[发明专利]控制杂晶形成的方法

说明书

技术领域

本发明涉及一种高温合金的制备技术，特别是涉及一种在单晶高温合金定向凝固过程中控制杂晶形成的方法，应用于高温合金组织凝固技术领域。

背景技术

在单晶叶片或定向凝固叶片制备过程中，由于叶片形状比较复杂，在叶片的缘板变截面处极易导致杂晶的出现，这些杂晶与原有枝晶一般具有不同的晶体取向，并且引入新的晶界，形成缺陷，因而极大地降低了叶片的使用寿命。研究发现定向凝固过程中变截面处杂晶的形成主要是由于样品尺寸的突变导致了局部凝固条件的变化，进而使得变截面平台拐角处过冷度的增大所致。通常采用，调整合金成分、改变抽拉速度、提高温度梯度以及采用引晶技术等方法来解决上述问题，但这些方法的改进对凝固组织性能的提高有限，且在解决杂晶某个缺陷的同时极有可能导致了另外一个甚至几个缺陷的形成，目前尚没有一种万全而有效的方法。

磁场作为外加物理场，通常以力和能的形式无接触的作用在材料的定向凝固过程中，对其扩散、流动及凝固界面产生影响，进而对凝固组织和成分分布产生影响，这使得它能成为控制杂晶形成的重要手段之一。近年来，研究发现，强磁场能够明显的增大顺磁性金属及合金如纯金属铝、铝铜合金等的过冷度，这些为利用强磁场通过改变熔体形核过冷度控制变截面处杂晶的形成提供了可能。然而，到目前为止，还没有系统和深入地研究强磁场下各种磁效应对单晶高温合金凝固过程中杂晶形成规律的影响。因此，非常有必要系统地研究磁场下高温合金杂晶形成因素的变化规律，以阐明强磁场下高温合金杂晶形成机理及凝固组织的演变规律，因此消除高温合金制备过程中杂晶缺陷，开发获得性能优良的单晶涡轮叶片的方法称为亟待解决的技术问题。

发明内容

为了解决现有技术问题，本发明的目的在于克服已有技术存在的不足，提供一种控制杂晶形成的方法，利用强磁场来控制高温合金定向凝固过程中杂晶形成，减小杂晶对高温合金综合性能的危害，在设定实验条件下，本发明方法不仅能消除杂晶的形成，而且同时不会带来其他缺陷，大大改善了高温合金的性能；在本发明中，磁场能够消除变截面区域杂晶的形成，截面变化前后能够得到取向一致的柱状枝晶组织。通过加入磁场消除杂晶的方法可以应用在各种高温合金的制备中，应用在精铸领域中。

为达到上述发明创造目的，采用下述技术方案：

一种控制杂晶形成的方法，步骤如下：

a．设置定向凝固装置，使其加热炉内腔最高温度不低于1700℃，采用超导磁体，使装置的定向凝固工作空间形成竖直的圆柱形通孔，并在其中产生竖直方向的稳态磁场，控制磁场中心的磁感应强度在0-14T之间连续可调，采用LMC冷却池形成定向凝固装置内的固-液界面处和初生凝固组织的过冷度，在超导磁体的室温圆柱腔内安装不锈钢制水冷套，以阻隔装置的定向凝固工作空间内加热炉和超导磁体之间的热量传输，采用热电偶控温器，使其在1000℃以上的温度控制精度为±1℃，控制定向凝固铸坯的拉速0.5μm/s-10⁴μm/s连续可调，控制磁场中心的磁感应强度在0-14T之间连续可调；优选在超导磁体产生的磁场中心点上下4cm的区域为磁场为稳恒区；

b．将装有表面洁净的凝固试样的刚玉坩埚与拉杆固定，然后一起上升进入定向凝固装置的加热炉中，使其上下位置处于经预先实验确定的坐标处，保持定向凝固装置中的固-液界面处在超导磁体形成的中心稳恒磁场区域，根据实验条件的选择抽拉速度及温度梯度，并施加与实验条件相应的磁场强度；

c．充入氩气30分钟，再启动加热系统，并通过调节电源的输出功率来控制定向凝固装置中的固-液界面前沿的温度梯度；

d.按照升温速率10℃/min的速度使加热炉升温，当炉内温度上升到目标温度后，保温至少30分钟使熔体温度均匀稳定，然后打开伺服抽拉系统，以预定的速度抽拉试样至设定的长度。

作为本发明的优选的技术方案，采用装有表面洁净的凝固试样的变截面刚玉坩埚，使凝固试样的变截面处处于由LMC冷却池形成的过冷区域内。

本发明与现有技术相比较，具有如下显而易见的突出实质性特点和显著优点：

1.本发明在一定的实验条件下通过加入强磁场控制高温合金定向凝固过程中杂晶形成的方法不仅能消除杂晶的形成，同时不会带来其他缺陷，大大改善了高温合金的性能；

2.在本发明中，磁场能够消除变截面区域杂晶的形成，截面变化前后能够得到取向一致的柱状枝晶组织，通过加入磁场消除杂晶的方法可以应用在各种高温合金的制备中，应用在精铸领域中。

附图说明