控制高温合金定向凝固组织的装置和方法
【技术领域】
[0001]本发明涉及一种控制高温合金定向凝固组织的装置，尤其是涉及一种利用cusp磁场(cusp magnetic field会切磁场或钩形磁场)控制高温合金定向凝固组织的装置。本发明还涉及采用上述装置控制高温合金定向凝固组织的方法。
【背景技术】
[0002]涡轮叶片是现代航空航天和燃气机发动机上最关键的、最重要的转动部件，服役时承受复杂应力(离心应力、热应力、振动应力等)和非常高的工作温度，这就要求其具有高的蠕变强度、优异的抗疲劳性和良好的抗氧化腐蚀能力等综合性能，这其中高温蠕变强度是影响使用的关键问题。高温合金正是因满足这些性能要求而使得其成为航空航天和燃气发动机上叶片用材。高温合金的使用性能是由其组织状态决定的，而组织状态又是由工艺决定的。为了满足航空发动机叶片工作温度和推重比的不断提高，高温合金叶片工艺的发展走过了这样的路程:锻造(从1940到1958年)一多晶铸造(1958年以后)一定向凝固和单晶(20世纪60年代中后期)，由多晶铸造到定向凝固消除了叶片在运行过程中垂直于主应力方向的晶界，再由定向凝固到单晶消除一切晶界，叶片的性能提高了多倍，世界各先进的军用和民用航空发动机都普遍采用了定向凝固或单晶铸造叶片。
[0003]为了控制定向凝固组织的组织和缺陷，人们采用液态金属冷却法、电子区域熔化超高温度梯度定向凝固技术、温度和抽拉速率回馈控制系统、施加电磁场等方法。在施加电磁场法中，有轴向的纵向静磁场、横向的静磁场，这两种磁场有效的发挥了静磁场的磁制动效应，在适当的条件下改善了合金的组织和性能。但是热电磁力常常会破坏组织的定向生长性，横向磁场也破坏了定向凝固组织中的热对称性，纵向磁场由于改变液固界面前的扩散层的厚度增加了定向凝固纵向成分的不均匀性；而且纵向、横向磁场的磁力线方向都是单一方向，它们仅对与其磁力线垂直方向或成一定角度的部分对流起抑制，而对与磁力线平行的对流不起任何抑制作用。
【发明内容】
[0004]本发明所要解决的第一个技术问题，就是提供一种控制镍基高温合金定向凝固组织的装置。
[0005]本发明所要解决的第二个技术问题，就是提供一种采用上述装置控制镍基高温合金定向凝固组织的方法。
[0006]采用本发明的装置和方法，可在定向凝固中液固界面上不产生环状的热电磁力来破坏高温合金定向生长特性，又不破坏定向凝固的热对称性。
[0007]解决上述第一个技术问题，本发明采用如下的技术方案:
[0008]一种控制高温合金定向凝固组织的装置，其特征是:包括两个相同、且平面中心法线同轴、并分别通以大小相等方向相反直流电的线圈3，所述的线圈3中间设有加热炉，加热炉分为上、下部分，上、下部分的分界线越过所述线圈3中心线并设有隔热片9，上部分的炉壁为保温层1，内设带有加热电源的石墨电阻2，下部分为液态金属腔，腔内设有抽拉系统的活动拉杆10，拉杆10的顶端连接刚玉管6，刚玉管6穿过所述隔热片9的中心孔越过线圈3的中心线，刚玉管6内越过中心线的为试样液态部分7、处于中心线的为试样固体部分8。
[0009]所述的液态金属腔设有进、出水口 5、11 ;还设有气氛保护系统。
[0010]解决上述第二个技术问题，本发明采用如下的技术方案:
[0011]—种控制高温合金定向凝固组织的方法，其特征是:在定向凝固高温合金定向凝固组织时把液固界面固定在cusp磁场的几何中心上。
[0012]所述组成cusp磁场的两个线圈上下对称布置，并分别通以大小相等和方向相反的直流电流，其磁力线在两个线圈几何中心纵轴和水平中心上下均对称分布，在两组线圈的中间空间的径向和纵向上磁场强度为非均匀的分布。
[0013]所述的方法具体包括以下步骤:
[0014]SI，装配样品，将待定向凝固的样品放在刚玉管内，固定在拉杆上，调整样品和加热炉体的相对位置，使得样品的固液界面位于CUSP磁场的几何中心上；
[0015]S2，加热样品，样品装配好后，打开设备循环水和气氛保护系统，再打开加热电源对石墨电阻加热，加热到规定温度；
[0016]S3，定向凝固，保温一段时间，开启抽拉控制系统，进行定向凝固；
[0017]S4，定向凝固结束时，把样品以高速拉入液体金属冷却池内以完成淬火，关闭加热炉电源，待冷却到室温，关闭控制气氛和循环水系统，取出样品。
[0018]如图1所示，当给两个线圈通以大小相等和方向相反的直流电流时，线圈产生的磁场横向分量方向相同，总的横向分量为两横向之和；如图2所示；纵向分量方向相反，总的纵向分量为两纵向之差，在两个磁体中心区域的零点上磁场强度为零，如图3所示。基于此，线圈内将形成了一个以轴和上下对称兼有径向和纵向分量的圆柱非均匀发散型磁场，磁场强度可通过调整电流大小改变。
[0019]定向凝固时把液固界面固定在cusp磁场的几何中心上，如附图4，这样在磁场的中心线上，液固界面上受到水平的磁场力，形不成旋转的磁场力，不会在高温合金的定向凝固的枝晶上形成破坏力，而且水平方向的磁场力对液固界面上的温度和溶质起到水平的搅拌作用，使得纵向的成分分布均匀，该磁场在能够有效地抑制成分不均匀性。
[0020]本发明与现有技术相比较，具有以下显著的实质性特点和优点:
[0021]cusp磁场磁力线以轴和上下对称，为径向和纵向分量的圆柱非均匀发散型磁场，克服了纵向、横向磁场的磁力线方向单一方向的缺点(单一方向磁场仅对与其磁力线垂直方向或成一定角度的部分对流起抑制，而对与磁力线平行的对流不起任何抑制作用)；而且在定向凝固中液固界面上不产生环状的热电磁力来破坏高温合金定向生长特性，又不破坏定向凝固的热对称性。因此，采用这种磁场可有效地抑制坩祸内熔体的热对流，使得纵