[发明专利]一种强脉冲电流定向凝固晶粒超细化方法及其装置

说明书

技术领域

本发明涉及一种强脉冲电流定向凝固晶粒超细化方法及其装置，属于定向凝固和电变质脉冲处理技术领域。

背景技术

金属组织晶粒的大小以及晶粒取向对金属材料力学性能有着很大影响。晶粒细化的方法亦有多种。在传统方法中，以提高冷却速度和增加过冷度、低温浇注，机械搅拌等促使晶粒细化的工艺效果有限，实现难度亦较大，而且机械搅拌强度过大时容易在凝固过程中卷入空气和杂质形成缩孔、偏析等缺陷，大大影响金属材料的力学性能；化学处理法，是在金属液中加入少量特殊的化学元素作为变质剂或孕育剂，来提高异质形核率或抑制晶粒的生长，目前在工业生产中应用广泛，但成本高、制备工艺复杂，且在合金或纯金属中加入了异质，往往会造成合金溶液污染或孕育失效。利用电场力引起液相和固相的相对运动，促进枝晶破碎使晶粒增多来细化晶粒，这种工艺方法由于与金属材料没有接触，能够很好的实现无污染细化晶粒。相关资料表明，各种电场细晶技术、磁场细晶技术均能较好地达到细化凝固组织晶粒的目的。而现有的脉冲电流晶粒细化装置只是对熔融金属自然凝固进行处理，在细化晶粒的同时无法获得晶粒取向一致的组织。

在中国专利02137515.1和200410016842.2中分别公开了一种细化铝合金和纯金属铝凝固组织的方法，均是在金属铝液浇注冷却凝固过程中施加脉冲电流处理，不同之处在于脉冲频率、脉冲电流峰值的差异，均可以细化晶粒，使纯金属的力学性能、导电性能、工艺性能得到提高。但是，这种方法很难得到晶粒细小、晶体取向一致的定向凝固组织。

中国专利200710177552.X公开了一种复合磁场下金属材料高温处理方法与装置。这种方法与装置对金属熔体施加同轴同向的脉冲磁场和超导强磁场，以控制晶粒尺寸和晶体取向。利用超导强磁场抑制熔体中stocks重力沉降和自然对流来引导材料沿着一定的晶体取向凝固，利用脉冲磁场抑制熔体中Marangoni对流作用，细化晶粒。这种方法由于需要通过超导强磁场控制晶粒取向，其装置设计复杂，生产成本亦较高，且超导强磁场电磁辐射大，对工作环境会造成一定的污染。

本发明结合定向凝固和电变质脉冲处理技术，在金属定向凝固过程中，对金属熔体施加高密度脉冲电流处理，控制晶粒径向尺寸和获得定向柱晶，其工艺路线简单，节约生产成本，提高了生产效率。

发明内容

为了克服现有技术中由于装置复杂，生产成本较高，很难获得径向尺寸细小，晶粒生长方向一致的超细定向凝固组织等问题，本发明提供一种强脉冲电流定向凝固晶粒超细化方法及其装置。

为解决上述技术问题，本发明强脉冲电流定向凝固晶粒超细化方法及其装置是由脉冲电流发生装置和定向凝固装置两部分构成，脉冲电流发生装置向熔融金属提供电流脉冲，不断冲击生长中的晶粒组织，导致晶粒细小；定向凝固装置产生金属凝固过程中的温度梯度，得到晶粒生长方向一致的凝固组织。

所述的脉冲电流发生装置，属于在时间上压缩能量的电容储能高功率脉冲电源，采用放电回路短接的方式，通过控制系统控制充放电开关，使储存能量在极短时间内完成释放，获得极高的脉冲电流峰值。

所述的定向凝固装置，由加热控制器、抽拉传动机构、悬臂台、固定支架、水冷装置和定向结晶炉组成：加热控制器通过热电偶实时测量并反馈炉体温度，实现对炉体温度的自动调节；抽拉传动机构控制定向结晶炉的垂直运动速度；悬臂台连接抽拉传动机构和固定定向结晶炉。

所述的固定支架位于定向结晶炉壳体下方，固定于水平台面上，独立于其它装置。其上端设有试样夹持机构，用于固定盛放刚玉坩埚的冷端电极。使用时，盛放金属溶体的刚玉坩埚嵌套在冷端电极上，完全排除了以往抽拉金属棒料时抽拉传动机构的抖动对其金属溶体定向凝固晶粒组织取向的影响。

所述的定向凝固装置中的水冷结构，由水冷套、过水槽块及进水管、出水管组成，位于定向结晶炉的下部，中间填充有隔热材料，以防止热量向冷却水套和炉体传导；水冷结构用以冷却刚玉坩埚的端部，将试样周围多余热量带走，提供较大的温度梯度。使用时，通过调节冷却水的温度和流动速度，以及与定向结晶炉的炉体温度，实现液态金属合金液固界面的大温差，以满足实验所需温度梯度的要求。

为了解决金属凝固过程中，能同时对熔融金属施加强电流脉冲实现细晶和大温度梯度实现定向凝固。使用时保持定向凝固装置不变，将脉冲电流发生装置正(负)极通过带螺纹导线接头接入用以嵌套刚玉坩埚的冷端电极上，负(正)极通过一耐高温电极直接通入刚玉坩埚中的熔融金属中实现短路连接，根据电脉冲参数调节指令，实现定向凝固过程中对脉冲电流的控制。