專利名稱：基于交變磁場調(diào)制定向凝固液固界面的方法與裝置的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及一種基于交變磁場調(diào)制定向凝固液固界面的方法與裝置，用于晶體 生長方式的控制，屬于材料制備領(lǐng)域。
背景技術(shù)：
定向凝固是材料制備和晶體生長的一種重要手段，在結(jié)構(gòu)材料中最為重要的應(yīng) 用之一是獲得高溫合金柱狀晶和單晶件。單晶高溫合金已成為近年來先進(jìn)航空和燃?xì)獍l(fā) 動機(jī)重要零部件的使用首選和發(fā)展趨勢，因其具有優(yōu)異的抗蠕變、抗熱沖擊性、抗疲勞 性等力學(xué)性能。但是單晶高溫合金在定向凝固中常存在雜晶、游離晶、雀斑、枝晶間縮 松、枝晶干偏離鑄件幾何中心程度大等缺陷，使得鑄件性能和產(chǎn)品合格率大為下降，尤 其在國內(nèi)單晶合格率的生產(chǎn)長期保持在10 50%左右。
研究表明，固液界面的形態(tài)與最終的凝固組織和內(nèi)部缺陷有密切的聯(lián)系。當(dāng) 為凸界面時，鑄件吸收側(cè)向熱流，定向組織向外發(fā)散，枝晶干偏離鑄件幾何中心程度增 大，雜晶形成幾率增加；當(dāng)界面呈凹狀時，鑄件將有側(cè)向熱流排除，組織向內(nèi)收縮，不 僅導(dǎo)致晶軸發(fā)生偏轉(zhuǎn)，而且引起枝晶間自然對流增強(qiáng)，雀斑形成幾率增大，邊緣的枝晶 間縮松性增強(qiáng)。而平直固液界面使合金熔體的熱量能夠從單一方向垂直于界面導(dǎo)出，減 少了缺陷的形成。
單晶高溫合金在定向凝固中溫度梯度和凝固速率處于動態(tài)的變化，使得液固界 面難以維持平直形狀，而且鑄件形狀復(fù)雜尤其是渦輪葉片，在形狀突變的部位，更加劇 了凸或凹界面的形成，也成為眾多缺陷產(chǎn)生之處。為生產(chǎn)高質(zhì)量的產(chǎn)品以滿足現(xiàn)代工業(yè) 的需求，近年來研究者開發(fā)了液態(tài)金屬冷卻、電子束區(qū)熔等技術(shù)來提高定向凝固中溫度 梯度和冷卻速率，以消除這些缺陷。對于液固界面的平直性與缺陷之間的關(guān)系沒有受到 關(guān)注，因此本發(fā)明的出發(fā)點是不改變原有溫度梯度和凝固速率的情況下，在液固界面上 方設(shè)置一個恰當(dāng)大小的交變磁場，對界面前方小尺度內(nèi)液相的濃度和溫度進(jìn)行調(diào)控，以 消除或盡可能減小徑向溫度和濃度梯度，獲得平直液固界面。發(fā)明內(nèi)容
為了減少樣件中雀斑等缺陷的形成，增加使用壽命和溫度，提高生產(chǎn)效率，本 發(fā)明提供了一種基于交變磁場調(diào)制定向凝固液固界面的方法與裝置，利用交變磁場來精 確控制液固界面前沿的溫度與濃度的分布，從而控制液固界面的形貌。
為達(dá)到上述目的，本發(fā)明的構(gòu)思是
在結(jié)晶器外圍固液界面上方加一個交變磁場，交變磁場按一定的頻率變化，在 結(jié)晶器內(nèi)部金屬液相區(qū)域一定范圍內(nèi)感應(yīng)一個變化的電磁場，金屬液受周向電磁力的作 用，當(dāng)電磁力作用下產(chǎn)生的垂直方向阿爾文速度大于浮力驅(qū)動速度時發(fā)生攪拌，由攪拌 引起的強(qiáng)迫對流存在，液相區(qū)域溶質(zhì)和溫度進(jìn)行重新分布，在一定大小和頻率的磁場能 夠使得凝固界面前沿徑向溫度與濃度分布均勻，從而實現(xiàn)平界面生長。應(yīng)該指出的是，該攪拌作用是在不影響縱向的溫度梯度的條件下，消除徑向方向10攝氏度左右的溫差， 電磁攪拌強(qiáng)度遠(yuǎn)遠(yuǎn)小于連鑄，且施加到感應(yīng)線圈上的電流強(qiáng)度和頻率應(yīng)盡量避免熔體中 產(chǎn)生較大的趨膚效應(yīng)和較高的焦耳熱，基于此施加在線圈中頻率和電流大小分別由公式^ =δ <4R, R為試樣半徑，μ為試樣磁導(dǎo)率，σ為試樣液相電導(dǎo)率，δ為趨膚深度)和1(N為感應(yīng)線圈的砸數(shù)，He感應(yīng)線圈的高度，α與感應(yīng)線圈直徑μΝ有關(guān)的系數(shù))決定，Btl為熔體中的磁感應(yīng)強(qiáng)度，由5。=…—(uA為阿爾文速度=IO-2In/ S, P為試樣液相密度)得到。
根據(jù)上述發(fā)明構(gòu)思，本發(fā)明采用下述技術(shù)構(gòu)思
一種基于交變磁場調(diào)制定向凝固液固界面的方法，其特征在于在結(jié)晶器外圍液 固界面上方加一個交變的磁場，該交變磁場在熔體中的感應(yīng)電流和磁場相互耦合產(chǎn)生電 磁攪拌力，該電磁攪拌力的大小、方向和頻率均和熔體本身的性質(zhì)有關(guān)，調(diào)制電磁場的 大小、方向和頻率能獲得平整的熔體固液界面。所述電磁攪拌力只用來消除徑向方向的 溫差，焦耳熱效應(yīng)忽略不計；所述電磁攪拌力大小與交變磁場的磁場強(qiáng)度Btl有關(guān)，該 磁場強(qiáng)度盡=、‘,其中uA為阿爾文速度=10-2m/s，μ為熔體磁導(dǎo)率，P為熔體密 度；所述通過改變產(chǎn)生交變磁場的感應(yīng)線圈(4)下端與熔體固液界面的距離L來調(diào)節(jié)所述電磁攪拌力的方向，L的范圍為-10 10mm;所述電磁攪拌力的頻率& 二’其中σ為試樣熔體的電導(dǎo)率，δ為固態(tài)試樣的趨膚深度，趨膚效應(yīng)要盡可能小，其深度在 R/4< δ S4R之間，R為樣品半徑；所述熔體可以是鐵、銅、鋁、鎂、鎳基高溫合金等 的任意一種或多種。
一種基于交變磁場調(diào)制定向凝固液固界面的裝置，由石墨管主加熱體、爐體、 真空系統(tǒng)、銅質(zhì)感應(yīng)線圈、石墨管輔助加熱體、液態(tài)Ga-In冷卻劑、冷卻缸體、氮化硼 蓋、剛玉坩堝、液相試樣、固液界面、隔熱層、固相試樣、水冷系統(tǒng)、抽拉系統(tǒng)、變頻 感應(yīng)電源組成；石墨管主加熱體、銅質(zhì)感應(yīng)線圈、石墨管輔助加熱體、氮化硼蓋、剛玉 坩堝、共同位于爐體中，隔熱層位于爐體之下，剛玉坩堝穿過隔熱層的中孔，與抽拉系 統(tǒng)相連；隔熱層下端剛玉坩堝穿過由液態(tài)Ga-In冷卻劑組成的冷卻缸體，剛玉坩堝底部 與抽拉系統(tǒng)相連并置于冷卻缸體之中，水冷系統(tǒng)套在冷卻缸體外面。其特征在于感應(yīng) 線圈套在石墨主發(fā)熱體的外面，與變頻電源相連，所述感應(yīng)線圈為10 20砸，形狀為 長方、正方或圓形，視坩堝的形狀而定，線圈由方形，橢圓形或圓形，銅線當(dāng)量直徑為 1 5mm，高度為-10 10cm，外部絕緣，變頻電源所加交變電流大小為1.8 18A，在 液相區(qū)域得到0.5 IOmT的磁場，同時要克服趨膚效應(yīng)和焦耳熱效應(yīng)，因此交變電場頻 率大小為2-8kHz。
所述的感應(yīng)線圈位置放置于液固界面上方-10 IOmm處。
所述金屬液為銅、鋁、鎂、鎳基高溫合金等金屬液的任意一種。
本發(fā)明裝置的優(yōu)點是使凝固材料液固界面保持平界面生長，減少缺陷，保持 晶體取向一致，效率較高；另外該裝置結(jié)構(gòu)簡單，容易操作。


圖1是本發(fā)明控制液固界面為平界面的定向凝固裝置結(jié)構(gòu)示意圖。
圖2是實施方式結(jié)構(gòu)示意圖。
圖3是感應(yīng)線圈結(jié)構(gòu)示意圖。
具體實施方式
本發(fā)明的優(yōu)選實施例結(jié)合附圖詳述如下
實施例一
參見圖1和圖2，本基于交變磁場調(diào)制定向凝固液固界面的方法，其特征在于在 結(jié)晶器外圍液固界面上方加一個交變的磁場，該交變磁場在熔體中的感應(yīng)電流和磁場相 互耦合產(chǎn)生電磁攪拌力，該電磁攪拌力的大小、方向和頻率均和熔體本身的性質(zhì)有關(guān)， 調(diào)制電磁場的大小、方向和頻率能獲得平整的熔體固液界面。
實施例二
本實施例與實施例一基本相同，特別之處如下所述電磁攪拌力只用來消除徑 向方向的溫差，焦耳熱效應(yīng)忽略不計；所述電磁攪拌力大小與交變磁場的磁場強(qiáng)度B。有 關(guān)，該磁場強(qiáng)度戰(zhàn)=…‘，其中uA為阿爾文速度=10_2m/S，μ為熔體磁導(dǎo)率，P為熔 體密度；通過改變產(chǎn)生交變磁場的感應(yīng)線圈(4)下端與熔體固液界面的距離L來調(diào)節(jié)所述電磁攪拌力的方向，L的范圍為-10 10mm。所述電磁攪拌力的頻率《 = ，其中σ為試樣熔體的電導(dǎo)率，S為固態(tài)試樣的趨膚深度，趨膚效應(yīng)要盡可能小，其深度在 R/4< δ S4R之間，R為樣品半徑；所述熔體可以是鐵、銅、鋁、鎂、鎳基高溫合金等 的任意一種或多種。
實施例三
本實施例包括石墨管主加熱體1、爐體2、真空系統(tǒng)3、銅質(zhì)感應(yīng)線圈4、石墨管 輔助加熱體5、液態(tài)Ga-In冷卻劑6、冷卻缸體7、氮化硼蓋8、液相試樣10、固液界面 11、隔熱層12、固相試樣13、水冷系統(tǒng)14、抽拉系統(tǒng)15、變頻感應(yīng)電源16 ；試樣為高 溫合金，其長度為150mm，直徑為12mm。
石墨管主加熱體1和輔助加熱體5為電阻型加熱器，高度分別為200mm和 5mm,坩堝的外徑為14mm，剛玉坩堝9與石墨管主加熱體1間隔為2mm，輔助加熱體5 位于主加熱體1下端，與剛玉坩堝9的間隔為1mm，銅質(zhì)感應(yīng)線圈4位于隔熱層12上方 5mm，石墨管主加熱體1與銅質(zhì)感應(yīng)線圈4間隔為2mm。
感應(yīng)線圈4所用材料為紫銅，直徑為1mm，砸數(shù)根據(jù)電源匹配為15砸，總高度 為30mm;電源電流頻率要能使感應(yīng)電流能夠穿透到金屬液體中心位置引起流動，同時 又不能發(fā)熱量過大，變頻電源16感應(yīng)電流頻率為4400Hz，大小為2 4A。
組裝時，石墨管主加熱體1、銅質(zhì)感應(yīng)線圈4、石墨管輔助加熱體5、氮化硼蓋 8、剛玉坩堝9、共同位于爐體2中，隔熱層12位于爐體2之下，剛玉坩堝9穿過隔熱層 12的中孔，與抽拉系統(tǒng)15相連；隔熱層12下端剛玉坩堝9穿過由液態(tài)Ga-In冷卻劑6組 成的冷卻缸體7，剛玉坩堝9底部與抽拉系統(tǒng)15相連并置于冷卻缸體7之中，水冷系統(tǒng) 14套在冷卻缸體7外面；感應(yīng)線圈4套在石墨主發(fā)熱體1的外面，與變頻電源16相連，5感應(yīng)的電磁場使液態(tài)金屬內(nèi)部受磁力的作用而發(fā)生運動，運動過程使金屬液徑向濃度和 溫度由于對流而發(fā)生重新分布，調(diào)節(jié)電流密度到恰當(dāng)位置，徑向溫度與濃度重新耦合均 勻化，液固界面趨近于平界面，減少了偏析等缺陷，使試樣在較高的拉速下也能實現(xiàn)平 界面生長，提高了生產(chǎn)效率。
權(quán)利要求
1.一種基于交變磁場調(diào)制定向凝固液固界面的方法，其特征在于在結(jié)晶器外圍液固 界面上方加一個交變的磁場，該交變磁場在熔體中的感應(yīng)電流和磁場相互耦合產(chǎn)生電磁 攪拌力，該電磁攪拌力的大小、方向和頻率均和熔體本身的性質(zhì)有關(guān)，調(diào)制電磁場的大 小、方向和頻率能獲得平整的熔體固液界面。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的基于交變磁場調(diào)制定向凝固界面的方法，其特征在于，所述 電磁攪拌力只用來消除徑向方向的溫差，焦耳熱效應(yīng)忽略不計。
3.根據(jù)權(quán)利要求1所述的基于交變磁場調(diào)制定向凝固界面的方法，其特征在于所述電 磁攪拌力大小與交變磁場的磁場強(qiáng)度Btl有關(guān)，該磁場強(qiáng)度= uA^p ,其中Ua為阿爾文 速度=10_2m/s，μ為熔體磁導(dǎo)率，P為熔體密度。
4.根據(jù)權(quán)利要求1所述的基于交變磁場調(diào)制定向凝固界面的方法，其特征在于通過改 變產(chǎn)生交變磁場的感應(yīng)線圈(4)下端與熔體固液界面的距離L來調(diào)節(jié)所述電磁攪拌力的方 向，L的范圍為-10 10mm。
5.根據(jù)權(quán)利要求1所述的基于交變磁場調(diào)制定向凝固界面的方法，其特征在于電磁攪拌力的頻率& = ^，其中σ為試樣熔體的電導(dǎo)率，δ為固態(tài)試樣的趨膚深度，趨膚效 μσδ應(yīng)要盡可能小，其深度在R/4S δ S4R之間，R為樣品半徑。
6.根據(jù)權(quán)利要求1所述的基于交變磁場調(diào)制定向凝固界面的方法，其特征在于所述熔 體可以是鐵、銅、鋁、鎂、鎳基高溫合金等的任意一種或多種。
7.—種磁場基于交變磁場調(diào)制定向凝固界面的裝置，應(yīng)用于根據(jù)權(quán)利要求1所述基于 交變磁場調(diào)制定向凝固界面的方法，包括帶真空系統(tǒng)(3)的爐體(2)、置于爐體(2)內(nèi)的 主發(fā)熱體(1)、爐體下端的隔熱層(12)、隔熱層(12)下面的冷卻缸體(7)、冷卻缸體(7) 外圍的水冷系統(tǒng)(14)、安置在主發(fā)熱體(1)內(nèi)的剛玉坩堝(9)穿過隔熱層(12)伸入冷卻 缸體(7)內(nèi)，而下端連接抽拉系統(tǒng)(15)，冷卻缸體(7)內(nèi)注滿液態(tài)Ga-In冷卻劑(6)其 特征在于所述爐體(2)內(nèi)的主發(fā)熱體(1)外圍套裝一個產(chǎn)生交變磁場的可調(diào)銅質(zhì)感應(yīng)線圈 (4)，所述感應(yīng)線圈(4)由導(dǎo)線接通外界變頻感應(yīng)電源(16)。
全文摘要
本發(fā)明涉及一種交變磁場調(diào)制定向凝固液固界面的方法與裝置，本方法是在結(jié)晶器外圍固液界面上方加一個交變磁場，該交變磁場在熔體中的感應(yīng)電流和磁場相互耦合產(chǎn)生電磁攪拌力，該電磁攪拌力的大小、方向和頻率均和熔體本身的性質(zhì)有關(guān)，調(diào)制電磁場的大小、方向和頻率能獲得平整的熔體固液界面。本裝置是在爐體內(nèi)的主發(fā)熱體外圍套裝一個產(chǎn)生交變磁場的可調(diào)銅質(zhì)感應(yīng)線圈，該感應(yīng)線圈接通變頻感應(yīng)電源。本發(fā)明采用以上方法對磁場進(jìn)行調(diào)制，在結(jié)構(gòu)上包括外部交變電源和內(nèi)部可調(diào)磁感線圈的調(diào)節(jié)，精確控制熔體流動，使溶質(zhì)和溫度重新耦合均勻化，確保凝固材料液固界面保持平界面生長，減少缺陷，晶體取向一致，提高效率。
文檔編號C30B11/00GK102021643SQ20101028958
公開日2011年4月20日 申請日期2010年9月21日 優(yōu)先權(quán)日2010年9月21日
發(fā)明者任忠鳴, 任維麗, 樊亞夫, 鄧康, 鐘云波, 雷作勝 申請人:上海大學(xué)