具体实施方式

具体实施方式一：结合图1至图3和图5说明本实施方式，本实施方式的一种冷坩埚定向凝固过程中温度测量装置及测量方法包括测温系统本体；它还包括陶瓷管3、B型热电偶4、上升降系统16、K型热电偶10和外部数据处理组件，陶瓷管3竖直插装在测温系统本体的铜坩埚5内的上部，B型热电偶4的一端插入到陶瓷管3内，B型热电偶4的另一端穿过测温系统本体并与外部数据处理组件连接，上升降系统16安装在测温系统本体内与B 型热电偶4连接，且上升降系统16带动B型热电偶4在陶瓷管3内上下运动，K型热电偶 10的一端与位于铜坩埚5内的物料6连接，K型热电偶10的另一端穿过测温系统本体并与外部数据处理组件连接。

本实施方式根据物料状态，选择测温用热电偶型号。对物料固相进行测温时，选用K 型热电偶进行测温，它的使用温度范围要求在0℃-800℃；对物料熔体进行测温时，选用B型热电偶进行测量，它的使用测温范围要求在500℃-1800℃。

本实施方式根据热电偶具体工作条件，在磁场环境中，使用K型热电偶对物料固相进行测温时，要在K型热电偶外缠绕金属屏蔽线以避免磁场干扰。

具体实施方式二：结合图2说明本实施方式，本实施方式上升降系统16包括固定架20、电机19、齿条18、齿轮50、支架17和热电偶夹具21，固定架20安装在测温系统本体内的上部，支架17竖直安装在固定架20上，齿条18滑动安装在支架17上，电机19安装在固定架20上，电机19的输出轴与齿轮50连接，齿轮50与齿条18啮合，齿条18通过热电偶夹具21与B型热电偶4连接。如此设置，结构简单，控制方便，而且采用齿轮齿条的传动形式更加稳定，电机便于控制升降的高度，传动精度高。其它组成和连接关系与具体实施方式一相同。

本实施方式的热电偶夹具21，主要是固定支架17和B型热电偶4。这样设置，可以保证电机19带动齿条18上下工作过程中，B型热电偶4可以稳定的工作。

具体实施方式三：结合图2说明本实施方式，本实施方式的支架17侧壁上设有刻度线。如此设置，便于测量热电偶的升降精度。其它组成和连接关系与具体实施方式一或二相同。

具体实施方式四：结合图1说明本实施方式，本实施方式的测温系统本体包括罐体1、铜坩埚5、线圈15和下升降系统12，下升降系统12安装在罐体1内的下端，铜坩埚5安装在下升降系统12的正上方，物料6伸到铜坩埚5内并在下升降系统12的带动下上下移动，线圈15套装在铜坩埚5的外侧。如此设置，根据所需熔体中测温位置的不同，通过电机带动齿条，电源控制电机转速和方向来实现热电偶的上下移动。其它组成和连接关系与具体实施方式一、二或三相同。

罐体1上安装有红外测温窗口2。

具体实施方式五：结合图1说明本实施方式，本实施方式的测温系统本体还包括Ga-In 容器11，Ga-In容器11安装在罐体1内的下端，且Ga-In容器11套装在下升降系统12上。如此设置，可以保证物料6具有从上到下的温度梯度，保证主机7可以记录到不同高度的温度变化值。其它组成和连接关系与具体实施方式一、二、三或四相同。

具体实施方式六：结合图1说明本实施方式，本实施方式外部数据处理组件包括补偿导线8、温度巡检仪9和主机7，B型热电偶4和K型热电偶10交汇后伸出罐体1通过补偿导线8与温度巡检仪9连接，温度巡检仪9与主机7连接，B型热电偶4和K型热电偶 10采集的信息通过主机7进行数据分析。如此设置，并且因为补偿导线8实时、准确的监测到物料6中不同位置的温度变化。其它组成和连接关系与具体实施方式一、二、三、四或五相同。

本实施方式处理热电势信号并记录温度值的巡检仪型号为16通路的XJY-160型。利用巡检仪的usb接口将五个通道1-5的实验数据导出至主机7，利用origin软件绘制温度-感应加热时间曲线，测定不同位置的温度曲线如图4，图12，图13所示。红外枪型号为PT300B型，利用红外枪对熔体表面温度进行测定，实验数据导出至主机7，利用origin软件绘制温度-感应加热时间曲线，并将表面温度与巡检仪的通道1的温度进行对比，如图 15。

具体实施方式七：结合图1说明本实施方式，本实施方式物料6为柱状物料，材质为Ti-46Al-6Nb。如此设置，可以针对某一具体的合金成分进行温度参数的测量和传热参数的测量，并且柱状的物料6不仅接近实际的形状，而且可以方便K型热电偶10的摆放。其它组成和连接关系与具体实施方式一、二、三、四、五或六相同。

具体实施方式八：结合图1和图5说明本实施方式，本实施方式的物料6上由上至下水平等间距开设多个测温槽。轴向上所开测温槽，其开槽宽度要求可放置下外层缠有金属屏蔽线的套有带Y₂O₃涂层的Al₂O₃陶瓷管的热电偶，并可保证上述热电偶可在所开槽内移动即可。其它组成和连接关系与具体实施方式一、二、三、四、五或六相同。

具体实施方式九：结合图5说明本实施方式，本实施方式的相邻两个测温槽之间的间距为6mm-9mm。如此设置，根据所需测温位置高度在物料上进行钻孔，钻出孔孔间距为6-9mm，所钻孔个数根据物料高度、炉膛高度等相关数据确定，钻孔深度至物料心部。其它组成和连接关系与具体实施方式一、二、三、四、五或六相同。

具体实施方式十：结合图5说明本实施方式，本实施方式还包括多根金属屏蔽线22，每个测温槽内安装有一根金属屏蔽线22，每根金属屏蔽线22内插装有一个陶瓷管3，每个陶瓷管3内有一根K型热电偶10。如此设置，可以不受电磁场的影响，具有金属屏蔽线22的K型热电偶10可准确测量物料6不同位置的温度数值变化。其它组成和连接关系与具体实施方式一、二、三、四、五或六相同。

实施例：

根据图1的测温系统的示意图，实验开始时，打开电脑主机7、温度巡检仪9和内部冷却系统，以保证设备正常工作。对铜坩埚5内的物料6进行感应加热，随着物料6的温度逐渐增加，通过K型热电偶10测得的不同位置的温度变化，会经过温度巡检仪9传递给到电脑主机7中，并记录下来，记录结果如图4所示。根据图4曲线的变化规律，可以看出，越靠近铜坩埚5中心的位置，温度越高，越靠近Ga-In容器11的位置，温度相对较低，该方法测量的温度变化规律符合理论上的变化规律，这样就保证了电磁冷坩埚定向凝固过程中，凝固时的一个温度梯度，进而保证了柱状晶的稳定生长。

具体实施方式十一：结合图5说明本实施方式，本实施方式一种冷坩埚定向凝固过程中温度测量方法，它包括以下步骤：

步骤一、在物料轴向上开槽，并在不同高度上钻孔至心部，以便安放热电偶。所钻孔相邻两孔孔间距为6-9mm。所开槽大小可容纳本发明所用的测温用热电偶即可，物料顶端距坩埚底端为58-49mm；

步骤二、使用高纯Al₂O₃陶瓷管和Y₂O₃涂层保护热电偶，使其在钛铝熔体中可以长时停留测温；

步骤三、在K型热电偶上缠绕防止电磁场干扰的金属屏蔽线后将K型热电偶放置在物料轴向所开槽内以便对物料固相进行测温，K型热电偶的测温范围为0℃-800℃；

步骤四、将物料放置在电磁冷坩埚内熔铸，加热功率为30KW-50KW，电源频率为15KHz-115KHz。当物料顶端熔化后，对熔体测温，一方面在炉膛顶部窗口进行熔池表面红外测温，另一方面通过控制B型热电偶插入熔池测温，B型热电偶的测温范围为500℃ -1800℃。插入熔池的热电偶可通过自行加工设计的热电偶运动装置进行上下移动控制，以避免热电偶在钛铝熔体中因长时间停留而与熔体反应熔化。在物料加热过程中，通过K型热电偶对物料的温度变化进行记录；

步骤五、待熔池温度稳定后，控制热电偶将其缓慢从熔池中心位置插入，对熔池温度进行记录，然后迅速将热电偶提出熔池；

步骤六、改变工艺参数，再次测温时再将热电偶下移测温，如此可实现热电偶反复使用；

步骤七、采用商用有限元软件ANSYS 11.0(哈尔滨工业大学授权)进行冷坩埚内电磁场、负载时温度场和流动场的数值计算。本文针对36mm×36mm方坩埚，3-D建模采用四分之一对称结构，进行电磁场和流动场计算，有限单元数量大概为30-40万。对于感应加热计算，材料的热物性参数随温度的变化而不断更新，需要电磁场和温度场的反复耦合，使3-D模型的计算量巨大，故采用合理简化的2-D轴对称模型，有限单元数量大概为3-5 万，有限元模型和网格剖分如图图6(a)和图6(b)所示。其中，开缝区域作为具有电阻系数的材料处理，以此等效3-D结构中坩埚壁对电磁场的屏蔽作用，侧向换热系数为800 W/m²·K-1000W/m²·K。

步骤四中的电源功率的变化范围为30KW-50KW，模拟计算结果如图8所示。

步骤四中的电源频率的变化范围为15KHz-115KHz，模拟计算结果如图9所示。

步骤七中的侧向换热系数为800W/m²·K-1000W/m²·K，模拟计算结果如图10所示。

物料顶端距坩埚底端为58-49mm，模拟计算结果如图11所示。

进行实验测量结果和模拟计算对比，对比结果如图12所示。

实施例：

本实施方式是通过以下步骤实现：

步骤一、在物料轴向上开槽，并在不同高度上钻孔至心部，以便安放热电偶。所钻孔相邻两孔孔间距为6-9mm。所开槽大小可容纳本发明所用的测温用热电偶即可，物料顶端距坩埚底端为58-49mm；

步骤二、使用高纯Al₂O₃陶瓷管和Y₂O₃涂层保护热电偶，使其在钛铝熔体中可以长时停留测温；

步骤三、在K型热电偶上缠绕防止电磁场干扰的金属屏蔽线后将K型热电偶放置在物料轴向所开槽内以便对物料固相进行测温，K型热电偶的测温范围为0℃-800℃；

步骤四、将物料放置在电磁冷坩埚内熔铸，加热功率为30KW-50KW，电源频率为15KHz-115KHz。当物料顶端熔化后，对熔体测温，一方面在炉膛顶部窗口进行熔池表面红外测温，另一方面通过控制B型热电偶插入熔池测温，B型热电偶的测温范围为500℃ -1800℃。插入熔池的热电偶可通过自行加工设计的热电偶运动装置进行上下移动控制，以避免热电偶在钛铝熔体中因长时间停留而与熔体反应熔化。在物料加热过程中，通过K型热电偶对物料的温度变化进行记录；

步骤五、待熔池温度稳定后，控制热电偶将其缓慢从熔池中心位置插入，对熔池温度进行记录，然后迅速将热电偶提出熔池；

步骤六、改变工艺参数，再次测温时再将热电偶下移测温，如此可实现热电偶反复使用；

步骤七、采用商用有限元软件ANSYS 11.0(哈尔滨工业大学授权)进行冷坩埚内电磁场、负载时温度场和流动场的数值计算。本文针对36mm×36mm方坩埚，3-D建模采用四分之一对称结构，进行电磁场和流动场计算，有限单元数量大概为30-40万。对于感应加热计算，材料的热物性参数随温度的变化而不断更新，需要电磁场和温度场的反复耦合，使3-D模型的计算量巨大，故采用合理简化的2-D轴对称模型，有限单元数量大概为3-5 万，有限元模型和网格剖分如图6(a)和(b)所示。其中，开缝区域作为具有电阻系数的材料处理，以此等效3-D结构中坩埚壁对电磁场的屏蔽作用，侧向换热系数为800W/m²·K -1000W/m²·K。

通过步骤四，对加热功率的调节可以得到熔化的熔池。本研究采用红外测温仪和热电偶两种方案对熔池温度进行测量，物料高度均为50mm。使用红外测温时，当功率在16kW左右进行保持，料头逐渐熔化形成熔池，其前后状态如图14所示。图14中的(a)和(b)为熔化前状态，从颜色上可知，由于集肤效应，热流从试样表面向内部传递，故料头边部比中部温度更高，颜色更亮，随着加热时间的延长，图14中的(c)中料头的边部已经开始熔化，图14中的(d)中的料头基本全部熔化，形成熔池。

通过实施例中步骤四，通过红外测温测得物料顶端温度，并通过拟合计算出红外测温与电源加热功率之间的关系函数。熔池形成后，开始进行红外测温，且要求每次对熔体表面的探测位置相同，选取在熔池中心区域，如图14中的(a)所示。图15为熔池表面的红外测温结果，将测量数据进行拟合，可得到红外温度Tin与加热功率P之间的关系：

T_in＝1603+3.1P (1)

通过热电偶对熔池进行测温，可得到热电偶温度T_th与加热功率P之间的关系：

T_th＝1427+4.6P (2)

进一步，通过式(5-1)和(5-2)，可建立T_th与T_in之间的关系，记为：

T_th＝1.48T_in-952 (3)

糊状区内热流方向和凝固界面宏观形貌是紧密相连的，前者在一定程度上决定了后者。控制糊状区热流方向和凝固界面宏观形貌的最终目的是柱状晶的持续平行生长。当坩埚和合金一定时，电流参数和抽拉速度为主要控制手段。研究认为控制物料初始高度和三相点位置是凝固界面平直化的关键。实际过程中，上述两点是通过调整功率和抽拉速度实现的。

通过实施例中的步骤三、步骤四、步骤五、步骤六，反复测量不同电源功率下的温度变化，得到相应的变化规律。根据图8的分析可知，一定范围内增加功率会使凝固界从上凸向下凹转变，功率越大，界面下凹越明显。但影响凝固界面形貌的因素是相互复杂耦合的。增大功率的同时也改变了物料的软接触程度，进一步影响侧向散热程度。图10表明随着侧向换热面积的增大，凝固界面从下凹向上凸转变。增大功率后会使更多的物料熔化，当电磁力无法完全平衡一定高度熔体产生的径向压力时，便会造成更多的物料和坩埚壁接触形成凝壳，凝壳和坩埚壁的换热会极大影响界面的凹凸性。所以，通过功率来控制凝固界面形貌必须要综合考虑侧向换热带来的耦合影响，在保证过热度的情况下，一个合适的功率是需要结合实验结果，通过优化工艺参数得到的。另一方面，通过实施例中步骤七，根据数值模拟结果和实际测量结果相对比，判断实际测量结果的准确性，保证该方法的可行性。理论分析和数值计算都表明一定范围内提高频率对改善凝固界面平直性有积极作用。