專利名稱：強(qiáng)靜磁場誘導(dǎo)定向凝固合金柱狀晶向等軸晶轉(zhuǎn)變的方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及一種在強(qiáng)靜磁場下誘導(dǎo)合金定向凝固組織由柱狀晶向等軸晶轉(zhuǎn)變的方法，提供了一種和現(xiàn)有通過機(jī)械振蕩、電磁振蕩法不同的誘導(dǎo)定向凝固組織形貌由柱狀晶向等軸晶轉(zhuǎn)變的新エ藝，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ー種組織花樣，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。在通常情況下，人們一般希望枝晶能夠以等軸晶方式生長，因?yàn)橛傻容S晶生長所得到的多晶材料，具有性能的非各向異性，在受カ變形時(shí)，由于存在多晶粒變形的相互協(xié)調(diào)作用，且內(nèi)部大量的晶界一方面可以提高變形抗力，同時(shí)又可以阻斷裂紋的發(fā)展，因此通常具有較高的強(qiáng)度和塑性。由此可見，材料凝固過程中對(duì)柱狀晶和等軸晶生長的控制對(duì)材料的最終使用性能具有非常重要的影響。為了獲得細(xì)化的等軸晶組織，研究者們進(jìn)行了大量的探索和研究。根據(jù)控制熔體手段的作用方式不同，可以將這些手段分為熱力學(xué)控制方式、化學(xué)控制方式以及動(dòng)力學(xué)控制方式。熱力學(xué)控制方式的原理基于凝固的結(jié)晶學(xué)理論，約翰遜-梅爾方程可導(dǎo)出，在t時(shí)間內(nèi)形成的晶核數(shù)P(t)與形核率#及長大速率り之間的關(guān)系
P(i) = k(^-)m
' .1V
由上式可知,形核率#越大，晶粒越細(xì)小。同一種材料的#和t都取決于過冷度,增大過冷度，#迅速増大，且比Vg更快，因此，在一般凝固條件下，增加過冷度可使凝固后的晶粒細(xì)化?；瘜W(xué)控制方式是通過在熔體中加入孕育劑，實(shí)際的凝固都為非均勻形核，為提高形核率，可在熔液凝固以前加入能作為非均勻形核基底的人工形核劑。與前兩種方法相比，利用動(dòng)力學(xué)作用細(xì)化晶粒，促進(jìn)促進(jìn)柱狀晶向等軸晶轉(zhuǎn)變?cè)谟谄鲚^小、不引入雜質(zhì)元素。常用的包括兩大類1.機(jī)械振動(dòng)2.物理場。機(jī)械振動(dòng)包括機(jī)械攪拌、振動(dòng)、擺動(dòng)等；物理場包括交變電場、超聲波、行波磁場、旋轉(zhuǎn)磁場以及電磁復(fù)合場。外場的作用通?？梢詫?dǎo)致柱狀晶斷裂，游離與熔體中，發(fā)生柱狀晶向等軸晶的轉(zhuǎn)變，并時(shí)晶粒發(fā)生細(xì)化。這些方法可以有效促進(jìn)熔體流動(dòng)，使得熔體內(nèi)溫度場均勻化，
但是，上述外場仍存在很多缺陷。機(jī)械振蕩方法需要通過振蕩器與熔體接觸才能將振蕩カ傳至熔體，造成金屬液的污染，同時(shí)，振蕩的細(xì)化效果主要集中于振蕩器附近，得到的組織不均勻。超聲振蕩的缺陷在于聲波在高溫熔體中耗散嚴(yán)重，細(xì)化區(qū)域有限。脈沖電流(磁場)可在短時(shí)間內(nèi)產(chǎn)生劇烈振蕩，但是電流過大則易造成熔體飛濺，電流太小，會(huì)使新形成的晶粒在高溫熔體中重熔，弱化細(xì)化效果。為此，上海大學(xué)強(qiáng)磁場課題組，通過在結(jié)晶器內(nèi)金屬熔體上部插入ー對(duì)電極，并通入交流電，結(jié)晶器外側(cè)施加強(qiáng)靜磁場，利用自冷電極誘發(fā)電極附近熔體迅速形核，同時(shí)結(jié)合電磁振蕩促使晶核彈射到金屬熔體中，形成其后金屬凝固的核心主體，獲得細(xì)晶組織材料。但是這種方法，設(shè)備復(fù)雜，在エ業(yè)生產(chǎn)中難以實(shí)施；電極與熔體接觸，仍然會(huì)污染金屬液；同時(shí)電極處需要通入高頻電流，需要消耗大量能源，故エ業(yè)推廣也存在障礙
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在強(qiáng)靜磁場下誘導(dǎo)合金定向凝固組織發(fā)生柱狀晶向等軸晶轉(zhuǎn)變的方法。本發(fā)明ー種強(qiáng)靜磁場誘導(dǎo)定向凝固組織發(fā)生柱狀晶向等軸晶轉(zhuǎn)變的方法，其特征在于將定向凝固中固液界面置于強(qiáng)靜磁場中心位置，通過熱電磁效應(yīng)在枝晶尺寸下發(fā)揮的作用，將枝晶打斷，在界面前沿增大形核率，最終導(dǎo)致柱狀晶向等軸晶轉(zhuǎn)變，使得晶粒得到細(xì)化。該方法不需要復(fù)雜的設(shè)備，只需要施加強(qiáng)靜磁場，因而エ業(yè)推廣性強(qiáng)；通過磁場產(chǎn)生的熱電磁力導(dǎo)致枝晶的斷裂，真正做到了無污染，可用于制備高純度的細(xì)晶組織。總的來說，該方法操作簡單、易于實(shí)現(xiàn)，為促進(jìn)柱狀晶向等軸晶轉(zhuǎn)變，從而獲得性能優(yōu)異的等軸晶組織提供了ー種新思路。本發(fā)明方法的特點(diǎn)和原理如下所述
本發(fā)明ー種強(qiáng)靜磁場誘導(dǎo)定向凝固組織發(fā)生柱狀晶向等軸晶轉(zhuǎn)變的方法所用的定向凝固裝置，它為傳統(tǒng)常規(guī)的裝置，包括有水冷夾套、加熱爐、合金棒、超導(dǎo)強(qiáng)磁體、合金棒已凝固部分、淬火池以及拉桿；其特征在于定向凝固裝置至于超導(dǎo)強(qiáng)磁體中；在超導(dǎo)強(qiáng)磁體和加熱爐中間設(shè)置一水冷夾套；試樣的固液界面處于強(qiáng)磁體的穩(wěn)恒磁場區(qū)域。本發(fā)明原理是基于強(qiáng)靜磁場的熱電磁力效應(yīng)。熱電磁力效應(yīng)來源于磁場和枝晶上的熱電流的相互作用，熱電流產(chǎn)生的原理是Seebeck效應(yīng)，當(dāng)兩個(gè)Seebeck系數(shù)(η7)不同的金屬上下兩端分別連接在一起，且兩結(jié)點(diǎn)之間具有溫度梯度AT，回路中就會(huì)形成熱電流，產(chǎn)生ー個(gè)熱電勢(shì)在合金定向凝固過程中施加軸向的強(qiáng)靜磁場，在一定溫度梯度作用下，發(fā)現(xiàn)定向凝固組織發(fā)生了由柱狀晶向等軸晶轉(zhuǎn)變的現(xiàn)象。和現(xiàn)有誘導(dǎo)柱狀晶向等軸晶轉(zhuǎn)變的エ藝相比，本方法通過在定向凝固過程中施加靜磁場，在界面前沿的枝晶尖端由于熱電磁效應(yīng)產(chǎn)生電勢(shì)差A(yù)V，如圖2所示。連接金屬兩端的熱電勢(shì)大小如式(I)所示，兩種材料的Seebeck系數(shù)差越大，溫差越大，回路中產(chǎn)生的熱電勢(shì)和熱電流就越大。Δν= ( ns-η7)δτ...........................................................................(I)
當(dāng)合金在定向凝固過程中以枝晶方式生長時(shí)，沿枝晶生長方向，在固液界面會(huì)存在較
大的溫度梯度，并且枝晶固相和枝晶間的液相成分不同導(dǎo)致其Seebeck系數(shù)不同，因此會(huì)形成熱偶，產(chǎn)生熱電流，引起熱電磁力，由于在較強(qiáng)磁場下磁場抑制液相流體的流動(dòng)，只能使得固相枝晶受力。定向凝固過程中，只要熱電磁力足夠大，枝晶上的熱電磁力就可以使枝晶臂發(fā)生斷裂，破碎的枝晶臂又成為等軸晶粒的異質(zhì)核心，這些等軸晶粒在磁場的作用下，依然會(huì)受到カ的作用。這些等軸晶粒經(jīng)融合、生長進(jìn)而形成如圖所示的等軸晶組織。對(duì)于實(shí)驗(yàn)中的ニ元合金的枝晶這種熱電磁力效應(yīng)顯著，對(duì)于航空エ業(yè)中運(yùn)用的高溫合金，由于添加合金元素種類多，數(shù)量大，一般會(huì)有10多種合金元素，添加量甚至達(dá)到30_40wt%，所以高溫合金固相枝晶和周圍液相成分相差更大，其Seebeck系數(shù)差別會(huì)更大，固相枝晶受カ更明顯，在較大溫度梯度和磁場強(qiáng)度作用下，更易發(fā)揮這種效應(yīng)。合理利用在固液界面前段異質(zhì)形核，進(jìn)而使得枝晶形貌由柱狀晶向等軸晶轉(zhuǎn)變的效應(yīng)，可以為優(yōu)化合金綜合性能提供一種新的思路。
其特征在于具有以下的過程和步驟
a.采用典型的傳統(tǒng)常規(guī)的Bridgman方法定向凝固裝置，將Al_Cu、或Pb_Sn、或Al-Si等不同體系的合金棒試樣，封裝定向凝固裝置中的剛玉坩堝內(nèi)，并將其裝在拉桿上，使其能在裝置內(nèi)的加熱爐中抽拉作垂直移動(dòng)；
b.定向凝固裝置放入超導(dǎo)強(qiáng)靜磁場發(fā)生體內(nèi)，超導(dǎo)磁體產(chǎn)生的磁場強(qiáng)度要求在10-14T，使得定向凝固的固液界面處于磁場的穩(wěn)恒區(qū)域；
c.加熱爐對(duì)合金試樣棒進(jìn)行加熱，淬火池中的冷卻介質(zhì)為液態(tài)Ga-In-Sn合金,在過程中超導(dǎo)強(qiáng)磁體的磁場強(qiáng)度均保持穩(wěn)定，加熱爐也固定；凝固界面前沿的溫度梯度隨加熱爐溫度變化而變化；一般情況下固液界面溫度梯度在40K/cm以上，抽拉速率變化范圍為120ym/s以下(不同合金的抽拉速度不同)；在抽拉過程中保證固液界面處于穩(wěn)恒磁場區(qū)，將試樣抽拉一定長度至穩(wěn)定生長區(qū)域時(shí)，迅速拉入淬火池中進(jìn)行淬火。d.通過觀察定向凝固后合金晶粒的形貌，來說明定向凝固組織發(fā)生了柱狀晶向等軸晶轉(zhuǎn)變，并由此來評(píng)價(jià)合金該轉(zhuǎn)變的情況。


圖I為本發(fā)明方法所用的強(qiáng)磁場下Bridgman法定向凝固裝置的簡單結(jié)構(gòu)示意圖。其中I-水冷夾套、2-加熱爐、3-合金棒熔體、4-超導(dǎo)強(qiáng)磁體、5-合金棒已凝固部分、6-淬火池、7_拉桿、8_剛玉i甘禍。圖2為本發(fā)明方法的原理示意圖，枝晶尖端由于溫差熱電勢(shì)效應(yīng)，受到熱電磁力的作用，發(fā)生變形以至于斷裂，成為新的形核點(diǎn)，并阻礙柱狀晶的進(jìn)一步生長，使組織發(fā)生柱狀晶向等軸晶變化。圖3為拉速為2(^111/8和溫度梯度為521(/011時(shí)？13-80被％ Sn過共晶合金在(a)0T, (b) 12T磁場強(qiáng)度下縱截面的微觀組織。圖4為拉速為10 μ m/s和溫度梯度為62. 8K/cm時(shí)A1-4. 5wt% Cu亞共晶合金在
(a)0T, (b) IOT磁場強(qiáng)度下縱截面的微觀組織。圖5為拉速為120 μ m/s和溫度梯度為40K/cm時(shí)Al_7wt% Si亞共晶合金在(a)0T, (b) 12T磁場強(qiáng)度下縱截面的微觀組織。
具體實(shí)施例方式現(xiàn)將本發(fā)明的具體實(shí)施例敘述于后。實(shí)施例一
(1)選用合金成分為Pb-80wt%Sn的鉛錫過共晶合金，Pb和Sn的純度均為99. 99%，經(jīng)真空感應(yīng)熔煉后通過負(fù)壓吸鑄的方法得到直徑為3_、長度為20cm的合金棒，將其封裝在剛玉管內(nèi)；
(2)利用典型的Bridgman方法的定向凝固裝置(見圖I),將上述剛玉管固定在拉桿 上，并升至加熱爐內(nèi)；采用超導(dǎo)強(qiáng)磁體產(chǎn)生的縱向強(qiáng)靜磁場，使試樣的固液界面處于穩(wěn)恒磁場區(qū)域，控制磁場強(qiáng)度為12T (特斯拉)；
(3)接通電源打開加熱爐，對(duì)合金棒進(jìn)行加熱，加熱爐中心溫度為600°C，并保溫30min,經(jīng)過測(cè)量得知液固界面前方的溫度梯度為52K/cm ;合金棒試樣以20 μ m/s的抽拉速度向下移動(dòng)，當(dāng)試樣定向凝固生長長度達(dá)80mm時(shí),迅速拉入Ga-In-Sn冷卻介質(zhì)中進(jìn)行淬火；最終得到定向凝固條件下的等軸晶合金組織。實(shí)施例ニ 本實(shí)施例中的過程和步驟與上述實(shí)施例I完全相同，不同的是合金為Al-4. 5wt% Cu亞共晶合金；加熱爐的中心溫度為900°C ;拉桿的抽拉速度為10 μ m/s ;爐內(nèi)樣品固液界面前沿的溫度梯度為62. 8K/cm ;超導(dǎo)磁鐵產(chǎn)生的磁場強(qiáng)度為10T。實(shí)施例三本實(shí)施例中的過程和步驟與上述實(shí)施例2完全相同，不同的是合金體系為Al-7wt% Si亞共晶合金；加熱爐中心溫度為900°C，樣品固液界面前沿溫度梯度通過測(cè)量為40K/cm ;拉桿的抽拉速度為120 μ m/s。合金棒樣品凝固組織枝晶的顯微組織觀察
將定向凝固所得的試樣沿軸向?qū)ΨQ截開，并取在固液界面附近的樣品；將其研磨拋光，然后進(jìn)行腐蝕，Pb-Sn合金試樣所使用的腐蝕劑為草酸和雙氧水混合溶液，體積比為3:1 ;Al-Cu和Al-Si合金試樣所用的腐蝕劑為H2O :HF混合溶液，兩者的體積比為水HF=1000:5。為了作對(duì)比比較，上述實(shí)施例1、2、3的試樣在檢測(cè)過程中，還相應(yīng)地采用了為施加磁場強(qiáng)度(OT)的樣品進(jìn)行檢測(cè)對(duì)比。實(shí)施例I、2、3試樣的微觀顯微組織結(jié)果參見圖3、圖4及圖5。從圖中對(duì)比可知，本發(fā)明實(shí)施例中所得的施加磁場后試樣縱截面的微觀組織為斷 裂的等軸晶，與無磁場條件下連續(xù)生長的枝晶組織相比，發(fā)生了明顯的柱狀晶向等軸晶的轉(zhuǎn)變。
權(quán)利要求
1.一種強(qiáng)靜磁場誘導(dǎo)定向凝固合金柱狀晶向等軸晶轉(zhuǎn)變的方法，其特征在于具有以下的過程和步驟 a.采用典型的傳統(tǒng)常規(guī)Bridgman方法定向凝固裝置,將Al-Cu、或Pb-Sn、或Al-Si等不同體系的合金棒試樣，封裝定向凝固裝置中的剛玉坩堝內(nèi)，并將其裝在拉桿上，使其能在裝置內(nèi)的加熱爐中抽拉作垂直移動(dòng)； b.定向凝固裝置放入超導(dǎo)強(qiáng)靜磁場發(fā)生體內(nèi)，超導(dǎo)磁體產(chǎn)生的靜磁場強(qiáng)度可以在10-14T，使得定向凝固的固液界面處于磁場的穩(wěn)恒區(qū)域； c.加熱爐對(duì)合金試樣棒進(jìn)行加熱，淬火池中的冷卻介質(zhì)為液態(tài)Ga-In-Sn合金,在實(shí)施過程中超導(dǎo)強(qiáng)磁體的磁場強(qiáng)度要保持穩(wěn)定，加熱爐也固定，凝固界面前沿的溫度梯度隨加熱爐溫度變化而變化；A1-Cu合金的加熱爐中心爐溫為900°C，溫度梯度為45K/cm，抽拉速率小于IOii m/s ;Pb-Sn合金的加熱爐中心爐溫為600°C，溫度梯度為52K/cm，抽拉速率小于50iim/s; Al-Si合金的加熱爐中心爐溫為900°C，溫度梯度為40K/cm，抽拉速率小于150 u m/s ;在抽拉過程中保證固液界面處于穩(wěn)恒磁場區(qū)；將試樣抽拉一定長度至穩(wěn)定生長區(qū)域時(shí)，迅速拉入淬火池中進(jìn)行淬火。
2.一種強(qiáng)靜磁場誘導(dǎo)定向凝固組織發(fā)生柱狀晶向等軸晶轉(zhuǎn)變的方法所用的傳統(tǒng)常規(guī)的定向凝固裝置，包括有水冷夾套(I)、加熱爐(2)、合金棒熔體(3)、超導(dǎo)強(qiáng)磁體(4)、合金棒已凝固部分(5)、淬火池(6)、拉桿(7)以及剛玉坩堝(8);其特征在于定向凝固裝置至于超導(dǎo)強(qiáng)磁體(4)中；在超導(dǎo)強(qiáng)磁體(4)和加熱爐(2)中間設(shè)置一水冷夾套(I);合金棒熔體(3)與合金棒已凝固部分(5)結(jié)合處放置于強(qiáng)磁體(4)的穩(wěn)恒磁場區(qū)域。
全文摘要
本發(fā)明涉及一種強(qiáng)靜磁場誘導(dǎo)定向凝固合金柱狀晶向等軸晶轉(zhuǎn)變的方法，屬物理場控制合金金相組織的技術(shù)領(lǐng)域。本發(fā)明利用強(qiáng)靜磁場和定向凝固過程中在固液界面產(chǎn)生的溫度梯度相互作用產(chǎn)生的熱電磁力效應(yīng)，控制合金枝晶的生長形貌。本發(fā)明的工藝方法的要點(diǎn)是利用10~14T(特斯拉)的強(qiáng)靜磁場，采用典型Bridgman定向凝固裝置，設(shè)計(jì)使熔體的固液界面處于強(qiáng)靜磁場的中心位置，整個(gè)凝固過程中在強(qiáng)靜磁場下完成，采用細(xì)長的合金棒，樣品液固界面的溫度梯度隨爐溫和合金種類改變而改變。合金棒向下抽拉速率為10~120μm/s下進(jìn)行定向凝固，在生長到穩(wěn)定階段后，迅速拉入冷卻介質(zhì)中進(jìn)行淬火，最終得到定向凝固條件下特殊的等軸晶合金組織。
文檔編號(hào)C30B28/06GK102703986SQ20121020571
公開日2012年10月3日 申請(qǐng)日期2012年6月21日 優(yōu)先權(quán)日2012年6月21日
發(fā)明者于清晨, 侯龍, 盧振遠(yuǎn), 李喜, 杜大帆 申請(qǐng)人:上海大學(xué)