一种金属材料定向凝固方法技术

本发明专利技术涉及定向凝固技术领域，尤其涉及一种金属材料定向凝固方法，其包括：S1、制备金属材料并放入坩埚；S2、将坩埚放置于容器的密封腔室内，在给密封腔室抽真空后向密封腔室内充入保护性气体；S3、采用加热器给坩埚进行加热，以使坩埚内的金属材料熔化；S4、抽拉装置通过结晶杆将坩埚以预定速度范围拉入结晶器的中空通道内，以使金属材料进行定向凝固；S5、完成定向凝固后，通过结晶杆将坩埚推至伸出加热器，打开容器取出坩埚并进行脱模得到定向凝固铸锭。本发明专利技术工艺相对简单，将熔炼、液态金属/水双重冷却以及抽拉装置巧妙结合，从而能够获得性能更加优异的大块定向凝固铸锭。

A method of directional solidification of metal materials

【技术实现步骤摘要】
一种金属材料定向凝固方法
本专利技术涉及定向凝固
，尤其涉及一种金属材料定向凝固方法。
技术介绍
定向凝固技术在工业和高
具有非常重要和广泛的应用，它被用来生产磁性材料、航空和地面燃机涡轮叶片、自生复合材料以及各种功能晶体。单晶高温合金是目前制造先进航空发动机和燃气轮机叶片的主要材料，但与定向凝固高温合金比，制造工艺难度大，铸造成品率低，热处理工艺复杂，从而使制造成本加大，且难以制造出结构复杂的大型叶片。因此，定向凝固高温合金在结构复杂的大型叶片以及地面和海上使用的超大型高效率燃气轮机制造方面具有广阔发展前景。典型的定向凝固原理为由隔热层将装置的上部加热区和下部冷却区隔开而形成沿铸件轴向的一维温度梯度，铸件在上部被熔化和过热，下部进行强制冷却，凝固界面位于隔热挡板附近，通过向下抽拉获得单向排列的凝固组织。比如现有的一种制备超磁致伸缩材料的定向凝固方法，先在电弧炉中熔炼合金，再将合金浇注进入水冷结晶器，结晶器中水冷底座和其顶端的籽晶向下移动，使晶粒沿着籽晶生长完成定向凝固。另一种中频感应定向凝固铸锭方法，精炼后的钢水由钢包运至铸锭台浇注，钢水进入结晶器后通过结晶器外的中频感应线圈进行电磁搅拌，再开动水冷底盘拉引装置将钢水进行定向凝固。以上公开技术表明，现有定向凝固方法存在：1、熔炼、凝固分开进行导致元素烧损、工艺周期长；2、冷却只依赖循环水冷，冷却效果有限；3、在浇注过程、转移熔融金属以及定向凝固过程中合金容易氧化等问题，因此亟需设计新的高温合金定向凝固方法。
技术实现思路
r>(一)要解决的技术问题本专利技术的主要目的是提供一种金属材料定向凝固方法，旨在解决现有技术存在的无法进行原位熔化加定向凝固、冷却效果有限且容易氧化等问题。(二)技术方案为了达到上述目的，本专利技术的金属材料定向凝固方法包括：S1、制备金属材料并放入坩埚；S2、将坩埚放置于容器的密封腔室内，在给密封腔室抽真空后向密封腔室内充入保护性气体；S3、采用加热器给坩埚进行加热，以使坩埚内的金属材料熔化；S4、抽拉装置通过结晶杆将坩埚以预定速度范围拉入结晶器的中空通道内，以使金属材料进行定向凝固，其中，所述结晶器包括形成有中空通道的液态金属环层和包裹于所述液态金属环层外的水冷环层，所述结晶杆的内部通有循环冷却水；S5、在完成定向凝固后，通过结晶杆将坩埚推至伸出加热器，打开容器取出坩埚并进行脱模得到定向凝固铸锭。优选地，步骤S2中，通过真空泵对密封腔室抽真空至1×10-6Pa～1×10-4Pa，再向密封腔室内充入保护性气体至0.8×105Pa～1×105Pa，重复从抽真空到充气的过程3～5次。优选地，所述保护性气体为氦气或氩气。优选地，所述金属材料为纯金属或者金属合金。优选地，步骤S3中，打开加热器的电源，加热金属材料至熔融后保温，使金属材料熔化均匀；利用红外测温仪测量金属材料的温度。优选地，进行保温的时间为5min～30min。优选地，所述预定速度范围为1.67×10-4mm/s～62.5mm/s。优选地，所述液态金属环层内的液态金属为镓铟合金或镓铟锡合金。优选地，在步骤S5中，完成定向凝固后，关闭加热器和抽拉装置的电源，冷却25min～35min后，打开容器取出坩埚并进行脱模得到定向凝固铸锭。(三)有益效果本专利技术的有益效果是：首先，本专利技术可一次性完成较大份量的高温合金的熔炼和定向凝固过程，合金材料的熔炼及凝固过程均在同一坩埚中进行，熔化充分且无需浇注，省去了单纯铸棒的工序，简化了定向凝固高温合金材料的生产工艺，提高了工作效率。其次，加热器可使处于坩埚内的熔炼金属保持较高温度，而结晶器内有液态金属和水冷的双重冷却作用，并且结晶杆内部也通有冷却水，以提高强制冷却效果，从而可得到更大的温度梯度，在较大的生长速度范围内可使界面前沿的温度梯度保持稳定，使结晶在相对稳态下进行。凝固后的样品方向性好，且各处的相组成和晶粒大小一致。然后，通过抽拉装置可在1.67×10-4mm/s～62.5mm/s范围内精确且方便地控制定向凝固的抽拉速率，可实现从慢速到快速的不同抽拉速率下的定向凝固，从而能够得到具有不同组织及性能特征的高温定向凝固铸锭。还有，整个过程均在惰性氛围保护下进行，一次性完成抽真空、充气、熔炼和凝固过程。并且，在容器内形成密封腔室，可有效阻隔环境空气，避免样品的氧化，提高了材料利用率，提高了生产效率。最后，通过水冷机对容器、加热器、水冷环层和结晶杆进行水冷，能够使对应部件快速达到预定冷却温度，有利于在进行完熔炼工艺后快速转换进入定向凝固工艺。综上，本专利技术工艺相对简单，将熔炼、液态金属/水双重冷却、抽拉装置、真空泵以及实验气氛源巧妙结合，可实现大体积高温合金的原位定向凝固，从而能够获得性能更加优异的大块定向凝固铸锭，以满足更多研究和应用需求。附图说明图1为本专利技术的金属材料定向凝固方法的流程示意图；图2为本专利技术的金属材料定向凝固装置的结构示意图；图3为图2中抽拉装置的主视图；图4为图2中抽拉装置的左视图；图5为本专利技术的选择2mm导程滚珠丝杠时不同减速比下电机转速与抽拉速度的关系图；图6为本专利技术的选择25mm导程滚珠丝杠时不同减速比下电机转速与抽拉速度的关系图。【附图标记说明】1：容器；2：加热器；3：坩埚；4：结晶杆；5：结晶器；6：抽拉装置；7：红外测温仪；8：水冷机；9：加料机构；10：实验气氛源；11：真空泵；12：滚珠丝杠；13：导杆；14：升降板；15：上支撑板；16：下支撑板；17：减速器；18：伺服电机。具体实施方式为了更好的解释本专利技术，以便于理解，下面结合附图，通过具体实施方式，对本专利技术作详细描述。需要说明，本专利技术实施例中所有方向性指示(诸如上、下、左、右、前、后……)仅用于解释在某一特定姿态(如附图所示)下各部件之间的相对位置关系、运动情况等，如果该特定姿态发生改变时，则该方向性指示也相应地随之改变。另外，在本专利技术中如涉及“第一”、“第二”等的描述仅用于描述目的，而不能理解为指示或暗示其相对重要性或者隐含指明所指示的技术特征的数量。由此，限定有“第一”、“第二”的特征可以明示或者隐含地包括至少一个该特征。在本专利技术的描述中，“多个”的含义是至少两个，例如两个，三个等，除非另有明确具体的限定。在本专利技术中，除非另有明确的规定和限定，术语“连接”、“固定”等应做广义理解，例如，“固定”可以是固定连接，也可以是可拆卸连接，或成一体；可以是机械连接，也可以是电连接；可以是直接相连，也可以通过中间媒介间接相连，可以是两个元件内部的连通或两个元件的相互作用关系，除非另有明确的限定。对于本领域的普通技术人员而言，可以根据具体情况理解上述术语在本专利技术中的具体含义。如图1所示，本专利技术提供一种金属材料定向凝固方法，其包括：S1、制备金属材料并本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种金属材料定向凝固方法，其特征在于，其包括：/nS1、制备金属材料并放入坩埚；/nS2、将坩埚放置于容器的密封腔室内，在给密封腔室抽真空后向密封腔室内充入保护性气体；/nS3、采用加热器给坩埚进行加热，以使坩埚内的金属材料熔化；/nS4、抽拉装置通过结晶杆将坩埚以预定速度范围拉入结晶器的中空通道内，以使金属材料进行定向凝固，其中，所述结晶器包括形成有中空通道的液态金属环层和包裹于所述液态金属环层外的水冷环层，所述结晶杆的内部通有循环冷却水；/nS5、在完成定向凝固后，通过结晶杆将坩埚推至伸出加热器，打开容器取出坩埚并进行脱模得到定向凝固铸锭。/n

【技术特征摘要】
1.一种金属材料定向凝固方法，其特征在于，其包括：
S1、制备金属材料并放入坩埚；
S2、将坩埚放置于容器的密封腔室内，在给密封腔室抽真空后向密封腔室内充入保护性气体；
S3、采用加热器给坩埚进行加热，以使坩埚内的金属材料熔化；
S4、抽拉装置通过结晶杆将坩埚以预定速度范围拉入结晶器的中空通道内，以使金属材料进行定向凝固，其中，所述结晶器包括形成有中空通道的液态金属环层和包裹于所述液态金属环层外的水冷环层，所述结晶杆的内部通有循环冷却水；
S5、在完成定向凝固后，通过结晶杆将坩埚推至伸出加热器，打开容器取出坩埚并进行脱模得到定向凝固铸锭。


2.如权利要求1所述的金属材料定向凝固方法，其特征在于：步骤S2中，通过真空泵对密封腔室抽真空至1×10-6Pa～1×10-4Pa，再向密封腔室内充入保护性气体至0.8×105Pa～1×105Pa，重复从抽真空到充气的过程3～5次。


3.如权利要求1所述的金属材料定向凝固方法，其特征在于：所述保护性气体为氦气或氩气。

【专利技术属性】
技术研发人员：阮莹，李星吾，魏炳波，
申请(专利权)人：西北工业大学，
类型：发明
国别省市：陕西;61