[发明专利]强静磁场控制高温合金定向凝固组织枝晶的方法

说明书

技术领域

本发明涉及一种物理场控制定向凝固高温合金组织的制备技术，提供了一种和现有通过液态金属冷却法加大凝固速率不同的增加高温合金定向凝固组织枝晶数目的新工艺。

背景技术

高温合金主要使用在航空航天发动机中的导向器、涡轮叶片、涡轮盘和燃烧室等热端部件。由于使用条件的苛刻性(温度高和应力复杂)对部件质量提出了较高的要求，在先进的航空发动机中，许多部件尤其是涡轮叶片的制造方法都采用了定向凝固工艺。定向凝固生长高性能的高温合金取决于对其组织的控制，其中枝晶的大小和数目、强化相的大小、共晶组织的含量等决定了合金的综合力学性能。发达枝晶区域往往是断裂和疲劳裂纹的发源地并且是裂纹易扩展区，增加定向凝固高温合金单位面积上枝晶数目和细化枝晶能够使其具有较好的综合力学性能(高蠕变强度和长疲劳寿命)。为了减小发达枝晶，研究者已采用了能够增加温度梯度和提高冷却速率等工艺措施，如中科院金属研究所、美国、前苏联、德国等国家发展液态金属冷却，其温度梯度达到120℃/cm，而普通的水冷快速凝固温度梯度为40-80℃/cm；西北工业大学采用电子束区熔和液态金属冷却相结合的方法，其定向凝固冷却速率比传统定向凝固大100倍以上，使得枝晶组织高度细化，一次枝晶间距达到23um。本发明在高温合金定向凝固中施加轴向方向的强静磁场，发现其热电磁对流效应可以增加单位面积内的枝晶个数，细化枝晶。和现有液态金属冷却法、电子束区熔法加大凝固速率的工艺相比，本方法通过热电磁力作用在熔体上，不会对熔体造成污染；只要在现在工业上广泛使用的高速凝固方法施加静磁场就能实现此目的，操作简单和易于实现，这为控制定向凝固高温合金枝晶形态和提高其力学性能提供了一种新思路。

发明内容

本发明的目的是提供一种在强静磁场下控制高温合金定向凝固组织枝晶的方法，包括控制凝固组织枝晶的形态和数量以及细化枝晶的方法，其特征在于具有以下的过程和步骤：

a.选用一定化学组成的高温合金，在该熔炼后所得的铸锭中切割出一段细长的合金棒，将其封入刚玉管；

b.利用典型的定向凝固装置，将上述刚玉管放于装置内，并装在拉杆上；采用超导强磁体产生的纵向静磁场，并设计使试样的固液界面处于稳恒磁场区域，控制磁感应强度范围为0.5T～10T(特斯拉)；

c.将超导磁体强度调到所需的磁场强度，同时打开加热炉进行加热，炉内最高温度为1650℃，并保温1～2小时；炉内样品液固界面前方温度梯度为50℃/cm以上；合金棒试样在向下抽拉速率为20～120um/s下进行定向冷却凝固；当试样定向凝固生长一定阶段时，迅速拉入冷却介质进行淬火；冷却介质为液态Ga-In-Sn合金；最终得到枝晶数量增多和枝晶细化的定向凝固高温合金。

d.采用电阻加热或感应加热或光学加热均可；

e.封装样品的材料应不导电，如刚玉管，避免和样品之间形成热电流。

本发明包括一种强静磁场控制高温合金定向凝固组织枝晶数目所用的定向凝固装置，包括有水冷夹套、加热炉、合金棒、超导强磁体、样品合金棒、冷却池及拉杆；其特征在于在装置的最外侧设有一超导强磁体，以提供强磁场B；在超导强磁体与加热炉之间设置有一水冷夹套；试样的固液界面处于强磁体的稳恒磁场区域。

本发明原理是基于强静磁场的热电磁对流效应。热电磁对流效应来源于磁场和热电电流的相互作用，热电电流产生原理是Seebeck效应，当两个Seebeck系数(η_s，η₁)不同的金属上下两端分别连接在一起，且两接点之间具有温度梯度ΔT，回路中就会形成热电电流，产生一个热电势ΔV，如图2所示。连接金属两端的热电势大小如式(1)表示，两种材料Seebeck系数的差别越大，温差越大，回路中的热电势和热电电流就会越大。

ΔV＝(η_s-η_l)ΔT……………………………(1)