CN103834990A

CN103834990A - 一种制备定向凝固材料的选晶器及其应用

Info

Publication number: CN103834990A
Application number: CN201410105919.7A
Authority: CN
Inventors: 张深根; 刘赓; 潘德安; 刘波; 于鸣
Original assignee: University of Science and Technology Beijing USTB
Current assignee: University of Science and Technology Beijing USTB
Priority date: 2014-03-20
Filing date: 2014-03-20
Publication date: 2014-06-04
Anticipated expiration: 2034-03-20
Also published as: CN103834990B

Abstract

本发明涉及一种制备定向凝固材料的选晶器及其应用，属于金属材料制备领域。所述选晶器，包括引晶段（A）、选晶段（B）和成形段（C），颈缩段（1）搭配相应的孕晶段（2）为一个选晶段（B）的子单元，所述选晶段（B）有两个以上的子单元，并且颈缩段（1）为异轴设置。本发明采用多级异轴颈缩式选晶法，相对于其他制造定向凝固材料的设备的选晶机构结构简单，易于制造，工艺稳定，成本低廉，单晶产出率高，且具有较高的设备通用性和产品通用性，可用于制备具有尺寸要求和组织要求的具有磁各向异性的金属磁性材料、具有组织各向异性的金属结构材料。

Description

一种制备定向凝固材料的选晶器及其应用

技术领域

本发明涉及一种选晶器，特别是涉及一种多重缩颈型选晶器，属于金属材料制备领域。

背景技术

定向凝固过程中经过晶体择优生长和选晶作用，抑制其他晶粒生长而最终使择优生长的晶粒长大获得单晶。常见的选晶方法可归纳为4种类型：转折型、倾斜型、缩颈型和螺旋型。目前最常用的主要为缩颈型和螺旋型两类。缩颈型选晶器模具制造较为简便。普通的缩颈型选晶方法原理是按照横截面的关系淘汰晶粒，只允许对应于缩颈横截面上的那些柱状晶进入缩颈区，其它柱状晶则被阻隔，即所谓的机械阻隔淘汰选晶机制。中国专利1137577A提供了一种单一缩颈技术，在母合金上加工出缩颈，并用陶瓷填充缩颈处，再将其放入陶瓷模壳中重熔定向结晶。此技术的一次缩颈很难达到人们的要求，于是便有了多重缩颈技术。郑启等描述了一种同轴多重缩颈技术（郑启，侯桂臣，金涛等，单晶高温合金的选晶行为，中国有色金属学报，2001,11（2）：176-178），即包括多个同轴的缩颈部分，但是设置多重缩颈的本来目的是强化选晶过程，结果却对强化选晶的作用并不明显——柱晶在通过第一缩颈区，并进入第一扩张区后，只有周边柱晶晶粒发生明显的侧向粗化，中部柱晶尺寸却几乎保持不变，所以当柱晶进入同轴的第二缩颈区时，对应于第二缩颈横截面的晶粒数目与第一缩颈区相同。另外，中国专利1295140A所描述的螺旋选晶方法虽然通过晶体择优生长与连续弯曲攀旋的螺旋结构的耦合作用具有较好的选晶特征，但其具有较高尺寸要求的空间螺旋形状模具制造工艺复杂并且易变形、效率低、重复性差；而一些新型的机械自动化模具，例如中国专利102205391A，对定向凝固设备尤其是具有真空要求的设备的尺寸和功能提出新的要求，使得设备设计难度和制造成本增加。

发明内容

本发明所要解决的技术问题在于针对现有技术的不足，提供一种制备定向凝固材料的选晶器。其工艺简单，成本低廉，具有设备通用性和材料通用性。

本发明的所要解决的技术问题是通过如下技术方案实现的：

本发明涉及一种制备定向凝固材料的选晶器，包括引晶段A、选晶段B和成形段C，颈缩段1搭配相应的孕晶段2为一个选晶段B的子单元，所述选晶段B有两个以上的子单元，并且颈缩段1为异轴设置。

上述选晶器的优选方案为，各相邻颈缩段1的轴线均与选晶器的中心轴平行。

上述选晶器的优选方案为，各相邻颈缩段1的内表面在垂直于选晶器中心轴oo’的平面上的投影无重叠。

上述选晶器的优选方案为，考虑到模具与凝固材料受重力作用，为保证模具和材料的受力均匀，避免断裂及破损，在颈缩段外部均配有支撑柱，相邻的支撑柱轴线均与选晶器的中心轴平行；即所述的颈缩段1外部均配有支撑柱3，相邻的支撑柱3轴线均与选晶器的中心轴oo’平行。

上述选晶器的优选方案为，所述选晶段B由2-5个子单元组成。因为针对材料较广，材料性质不一，选晶过程也不一样，因此可针对不同材料制备2-5级的选晶段，以保证目标单晶或目标柱状晶的研制与生产。

上述选晶器的优选方案为，所述颈缩段1的形状呈哑铃型，其高度与引晶段直径之比为1:3到1:2，最窄处直径与引晶段直径之比为1:4到1:3。

上述选晶器的优选方案为，所述支撑柱3最窄处的直径与颈缩段最窄处直径之比为1:2到1:1。

上述选晶器的优选方案为，所述引晶段A形貌需与定向凝固冷却底座的形貌匹配。

上述选晶器的优选方案为，所述成形段C设计为最终产品的形状。

本发明还涉及上述选晶器的应用，该选晶器用于制备具有磁各向异性的金属磁性材料或组织各向异性的金属结构材料。

本发明采用多级异轴颈缩式选晶法，相对于其他制造定向凝固材料的设备的选晶机构结构简单，易于制造，工艺稳定，成本低廉，单晶产出率高，且具有较高的设备通用性和产品通用性，可用于制备具有尺寸要求和组织要求的具有磁各向异性的金属磁性材料、具有组织各向异性的金属结构材料。

附图说明

图1为本发明实施例1的异轴缩颈选晶器的立体示意图；

图2 为图1所示的异轴缩颈选晶器的剖面示意图；

图3是图1所示的异轴缩颈选晶器的仰视示意图；

图4为本发明实施例2的异轴缩颈选晶器的立体示意图；

图5是图4所示的异轴缩颈选晶器的剖面示意图；

图6为图4所示异轴缩颈选晶器的俯视示意图；

图7为本发明实施例3的异轴缩颈选晶器的立体示意图；

图8是图7所示的异轴缩颈选晶器的剖面示意图；

图9为图7所示异轴缩颈选晶器的俯视示意图；

其中A为引晶段，B为选晶段，C为成形段，罗马字母I-V为不同的选晶器子单元，由颈缩段（1）搭配相应的孕晶段（2）和支撑柱（3）组成。

具体实施方式

以下结合附图对本发明的一个实施例做详细说明。

实施例1

图1是圆柱状的异轴缩颈选晶器立体示意图，图2是其剖面示意图，图3是其仰视图。如图1结合图2所示，本发明的异轴缩颈选晶器为一中空模具，由压模法一次制成，材料为石英，壁厚3mm。选晶器包括引晶段A、选晶段B和成形段C。

引晶段A为中空圆柱状，其底部与定向凝固装置的冷却座（未图示）连接并固定，其底部直径为80mm。引晶段A的形貌可匹配定向凝固冷却底座形貌，包括圆形、椭圆形、矩形及其他形貌。

选晶段B位于引晶段A上面，由两个颈缩段搭配相应的孕晶段组成。具体来说，由两个相同的子单元Ⅰ和Ⅱ重叠组成，每一个子单元都由一个颈缩段1和一个孕晶段2组成。一个子单元为一级，两个为两级，N个就为N级，本实例为两级。颈缩段1高20mm，呈哑铃型，最窄处直径20mm，且为异轴设置，所谓的异轴设置，即两颈缩段的轴线o1o1’和o2o2’不在同一条直线上，保持相互平行，在本实施例中，如图2所示，两级颈缩段的轴线o1o1’和o2o2’均与选晶器的中心轴oo’平行，且相对于选晶器的中心轴oo’轴对称（对应两颈缩段轴线与中心线夹角180°）。如此异轴可以保证通过不同缩颈段的不同晶粒所占的比例不同，以达到选晶的效果。为了更加有效的对晶粒进行机械阻隔，如图3所示，本发明中相邻颈缩段1内表面在垂直于选晶器中心轴oo’的平面上的投影无重叠（对应选晶器内表面在径向空间无重叠），如此可更加有效的对晶粒进行机械阻隔，基本不会使通过两个相邻的异轴的颈缩段1的晶粒数相同。孕晶段2则为中空圆柱体，提供空间使得通过颈缩段1筛选的柱状晶粒再次长大。为保证模具和材料的受力均匀，避免断裂及破损，在颈缩段1外部均配有支撑柱3，本实施例为两个，两支撑柱3的轴线均与选晶器的竖直中心轴oo’平行，且相对于该中心轴oo’轴对称，两支撑柱3最窄处的直径均为10mm，与选晶器的中心轴oo’间距为20mm。

成形段C的顶部位于熔炼浇口（图示）之下并与之共轴，其形貌根据实际所需产品的形貌来选择，包括圆柱状、叶片状、圆锥状及其它形貌。本实施例中为圆柱状。

当需要使用选晶器时，先将熔融材料通过熔炼浇口浇入成形段C，熔融材料通过成形段C流入选晶段B再流入引晶段A，进而充满整个选晶器模具。由于引晶段A底部与凝固装置的冷却座连接并固定，随着冷却座的下拉，进而形成一垂直方向的温度梯度，使得熔融材料向上定向凝固结晶。一般越往上晶粒长得越大，又因为颈缩段1可通过其横截面淘汰一部分晶粒，只允许对应于颈缩段1横截面上的那些柱状晶粒进入颈缩段1，其它柱状晶粒则被阻隔，即所谓的机械阻隔淘汰选晶机制；结果只有少数晶粒能通过Ⅰ级颈缩段1进入孕晶段2继续长大。经过Ⅰ级孕晶段2长大后的晶粒又将经过Ⅱ级颈缩段1重复上述的筛选过程，此时，如背景技术的同轴多重选晶器所公开的那样，在通过第一缩颈区并进入第一扩张区后, 只有周边柱晶晶粒发生明显的侧向粗化，中部柱晶尺寸却几乎保持不变。而本发明中的颈缩段1是异轴设置的，更有利于周边侧向粗化的柱晶生长。也就是说，在通过Ⅰ级孕晶段2长大后，由于两个颈缩段1并不是同轴的，而是如前所述的异轴，相对于中心轴oo’轴对称，并在垂直于选晶器中心轴oo’的平面上的投影无重叠；这样将更有利于挑选出周边侧向粗化的柱晶，单位面积内的晶粒数也就更少了。通过Ⅱ级颈缩段1筛选后的晶粒将进入Ⅱ级孕晶段2继续长大，最后还要通过成形段C下部直径较小的入口4被进一步筛选，单位面积的晶粒数再一次减少。最后经过层层筛选的晶粒在成形段C的圆柱部分长大形成我们需要的产品。

实施例2

图4和图5分别是叶片状的2级异轴缩颈选晶器的立体示意图和剖面示意图，图6为其俯视图。如图4结合图5所示，引晶段A与选晶段B结构及尺寸同实施例1，不同之处在于其成形段C主体为近似发动机的叶片形状（如图6所示），不过为了便于浇注，其成形段C顶部仍为圆形，它们之间设计成平滑过渡。使用方法与实施例一类似，在此不再赘述。本实施例的选晶器用于生产航空发动机所用高温合金。

实施例3

图7和图8分别是方柱形的4级异轴缩颈选晶器的立体示意图和剖面示意图，图9为其俯视图。如图，结构组成与实施例1相似，不同之处在于其选晶段B由4级子单元组成，每相邻单元颈缩段的轴线在垂直投影平面中与中心轴oo’的投影点的连线的角度为90度。4个子单元颈缩段1的投影如图9所示，这具有更好的选晶效果。除此之外，选晶段A直径为100mm，颈缩段1内表面最窄处直径为30mm，支撑柱2最窄处直径为24mm。成形段C主体为方柱状，顶端面积充裕，不影响浇注过程。使用方法与实施例一类似，在此不再赘述。本实施例的选晶器用于功能材料单晶铜棒的生产。

以上只是本发明的三个优选实施例，需要说明的是本发明并不限于此，本发明的选晶器不仅可以用于生产实施例一中的具有尺寸要求和组织要求的具有磁各向异性的稀土超磁致伸缩材料，实施例二中的具有组织各向异性的高温合金，实施实例三中的还可以生产单晶铜，另外还可以生产钢铁材料等。由于材料种类不同，材料性质不一，其选晶过程也不一样，因此可针对不同材料制备2-5级的选晶段，以保证目标单晶或目标柱状晶的研制与生产，只要相邻颈缩段异轴设置即可，优选的为相邻颈缩段的轴线都与选晶器的中心轴平行，且相对于选晶器的中心轴轴对称，以及相邻颈缩段的内表面在垂直于选晶器中心轴oo’的平面上的投影无重叠。

Claims

1.一种制备定向凝固材料的选晶器，包括引晶段（A）、选晶段（B）和成形段（C），其特征在于，颈缩段（1）搭配相应的孕晶段（2）为一个选晶段（B）的子单元，所述选晶段（B）有两个以上的子单元，并且颈缩段（1）为异轴设置。

2.根据权利要求1所述的一种制备定向凝固材料的选晶器，其特征在于，各相邻颈缩段（1）的轴线均与选晶器的中心轴平行。

3.根据权利要求1所述的一种制备定向凝固材料的选晶器，其特征在于，各相邻颈缩段（1）的内表面在垂直于选晶器中心轴的平面上的投影无重叠。

4.根据权利要求1所述的一种制备定向凝固材料的选晶器，其特征在于，所述的颈缩段（1）外部均配有支撑柱（3），相邻的支撑柱（3）轴线均与选晶器的中心轴平行。

5.根据权利要求1所述的一种制备定向凝固材料的选晶器，其特征在于，所述选晶段（B）由2-5个子单元组成。

6.根据权利要求1所述的一种制备定向凝固材料的选晶器，其特征在于，所述颈缩段（1）的形状呈哑铃型，其高度与引晶段直径之比为1:3到1:2，最窄处直径与引晶段直径之比为1:4到1:3。

7.根据权利要求4所述的一种制备定向凝固材料的选晶器，其特征在于，所述支撑柱（3）最窄处的直径与颈缩段最窄处直径之比为1:2到1:1。

8.根据权利要求1所述的一种制备定向凝固材料的选晶器，其特征在于，所述引晶段（A）形貌需与定向凝固冷却底座的形貌匹配。

9.根据权利要求1所述的一种制备定向凝固材料的选晶器，其特征在于，所述成形段（C）设计为最终产品的形状。

10. 根据权利要求1-9任一项所述选晶器的应用，其特征在于，该选晶器用于制备具有磁各向异性的金属磁性材料或组织各向异性的金属结构材料。