CN111230078A - 一种金属材料定向凝固方法 - Google Patents

Abstract

本发明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。

Description

一种金属材料定向凝固方法

技术领域

本发明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。

背景技术

定向凝固技术在工业和高技术领域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。

发明内容

(一)要解决的技术问题

本发明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，本发明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

本发明的有益效果是：

首先，本发明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，本发明工艺相对简单，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为本发明的金属材料定向凝固方法的流程示意图；

图2为本发明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为本发明的选择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为本发明的选择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

为了更好的解释本发明，以便于理解，下面结合附图，通过具体实施方式，对本发明作详细描述。

需要说明，本发明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，在本发明中如涉及“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。在本发明的描述中，“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。

在本发明中，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发明中的具体含义。

如图1所示，本发明提供一种金属材料定向凝固方法，其包括：

S1、制备金属材料并放入坩埚3；

S2、将坩埚3放置于容器1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2给坩埚3进行加热，以使坩埚3内的金属材料熔化；

S4、抽拉装置6通过结晶杆4将坩埚3以预定速度范围拉入结晶器5的中空通道内，以使金属材料进行定向凝固，其中，结晶器5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，结晶杆4的内部通有循环冷却水；

S5、在完成定向凝固后，通过结晶杆4将坩埚3推至伸出加热器2，打开容器1取出坩埚3并进行脱模得到定向凝固铸锭。

其中，金属材料为纯金属或者金属合金等。本发明可一次性完成金属材料的熔炼和定向凝固过程，省去了单纯铸棒的工序，无需浇注，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。

如图2所示，本发明提供的一种金属材料定向凝固方法所采用的装置包括：容器1、坩埚3、加热器2、结晶器5、结晶杆4、抽拉装置6、水冷机8、真空泵11和实验气氛源10。其中，容器1可以为反应炉，容器1内形成有密封腔室，在容器1内形成密封腔室，可有效阻隔环境空气，避免样品的氧化。坩埚3设置于密封腔室内且用于容置金属材料；加热器2用于对坩埚3内的金属材料进行热熔。结晶器5设置于坩埚3的下方，结晶器5为环状结构，并在内部通过筒状隔板分出了多个隔层，整个材质为不锈钢。具体地，结晶器5包括形成有中空通道的液态金属环层和包裹于液态金属环层外的水冷环层。其中，液态金属环层内的液态金属为镓铟合金或镓铟锡合金等，镓铟合金和镓铟锡合金的熔点为6℃～10℃。

结晶杆4的上端与坩埚3的底部连接，结晶杆4能够在中空通道内移动；抽拉装置6与结晶杆4的下端连接，且抽拉装置6能够通过结晶杆4将坩埚3以预定速度范围拉入中空通道内。其中，预定速度范围可以为1.67×10^-4mm/s～62.5mm/s，在实际操作过程中可以根据所需温度梯度对抽拉速度进行调整，也可以根据抽拉速度的需求，来设计符合要求的不同的抽拉装置6。

而且，加热器2可使处于坩埚3内的熔炼金属保持较高温度，而结晶器5内有液态金属和水冷的双重冷却作用，并且结晶杆4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，从而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6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。

在上述实施方式中，水冷机8可以分别用于对容器1、加热器2、水冷环层和结晶杆4进行水冷。通过水冷机8对容器1、加热器2、水冷环层和结晶杆4都进行水冷，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。

而且，在步骤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。真空泵11用于对密封腔室进行抽真空，密封腔室通过不锈钢管路与真空泵11(机械泵和分子泵)相连，密封腔室的真空度可达到1×10^-6Pa。实验气氛源10通过不锈钢管路与密封腔室相连，以能够向密封腔室内充入实验所需的保护性气体(即惰气)，例如，氦气或氩气等。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。

其中，在步骤S3中，打开加热器2的电源，加热金属材料至熔融后保温，使金属材料熔化均匀；在此期间利用红外测温仪7测量金属材料的温度。具体地，加热器2的电流从零开始调大至10A～35A。在金属材料熔融后，进行保温的时间可以为5min～30min，以保证金属彻底熔化，保温过程中可加入稀土等易挥发元素，从而能够提高铸锭的品质。在步骤S5中，完成定向凝固后，关闭加热器2和抽拉装置6的电源，冷却25min～35min后，打开容器1取出坩埚3，并进行脱模而得到定向凝固铸锭。

因此，本发明工艺相对简单，将熔炼、液态金属/水双重冷却、抽拉装置6、真空泵11以及实验气氛源10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。

进一步地，在上述的金属材料定向凝固方法中，参见图3和图4，作为一种优选的实施方式，抽拉装置6可以包括升降板14、上支撑板15、下支撑板16、驱动机构、滚珠丝杠12和导杆13，升降板14与上支撑板15和下支撑板16相互平行设置，导杆13的两端分别固定安装于上支撑板15和下支撑板16上且导杆13通过直线轴承与升降板14活动连接；其中，滚珠丝杠12通过轴承分别与上支撑板15、下支撑板16连接，且滚珠丝杠12的一端穿过下支撑板16与驱动机构连接，驱动机构能够驱动升降板14沿滚珠丝杠12移动；结晶杆4的下端与升降板14连接。其中，驱动机构包括伺服电机18和减速器17。伺服电机18通过减速器17与滚珠丝杠12连接而传递扭矩，即伺服电机18通过减速器17驱动滚珠丝杠12旋转。升降板14的一个通孔内设置有与滚珠丝杠12适配的丝杠螺母，升降板14的其他通孔内也有与导杆13适配的直线轴承，因此，升降板14随着滚珠丝杠12的旋转而沿着导杆13上升或下降，而升降板14的升降速度由伺服电机18的旋转速度、减速器17的减速比以及滚珠丝杠12的导程来决定，在优选的实施方式中，升降板的升降速度在1.67×10^-4mm/s～62.5mm/s范围内，升降板14的升降速度决定结晶杆4的抽拉速度。

具体地，滚珠丝杠12的底端通过联轴器和减速器17连接，减速器17的动力端和伺服电机18的输出端连接。滚珠丝杠12的导程在2mm～25mm；减速器17的减速比在1/200～1/20；伺服电机18的转速在1r/min～3000r/min。在图5和图6中分别展示了滚珠丝杠12的导程在2mm和25mm，减速器17的减速比为1/200和1/20时，伺服电机18的转速与抽拉速率之间的相应关系。进行实验时，先在计算机上设置好伺服电机18的转速，以达到不同的抽拉速度。待金属材料熔化均匀后启动伺服电机18，伺服电机18驱动减速器17带动滚珠丝杠12转动，将固定有结晶杆4的升降板14下拉，将结晶杆4和坩埚3拉至结晶器5，完成定向凝固过程。通过伺服电机18、减速器17和滚珠丝杠12的巧妙连接，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，且同时通过三根导杆13进行限位和导向，保证了抽拉过程的平稳，可实现从慢速到快速的不同抽拉速率下的定向凝固，以满足更多研究和应用需求。

此外，坩埚3可以为筒状石英坩埚3。坩埚3的底部设置具有内螺纹的凹槽，结晶杆的上端设置具有外螺纹的耐热托环，例如，可以是钼托环等，钼是一种银白色的金属，硬而坚韧，熔点高，热传导率也比较高。耐热托环与凹槽螺纹连接，以保证结晶杆4与坩埚3在高温环境中能够稳固连接，也能够根据需求而进行拆卸。

结晶杆4内形成有水冷层，水冷层与水冷机8通过管道连通，例如，在图1中水冷管包括多组循环管道，水冷层与水冷机8通过其中一组循环管道形成水冷循环回路，由水冷机8向结晶杆内的水冷层供冷，以辅助在结晶器5内形成合适的温度梯度。另外，容器1的容器壁内也形成有水冷夹层，水冷夹层与水冷机8通过管道连通，以防止容器壁的温度过高，而水冷夹层与水冷机8之间也是通过水冷管的一组循环管道进行连通而形成水冷循环回路。其中，水冷机8的压缩机功率在3kW～6kW。

为了保证密封腔室有良好的密封性，结晶杆4与液态金属环层之间设置有多组动密封圈。动密封圈由两个J型橡胶圈和两个J型密封垫片组成，并且，结晶杆4与液态金属环层之间通过两层J型胶圈动密封方式进行密封，既可保证抽拉过程的平稳，也可有效阻隔环境空气，避免样品的氧化。

在优选的实施方式中，加热器2包括套设于坩埚3外的电导体加热套、包裹于电导体加热套外的保温层以及套设于保温层外的高频感应线圈；高频感应线圈能够产生涡旋电磁场使电导体加热套制热。其中，电导体加热套可以为石墨加热套，石墨具有优良的导电和导热性能，在特种工业炉中常用石墨作为发热体。石墨加热套可以为圆筒状。保温层可以为陶瓷纤维保温层，可使处于电导体加热套内的熔融金属保持较高温度。加热过程中，高频感应线圈通电后通过电磁感应的方式先加热石墨加热套，石墨加热套再将热量传递给坩埚3，从而能够将坩埚3中的合金原料熔化。具体地，石墨加热套在电磁感应涡流作用下迅速升温，将热量均匀传递给坩埚3内部的金属材料，并且电磁感应涡流对金属熔体有搅拌作用，这样的加热方式能保证金属材料充分熔化均匀。

其中，水冷机8还可以用于对高频感应线圈进行水冷，水冷机8与高频感应线圈之间可以是通过水冷管进行连通。在更优选的实施方式中，高频感应线圈由形成有空芯通道的紫铜管绕制而成。高频感应线圈在能够产生涡旋电磁场使电导体加热套发热的同时，还有紫铜管里的空芯通道直接与水冷机8通过管道连通，而能够防止高频感应线圈自身过热。这种直接在紫铜管的空芯通道里通冷水进行制冷的方式，可以适应有更高加热需求的加热器2。

此外，再次参见图1，金属材料定向凝固装置还包括红外测温仪7；容器1上设置有透明观察窗(可以为玻璃观察窗)，支撑架安装于容器1的上部，支撑架能够将红外测温仪7固定于容器1顶部的透明观察窗之上。红外测温仪7有着响应时间快、非接触、使用安全及使用寿命长等优点，其在容器1的外部即可以通过透明观察窗监测到容器1内部的红外辐射能量变化，从而可以方便又快捷地得到实时温度数据。其中，红外测温仪7的测温范围在500℃～2000℃。

进一步地，如图1所示，金属材料定向凝固方法还可以包括加料机构9。其中，加料机构9包括螺杆和加料勺，螺杆从外部贯穿容器1的容器壁而伸入密封腔室内，螺杆能够相对于容器壁轴向旋转，加料勺设置于螺杆的位于密封腔室内的一端，在熔化的保温过程中进行稀土等元素的添加，能够减少金属挥发等损失。预先将需要添加的材料放置于加料勺上，在保温状态下，从容器1的外部旋转螺杆而使加料勺翻转，从而能够将需添加的材料加入到合金材料里，最终得到性能更优的高温定向凝固铸锭。具体地，本装置通过加料机构9可在合金中添加稀土等易挥发元素，进一步提高合金铸锭的性能，例如，在2Cr13不锈钢中加入微量的Ce(铈)可提高合金的冲击韧性。

以下结合具体的实施例，来对本发明的金属材料定向凝固方法进行进一步说明。

实施例1：

按照Fe₈₀Cr₁₅Ni₅原子比例配制0.05kg～10kg的合金原料，放入坩埚3，坩埚3的高度在15mm～350mm，外径在15～120mm。关闭容器1，打开真空泵11将密封腔室抽至1×10^-6～1×10^-4Pa，再向密封腔室内充入高纯氩气至0.8×10⁵～1×10⁵Pa，重复此过程3～5次。打开高频感应线圈将电流由0调至10A～35A，通过石墨加热套加热坩埚3中的样品，其中，石墨加热套的厚度为10mm～20mm，高度为20mm～400mm。通过密封腔室上方的玻璃观察窗外设置的红外测温仪7，判断样品的熔化情况，待样品熔化后保温5～30分钟，其中，保温层的厚度在10mm～30mm。打开抽拉装置6的电源，电机转速设置为1r/min～3000r/min，减速器减速比为1/200～1/20，滚珠丝杠导程为2mm～25mm，抽拉速率为1.67×10^-4mm/s～62.5mm/s，将结晶杆4和坩埚3拉进结晶器5。凝固结束后关闭加热器和抽拉装置6的电源，待样品和密封腔室冷却25～35分钟后打开密封腔室，脱模取样即得到定向凝固Fe₈₀Cr₁₅Ni₅合金铸锭。

实施例2：

按照Fe₈₀Cr_14.8Ni₅Ce_0.2原子比例配制8kg的合金原料，将Fe、Cr、Ni金属原料放入坩埚3，坩埚3的高度为350mm，外径为100mm；Ce放入加料机构9中的加料勺上。关闭高真空的密封腔室，打开真空泵11将密封腔室抽至1×10^-6Pa，再向密封腔室内充入高纯氩气至1×10⁵Pa，重复此过程4次。打开高频感应线圈，将电流由0调至35A，通过石墨加热套加热坩埚3中的样品，其中，石墨加热套的厚度为20mm，高度为400mm。通过密封腔室上方的玻璃观察窗外设置的红外测温仪7，判断样品的熔化情况，待样品熔化后保温20分钟，其中，保温层的厚度在30mm。旋转加料机构9，加入元素Ce，继续保温3分钟。打开抽拉装置6的电源，电机转速设置为3000r/min，减速器减速比为1/20，滚珠丝杠的导程为25mm，抽拉速率为62.5mm/s，将结晶杆4和坩埚3拉进结晶器5。凝固结束后关闭加热器2和抽拉装置6的电源，待样品和密封腔室冷却30分钟后打开密封腔室，脱模取样即得到定向凝固Fe₈₀Cr_14.8Ni₅Ce_0.2合金铸锭。

实施例3：

按照Ti₈₀Ni₁₀Al₅Cr₅原子比例配制0.1kg的合金原料，放入坩埚3，坩埚3的高度为20mm，外径为15mm。关闭高真空的密封腔室，打开真空泵11将密封腔室抽至1×10^-4Pa，再向密封腔室内充入高纯氩气至0.8×10⁵Pa，重复此过程3次。打开高频感应线圈，将电流由0调至10A，通过石墨加热套加热坩埚3中的样品，其中，石墨加热套的厚度为10mm，高度为25mm。通过密封腔室上方的玻璃观察窗外设置的红外测温仪7，判断样品的熔化情况，待样品熔化后保温5分钟，其中，保温层的厚度在15mm。打开抽拉装置6的电源，电机转速设置为1r/min，减速器减速比为1/200，滚珠丝杠的导程为2mm，抽拉速率为1.67×10^-4mm/s，将结晶杆4和坩埚3拉进结晶器5。凝固结束后关闭加热器2和抽拉装置6的电源，待样品和密封腔室冷却30分钟后打开密封腔室，脱模取样即得到定向凝固Ti₈₀Ni₁₀Al₅Cr₅合金铸锭。

需要理解的是，以上对本发明的具体实施例进行的描述只是为了说明本发明的技术路线和特点，其目的在于让本领域内的技术人员能够了解本发明的内容并据以实施，但本发明并不限于上述特定实施方式。凡是在本发明权利要求的范围内做出的各种变化或修饰，都应涵盖在本发明的保护范围内。

Claims (9)

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。

4.如权利要求1所述的金属材料定向凝固方法，其特征在于：所述金属材料为纯金属或者金属合金。

5.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。

6.如权利要求5所述的金属材料定向凝固方法，其特征在于：进行保温的时间为5min～30min。

7.如权利要求1-6中任一项所述的金属材料定向凝固方法，其特征在于：所述预定速度范围为1.67×10^-4mm/s～62.5mm/s。

8.如权利要求1-6中任一项所述的金属材料定向凝固方法，其特征在于：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。

9.如权利要求1-6中任一项所述的金属材料定向凝固方法，其特征在于：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。

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