专利名称：一种控制定向凝固平直液固界面的装置的制作方法
技术领域：
本实用新型涉及一种控制定向凝固平直界面的装置，用于晶体生长方式的控制， 属于材料制备领域。
背景技术：
定向凝固是材料制备和晶体生长的一种重要手段，在结构材料中最为重要的应用 之一是获得高温合金柱状晶和单晶件。单晶高温合金已成为近年来先进航空和燃气发动机 重要零部件的使用首选和发展趋势，因其具有优异的抗蠕变、抗热冲击性、抗疲劳性等力学 性能。但是单晶高温合金在定向凝固中常存在杂晶、游离晶、雀斑、枝晶间缩松、枝晶干偏离 铸件几何中心程度大等缺陷，使得铸件性能和产品合格率大为下降，尤其在国内单晶合格 率的生产长期保持在10 50%左右。研究表明，固液界面的形态与最终的凝固组织和内部缺陷有密切的联系。当为凸 界面时，铸件吸收侧向热流，定向组织向外发散，枝晶干偏离铸件几何中心程度增大，杂晶 形成几率增加；当界面呈凹状时，铸件将有侧向热流排除，组织向内收缩，不仅导致晶轴发 生偏转，而且引起枝晶间自然对流增强，雀斑形成几率增大，边缘的枝晶间缩松性增强。而 平直固液界面使合金熔体的热量能够从单一方向垂直于界面导出，减少了缺陷的形成。单晶高温合金在定向凝固中温度梯度和凝固速率处于动态的变化，使得液固界面 难以维持平直形状，而且铸件形状复杂尤其是涡轮叶片，在形状突变的部位，更加剧了凸或 凹界面的形成，也成为众多缺陷产生之处。为生产高质量的产品以满足现代工业的需求，近 年来研究者开发了液态金属冷却、电子束区熔等技术来提高定向凝固中温度梯度和冷却速 率，以消除这些缺陷。对于液固界面的平直性与缺陷之间的关系没有受到关注，因此本发明 的出发点是不改变原有温度梯度和凝固速率的情况下，在液固界面上方设置一个恰当大小 的交变磁场，对界面前方小尺度内液相的浓度和温度进行调控，以消除或尽可能减小径向 温度和浓度梯度，获得平直液固界面。
实用新型内容为了减少样件中雀斑等缺陷的形成，增加使用寿命和温度，提高生产效率，本实用 新型提供了一种控制定向凝固平直液固界面的装置。为达到上述目的，本实用新型的构思是在结晶器外围固液界面上方加一个交变磁场，交变磁场按一定的频率变化，在结 晶器内部金属液相区域一定范围内感应一个变化的电磁场，金属液受周向电磁力的作用， 当电磁力作用下产生的垂直方向阿尔文速度大于浮力驱动速度时发生搅拌，由搅拌引起的 强迫对流存在，液相区域溶质和温度进行重新分布，在一定大小和频率的磁场能够使得凝 固界面前沿径向温度与浓度分布耦合均勻，从而实现平界面生长。为达到在不影响或尽可能小的影响纵向温度梯度的条件下，消除径向的温差采取 了一下方法[0009]①通过改变交变磁场发生装置与液固界面的距离，实现对凝固前沿磁场的分布来 控制熔体的流动。②通过调节交变电流的频率，实现交变磁场在熔体中趋肤深度的控制。③通过调节交变电流的大小，实现焦耳热对熔体纵向温度梯度影响的控制。根据以上构思，本实用新型采用的技术方案如下一种控制定向凝固平直液固界面的装置，由石墨管主加热体、炉体、真空系统、可 调铜质感应线圈、石墨管辅助加热体、液态Ga-^i冷却剂、冷却缸体、氮化硼盖、刚玉坩埚、 液相试样、固液界面、隔热层、固相试样、水冷系统、抽拉系统、变频感应电源组成；石墨管主 加热体、可调铜质感应线圈、石墨管辅助加热体、氮化硼盖、刚玉坩埚、共同位于炉体中，隔 热层位于炉体之下，刚玉坩埚穿过隔热层的中孔，与抽拉系统相连；隔热层下端刚玉坩埚穿 过由液态Ga^n冷却剂组成的冷却缸体，刚玉坩埚底部与抽拉系统相连并置于冷却缸体之 中，水冷系统套在冷却缸体外面。可调感应线圈套在石墨主发热体的外面，与变频电源相 连，所述可调感应线圈形状为长方、正方或圆形，视坩埚的形状而定，线圈由方形，椭圆形或 圆形，铜线当量直径为1 5mm，高度为-10 10mm，外部绝缘。所述变频电源交变电场频率大小为2-8kHz。所述感应线圈位置可调范围为液固界面上方-10 10mm，砸数可调范围为10 20砸。所述变频电源所加交变电流大小为1. 8 18A，在液相区域可得到0. 5 IOmT的磁场。所述金属液为铜、铝、镁、镍基高温合金等金属液的任意一种。本发明装置的优点是使凝固材料液固界面保持平界面生长，减少缺陷，保持晶体 取向一致，效率较高；另外该装置结构简单，可控性强，容易操作。
图1是本实用新型控制定向凝固平直界面的装置结构示意图。图2是交变磁场发生器结构示意图。图3是感应线圈结构示意图。
具体实施方式
本实用新型的优选实施例结合附图详述如下参见图1、图2和图3，本控制定向 凝固液固平直界面的装置包括石墨管主加热体1、炉体2、真空系统3、可调铜质感应线圈4、 石墨管辅助加热体5、液态(ia-In冷却剂6、冷却缸体7、氮化硼盖8、液相试样10、固液界面 11、隔热层12、固相试样13、水冷系统14、抽拉系统15、变频感应电源16 ；试样为高温合金， 其长度为150mm，直径为12mm。石墨管主加热体1和辅助加热体5为电阻型加热器，高度分别为200mm和5mm，坩 埚的外径为14mm，刚玉坩埚9与石墨管主加热体1间隔为2mm，辅助加热体5位于主加热体 1下端，与刚玉坩埚9的间隔为1mm，可调铜质感应线圈4位于隔热层12上方5mm，石墨管主 加热体1与可调铜质感应线圈4间隔为2mm。感应线圈4所用材料为紫铜，直径为1mm，砸数根据电源匹配为15砸，总高度为30mm ；电源电流频率要能使感应电流能够穿透到金属液体中心位置引起流动，同时又不能 发热量过大，变频电源16感应电流频率为4400Hz，大小为2 4A。 组装时，石墨管主加热体1、可调铜质感应线圈4、石墨管辅助加热体5、氮化硼盖 8、刚玉坩埚9、共同位于炉体2中，隔热层12位于炉体2之下，刚玉坩埚9穿过隔热层12的 中孔，与抽拉系统15相连；隔热层12下端刚玉坩埚9穿过由液态GaHn冷却剂6组成的冷 却缸体7，刚玉坩埚9底部与抽拉系统15相连并置于冷却缸体7之中，水冷系统14套在冷 却缸体7外面；可调感应线圈4套在石墨主发热体1的外面，与变频电源16相连，感应的电 磁场使液态金属内部受磁力的作用而发生运动，运动过程使金属液径向浓度和温度由于对 流而发生重新分布，调节电流密度到恰当位置，径向温度与浓度重新耦合均勻化，液固界面 趋近于平界面，减少了偏析等缺陷，使试样在较高的拉速下也能实现平界面生长，提高了生 产效率。
权利要求1.一种控制定向凝固平直液固界面的装置，包括一个带真空系统(3)的炉体O)、一 个置于炉体O)内的主发热体(1)、一个位于炉体(2)下端的隔热层(12)、一个位于隔热层 (12)下面的冷却缸体(7)、一个在冷却缸体(7)外围的水冷系统(14)、一个安置在主发热 体(1)内的刚玉坩埚(9)穿过隔热层(12)伸入冷却缸体(7)内而下端连接一个抽拉系统 (15)、冷却缸体(7)内注满液态( - 冷却剂(6)，其特征在于所述炉体⑵内的主发热体 (1)外围套装一个产生交变磁场的可调铜质感应线圈G)、所述感应线圈由导线接通外 界变频感应电源(16)。
2.根据权利要求1所述控制定向凝固平直液固界面的装置，其特征在于所述变频感应 电源(16)交变电场频率为2-8KHz。
3.根据权利要求1所述控制定向凝固平直液固界面的装置，其特征在于所述感应线圈 ⑷位置可调范围为液固界面上方-10 10mm，砸数可调范围为10 20砸。
4.根据权利要求1所述控制定向凝固平直液固界面的装置，其特征在于所述变频感应 电源(16)所加交变电流为1. 8 18A，在液固界面区域可得到0. 5 IOmT的磁场。
专利摘要本实用新型涉及一种控制定向凝固平直液固界面的装置，本装置在炉体内的主发热体外套装一个产生交变磁场的可调铜质感应线圈，该线圈由导线接通变频感应电源。本装置产生的调制磁场精确控制熔体流动，使溶质和温度重新耦合均匀化，确保凝固材料液固界面保持平界面生长，减少缺陷，晶体取向一致，提高效率。
文档编号C30B11/00GK201890949SQ20102054087
公开日2011年7月6日 申请日期2010年9月21日 优先权日2010年9月21日
发明者任忠鸣, 任维丽, 樊亚夫, 邓康, 钟云波, 雷作胜 申请人:上海大学