[发明专利]一种采用电磁冷坩埚连续熔铸钛合金近单晶锭的方法

说明书

技术领域

本发明涉及钛合金单晶锭的制备方法。

背景技术

单晶是指一个晶粒组成的物质，是适当控制晶粒的生长，最终生长成有一个晶粒组成的结晶组织。由于整个组织为一个晶粒，无晶界，因而较定向凝固组织和多晶组织具有更好的综合性能或某一单向性能。目前，单晶材料广泛用

于航空叶片、半导体硅电子材料、磁致伸缩材料、GaAs晶体发光材料、金属间化合物及各种金属基及无机复合材料等。镍基单晶材料是目前制造先进航空发动机和燃气轮机叶片的主要材料。镍基单晶高温合金在高温恒载荷作用下，除了位错的滑移和攀移等变形外，晶界通过滑移和迁移也会参与变形。单晶高温合金不含有晶界，因而其变形只能通过位错的运动来实现，这也正是其具有优异蠕变性能的原因之一。单晶高温合金是各向异性的。取向对合金的持久性能有明显的影响。目前，制备单晶的方法有两种：P.w.Bridgman在1925年的论文中提出了坩埚移动法，1936年Stockbarger对炉体进行了设计，并在1949年进一步完善。此方法设计成由2个分开的加热炉，保持高于和低于生长晶体熔点温度，这个特点具有非加热的绝热区或梯度温区，炉内的温度分布容易控制，这种传统的垂直生长的方法叫做Bridgman-Stockbarger method。1928年，Kapitza首先应用水平定向单晶炉系统采用了定向凝固法对单晶Bi进行生长，直到20世纪50年代，才对金属的定向凝固进行研究，如Al、Ag、Au、Bi、CA、Cu。在这期间，这项技术的发展主要是由Chalmers完成的，水平定向凝固法(Hori-zontal Bridgman method，HB)利用可移动加热炉和固定坩埚，被称为Chalmers法，开始主要用来生长高掺杂硅的GaAs，这种系统可以防止易挥发成分的挥发。垂直定向法和水平定向凝固法是相对容易生长单晶CdTe和CdZnTe的方法。钛及其合金是一类在高温状态尤其是熔融条件下极为活泼的材料，自从二次世界大战以后，钛合金逐步进入实用化阶段。但钛的化学活性大，加工、成形和制备较为困难，所以制约着该材料的发展和应用。当前用于钛及其合金的加工方式主要包括：变形轧制、机械加工、粉末冶金和铸锭冶金几大类。制备单晶的方法基本都是在定向凝固的方法的基础上发展起来的，定向凝固技术的方法有很多种，可分为传统定向凝固技术和新兴定向凝固技术。传统的定向凝固技术主要是依据定向凝固设备或装置所能实现温度梯度的不同，被划分为功率降低法、快速凝固法和液态金属冷却法。液态金属冷却法(LMC法)在HRS法的基础上，将抽拉出的铸件部分浸入具有高导热系数的高沸点、低熔点、热容量大的液态金属中，形成了一种新的定向凝固技术，即LMC法，能提高冷却速度和温度梯度，且在较大的生长速度范围内可使界面前沿的温度梯度保持稳定，结晶在相对稳态下进行，能得到较长的单向柱晶。常用液态金属有Ga-In和Ga-In-Sn合金。传统定向凝固技术虽然有应用，但是存在一些问题，主要缺点是冷却速度慢，使得凝固组织有充分的时间长大、粗化，产生严重偏析，致使材料的性能较低。造成冷却速度慢的主要原因是凝固界面与液相中最高温度面距离太远，固液界面并不处于最佳位置，因此所获得的温度梯度不大。为进一步细化材料组织结构，减轻甚至消除元素的微观偏析，有效地提高材料的性能，就需采用新工艺、新方法实现高温度梯度和大生长速率。因此，发展了新型定向凝固技术，主要有ZMLMC法区域熔化液态金属冷却法(ZMLMC法，是将区域熔化与液态金属冷却相结合)，深过冷定向凝固(DUDS)，电磁约束成形定向凝固技术(DSEMS)，激光超高温度梯度快速定向凝固等方法。上述定向凝固方法均不适用于制备钛合金单晶，这是由于钛合金自身的高活泼性，在制备单晶时容器材料(坩埚和铸型)易对合金的污染，合金化学成分的准确性差，化学夹杂物易对单晶组织的侵蚀，影响其单晶合金的物理和力学性能。

发明内容

本发明为了解决现有定向凝固方法均不适用于制备钛合金单晶，这是由于钛合金自身的高活泼性，加工、成形和制备较为困难，在制备单晶时容器材料易对合金造成污染，合金化学成分的准确性差，化学夹杂物易对单晶组织的侵蚀，影响单晶合金的物理和力学性能，而且冷却速度慢，使得凝固组织有充分的时间长大、粗化，产生严重偏析，致使材料的性能较低的问题，为解决上述问题，现提供一种采用电磁冷坩埚连续熔铸钛合金近单晶锭的方法。

本发明一种采用电磁冷坩埚连续熔铸钛合金近单晶锭的方法步骤如下：

步骤一、在冷坩埚电磁约束成形与定向凝固装置的炉体内抽真空，真空度为0.05～1Pa，后返冲氩气到300～400Pa；