CN103990780B - 在横向磁场下制备梯度材料的方法及定向凝固装置 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种在横向磁场下制备梯度材料的方法，通过在定向凝固过程中引入横向磁场，在固液界面前沿枝晶上形成热电磁力和与之方向相反的热电磁流动效应，在这种效应的作用下，溶质向凝固坯壳一侧偏聚，枝晶向凝固坯壳另一侧偏聚，形成枝晶组织和共晶组织梯度分布的梯度材料。本发明还公开了一种定向凝固装置，由保护气氛输入管、水冷夹套、加热炉、控温装置、淬火池、刚玉管、拉杆组成和超导强磁体装置组成，产生的横向静磁场产生的静磁场强度范围为0~1T，使超导强磁体装置产生的磁场强度的方向与金属熔体的定向凝固方向相互垂直，并使金属熔体在定向凝固过程中的固液界面始终位于超导强磁体装置产生的稳恒磁场区域。
Description
技术领域
本发明涉及一种功能复合材料制备工艺和装置，特别是涉及一种梯度复合材料工艺和装置，应用于复合材料组织控制技术领域。
背景技术
梯度功能材料(FunctionallyGradientMaterials：FGM)作为一种组织、结构、特性参数和物理、化学、生物等单一或复合性能都呈连续变化，以适应不同环境，实现某一特殊功能的一类新型复合材料，被广泛应用到核能、生物医学、机械、石油化工、信息、民用及航空航天领域。
目前梯度功能材料的制备方法按原料的形态可分为气相法、液相熔融态法和固相粉末法三种。其主要制备梯度功能材料的方法主要有：化学气相沉积法、物理蒸发法、等离子喷涂法、颗粒梯度排列法、自蔓延高温合成法、液膜直接成型法、薄膜浸渗成型法、增加熔凝固法以及激光涂覆等。这些制备方法在很大程度上满足了人们对梯度功能材料的需求，但是这些制备工艺受工艺所限，大多制备方法仅能用来制备成形薄膜或小块体材料，影响了梯度材料在工业领域的应用。
发明内容
为了解决现有技术问题，本发明的目的在于克服已有技术存在的不足，提供一种在横向磁场下制备梯度材料的方法及定向凝固装置，与传统制备梯度功能材料的方法对比，本发明方法通过在定向凝固过程中引入横向磁场，在固液界面前沿枝晶上形成热电磁力和与之方向相反的热电磁流动效应，在这种效应的作用下，溶质向凝固坯壳一侧偏聚，枝晶向凝固坯壳另一侧偏聚，形成枝晶组织和共晶组织梯度分布的梯度材料。
为达到上述发明创造目的，本发明采用下述技术方案：
一种在横向磁场下制备梯度材料的方法，包括以下步骤：
a.选择纯度至少为99.99%的高纯合金原料，配制成合金在真空炉中熔炼，同时对合金熔体施加电磁搅拌接近1小时，使合金原料充分合金化后，将合金熔体用石英管进行真空负压吸铸，得到成分均匀的合金棒材，并将所得到的合金棒材封装在刚玉管中；
b.将定向凝固装置放入横向静磁场中，横向静磁场产生的静磁场强度范围为0~1T，将在上述步骤a中装有合金棒材的刚玉管竖直安装于定向凝固装置的拉杆上端，使刚玉管能在加热炉中抽拉作竖直移动，当加热炉加热使刚玉管内的合金棒材的下段熔化后，开启抽拉系统牵引拉杆，控制以设定的拉速速率进行定向凝固，使刚玉管内的合金棒材的下段首先进入定向凝固装置中，使刚玉管内的合金熔体定向凝固方向与横向静磁场的磁场方向垂直，并使刚玉管内的合金熔体凝固界面前沿液相的温度梯度随加热炉温度保持线性变化，同时在拉杆抽拉过程中还需保持刚玉管内的合金固液界面处于稳恒磁场区域内；
c．当牵引拉杆抽拉至使刚玉管内的合金熔体稳定凝固时，将在上述步骤b中装有合金棒材的刚玉管迅速拉入Ga-In-Sn淬火池中进行淬火，得到合金凝固组织发生梯度分布改变的定向凝固枝晶组织。
作为本发明的一种优选的技术方案，在制备Sn-Pb合金梯度材料时，包括以下步骤：首先，在上述步骤a中，选择纯度至少为99.99%的高纯合金原料，配制成合金成分为Sn-20wt%Pb的Sn-Pb合金在真空炉中熔炼，同时对Sn-Pb合金熔体施加电磁搅拌，使Sn-Pb合金原料充分合金化后，将Sn-Pb合金熔体用石英管进行真空负压吸铸，得到成分均匀的Sn-Pb合金体系的棒材，并将所得到的Sn-Pb合金棒材封装在刚玉管中；然后，在上述步骤b中，控制Sn-Pb合金在定向凝固过程中的加热炉中心炉温为600℃，并使刚玉管内的Sn-Pb合金熔体的固液界面前沿的温度梯度为52K/cm，当加热使刚玉管内的Sn-Pb合金熔化并保温接近0.5小时后，再开启抽拉系统以接近5μm/s的抽拉速率使刚玉管内的Sn-Pb合金熔体进行定向凝固；最后，在上述步骤c中，将上述步骤b中装有Sn-Pb合金棒材的刚玉管迅进行淬火，得到具有梯度分布组织的定向凝固枝晶组织。
作为本发明的另一种优选的技术方案，制备Al-Cu合金梯度材料时，包括以下步骤：首先，在上述步骤a中，选择纯度至少为99.99%的高纯合金原料，配制成合金成分为Al-40wt%Cu的Al-Cu合金在真空炉中熔炼，同时对Al-Cu合金熔体施加电磁搅拌，使Al-Cu合金原料充分合金化后，将Al-Cu合金熔体用石英管进行真空负压吸铸，得到成分均匀的Al-Cu合金体系的棒材，并将所得到的Al-Cu合金棒材封装在刚玉管中；然后，在上述步骤b中，控制Al-Cu合金在定向凝固过程中的加热炉中心炉温为900℃，并使刚玉管内的Al-Cu合金熔体的固液界面前沿的温度梯度为68K/cm，当加热使刚玉管内的Al-Cu合金熔化并保温接近0.5小时后，再开启抽拉系统以接近5μm/s的抽拉速率使刚玉管内的Al-Cu合金熔体进行定向凝固；最后，在上述步骤c中，将上述步骤b中装有Al-Cu合金棒材的刚玉管迅进行淬火，得到具有梯度分布组织的定向凝固枝晶组织。
一种实施本发明在横向磁场下制备梯度材料的方法的定向凝固装置，由保护气氛输入管、水冷夹套、加热炉、控温装置、淬火池、刚玉管以及拉杆组成，淬火池设置于加热炉的下方，水冷夹套安装在加热炉的外侧，控温装置控制加热炉的温度，将合金棒试样封装在刚玉管内，再将刚玉管放置在加热炉内，保护气氛输入管从加热炉顶端通入惰性气体，使刚玉管处于惰性气体保护气氛下，刚玉管竖直安装于拉杆的上端，使拉杆与刚玉管底部固定连接，在刚玉管内的合金棒试样在加热炉的加热作用下发生熔融，形成合金棒熔体，通过定向凝固作用，使合金棒熔体从底部开始凝固，形成合金棒已凝固部分，在水冷夹套的外侧还设有超导强磁体装置，产生的横向静磁场产生的静磁场强度范围为0~1T，使超导强磁体装置产生的磁场强度的方向与刚玉管内的金属熔体的定向凝固方向相互垂直，并使刚玉管内的金属熔体在定向凝固过程中的固液界面始终位于超导强磁体装置产生的稳恒磁场区域。
作为本发明定向凝固装置优选的技术方案，淬火池内的冷却介质最好采用Ga-In-Sn冷却剂。
本发明原理：
本发明基于横向磁场的热电磁效应。热电磁效应来源于磁场和枝晶上的热电流的相互作用，热电流产生的原理是Seebeck效应，当两个Seebeck系数，即ηs和ηl，不同的金属上下两端分别连接在一起，且两结点之间具有温度梯度ΔT，回路中就会形成热电流，产生一个热电势。在合金定向凝固过程中施加横向磁场，在一定温度梯度作用下，枝晶尖端的热电流与横向磁场的作用下，枝晶间的金属液体在热电磁力作用下向坩埚一侧流动。与此同时，固相枝晶上受到相反的热电磁力作用向坩埚另一侧移动。
Seebeck效应产生温差热电势，温差热电势导致初生相和熔体中热电流的产生，如图1所示，假设作用在枝晶上的热电流为，作用在周边熔体中的热电流为，则有：
(1)
(2)
式中和分别为固相和液相中的电导率，和分别为固相和液相的温差热电势，和分别是固相和液相的体积分数，G为固液界面前沿液相中的温度梯度。将式(1)中的电流带入洛伦兹力方程可以得到液相溶体和固相枝晶所受到的作用力分别为：
(3)
(4)
通过查阅合金的物性参数，可以估算出在已知的温度梯度下，温差电流的数量级达到103A/m2。在横向静磁场作用下，固液界面前沿的液相在热电磁力的作用下形成一定方向的热电磁流动，热电磁流动方向通过左手定则可以判断，如图1所示。同样的，在枝晶上的热电流与磁场相互作用形成枝晶上的热电磁力，通过左手定则可以判断枝晶上所受到的热电磁力的方向与液相中方向相反。在枝晶生长过程中，溶质元素在热电磁流动的作用下，向合金坯壳一侧偏析，形成共晶组织；同时，固相枝晶在反方向的热电磁力作用下，向合金坯壳另一侧偏聚。在定向凝固过程固液界面前沿电磁效应的作用下，可以形成成分梯度分布的凝固组织。
本发明与现有技术相比较，具有如下显而易见的突出实质性特点和显著优点：
1.本发明在合金定向凝固过程中施加横向静磁场，发现磁场的施加导致枝晶的组织形貌发生偏聚，并且可以通过磁场的施加可以控制组织形貌的分布，形成组织梯度分布的梯度功能材料；
2.本发明只需要在现在工业上广泛使用的高速凝固过程中施加横向磁场，就能达到批量生产梯度功能材料目的，设备简单且易于实现。
附图说明
图1是本发明实施例一的横向磁场诱导合金枝晶尖端形成热电磁流动效应和枝晶上受到热电磁力效应的复合动力效应原理示意图。
图2是本发明实施例一的合金溶质偏析和合金初生相枝晶富集相结合的梯度材料组织凝固工艺原理示意图。
图3是本发明实施例一定向凝固装置的结构示意图。
图4是本发明实施例一的有横向磁场下和对比例的无横向磁场下的Sn-Pb合金凝固组织的金相组织照片对比图，其中图a1和图a2分别为对比例一的在无横向磁场下的凝固组织的纵界面及其横截面金相组织照片，其中图b1和图b2分别为本发明实施例一的在有横向磁场下的凝固组织的纵界面及其横截面金相组织照片。
图5是本发明实施例二的有横向磁场下和对比例的无横向磁场下的Al-Cu合金凝固组织的金相组织照片对比图，其中图c1和图c2分别为对比例二的在无横向磁场下的凝固组织的纵界面及其横截面金相组织照片，其中图d1和图d2分别为本发明实施例二的在有横向磁场下的凝固组织的纵界面及其横截面金相组织照片。
具体实施方式
本发明的优选实施例详述如下：
实施例一：
在本实施例中，参见图1～图4，一种定向凝固装置，由保护气氛输入管、水冷夹套1、加热炉2、控温装置、淬火池6、刚玉管8以及拉杆7组成，淬火池6设置于加热炉2的下方，水冷夹套1安装在加热炉2的外侧，控温装置控制加热炉2的温度，将合金棒试样封装在刚玉管8内，再将刚玉管8放置在加热炉2内，保护气氛输入管从加热炉2顶端通入惰性气体，使刚玉管8处于惰性气体保护气氛下，刚玉管8竖直安装于拉杆7的上端，使拉杆7与刚玉管8底部固定连接，在刚玉管8内的合金棒试样在加热炉2的加热作用下发生熔融，形成合金棒熔体3，通过定向凝固作用，使合金棒熔体3从底部开始凝固，形成合金棒已凝固部分5，在水冷夹套1的外侧还设有超导强磁体装置4，使超导强磁体装置4产生的磁场强度B的方向与刚玉管8内的金属熔体的定向凝固方向G相互垂直，并使刚玉管8内的金属熔体在定向凝固过程中的固液界面始终位于超导强磁体装置4产生的稳恒磁场区域。
在制备Sn-Pb合金梯度材料时，本实施例采用在横向磁场下制备梯度材料的方法，包括以下步骤：
a.选择纯度至少为99.99%的高纯合金原料，按照合金比例称量纯Sn和纯Pb金属，配制成合金成分为Sn-20wt%Pb的Sn-Pb合金在真空炉中熔炼，同时对Sn-Pb合金熔体施加电磁搅拌1小时，使Sn-Pb合金原料充分合金化后，将Sn-Pb合金熔体用内径为3mm石英管进行真空负压吸铸，得到成分均匀的Sn-Pb合金体系的合金棒试样，并将所得到的Sn-Pb合金棒试样封装在内径为3mm刚玉管8中；
b.将本实施例定向凝固装置放入横向静磁场中，横向静磁场产生的静磁场强度B范围为0.5T，将在上述步骤a中装有合金棒试样的刚玉管8竖直安装于定向凝固装置的拉杆7上端，拉杆7连接定向凝固伺服抽拉系统，使刚玉管8能在加热炉2中抽拉作竖直移动，控制Sn-Pb合金在定向凝固过程中的加热炉2中心炉温为600℃，并使刚玉管8内的Sn-Pb合金熔体3的固液界面前沿的温度梯度为52K/cm，当加热炉2加热使刚玉管8内的Sn-Pb合金棒试样的下段熔化并保温0.5小时后，开启抽拉系统牵引拉杆7，控制以5μm/s拉速速率进行定向凝固，初生相为Sn枝晶，使刚玉管8内的Sn-Pb合金棒试样的下段首先进入定向凝固装置中，使刚玉管8内的Sn-Pb合金熔体3定向凝固方向与横向静磁场的磁场方向垂直，并使刚玉管8内的Sn-Pb合金熔体3凝固界面前沿液相的温度梯度随加热炉2温度保持线性变化，同时在拉杆7抽拉过程中还需保持刚玉管8内的Sn-Pb合金固液界面处于稳恒磁场区域内，使刚玉管8内的Sn-Pb合金熔体3进行定向凝固；
c．当定向凝固的试样在抽拉8cm后，Sn-Pb合金组织晶粒达到稳定生长区域，此时钢玉管8内的Sn-Pb合金熔体3已经稳定凝固，将在上述步骤b中装有合金棒试样的刚玉管8迅速拉入Ga-In-Sn淬火池6中进行淬火，得到Sn-Pb合金凝固组织发生梯度分布改变的定向凝固枝晶组织。
实施例二：
本实施例与实施例一基本相同，特别之处在于：
在本实施例中，参见图5，在制备Al-Cu合金梯度材料时，本实施例采用在横向磁场下制备梯度材料的方法，包括以下步骤：
a.选择纯度至少为99.99%的高纯合金原料，按照合金比例称量纯Al和纯Cu金属，配制成合金成分为Al-40wt%Cu的Al-Cu合金在真空炉中熔炼，同时对Al-Cu合金熔体施加电磁搅拌1小时，使Al-Cu合金原料充分合金化后，将Al-Cu合金熔体用石英管进行真空负压吸铸，得到成分均匀的Al-Cu合金体系的合金棒试样，并将所得到的Al-Cu合金棒试样封装在刚玉管8中；
b.将本实施例定向凝固装置放入横向静磁场中，横向静磁场产生的静磁场强度B范围为0.5T，将在上述步骤a中装有合金棒试样的刚玉管8竖直安装于定向凝固装置的拉杆7上端，拉杆7连接定向凝固伺服抽拉系统，使刚玉管8能在加热炉2中抽拉作竖直移动，控制Al-Cu合金在定向凝固过程中的加热炉2中心炉温为900℃，并使刚玉管8内的Al-Cu合金熔体3的固液界面前沿的温度梯度为68K/cm，当加热炉2加热使刚玉管8内的Al-Cu合金棒试样的下段熔化并保温0.5小时后，开启抽拉系统牵引拉杆7，控制以5μm/s拉速速率进行定向凝固，初生相为Al2Cu枝晶，使刚玉管8内的Al-Cu合金棒试样的下段首先进入定向凝固装置中，使刚玉管8内的Al-Cu合金熔体3定向凝固方向与横向静磁场的磁场方向垂直，并使刚玉管8内的Al-Cu合金熔体3凝固界面前沿液相的温度梯度随加热炉2温度保持线性变化，同时在拉杆7抽拉过程中还需保持刚玉管8内的Al-Cu合金固液界面处于稳恒磁场区域内，使刚玉管8内的Al-Cu合金熔体3进行定向凝固；
c．当定向凝固的试样在抽拉8cm后，Al-Cu合金组织晶粒达到稳定生长区域，此时钢玉管8内的Al-Cu合金熔体3已经稳定凝固，将在上述步骤b中装有合金棒试样的刚玉管8迅速拉入Ga-In-Sn淬火池6中进行淬火，得到Al-Cu合金凝固组织发生梯度分布改变的定向凝固枝晶组织。
对比例一：
参见图4，在无横向磁场下进行定向凝固制备Sn-Pb合金材料，包括以下步骤：
a.选择纯度至少为99.99%的高纯合金原料，按照合金比例称量纯Sn和纯Pb金属，配制成合金成分为Sn-20wt%Pb的Sn-Pb合金在真空炉中熔炼，制备Sn-Pb合金熔体；
b.定向凝固装置采用典型的Bridgman装置，对在上述步骤a中制备的Sn-Pb合金熔体进行定向凝固，得到Sn-Pb合金定向凝固组织。
对比例二：
参见图5，在无横向磁场下进行定向凝固制备Al-Cu合金材料，包括以下步骤：
a.选择纯度至少为99.99%的高纯合金原料，按照合金比例称量纯Al和纯Cu金属，配制成合金成分为Al-40wt%Cu的Al-Cu合金在真空炉中熔炼，制备Al-Cu合金熔体；
b.定向凝固装置采用典型的Bridgman装置，对在上述步骤a中制备的Al-Cu合金熔体进行定向凝固，得到Al-Cu合金定向凝固组织。
实验对比测试分析：
参见图4和图5，分别将上述实施例和对比例所得的定向凝固试样在固液界面下方，垂直于磁场强度B方向对称切开，得到观察组织的纵截面样品，镶嵌样品后，经过研磨、抛光后腐蚀观察组织。
图3和图4分别为上述两个实施例和两个对比例的定向凝固组织对比，反映出在施加横向静磁场前后的凝固组织形貌对比。图1和图2显示的横向磁场诱导枝晶尖端形成热电磁流动e和枝晶上受到热电磁力f的示意图，在这两个效应的共同作用下，在初生枝晶上的热电流i，溶质原子随着溶质的流动在坩埚左侧偏析，初生相枝晶则在坩埚右侧富集，形成了两侧组织不同的梯度材料。
在图1和图2中，在磁场强度为0.5T的横向静磁场作用下，固液界面前沿的液相在热电磁力的作用下形成一定方向的热电磁流动，在枝晶上的热电流与磁场相互作用形成枝晶上的热电磁力。在图1、图2、图4和图5，在枝晶生长过程中，Sn-20wt.%Pb合金中的Pb和Al-40wt.%Cu合金中的Cu皆在热电磁流动的作用下，向合金坯壳一侧偏析，形成共晶组织；同时，固相枝晶在反方向的热电磁力作用下，向合金坯壳另一侧偏聚。在定向凝固过程固液界面前沿电磁效应的作用下，可以形成成分梯度分布的凝固组织。
上述实施例利用定向凝固过程中枝晶固相和液相间存在的Seebeck电流，在定向凝固过程施加横向磁场，使得枝晶上受到磁化力的作用偏向合金凝固坯壳一侧生长，溶质在液相流动作用下偏聚于合金凝固坯壳另一侧，进而导致枝晶与共晶组织分开生长，从而得到凝固组织梯度分布的定向凝固组织。上述实施例使定向凝固合金的固液界面处于横向静磁场的中心稳恒区域，整个定向凝固过程在横向静磁场下完成，最终得到凝固组织梯度分布的定向凝固组织。
上面结合附图对本发明实施例进行了说明，但本发明不限于上述实施例，还可以根据本发明的发明创造的目的做出多种变化，凡依据本发明技术方案的精神实质和原理下做的改变、修饰、替代、组合、简化，均应为等效的置换方式，只要符合本发明的发明目的，只要不背离本发明在横向磁场下制备梯度材料的方法及定向凝固装置的技术原理和发明构思，都属于本发明的保护范围。
Claims (5)
1.一种在横向磁场下制备梯度材料的方法，其特征在于，包括以下步骤：
a.选择纯度至少为99.99%的高纯合金原料，配制成合金在真空炉中熔炼，同时对合金熔体施加电磁搅拌1小时，使合金原料充分合金化后，将合金熔体用石英管进行真空负压吸铸，得到成分均匀的合金棒材，并将所得到的合金棒材封装在刚玉管中；
b.将定向凝固装置放入横向静磁场中，横向静磁场产生的静磁场强度范围为0~1T，将在上述步骤a中装有合金棒材的刚玉管竖直安装于定向凝固装置的拉杆上端，使刚玉管能在加热炉中抽拉作竖直移动，当加热炉加热使刚玉管内的合金棒材的下段熔化后，开启抽拉系统牵引拉杆，控制以设定的拉速速率进行定向凝固，使刚玉管内的合金棒材的下段首先进入定向凝固装置中，使刚玉管内的合金熔体定向凝固方向与横向静磁场的磁场方向垂直，并使刚玉管内的合金熔体凝固界面前沿液相的温度梯度随加热炉温度保持线性变化，同时在拉杆抽拉过程中还需保持刚玉管内的合金固液界面处于稳恒磁场区域内；
c．当牵引拉杆抽拉至使刚玉管内的合金熔体稳定凝固时，将在上述步骤b中装有合金棒材的刚玉管迅速拉入Ga-In-Sn淬火池中进行淬火，得到合金凝固组织发生梯度分布改变的定向凝固枝晶组织，所述定向凝固枝晶组织是由枝晶组织和共晶组织梯度分布形成的梯度材料。
2.根据权利要求1所述在横向磁场下制备梯度材料的方法，其特征在于，在制备Sn-Pb合金梯度材料时，包括以下步骤：首先，在上述步骤a中，选择纯度至少为99.99%的高纯合金原料，配制成合金成分为Sn-20wt%Pb的Sn-Pb合金在真空炉中熔炼，同时对Sn-Pb合金熔体施加电磁搅拌，使Sn-Pb合金原料充分合金化后，将Sn-Pb合金熔体用石英管进行真空负压吸铸，得到成分均匀的Sn-Pb合金体系的棒材，并将所得到的Sn-Pb合金棒材封装在刚玉管中；然后，在上述步骤b中，控制Sn-Pb合金在定向凝固过程中的加热炉中心炉温为600℃，并使刚玉管内的Sn-Pb合金熔体的固液界面前沿的温度梯度为52K/cm，当加热使刚玉管内的Sn-Pb合金熔化并保温0.5小时后，再开启抽拉系统以5μm/s的抽拉速率使刚玉管内的Sn-Pb合金熔体进行定向凝固；最后，在上述步骤c中，将上述步骤b中装有Sn-Pb合金棒材的刚玉管迅速进行淬火，得到具有梯度分布组织的定向凝固枝晶组织。
3.根据权利要求1所述在横向磁场下制备梯度材料的方法，其特征在于，制备Al-Cu合金梯度材料时，包括以下步骤：首先，在上述步骤a中，选择纯度至少为99.99%的高纯合金原料，配制成合金成分为Al-40wt%Cu的Al-Cu合金在真空炉中熔炼，同时对Al-Cu合金熔体施加电磁搅拌，使Al-Cu合金原料充分合金化后，将Al-Cu合金熔体用石英管进行真空负压吸铸，得到成分均匀的Al-Cu合金体系的棒材，并将所得到的Al-Cu合金棒材封装在刚玉管中；然后，在上述步骤b中，控制Al-Cu合金在定向凝固过程中的加热炉中心炉温为900℃，并使刚玉管内的Al-Cu合金熔体的固液界面前沿的温度梯度为68K/cm，当加热使刚玉管内的Al-Cu合金熔化并保温0.5小时后，再开启抽拉系统以5μm/s的抽拉速率使刚玉管内的Al-Cu合金熔体进行定向凝固；最后，在上述步骤c中，将上述步骤b中装有Al-Cu合金棒材的刚玉管迅速进行淬火，得到具有梯度分布组织的定向凝固枝晶组织。
4.一种实施权利要求1所述在横向磁场下制备梯度材料的方法的定向凝固装置，由保护气氛输入管、水冷夹套（1）、加热炉（2）、控温装置、淬火池（6）、刚玉管（8）以及拉杆（7）组成，所述淬火池（6）设置于所述加热炉（2）的下方，所述水冷夹套（1）安装在所述加热炉（2）的外侧，所述控温装置控制所述加热炉（2）的温度，将合金棒试样封装在所述刚玉管（8）内，再将所述刚玉管（8）放置在所述加热炉（2）内，所述保护气氛输入管从所述加热炉（2）顶端通入惰性气体，使所述刚玉管（8）处于惰性气体保护气氛下，所述刚玉管（8）竖直安装于所述拉杆（7）的上端，使所述拉杆（7）与所述刚玉管（8）底部固定连接，其特征在于：在所述刚玉管（8）内的合金棒试样在所述加热炉（2）的加热作用下发生熔融，形成合金棒熔体（3），通过定向凝固作用，使合金棒熔体（3）从底部开始凝固，形成合金棒已凝固部分（5），在水冷夹套（1）的外侧还设有超导强磁体装置（4），产生的横向静磁场产生的静磁场强度范围为0~1T，使所述超导强磁体装置（4）产生的磁场强度B的方向与所述刚玉管（8）内的金属熔体的定向凝固方向G相互垂直，并使所述刚玉管（8）内的金属熔体在定向凝固过程中的固液界面始终位于所述超导强磁体装置（4）产生的稳恒磁场区域。
5.根据权利要求4所述定向凝固装置，其特征在于：所述淬火池（6）内的冷却介质采用Ga-In-Sn冷却剂。
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