主动辊161和从动辊162在水平面上的投影分别位于铸模130在水平面上的投影的两侧，主动辊161和从动辊162的转动能够使固态冷却颗粒200更好地在铸模130的表面流动，提高其冷却效果。

可选地，在铸模130在升降组件的作用下下降，即向冷却位置移动时，以图2的右视视角为例，使主动辊161顺时针转动，从动辊162逆时针转动，以使桁架142下方的固态冷却颗粒200向两侧移开，降低固态冷却颗粒200对桁架142的阻力，并且使固态冷却颗粒200沿铸模130的表面从上向下不断流动，从而冷却铸模130。受热后的固态冷却颗粒200在主动辊161和从动辊162的搅拌作用下流动到容器120的底壁和侧壁附近，并被容器120的底壁和侧壁冷却。进行如上循环直至定向凝固结束。

当铸模130在升降组件的作用下上升，即向保温位置移动时，以图2的右视视角为例，使主动辊161逆时针转动，从动辊162顺时针转动，以使铸模130上方的固态冷却颗粒200向两侧移开，并且使固态冷却颗粒200沿铸模130的表面从下至上不断流动，从而减小固态冷却颗粒200对铸模130和冷却托盘150阻力。

需要说明的是，在其他实施例中，主动辊161和从动辊162还可有其他相对转动方式，并且主动辊161和从动辊162的数量可以设置为多个，这里不作赘述。

可选地，搅拌辊(主动辊161和从动辊162)的周面上还可以设置有齿板167或叶片，以更好地地搅动固体冷却颗粒200。

下面根据上述具体实施例中提供的定向凝固装置，描述采用该实施例中的定向凝固装置进行定向凝固的方法，具体地包括以下步骤：

步骤1：升降组件使铸模130处于保温位置，铸模130在保温腔111中进行预热达到预设温度值；

步骤2：将熔化的高温合金从保温炉110的上端开口处注入位于保温腔111中的铸模130的上端开口中，以使熔化的高温合金填充铸模130；

步骤3：升降组将140的驱动控制装置驱动桁架142下降，以带动铸模130向冷却位置移动，在该过程中，铸模130逐渐被位于容器120中的固态冷却颗粒200浸没，同时，电机163驱动主动辊161转动，主动辊161带动从动辊162转动，其中主动辊161和从动辊162的转动方向相反以使桁架142下方的固态冷却颗粒200向两侧移开，并且使固态冷却颗粒200沿铸模130的表面从上向下不断流动，从而冷却铸模130，因与固态冷却颗粒200不断发生热交换，铸模130中的高温合金由下至上逐渐冷却凝固成型；

步骤4：铸模130到达冷却位置后停留预设时间直至铸模130中的合金完全凝固成型，停留时间可根据经验选定；

步骤5：待铸模130中的合金完全凝固成型后，将铸模130和凝固的合金取出并脱模，完成一次定向凝固；

步骤6：将新的铸模130装到冷却托盘150上，升降组件将140的驱动控制装置驱动桁架142上升，以将新的铸模130向保温位置移动，同时，电机163驱动主动辊161反转，主动辊161带动从动辊162反转，以使铸模130上方的固态冷却颗粒200向两侧移开，并且使固态冷却颗粒200沿铸模130的表面从下至上不断流动，从而减小固态冷却颗粒200对铸模130和冷却托盘150阻力，而后重复步骤1-5。

需要说明的是，在步骤2中，位于铸模130底部的高温合金与冷却托盘150接触而冷却凝固，位于铸模130上方的高温合金距离冷却托盘150较远，受其冷却影响不大，因此铸模130内部形成了定向的温度梯度，定向凝固过程开始。

在步骤3中，在主动辊161和从动辊162的转动作用下，位于铸模130周围的、吸收了热量的固态冷却颗粒200远离铸模130，并将温度较低的固态冷却颗粒200带至铸模130附近对其进行冷却。其中远离了铸模130温度较高的固态冷却颗粒200与容器120的壁接触，容器120的壁吸收固态冷却颗粒200中的热量使其温度降低，而后冷却的固态冷却颗粒200在主动辊161和从动辊162的作用下被带至铸模130附近继续对其进行冷却。

综上所述，根据本实施例提供的定向凝固方法具有以下有益效果：

(1)采用固态冷却颗粒对铸模进行冷却，工艺简单且易于控制，且不会对铸模及其中的高温合金的污染，有利于提高定向凝固晶体的质量和制备成功率。

(2)采用搅拌辊对固态冷却颗粒进行搅拌，以保证铸模表面始终与冷态的固态冷却颗粒接触，加速铸模的冷却。

(3)装有固态冷却颗粒的容器的壁内设置有水冷通道，能够对固态冷却颗粒进行冷却，能够加速铸模的冷却，进一步提高冷却强度和温度梯度。

(4)使主动辊和从动辊的转动方向相反可以有规律地搅动固态冷却颗粒。使固态冷却颗粒更可控地在铸模的表面流动，进一步提高其冷却效果。

在本发明的描述中，需要理解的是，术语“中心”、“纵向”、“横向”、“长度”、“宽度”、“厚度”、“上”、“下”、“前”、“后”、“左”、“右”、“竖直”、“水平”、“顶”、“底”“内”、“外”、“顺时针”、“逆时针”、“轴向”、“径向”、“周向”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本发明和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本发明的限制。

此外，术语“第一”、“第二”仅用于描述目的，而不能理解为指示或暗示相对重要性或者隐含指明所指示的技术特征的数量。由此，限定有“第一”、“第二”的特征可以明示或者隐含地包括至少一个该特征。在本发明的描述中，“多个”的含义是至少两个，例如两个，三个等，除非另有明确具体的限定。

在本发明中，除非另有明确的规定和限定，术语“安装”、“相连”、“连接”、“固定”等术语应做广义理解，例如，可以是固定连接，也可以是可拆卸连接，或成一体；可以是机械连接，也可以是电连接或彼此可通讯；可以是直接相连，也可以通过中间媒介间接相连，可以是两个元件内部的连通或两个元件的相互作用关系，除非另有明确的限定。对于本领域的普通技术人员而言，可以根据具体情况理解上述术语在本发明中的具体含义。

在本发明中，除非另有明确的规定和限定，第一特征在第二特征“上”或“下”可以是第一和第二特征直接接触，或第一和第二特征通过中间媒介间接接触。而且，第一特征在第二特征“之上”、“上方”和“上面”可是第一特征在第二特征正上方或斜上方，或仅仅表示第一特征水平高度高于第二特征。第一特征在第二特征“之下”、“下方”和“下面”可以是第一特征在第二特征正下方或斜下方，或仅仅表示第一特征水平高度小于第二特征。

在本发明中，术语“一个实施例”、“一些实施例”、“示例”、“具体示例”、或“一些示例”等意指结合该实施例或示例描述的具体特征、结构、材料或者特点包含于本发明的至少一个实施例或示例中。在本说明书中，对上述术语的示意性表述不必须针对的是相同的实施例或示例。而且，描述的具体特征、结构、材料或者特点可以在任一个或多个实施例或示例中以合适的方式结合。此外，在不相互矛盾的情况下，本领域的技术人员可以将本说明书中描述的不同实施例或示例以及不同实施例或示例的特征进行结合和组合。

尽管上面已经示出和描述了本发明的实施例，可以理解的是，上述实施例是示例性的，不能理解为对本发明的限制，本领域的普通技术人员在本发明的范围内可以对上述实施例进行变化、修改、替换和变型。