CN101994150A - 一种控制温度梯度决定定向凝固一次枝晶间距的方法 - Google Patents

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Abstract

一种控制温度梯度决定定向凝固一次枝晶间距的方法，属于定向凝固技术领域，其特征在于：定向凝固Al-4.5％Cu合金在5kg坩埚下拉式真空定向凝固炉中进行，其温度由装在加热元件的三组热电偶控制，工作时温度控制在±5K。在保持抽拉速率不变的条件下，在相同的过热温度和过热时间条件下，分别改变上下加热体的温度，达到改变合金凝固时界面前沿的温度梯度的要求。本发明是在保证晶体的生长速率的前提下，考虑温度梯度的影响，通过相关参数数据，得出温度梯度与一次枝晶间距的内在关系。

Description

一种控制温度梯度决定定向凝固一次枝晶间距的方法
技术领域
本发明属于定向凝固技术领域，特指一种控制温度梯度决定定向凝固一次枝晶间距的方法。
背景技术
在金属凝固过程中，金属以树枝晶的形式生长是一种主要方式。而树枝晶的大小与形态对金属的性能有很大的影响。枝晶间距就是其中一个最重要的参数，间距的大小与组织中显微偏析、夹杂的形成、微裂纹与缩松的产生等都有密切的关系。尤其是一次枝晶间距是影响合金组织中溶质、中间相、共晶相或杂质分布的重要凝固组织参数，研究其形成机制以及和凝固条件的依赖关系，有利于对合金凝固组织实施准确预测和控制，因此对提高合金性能具有十分重要的意义。
晶体在定向凝固生长时，柱状晶生长方向与热流方向平行，两者的方向相反，晶体以一定的速度向液体内生长。枝晶尖端温度与金属或合金液相线温度相等，其晶界与枝晶的主轴平行，枝晶的主轴不断产生分枝，最后形成一个完整晶粒。对于平行排列的枝晶，他们的间隔被定义为一次枝晶间距。在定向凝固理论中，晶体生长速率是定向凝固技术中的重要工艺参数，是影响金属凝固、枝晶生长的一个重要因素。决定了晶体的显微组织(即枝晶间距)，枝晶间距小则晶粒细小，合金性能提高，因此可以满足工程等领域的需要。目前国内外对于定向凝固组织的影响因素的研究一般集中在定性分析，关于定向凝固组织与可控凝固参数关系的定量研究在合金凝固过程中目前尚未有全面的研究。
本发明针对这一问题，开发了一种控制温度梯度决定定向凝固一次枝晶间距的方法。
发明内容
本发明的目的提供一种控制温度梯度决定定向凝固一次枝晶间距的方法。
本发明具体技术方案为，对定向凝固Al-4.5％Cu合金一次枝晶间距进行控制，以满足工程等领域的需求。其特征在于：定向凝固Al-4.5％Cu合金在5kg坩埚下拉式真空定向凝固炉中进行，其温度由装在加热元件的三组热电偶控制，工作时温度控制在±5K。在工作中热电偶的放置与坩埚热流方向相平行，在加热和冷却过程中，用热电偶测得温度分布。为了保证炉温，保持冷却水(恒定温度)在恒定水压，同时固定冷却水和发热台之间的距离，以保证工作时温度梯度恒定。在保持抽拉速率不变的条件下，在相同的过热温度和过热时间条件下，分别改变上下加热体的温度，达到改变合金凝固时界面前沿的温度梯度的要求。本发明是在保证晶体的生长速率的前提下，考虑温度梯度的影响，通过表1的相关参数数据，得出温度梯度与一次枝晶间距的内在关系。表1是本发明的相关参数数据。
表1 相关参数数据
Figure BSA00000305886500021
由本发明方法得知：温度梯度5.4k/mm时，测得一次枝晶间距254.7um；温度梯度7.8k/mm时，测得一次枝晶间距197.3um；温度梯度9.6k/mm时，测得一次枝晶间距152.9um；温度梯度达到最大值11.7k/mm时，测得一次枝晶间距126.4um；
附图说明
图1不同温度梯度下的凝固组织横截面示意图
(a)温度梯度＝5.4k/mm  (b)温度梯度＝7.8k/mm  (c)温度梯度＝9.6k/mm  (d)温度梯度＝11.7k/mm
由图1可以看出，在四个试样的横截面图上都可以看到比较清楚的“十”字形枝晶，定向凝固特征比较明显，在温度梯度比较低时，如图1(a)和图1(b)中，“十”字形枝晶排列比较杂乱无章，而在温度梯度比较高时，如图1(c)和试图1(d)中，“十”字形枝晶排列较整齐，有规则，此外，当温度梯度＜9.6k/mm时，看到的横截面上除了一次枝晶外，还有比较明显的二次枝晶，甚至还有三次枝晶。当温度梯度达到9.6k/mm时，组织主要是一次枝晶，有少量的二次枝晶。当温度梯度达到11.7k/mm时，组织基本都是一次枝晶，这就是比较理想的组织。
具体实施方式
实施例1
定向凝固Al-4.5％Cu合金在5kg坩埚下拉式真空定向凝固炉中进行，其温度由装在加热元件的三组热电偶控制，工作时温度控制在±5K。在保持抽拉速率不变的条件下，在相同的过热温度和过热时间条件下，分别改变上下加热体的温度，达到改变合金凝固时界面前沿的温度梯度的要求。本发明选用Al-4.5％Cu合金(相关参数见表1)，温度梯度5.4k/mm时，图1(a)，“十”字形枝晶排列比较杂乱无章，还有比较明显的二次枝晶，甚至还有三次枝晶，测得一次枝晶间距254.7μm。
实施例2
定向凝固Al-4.5％Cu合金在5kg坩埚下拉式真空定向凝固炉中进行，其温度由装在加热元件的三组热电偶控制，工作时温度控制在±5K。在保持抽拉速率不变的条件下，在相同的过热温度和过热时间条件下，分别改变上下加热体的温度，达到改变合金凝固时界面前沿的温度梯度的要求。本发明选用Al-4.5％Cu合金(相关参数见表1)，温度梯度9.6k/mm时，图1(c)，“十”字形枝晶排列较整齐，有规则，组织主要是一次枝晶，有少量的二次枝晶，测得一次枝晶间距152.9μm。
实施例3
定向凝固Al-4.5％Cu合金在5kg坩埚下拉式真空定向凝固炉中进行，其温度由装在加热元件的三组热电偶控制，工作时温度控制在±5K。在保持抽拉速率不变的条件下，在相同的过热温度和过热时间条件下，分别改变上下加热体的温度，达到改变合金凝固时界面前沿的温度梯度的要求。本发明选用Al-4.5％Cu合金(相关参数见表1)，温度梯度11.7k/mm时，图1(d)，“十”字形枝晶排列更加整齐，有规则，当温度梯度达到11.7k/mm时，组织基本都是一次枝晶，这就是比较理想的组织，测得一次枝晶间距126.4μm。

Claims (3)

1.一种控制温度梯度决定定向凝固一次枝晶间距的方法，其特征在于：定向凝固Al-4.5％Cu合金在5kg坩埚下拉式真空定向凝固炉中进行，其温度由装在加热元件的三组热电偶控制，工作时温度控制在±5K；在工作中热电偶的放置与坩埚热流方向相平行，在加热和冷却过程中，用热电偶测得温度分布；为了保证炉温，保持冷却水(恒定温度)在恒定水压，同时固定冷却水和发热台之间的距离，以保证工作时温度梯度恒定。在保持抽拉速率不变的条件下，在相同的过热温度和过热时间条件下，分别改变上下加热体的温度，达到改变合金凝固时界面前沿的温度梯度的要求；本发明是在保证晶体的生长速率的前提下，考虑温度梯度的影响，通过表1的相关参数数据，得出温度梯度与一次枝晶间距的内在关系；表1是本发明的相关参数数据。
表1相关参数数据
Figure FSA00000305886400011
2.根据权利要求1所述一种控制温度梯度决定定向凝固一次枝晶间距的方法，定向凝固Al-4.5％Cu合金，温度梯度5.4k/mm时，测得一次枝晶间距254.7um；温度梯度7.8k/mm时，测得一次枝晶间距197.3um；温度梯度9.6k/mm时，测得一次枝晶间距152.9um；温度梯度达到最大值11.7k/mm时，测得一次枝晶间距126.4um。
3.根据权利要求2所述一种控制温度梯度决定定向凝固一次枝晶间距的方法，定向凝固Al-4.5％Cu合金，温度梯度可优选为11.7k/mm。
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