一种快速定向凝固设备及快速定向凝固方法技术

本发明专利技术提供一种快速定向凝固设备及快速定向凝固方法。快速定向凝固设备包括真空室，电子束发射装置，第一抽拉系统，第一冷却系统，第二抽拉系统和第二冷却系统，其中第一抽拉系统包括中空并且能够升降和自转的第一抽拉杆和设置在第一抽拉杆内部的冷却管；第一冷却系统包括内腔和外腔，内腔围设在第一抽拉杆外部，外腔围设在内腔外部；第二抽拉系统包括能够升降和自转的第二抽拉杆；第二冷却系统设置在第一冷却系统上方并与第一冷却系统之间形成间隙，电子束发射装置发射的电子束能够从所述间隙穿过。该快速定向凝固设备可以实现高达5×105K/s的冷却速度，利用该快速定向凝固设备可制备具有快速定向凝固组织的单晶和取向多晶材料。

【技术实现步骤摘要】

本专利技术涉及一种定向凝固设备，具体涉及。
技术介绍
凝固是自然界物质从液态变为固态最普遍的现象，也是材料、特别是金属材料制备的基本过程，凝固科学和凝固技术的进步推动着人类材料科学向前发展。传统的凝固理论和技术的研究主要是围绕普通铸件和铸锭的铸造过程进行的，随着现代凝固理论的提出，凝固科学获得了重要进展:如连续铸造技术的产生、定向凝固与单晶生长技术的完善、快速凝固技术的出现与应用等等。纵观凝固科学的发展不难发现，所谓现代凝固理论，就是研究“人对于材料凝固行为的过程控制”和“非平衡凝固过程与非平衡效应”。多年来，关于现代凝固理论，研究人员做出大量的工作，取得许多卓有成效的研究成果，主要包括:1.在控制凝固过程方面，研究人员提出了定向凝固的理论模型，即在平衡凝固过程中采用强制手段，在凝固金属和熔融金属中建立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，最终得到具有特定取向的柱状晶、单晶材料。定向凝固是一种重要的材料制备技术，被广泛应用于获得具有特殊取向组织和优异性能的新型材料中。2.在非平衡凝固过程与非平衡效应方面，研究人员提出了多种理论模型来预测材料在远离平衡状态时的多种凝固行为，这一领域成为近年来凝固科学的学术热点。随着凝固冷却速率和过冷度的加大，凝固过程偏离平衡的程度加剧。合金熔体粘度、扩散系数、固液界面溶质分配系数等物理参数以及形核、长大、界面形态演化过程等均偏离平衡，进而影响相选择、组织选择、结构选择，导致组织细化、形成微晶、纳米晶、亚稳相、准晶、非晶等等。伴随非平衡凝固理论的发展，研究人员开发了各种各样的非平衡凝固技术并制备出许多新型材料。所谓非平衡材料，即材料组织在使用条件下远离热力学平衡状态;从热力学角度看就是偏离热力学平衡点，处于一种不稳定的状态;这类材料普遍具有平衡材料所没有的亚稳组织和许多优异性能。非平衡凝固技术主要有两大类:一是动力学快冷，通过急冷抑制形核，代表工艺有气体雾化法、合金液流注入冷却液法、单辊旋粹法等，由于受传热的限制，此类方法无法在大体积液态金属中获得快速凝固组织，只能制备粉状、细丝和条带等低维材料。二是热力学快冷，通过提高过冷度抑制形核，代表工艺有液滴分散法、循环过热法、玻璃熔体法等，由于过冷度提升有限、固液界面推进速度慢，此类方法制备的材料快速凝固组织不均匀，性能不佳。为了同时解决平衡条件下定向凝固工艺不能制备具有快速凝固组织的高性能亚稳相材料和非平衡条件下快速凝固工艺不能制备具有特定取向的高性能块体材料二者之间的矛盾，专利技术人提出了快速定向凝固的概念，即在快速凝固的非平衡凝固条件下实现材料的定向生长，以期制备出具有快速凝固组织和特定取向的块体材料。中国专利CN102051668 A公开了一种温度梯度为10?/cm的定向凝固装置及定向凝固方法，该专利使用激光作为加热源、镓铟锡合金作为冷却介质，实现了材料在200-1400W功率、l-300ym/s生长速度下区熔定向凝固。该装置及方法能达到105K/cm的温度梯度，但生长速率较低(最高仅为0.3mm/s)，导致该装置及方法不同于专利技术人提出的装置和快速定向凝固方法。西北工业大学凝固技术国家重点实验室的张军、崔春娟等人利用电子束悬浮区熔定向凝固制备了Si/TaSi2共晶自生复合场发射材料，该电子束悬浮区熔定向凝固设备由德国Leybold-Heraeus公司生产，工作电流为0-500mA，工作电压为0-20kV，主要用于加工直径为2-1 Omm，长度不大于200mm的金属棒，所能实现的温度梯度仅为350-500K/cm，抽拉速度(生长速度)最高为0.38mm/s，并且熔区长度达8-10mm，整个定向凝固过程是在较低的温度梯度和较低的生长速度下进行的近平衡定向凝固，因此该装置和方法也完全不同于专利技术人提出的远平衡快速定向凝固装置和快速定向凝固方法。
技术实现思路
本专利技术提供，用于解决现有定向凝固技术所不能实现的超高温度梯度和快速生长以及快速凝固所不能实现的快速定向生长的问题，所获得的材料是具有快速定向凝固组织的单晶和取向多晶材料。本专利技术提供一种快速定向凝固设备，包括真空室，电子束发射装置，第一抽拉系统，第一冷却系统，第二抽拉系统和第二冷却系统，在所述真空室的底部和顶部相对开设有底部通孔和顶部通孔，在所述真空室的中部侧壁上开设有电子束窗口；所述电子束发射装置设置在所述真空室的外部，并且所述电子束发射装置发射的电子束能够通过所述电子束窗口进入所述真空室；所述第一抽拉系统包括第一抽拉杆和冷却管，所述第一抽拉杆中空并且通过所述底部通孔竖直插设至所述真空室中，所述第一抽拉杆由电机驱动并且能够作升降和自转运动，所述冷却管设置在所述第一抽拉杆内部；所述第一冷却系统位于所述真空室内部，其包括内腔和外腔，所述内腔围设在所述第一抽拉杆外部，所述外腔围设在所述内腔外部；所述第二抽拉系统包括第二抽拉杆，所述第二抽拉杆通过所述顶部通孔竖直插设至所述真空室中，所述第二抽拉杆由电机驱动并且能够作升降和与所述第一抽拉杆自转运动方向相同或相反的自转运动；所述第二冷却系统设置在所述第一冷却系统上方并与所述第一冷却系统之间形成间隙，所述第二冷却系统具有与所述第一抽拉杆同轴设置的通孔并且能够对位于所述通孔内的材料进行冷却，所述电子束发射装置发射的电子束能够从所述间隙穿过。本专利技术的快速定向凝固设备通过设置电子束发射装置，从而以电子束作为加热源进行定向凝固，电子束能量密度大、加热效率高，利用经多级磁透镜聚焦的电子束轰击金属材料表面，能够瞬间将动能传递给金属材料，该动能转化为内能使金属迅速熔化；同时，高速入射的电子在使金属材料表面的一部分材料迅速熔化后，利用反作用力将熔化的金属液体向四周排开，从而露出新的材料表面，电子束继续作用于新的材料表面，从而有利于形成窄而深的熔区，熔区宽度可小于1mm，加热效率达到95%以上。并且，为了适应能量密度较大的电子束加热源，本专利技术的快速定向凝固设备设置第一冷却系统和第二冷却系统，并且在第一抽拉系统的第一抽拉杆中设置冷却管，在进行定向凝固时，向第一冷却系统的内腔填装液态金属，向外腔填装冷却液，并且利用冷却管喷射高压冷却液；同时，第二冷却系统对材料同步进行冷却，提高定向凝固设备的冷却效果，将熔区控制在第一冷却系统和第二冷却系统的间隙处，使高速抽拉过程中依然可以保持较高且稳定的温度梯度。此外，本专利技术的快速定向凝固设备设置能够分别升降和自转的第一抽拉系统和第二抽拉系统，其分别用于分别夹持籽晶和待定向凝固的材料(例如母合金棒)，第一抽拉系统和第二抽拉系统独立设置，从而使待定向凝固的材料和籽晶分离，便于利用籽晶快速生长出单晶和取向多晶材料；自转可以使定向凝固过程中溶质分配更均匀，材料微观偏析减小，品质更尚。在本专利技术中，所述电子束发射装置的电压可以为80kV，功率可以为10kW，扫描频率可以为O-lOOOOHz;此外，可以通过机械栗使电子束发射装置达到预定的工作真空度(例如3X 10—2Pa)。在一实施方式中，所述电子束发射装置为高压皮尔斯电子枪。进一步地，所述电子束发射装置发射的电子束与水平面之间的夹角可以为-5°-5°;其中，将电子束沿水平面顺时针旋转设为，即:“_5°”表示电子束的入射方向为沿水平面顺时针旋转5°的方向本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种快速定向凝固设备，其特征在于，包括真空室，电子束发射装置，第一抽拉系统，第一冷却系统，第二抽拉系统和第二冷却系统，在所述真空室的底部和顶部相对开设有底部通孔和顶部通孔，在所述真空室的中部侧壁上开设有电子束窗口；所述电子束发射装置设置在所述真空室的外部，并且所述电子束发射装置发射的电子束能够通过所述电子束窗口进入所述真空室；所述第一抽拉系统包括第一抽拉杆和冷却管，所述第一抽拉杆中空并且通过所述底部通孔竖直插设至所述真空室中，所述第一抽拉杆由电机驱动并且能够作升降和自转运动，所述冷却管设置在所述第一抽拉杆内部；所述第一冷却系统位于所述真空室内部，其包括内腔和外腔，所述内腔围设在所述第一抽拉杆外部，所述外腔围设在所述内腔外部；所述第二抽拉系统包括第二抽拉杆，所述第二抽拉杆通过所述顶部通孔竖直插设至所述真空室中，所述第二抽拉杆由电机驱动并且能够作升降和与所述第一抽拉杆自转运动方向相同或相反的自转运动；所述第二冷却系统设置在所述第一冷却系统上方并与所述第一冷却系统之间形成间隙，所述第二冷却系统具有与所述第一抽拉杆同轴设置的通孔并且能够对位于所述通孔内的材料进行冷却，所述电子束发射装置发射的电子束能够从所述间隙穿过。...

【技术特征摘要】

【专利技术属性】
技术研发人员：蒋成保，孟崇峥，王敬民，张天丽，刘敬华，徐惠彬，
申请(专利权)人：北京航空航天大学，
类型：发明
国别省市：北京;11