專利名稱：一種強(qiáng)磁場(chǎng)控制定向凝固組織枝晶取向的方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及一種強(qiáng)磁場(chǎng)控制定向凝固組織枝晶取向的方法，屬于合金組織控制研究技術(shù)領(lǐng)域。
背景技術(shù)：
枝晶是材料制備成形過程中最為常見的一種組織花樣，其尺寸及形態(tài)對(duì)材料的最終性能具有非常重要的影響。通常情況下，樹枝晶生長(zhǎng)的取向會(huì)盡可能與熱流方向一致或相反，而且沿由晶體學(xué)確定的擇優(yōu)取向生長(zhǎng)(例A1枝晶，擇優(yōu)枝晶取向?yàn)椤?00〉；Sn枝晶， 擇優(yōu)枝晶取向?yàn)椤?10> )。在定向凝固的樹枝晶單晶(例如渦輪葉片)中，組成這一單個(gè)晶粒的所有樹枝晶都整齊地排列起來，從而改善了高溫性能。
由于定向凝固組織及單晶存在明顯的各向異性現(xiàn)象，晶體取向?qū)辖鹦阅艿挠绊懸彩茄芯繜狳c(diǎn)之一。Dalal等人發(fā)現(xiàn)單晶SC7-14-6合金的持久性能以〈I11>取向時(shí)為最高。 Mckay等對(duì)Mar-M247單晶在760°C蠕變性能研究表明，在晶體取向〈001〉及〈111〉方向均有較高的性能。由于高對(duì)稱的晶體取向(〈001〉，〈111>)，晶體蠕變達(dá)到交叉滑移所需的晶體轉(zhuǎn)動(dòng)較小，經(jīng)相對(duì)較小的初始蠕變狀態(tài)隨即進(jìn)入第二蠕變階段，因而一般具有較長(zhǎng)的持久壽命。以上研究均表明定向凝固組織中晶體的取向直接影響材料的各項(xiàng)性能。目前為止， 為了獲得具有一定枝晶取向的材料組織，一般采用的手段是通過定向凝固籽晶法控制晶體取向，或是通過軋制獲得具有一定取向織構(gòu)的材料。但是籽晶法往往需要制備出具一定取向的單晶作為籽晶，需要耗費(fèi)大量的人力、物力。通過軋制方法得到的材料，其織構(gòu)取向度不聞。發(fā)明內(nèi)容
針對(duì)現(xiàn)有技術(shù)存在的不足，本發(fā)明的目的是提供一種強(qiáng)磁場(chǎng)控制定向凝固組織枝晶取向的方法。與籽晶法和軋制法對(duì)比，本方法通過在定向凝固過程中引入強(qiáng)磁場(chǎng)，強(qiáng)磁場(chǎng)將導(dǎo)致具有磁各向異性的晶體發(fā)生轉(zhuǎn)動(dòng)，導(dǎo)致易磁化軸方向轉(zhuǎn)向磁場(chǎng)方向。
為達(dá)到上述目的，本發(fā)明采用如下技術(shù)方案一種強(qiáng)磁場(chǎng)控制定向凝固組織枝晶取向的方法，具有以下的過程和步驟a.選擇99.99%的高純合金原料，配置合金成分各為B1-0. 85wt%Mn (B1-Μη合金)， Al-12wt%Ni (Al-Ni合金)，Al_4. 5wt%Cu (Al-Cu合金)的三種合金在真空爐中熔煉，電磁攪拌I小時(shí)，使原材料充分合金化后，用內(nèi)徑為3mm的石英管進(jìn)行真空負(fù)壓吸鑄，得到枝晶生長(zhǎng)擇優(yōu)取向與易磁化方向各異的B1-Mn、Al-Ni和Al-Cu三種體系的成分均勻的合金棒試樣，并將其封裝在剛玉坩堝中；b.將傳統(tǒng)常規(guī)定向凝固裝置放入 超導(dǎo)強(qiáng)靜磁場(chǎng)發(fā)生體內(nèi)，超導(dǎo)磁體產(chǎn)生的靜磁場(chǎng)強(qiáng)度范圍為f 14T ;將剛玉坩堝放置于定向凝固裝置的拉桿上，使其能在加熱爐中抽拉作垂直移動(dòng)；加熱使合金熔化，保溫O. 5小時(shí)后，開啟抽拉系統(tǒng)以設(shè)定的拉速進(jìn)行定向抽拉；試樣定向凝固方向與磁場(chǎng)方向平行，凝固界面前沿液相的溫度梯度隨加熱爐溫度變化而變化；B1-Mn合金定向凝固過程中加熱爐中心爐溫為650°C，固液界面前沿的溫度梯度為50K/ cm ；A1-Ni和Al-Cu合金的加熱爐中心爐溫為900°C，溫度梯度分別為38K/cm和68K/cm ;在抽拉過程中保證固液界面處于穩(wěn)恒磁場(chǎng)區(qū)域；c.抽拉至穩(wěn)定生長(zhǎng)時(shí)，迅速拉入Ga-1n-Sn淬火池中進(jìn)行淬火，得到枝晶生長(zhǎng)方向發(fā)生改變的定向凝固柱狀晶組織。
本發(fā)明方法采用傳統(tǒng)常規(guī)的定向凝固裝置，包括保護(hù)氣氛輸入管、水冷套管、加熱爐、控溫裝置、合金棒試樣、超導(dǎo)強(qiáng)磁體、淬火池、剛玉坩堝以及拉桿；放置有合金棒試樣的剛玉坩堝放置在加熱爐內(nèi)；加熱爐的外側(cè)安裝有水冷套管，超導(dǎo)強(qiáng)磁體置于水冷套管的外偵牝且磁場(chǎng)方向與定向凝固方向相平行；合金定向凝固過程中固液界面置于超導(dǎo)強(qiáng)磁體的穩(wěn)恒區(qū)域；加熱爐連接控溫裝置控制其溫度；在加熱爐頂端有一通入惰性氣體的保護(hù)氣氛輸入管；拉桿與剛玉坩堝連接；淬火池位于加熱爐下方。
本發(fā)明的原理是基于具有各向異性的晶體，在磁場(chǎng)中會(huì)發(fā)生取向。假設(shè)一個(gè)具有各向異性的晶體處于磁場(chǎng)中，單位體積的磁矩可以表示為Ma = (X45Ii cos#+jc_jET sin#)(I)Aff和Me6分別為沿c軸和ab軸方向的單位體積磁矩，可以表示為
權(quán)利要求
1.一種強(qiáng)磁場(chǎng)控制定向凝固組織枝晶取向的方法，其特征在于，具有以下的過程和步驟a.選擇99.99%的高純合金原料，配置合金成分各為=B1-Mn合金B(yǎng)i_0. 85wt%Mn, Al-Ni合金Al-12wt%Ni，Al-Cu合金A1_4. 5wt%Cu的三種合金在真空爐中熔煉，電磁攪拌 I小時(shí)，使原材料充分合金化后，用內(nèi)徑為3mm的石英管進(jìn)行真空負(fù)壓吸鑄，得到枝晶生長(zhǎng)擇優(yōu)取向與易磁化方向各異的B1-Μη、Al-Ni和Al-Cu三種體系的成分均勻的合金棒試樣， 并將其封裝在內(nèi)徑為3_的剛玉樹禍中；b.將定向凝固裝置放入超導(dǎo)強(qiáng)靜磁場(chǎng)發(fā)生體內(nèi)，超導(dǎo)磁體產(chǎn)生的靜磁場(chǎng)強(qiáng)度范圍為 Γ14Τ ;將剛玉坩堝放置于定向凝固裝置的拉桿上，使其能在加熱爐中抽拉作垂直移動(dòng)；加熱使合金熔化，保溫O. 5小時(shí)后，開啟抽拉系統(tǒng)以設(shè)定的拉速速率進(jìn)行定向凝固，抽拉速率為5 100ym/s ;試樣定向凝固方向與磁場(chǎng)方向平行，凝固界面前沿液相的溫度梯度隨加熱爐溫度變化而變化；Bi_Mn合金定向凝固過程中加熱爐中心爐溫為650°C，固液界面前沿的溫度梯度為50K/cm ；A1-Ni和Al-Cu合金的加熱爐中心爐溫為900°C，溫度梯度分別為38K/ cm和68K/cm ;在抽拉過程中保證固液界面處于穩(wěn)恒磁場(chǎng)區(qū)域；c.抽拉至穩(wěn)定生長(zhǎng)時(shí)，迅速拉入Ga-1n-Sn淬火池中進(jìn)行淬火，得到枝晶生長(zhǎng)方向發(fā)生改變的定向凝固枝晶組織。
全文摘要
本發(fā)明涉及一種強(qiáng)磁場(chǎng)控制定向凝固組織枝晶取向的方法。本發(fā)明利用定向凝固過程中枝晶的擇優(yōu)取向和易磁化方向的差異，在定向凝固過程施加強(qiáng)磁場(chǎng)，使得枝晶受到磁化力的作用導(dǎo)致其易磁化軸偏向磁場(chǎng)方向(即定向凝固方向)，從而控制合金枝晶的取向。本發(fā)明的工藝方法的要點(diǎn)是利用1~14T(特斯拉)的強(qiáng)靜磁場(chǎng)，采用典型Bridgman定向凝固裝置，設(shè)計(jì)使定向凝固合金的固液界面處于強(qiáng)靜磁場(chǎng)的中心穩(wěn)恒區(qū)域，整個(gè)定向凝固過程在強(qiáng)靜磁場(chǎng)下完成，采用細(xì)長(zhǎng)的合金棒，樣品固液界面的溫度梯度隨爐溫和合金種類改變而變化。合金棒向下進(jìn)行定向凝固的抽拉速率為5~100μm/s，在生長(zhǎng)到穩(wěn)定階段后，迅速拉入冷卻介質(zhì)中進(jìn)行淬火，最終得到枝晶生長(zhǎng)方向發(fā)生改變的定向凝固組織。
文檔編號(hào)C22F3/02GK103056347SQ20131000661
公開日2013年4月24日 申請(qǐng)日期2013年1月9日 優(yōu)先權(quán)日2013年1月9日
發(fā)明者李喜, 杜大帆, 侯龍, 盧振遠(yuǎn), 禹清晨, 王科峰 申請(qǐng)人:上海大學(xué)