[发明专利]一种金属材料定向凝固方法

说明书

本发明涉及定向凝固技术领域，尤其涉及一种金属材料定向凝固方法，其包括：S1、制备金属材料并放入坩埚；S2、将坩埚放置于容器的密封腔室内，在给密封腔室抽真空后向密封腔室内充入保护性气体；S3、采用加热器给坩埚进行加热，以使坩埚内的金属材料熔化；S4、抽拉装置通过结晶杆将坩埚以预定速度范围拉入结晶器的中空通道内，以使金属材料进行定向凝固；S5、完成定向凝固后，通过结晶杆将坩埚推至伸出加热器，打开容器取出坩埚并进行脱模得到定向凝固铸锭。本发明工艺相对简单，将熔炼、液态金属/水双重冷却以及抽拉装置巧妙结合，从而能够获得性能更加优异的大块定向凝固铸锭。

技术领域

本发明涉及定向凝固技术领域，尤其涉及一种金属材料定向凝固方法。

背景技术

定向凝固技术在工业和高技术领域具有非常重要和广泛的应用，它被用来生产磁性材料、航空和地面燃机涡轮叶片、自生复合材料以及各种功能晶体。单晶高温合金是目前制造先进航空发动机和燃气轮机叶片的主要材料，但与定向凝固高温合金比，制造工艺难度大，铸造成品率低，热处理工艺复杂，从而使制造成本加大，且难以制造出结构复杂的大型叶片。因此，定向凝固高温合金在结构复杂的大型叶片以及地面和海上使用的超大型高效率燃气轮机制造方面具有广阔发展前景。

典型的定向凝固原理为由隔热层将装置的上部加热区和下部冷却区隔开而形成沿铸件轴向的一维温度梯度，铸件在上部被熔化和过热，下部进行强制冷却，凝固界面位于隔热挡板附近，通过向下抽拉获得单向排列的凝固组织。比如现有的一种制备超磁致伸缩材料的定向凝固方法，先在电弧炉中熔炼合金，再将合金浇注进入水冷结晶器，结晶器中水冷底座和其顶端的籽晶向下移动，使晶粒沿着籽晶生长完成定向凝固。另一种中频感应定向凝固铸锭方法，精炼后的钢水由钢包运至铸锭台浇注，钢水进入结晶器后通过结晶器外的中频感应线圈进行电磁搅拌，再开动水冷底盘拉引装置将钢水进行定向凝固。

以上公开技术表明，现有定向凝固方法存在：1、熔炼、凝固分开进行导致元素烧损、工艺周期长；2、冷却只依赖循环水冷，冷却效果有限；3、在浇注过程、转移熔融金属以及定向凝固过程中合金容易氧化等问题，因此亟需设计新的高温合金定向凝固方法。

发明内容

(一)要解决的技术问题

本发明的主要目的是提供一种金属材料定向凝固方法，旨在解决现有技术存在的无法进行原位熔化加定向凝固、冷却效果有限且容易氧化等问题。

(二)技术方案

为了达到上述目的，本发明的金属材料定向凝固方法包括：

S1、制备金属材料并放入坩埚；

S2、将坩埚放置于容器的密封腔室内，在给密封腔室抽真空后向密封腔室内充入保护性气体；

S3、采用加热器给坩埚进行加热，以使坩埚内的金属材料熔化；

S4、抽拉装置通过结晶杆将坩埚以预定速度范围拉入结晶器的中空通道内，以使金属材料进行定向凝固，其中，所述结晶器包括形成有中空通道的液态金属环层和包裹于所述液态金属环层外的水冷环层，所述结晶杆的内部通有循环冷却水；

S5、在完成定向凝固后，通过结晶杆将坩埚推至伸出加热器，打开容器取出坩埚并进行脱模得到定向凝固铸锭。

优选地，步骤S2中，通过真空泵对密封腔室抽真空至1×10^-6Pa～1×10^-4Pa，再向密封腔室内充入保护性气体至0.8×10⁵Pa～1×10⁵Pa，重复从抽真空到充气的过程3～5次。

优选地，所述保护性气体为氦气或氩气。

优选地，所述金属材料为纯金属或者金属合金。