专利名称：强静磁场诱导定向凝固合金柱状晶向等轴晶转变的方法
技术领域：
本发明涉及一种在强静磁场下诱导合金定向凝固组织由柱状晶向等轴晶转变的方法，提供了一种和现有通过机械振荡、电磁振荡法不同的诱导定向凝固组织形貌由柱状晶向等轴晶转变的新エ艺，属于合金组织控制研究技术领域。
背景技术：
枝晶是材料制备成形过程中最为常见的ー种组织花样，其尺寸及形态对材料的最终性能具有非常重要的影响。在通常情况下，人们一般希望枝晶能够以等轴晶方式生长，因为由等轴晶生长所得到的多晶材料，具有性能的非各向异性，在受カ变形时，由于存在多晶粒变形的相互协调作用，且内部大量的晶界一方面可以提高变形抗力，同时又可以阻断裂纹的发展，因此通常具有较高的強度和塑性。由此可见，材料凝固过程中对柱状晶和等轴晶生长的控制对材料的最終使用性能具有非常重要的影响。为了获得细化的等轴晶组织，研究者们进行了大量的探索和研究。根据控制熔体手段的作用方式不同，可以将这些手段分为热力学控制方式、化学控制方式以及动力学控制方式。热力学控制方式的原理基于凝固的结晶学理论，约翰逊-梅尔方程可导出，在t时间内形成的晶核数P(t)与形核率#及长大速率り之间的关系
P(i) = k(^-)m
' .1V
由上式可知,形核率#越大，晶粒越细小。同一种材料的#和t都取决于过冷度,增大过冷度，#迅速増大，且比Vg更快，因此，在一般凝固条件下，增加过冷度可使凝固后的晶粒细化。化学控制方式是通过在熔体中加入孕育剂，实际的凝固都为非均匀形核，为提高形核率，可在熔液凝固以前加入能作为非均匀形核基底的人工形核剂。与前两种方法相比，利用动力学作用细化晶粒，促进促进柱状晶向等轴晶转变在于偏析较小、不引入杂质元素。常用的包括两大类1.机械振动2.物理场。机械振动包括机械搅拌、振动、摆动等；物理场包括交变电场、超声波、行波磁场、旋转磁场以及电磁复合场。外场的作用通常可以导致柱状晶断裂，游离与熔体中，发生柱状晶向等轴晶的转变，并时晶粒发生细化。这些方法可以有效促进熔体流动，使得熔体内温度场均匀化，
但是，上述外场仍存在很多缺陷。机械振荡方法需要通过振荡器与熔体接触才能将振荡カ传至熔体，造成金属液的污染，同时，振荡的细化效果主要集中于振荡器附近，得到的组织不均匀。超声振荡的缺陷在于声波在高温熔体中耗散严重，细化区域有限。脉冲电流(磁场)可在短时间内产生剧烈振荡，但是电流过大则易造成熔体飞溅，电流太小，会使新形成的晶粒在高温熔体中重熔，弱化细化效果。为此，上海大学强磁场课题组，通过在结晶器内金属熔体上部插入ー对电极，并通入交流电，结晶器外侧施加强静磁场，利用自冷电极诱发电极附近熔体迅速形核，同时结合电磁振荡促使晶核弹射到金属熔体中，形成其后金属凝固的核心主体，获得细晶组织材料。但是这种方法，设备复杂，在エ业生产中难以实施；电极与熔体接触，仍然会污染金属液；同时电极处需要通入高频电流，需要消耗大量能源，故エ业推广也存在障碍
发明内容
针对现有技术存在的不足，本发明的目的是提供一种在强静磁场下诱导合金定向凝固组织发生柱状晶向等轴晶转变的方法。本发明ー种强静磁场诱导定向凝固组织发生柱状晶向等轴晶转变的方法，其特征在于将定向凝固中固液界面置于强静磁场中心位置，通过热电磁效应在枝晶尺寸下发挥的作用，将枝晶打断，在界面前沿增大形核率，最终导致柱状晶向等轴晶转变，使得晶粒得到细化。该方法不需要复杂的设备，只需要施加强静磁场，因而エ业推广性强；通过磁场产生的热电磁力导致枝晶的断裂，真正做到了无污染，可用于制备高纯度的细晶组织。总的来说，该方法操作简单、易于实现，为促进柱状晶向等轴晶转变，从而获得性能优异的等轴晶组织提供了ー种新思路。本发明方法的特点和原理如下所述
本发明ー种强静磁场诱导定向凝固组织发生柱状晶向等轴晶转变的方法所用的定向凝固装置，它为传统常规的装置，包括有水冷夹套、加热炉、合金棒、超导强磁体、合金棒已凝固部分、淬火池以及拉杆；其特征在于定向凝固装置至于超导强磁体中；在超导强磁体和加热炉中间设置一水冷夹套；试样的固液界面处于强磁体的稳恒磁场区域。本发明原理是基于强静磁场的热电磁力效应。热电磁力效应来源于磁场和枝晶上的热电流的相互作用，热电流产生的原理是Seebeck效应，当两个Seebeck系数(η7)不同的金属上下两端分别连接在一起，且两结点之间具有温度梯度AT，回路中就会形成热电流，产生ー个热电势在合金定向凝固过程中施加轴向的强静磁场，在一定温度梯度作用下，发现定向凝固组织发生了由柱状晶向等轴晶转变的现象。和现有诱导柱状晶向等轴晶转变的エ艺相比，本方法通过在定向凝固过程中施加静磁场，在界面前沿的枝晶尖端由于热电磁效应产生电势差AV，如图2所示。连接金属两端的热电势大小如式(I)所示，两种材料的Seebeck系数差越大，温差越大，回路中产生的热电势和热电流就越大。Δν= ( ns-η7)δτ...........................................................................(I)
当合金在定向凝固过程中以枝晶方式生长时，沿枝晶生长方向，在固液界面会存在较
大的温度梯度，并且枝晶固相和枝晶间的液相成分不同导致其Seebeck系数不同，因此会形成热偶，产生热电流，引起热电磁力，由于在较强磁场下磁场抑制液相流体的流动，只能使得固相枝晶受力。定向凝固过程中，只要热电磁力足够大，枝晶上的热电磁力就可以使枝晶臂发生断裂，破碎的枝晶臂又成为等轴晶粒的异质核心，这些等轴晶粒在磁场的作用下，依然会受到カ的作用。这些等轴晶粒经融合、生长进而形成如图所示的等轴晶组织。对于实验中的ニ元合金的枝晶这种热电磁力效应显著，对于航空エ业中运用的高温合金，由于添加合金元素种类多，数量大，一般会有10多种合金元素，添加量甚至达到30_40wt%，所以高温合金固相枝晶和周围液相成分相差更大，其Seebeck系数差别会更大，固相枝晶受カ更明显，在较大温度梯度和磁场强度作用下，更易发挥这种效应。合理利用在固液界面前段异质形核，进而使得枝晶形貌由柱状晶向等轴晶转变的效应，可以为优化合金综合性能提供一种新的思路。
其特征在于具有以下的过程和步骤
a.采用典型的传统常规的Bridgman方法定向凝固装置，将Al_Cu、或Pb_Sn、或Al-Si等不同体系的合金棒试样，封装定向凝固装置中的刚玉坩埚内，并将其装在拉杆上，使其能在装置内的加热炉中抽拉作垂直移动；
b.定向凝固装置放入超导强静磁场发生体内，超导磁体产生的磁场强度要求在10-14T，使得定向凝固的固液界面处于磁场的稳恒区域；
c.加热炉对合金试样棒进行加热，淬火池中的冷却介质为液态Ga-In-Sn合金,在过程中超导强磁体的磁场强度均保持稳定，加热炉也固定；凝固界面前沿的温度梯度随加热炉温度变化而变化；一般情况下固液界面温度梯度在40K/cm以上，抽拉速率变化范围为120ym/s以下(不同合金的抽拉速度不同)；在抽拉过程中保证固液界面处于稳恒磁场区，将试样抽拉一定长度至稳定生长区域时，迅速拉入淬火池中进行淬火。d.通过观察定向凝固后合金晶粒的形貌，来说明定向凝固组织发生了柱状晶向等轴晶转变，并由此来评价合金该转变的情況。
图I为本发明方法所用的强磁场下Bridgman法定向凝固装置的简单结构示意图。其中I-水冷夹套、2-加热炉、3-合金棒熔体、4-超导强磁体、5-合金棒已凝固部分、6-淬火池、7_拉杆、8_刚玉i甘祸。图2为本发明方法的原理示意图，枝晶尖端由于温差热电势效应，受到热电磁力的作用，发生变形以至于断裂，成为新的形核点，并阻碍柱状晶的进一步生长，使组织发生柱状晶向等轴晶变化。图3为拉速为2(^111/8和温度梯度为521(/011时？13-80被％ Sn过共晶合金在(a)0T, (b) 12T磁场强度下纵截面的微观组织。图4为拉速为10 μ m/s和温度梯度为62. 8K/cm时A1-4. 5wt% Cu亚共晶合金在
(a)0T, (b) IOT磁场强度下纵截面的微观组织。图5为拉速为120 μ m/s和温度梯度为40K/cm时Al_7wt% Si亚共晶合金在(a)0T, (b) 12T磁场强度下纵截面的微观组织。
具体实施例方式现将本发明的具体实施例叙述于后。实施例一
(1)选用合金成分为Pb-80wt%Sn的铅锡过共晶合金，Pb和Sn的纯度均为99. 99%，经真空感应熔炼后通过负压吸铸的方法得到直径为3_、长度为20cm的合金棒，将其封装在刚玉管内；
(2)利用典型的Bridgman方法的定向凝固装置(见图I),将上述刚玉管固定在拉杆 上，并升至加热炉内；采用超导强磁体产生的纵向强静磁场，使试样的固液界面处于稳恒磁场区域，控制磁场强度为12T (特斯拉)；
(3)接通电源打开加热炉，对合金棒进行加热，加热炉中心温度为600°C，并保温30min,经过测量得知液固界面前方的温度梯度为52K/cm ;合金棒试样以20 μ m/s的抽拉速度向下移动，当试样定向凝固生长长度达80mm时,迅速拉入Ga-In-Sn冷却介质中进行淬火；最終得到定向凝固条件下的等轴晶合金组织。实施例ニ 本实施例中的过程和步骤与上述实施例I完全相同，不同的是合金为Al-4. 5wt% Cu亚共晶合金；加热炉的中心温度为900°C ;拉杆的抽拉速度为10 μ m/s ;炉内样品固液界面前沿的温度梯度为62. 8K/cm ;超导磁铁产生的磁场强度为10T。实施例三本实施例中的过程和步骤与上述实施例2完全相同，不同的是合金体系为Al-7wt% Si亚共晶合金；加热炉中心温度为900°C，样品固液界面前沿温度梯度通过测量为40K/cm ;拉杆的抽拉速度为120 μ m/s。合金棒样品凝固组织枝晶的显微组织观察
将定向凝固所得的试样沿轴向对称截开，并取在固液界面附近的样品；将其研磨抛光，然后进行腐蚀，Pb-Sn合金试样所使用的腐蚀剂为草酸和双氧水混合溶液，体积比为3:1 ;Al-Cu和Al-Si合金试样所用的腐蚀剂为H2O :HF混合溶液，两者的体积比为水HF=1000:5。为了作对比比较，上述实施例1、2、3的试样在检测过程中，还相应地采用了为施加磁场强度(OT)的样品进行检测对比。实施例I、2、3试样的微观显微组织结果參见图3、图4及图5。从图中对比可知，本发明实施例中所得的施加磁场后试样纵截面的微观组织为断 裂的等轴晶，与无磁场条件下连续生长的枝晶组织相比，发生了明显的柱状晶向等轴晶的转变。
权利要求
1.一种强静磁场诱导定向凝固合金柱状晶向等轴晶转变的方法，其特征在于具有以下的过程和步骤 a.采用典型的传统常规Bridgman方法定向凝固装置,将Al-Cu、或Pb-Sn、或Al-Si等不同体系的合金棒试样，封装定向凝固装置中的刚玉坩埚内，并将其装在拉杆上，使其能在装置内的加热炉中抽拉作垂直移动； b.定向凝固装置放入超导强静磁场发生体内，超导磁体产生的静磁场强度可以在10-14T，使得定向凝固的固液界面处于磁场的稳恒区域； c.加热炉对合金试样棒进行加热，淬火池中的冷却介质为液态Ga-In-Sn合金,在实施过程中超导强磁体的磁场强度要保持稳定，加热炉也固定，凝固界面前沿的温度梯度随加热炉温度变化而变化；A1-Cu合金的加热炉中心炉温为900°C，温度梯度为45K/cm，抽拉速率小于IOii m/s ;Pb-Sn合金的加热炉中心炉温为600°C，温度梯度为52K/cm，抽拉速率小于50iim/s; Al-Si合金的加热炉中心炉温为900°C，温度梯度为40K/cm，抽拉速率小于150 u m/s ;在抽拉过程中保证固液界面处于稳恒磁场区；将试样抽拉一定长度至稳定生长区域时，迅速拉入淬火池中进行淬火。
2.一种强静磁场诱导定向凝固组织发生柱状晶向等轴晶转变的方法所用的传统常规的定向凝固装置，包括有水冷夹套(I)、加热炉(2)、合金棒熔体(3)、超导强磁体(4)、合金棒已凝固部分(5)、淬火池(6)、拉杆(7)以及刚玉坩埚(8);其特征在于定向凝固装置至于超导强磁体(4)中；在超导强磁体(4)和加热炉(2)中间设置一水冷夹套(I);合金棒熔体(3)与合金棒已凝固部分(5)结合处放置于强磁体(4)的稳恒磁场区域。
全文摘要
本发明涉及一种强静磁场诱导定向凝固合金柱状晶向等轴晶转变的方法，属物理场控制合金金相组织的技术领域。本发明利用强静磁场和定向凝固过程中在固液界面产生的温度梯度相互作用产生的热电磁力效应，控制合金枝晶的生长形貌。本发明的工艺方法的要点是利用10~14T(特斯拉)的强静磁场，采用典型Bridgman定向凝固装置，设计使熔体的固液界面处于强静磁场的中心位置，整个凝固过程中在强静磁场下完成，采用细长的合金棒，样品液固界面的温度梯度随炉温和合金种类改变而改变。合金棒向下抽拉速率为10~120μm/s下进行定向凝固，在生长到稳定阶段后，迅速拉入冷却介质中进行淬火，最终得到定向凝固条件下特殊的等轴晶合金组织。
文档编号C30B28/06GK102703986SQ20121020571
公开日2012年10月3日 申请日期2012年6月21日 优先权日2012年6月21日
发明者于清晨, 侯龙, 卢振远, 李喜, 杜大帆 申请人:上海大学