[实用新型]一种控制定向凝固平直液固界面的装置

说明书

技术领域

本实用新型涉及一种控制定向凝固平直界面的装置，用于晶体生长方式的控制，属于材料制备领域。

背景技术

定向凝固是材料制备和晶体生长的一种重要手段，在结构材料中最为重要的应用之一是获得高温合金柱状晶和单晶件。单晶高温合金已成为近年来先进航空和燃气发动机重要零部件的使用首选和发展趋势，因其具有优异的抗蠕变、抗热冲击性、抗疲劳性等力学性能。但是单晶高温合金在定向凝固中常存在杂晶、游离晶、雀斑、枝晶间缩松、枝晶干偏离铸件几何中心程度大等缺陷，使得铸件性能和产品合格率大为下降，尤其在国内单晶合格率的生产长期保持在10～50％左右。

研究表明，固液界面的形态与最终的凝固组织和内部缺陷有密切的联系。当为凸界面时，铸件吸收侧向热流，定向组织向外发散，枝晶干偏离铸件几何中心程度增大，杂晶形成几率增加；当界面呈凹状时，铸件将有侧向热流排除，组织向内收缩，不仅导致晶轴发生偏转，而且引起枝晶间自然对流增强，雀斑形成几率增大，边缘的枝晶间缩松性增强。而平直固液界面使合金熔体的热量能够从单一方向垂直于界面导出，减少了缺陷的形成。

单晶高温合金在定向凝固中温度梯度和凝固速率处于动态的变化，使得液固界面难以维持平直形状，而且铸件形状复杂尤其是涡轮叶片，在形状突变的部位，更加剧了凸或凹界面的形成，也成为众多缺陷产生之处。为生产高质量的产品以满足现代工业的需求，近年来研究者开发了液态金属冷却、电子束区熔等技术来提高定向凝固中温度梯度和冷却速率，以消除这些缺陷。对于液固界面的平直性与缺陷之间的关系没有受到关注，因此本发明的出发点是不改变原有温度梯度和凝固速率的情况下，在液固界面上方设置一个恰当大小的交变磁场，对界面前方小尺度内液相的浓度和温度进行调控，以消除或尽可能减小径向温度和浓度梯度，获得平直液固界面。

实用新型内容

为了减少样件中雀斑等缺陷的形成，增加使用寿命和温度，提高生产效率，本实用新型提供了一种控制定向凝固平直液固界面的装置。

为达到上述目的，本实用新型的构思是：

在结晶器外围固液界面上方加一个交变磁场，交变磁场按一定的频率变化，在结晶器内部金属液相区域一定范围内感应一个变化的电磁场，金属液受周向电磁力的作用，当电磁力作用下产生的垂直方向阿尔文速度大于浮力驱动速度时发生搅拌，由搅拌引起的强迫对流存在，液相区域溶质和温度进行重新分布，在一定大小和频率的磁场能够使得凝固界面前沿径向温度与浓度分布耦合均匀，从而实现平界面生长。

为达到在不影响或尽可能小的影响纵向温度梯度的条件下，消除径向的温差采取了一下方法：

①通过改变交变磁场发生装置与液固界面的距离，实现对凝固前沿磁场的分布来控制熔体的流动。

②通过调节交变电流的频率，实现交变磁场在熔体中趋肤深度的控制。

③通过调节交变电流的大小，实现焦耳热对熔体纵向温度梯度影响的控制。

根据以上构思，本实用新型采用的技术方案如下：

一种控制定向凝固平直液固界面的装置，由石墨管主加热体、炉体、真空系统、可调铜质感应线圈、石墨管辅助加热体、液态Ga-In冷却剂、冷却缸体、氮化硼盖、刚玉坩埚、液相试样、固液界面、隔热层、固相试样、水冷系统、抽拉系统、变频感应电源组成；石墨管主加热体、可调铜质感应线圈、石墨管辅助加热体、氮化硼盖、刚玉坩埚、共同位于炉体中，隔热层位于炉体之下，刚玉坩埚穿过隔热层的中孔，与抽拉系统相连；隔热层下端刚玉坩埚穿过由液态Ga-In冷却剂组成的冷却缸体，刚玉坩埚底部与抽拉系统相连并置于冷却缸体之中，水冷系统套在冷却缸体外面。可调感应线圈套在石墨主发热体的外面，与变频电源相连，所述可调感应线圈形状为长方、正方或圆形，视坩埚的形状而定，线圈由方形，椭圆形或圆形，铜线当量直径为1～5mm，高度为-10～10mm，外部绝缘。

所述变频电源交变电场频率大小为2-8kHz。

所述感应线圈位置可调范围为液固界面上方-10～10mm，砸数可调范围为10～20砸。

所述变频电源所加交变电流大小为1.8～18A，在液相区域可得到0.5～10mT的磁场。

所述金属液为铜、铝、镁、镍基高温合金等金属液的任意一种。

本发明装置的优点是：使凝固材料液固界面保持平界面生长，减少缺陷，保持晶体取向一致，效率较高；另外该装置结构简单，可控性强，容易操作。

附图说明

图1是本实用新型控制定向凝固平直界面的装置结构示意图。

图2是交变磁场发生器结构示意图。

图3是感应线圈结构示意图。

具体实施方式