在稳恒磁场下定向凝固控制晶体取向的方法及装置的制造方法
【技术领域】
[0001] 本发明涉及一种金属材料凝固工艺和装置，特别是涉及一种金属定向凝固的方法 和装置，应用于金属材料凝固组织控制技术领域。
【背景技术】
[0002] 晶体往往具有各向异性，在不同的晶体学方向上其力学、电磁、光学、耐腐蚀、磁 学甚至核物理等方面的性能会表现出显著差异，因此沿其某一晶向能获得最优异的性 能。许多金属材料都是多晶体，若具有最优性能的晶向形成织构的话，将使材料的性能得 到大幅提升。定向凝固是一种很好的控制晶体取向的手段。其特点是在金属固相和液相 中建立起特定方向的温度梯度，从而使熔体沿着与热流相反的方向凝固，使晶体的易生长 方向形成织构。稳恒磁场同样可以控制晶体取向。该方法是利用晶体的磁晶各向异性， 而当一个体积为V的晶体处于磁场中，晶体将会被磁化，晶体的磁吉布斯自由能表达为 Gs = -rZ炉/2馬，此处X为磁化系数，Utl为真空磁导率。如果晶体各轴不同的磁吉布斯 自由能差^&大于热扰动能|4<无| = |名-(55|=卜1/(义-2^)51/2/4|>紅，此处^和 ?分别是晶体a，b轴和c轴的磁化率；fc是玻尔兹曼常数，晶体将发生旋转，易磁化方向 将形成织构。
[0003] 但有时候具有最优异的性能的方向不一定是易生长方向或易磁化方向，并且这两 种方法只完成了某一晶向的织构。
【发明内容】
[0004] 为了解决现有技术问题，本发明的目的在于克服已有技术存在的不足，提供一种 在稳恒磁场下定向凝固控制晶体取向的方法及装置，对于某一晶体的易生长方向和易磁化 方向不是同一方向，当晶体在定向凝固过程中完成易生长方向沿热流相反方向取向时，根 据晶体学特点，在定向凝固过程中，沿某一角度施加稳恒磁场，使其易磁化方向转向磁场方 向，达到使多晶体形成多晶向织构。
[0005] 为达到上述发明创造目的，本发明采用下述技术方案： 一种在稳恒磁场下定向凝固控制晶体取向的方法，包括如下步骤： a. 制成金属初始棒材，金属初始棒材的外径小于定向凝固坩埚的内径； b. 加热在步骤a中制备的金属初始棒材，使其恪化形成金属液； c. 根据金属材料的晶体取向特征，当金属晶体的易生长方向和易磁化方向不是同一 方向时，在步骤b中制备的金属液定向凝固过程中，向金属液凝固界面前沿施加稳恒磁场， 使固液界面始终处于稳恒磁场区域，同时使所施加的磁场方向与金属定向凝固方向的夹角 等于晶体易磁化轴与晶体易生长方向的夹角，或同时使所施加的磁场方向与金属定向凝固 方向的夹角等于晶体难磁化轴与晶体易生长方向的夹角，金属凝固后，得到具有多晶向织 构的金属晶体棒材；金属定向凝固方向优选为竖直方向，且所施加的磁场方向优选为水平 方向；牵引定向凝固坩埚，使坩埚沿着定向凝固的温度梯度方向上进行直线移动，牵引定向 凝固谢埚的拉速优选为10~20 ym/s ;施加磁场的磁场强度优选为0~1T。
[0006] 作为本发明优选的技术方案，在稳恒磁场下定向凝固控制晶体取向的方法，包括 如下步骤：首先将定向凝固坩埚连接于定向凝固装置的拉杆上，组成抽拉系统，使其能在加 热炉中抽拉作直线移动；加热到900°C使在步骤a中制备的金属初始棒材熔化并保温0. 5 小时，然后开启抽拉系统以设定的拉速进行定向抽拉，在抽拉过程中保证固液界面处于稳 恒磁场区域；抽拉结束后，获得金属晶体棒材；定向凝固坩埚优选采用刚玉管；金属初始棒 材的成分优选为Al-12wt%Ni ;金属固液界面附近的温度梯度优选为72K/cm。
[0007] 本发明还提供一种实现定向凝固装置，由水冷夹套、加热炉、冷却池、拉杆和定向 凝固坩埚组成，内部放置有金属棒材的定向凝固坩埚设置在加热炉内，加热炉的外侧安装 有水冷夹套，设有控温装置来控制加热炉的温度，拉杆与定向凝固坩埚连接，冷却池位于加 热炉下方，在水冷夹套的外侧还设有磁体，磁体生成的稳恒磁场的磁场方向可调，使装入定 向凝固坩埚内的合金棒液相部分和合金棒固相部分之间的固液界面始终处于稳恒磁场区 域，在合金棒液相部分定向凝固过程中，根据金属棒材的晶体取向特征，当金属晶体的易生 长方向和易磁化方向不是同一方向时，通过调节磁场方向，使所施加的磁场方向与金属定 向凝固方向的夹角等于晶体易磁化轴与晶体易生长方向的夹角，或使所施加的磁场方向与 金属定向凝固方向的夹角等于晶体难磁化轴与晶体易生长方向的夹角，金属凝固后得到的 合金棒固相部分即为具有多晶向织构的金属晶体棒材。
[0008] 作为本发明定向凝固装置的优选技术方案，磁体通过机械偏转机构或位移控制机 构进行移动和变形，实现磁场方向可调。
[0009] 本发明与现有技术相比较，具有如下显而易见的突出实质性特点和显著优点： 1. 本发明在常规定向凝固装置的基础上，引入附加的稳恒磁场，所以晶体在生长过程 中择优生长方向会与热流方向相反，同时易磁化方向或难磁化转向磁场方向，使晶体的所 有晶向同向； 2. 本发明是根据晶体特点发明的定向凝固装置，包括磁场和定向凝固装置，在常规的 定向凝固装置上附加稳恒磁场，使磁场与定向凝固方向的夹角等于晶体易磁化轴或难磁化 轴与择优生长方向的夹角，将装有棒材的定向凝固坩埚放入装置中，开启磁场和定向凝固 装置，结束后获得产品，其方法简单，便与操作。
【附图说明】
[0010]图1是本发明实施例一定向凝固装置的结构示意图。
[0011] 图2是在本发明各实施例和在对比例中制备的金属晶体织构对比图。
[0012] 图3是本发明实施例一制备的金属晶体形成原理示意图。
【具体实施方式】
[0013] 本发明的优选实施例详述如下： 实施例一： 在本实施例中，参见图1~图3, 一种定向凝固装置，由水冷夹套1、加热炉2、冷却池6、 拉杆7和定向凝固坩埚8组成，定向凝固坩埚8采用刚玉管，刚玉具有优良的耐火度和耐热 冲击性能，内部放置有金属棒材的定向凝固坩埚8设置在加热炉2内，加热炉2的外侧安装 有水冷夹套1，设有控温装置来控制加热炉2的温度，拉杆7与定向凝固坩埚8连接，冷却池 6位于加热炉2下方，在水冷夹套1的外侧还设有磁体4,磁体4采用超导强磁体，磁体4生 成的稳恒磁场的磁场方向可调，使装入定向凝固谢埚8内的合金棒液相部分3和合金棒固 相部分5之间的固液界面始终处于稳恒磁场区域，在合金棒液相部分3定向凝固过程中，根 据金属棒材的晶体取向特征，当金属晶体的易生长方向和易磁化方向不是同一方向时，通 过调节磁场方向，使所施加的磁场方向与金属定向凝固方向的夹角等于晶体易磁化轴与晶 体易生长方向的夹角，或使所施加的磁场方向与金属定向凝固方向的夹角等于晶体难磁化 轴与晶体易生长方向的夹角，金属凝固后得到的合金棒固相部分5即为具有多晶向织构的 金属晶体棒材。
[0014] 在本实施例中，参见图1~图3,以控制Al-12wt%Ni合金中初生相Al3Ni晶体取向 为例进行实施。
[0015] 在本实施例中，应用本实施例定向凝固装置在稳恒磁场下定向凝固控制晶体取向 的方法，具体实施步骤如下： a. 按照合金比例88:12称量打磨掉氧化层的纯度为99. 99%的Al粒和Ni块，在真空 炉中熔化金属并电磁搅拌1小时，使原材料充分混合后，用内径为3mm的石英管进行真空负 压吸铸，得到成分均勾的Al-12wt%Ni合金棒试样，合金棒试样的直径2. 9_，长度150_，并 将其封装在刚玉管中备用，刚玉管的内径3mm，长度200mm ; b. 将垂直定向凝固装置放入能产生水平磁场的电磁体内，将刚玉管连接于定向凝固 装置的拉杆上，使其能在加热炉中抽拉作垂直移动；开启电磁体使其产生〇. 5 T横向磁场， 加热到900°C使合金熔化并保温0. 5小时，然后开启抽拉系统以设定的拉速10 μm/s进行 定向抽拉，在抽拉过程中保证固液界面处于稳恒磁场区域；抽拉结束后，获得棒状铝镍过共 晶合金材料； c. 将所得的材料切开，得到观察组织的纵截面样品，镶嵌样品后进行研磨、抛光，通过 背散射电子衍射技术（EBSD)研宄Al3Ni晶体的取向特征。
[0016] 在本实施例