CN113279049A - 控制单晶金属铸件平台杂晶形成的装置、方法及其应用 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及一种控制单晶金属铸件平台杂晶形成的装置、方法及其应用，通过这种磁场稳定熔体流动、减小液固界面曲率、不破坏枝晶形态的效应降低单晶金属铸件平台杂晶。其具体如下：在定向凝固炉外安装Cusp磁体，通过控制磁场强度大小和磁场中心相对于铸件凝固中液固界面的位置，在定向凝固的铸件液固界面产生不同强度的流动来减小液固界面的曲率，进而有效的抑制杂晶形成，比如变截面平台处的杂晶，改善单晶晶体的整体和完整性，提升后续的服役性能。本发明具有装备简单和易于实现等优点，可以应用在各种单晶金属铸件的制备中，比如单晶高温合金叶片。
Description
技术领域
本发明涉及一种定向凝固工艺及其装置，特别是涉及一种利用Cusp磁场(勾形磁场)控制单晶金属铸件的工艺及装置，应用于定向凝固单晶金属铸件杂晶控制技术领域。
背景技术
单晶铸件的生长方向平行于其服役的应力方向时，可以极大提高其服役性能。比如单晶高温合金叶片使用在航空和燃气轮机发动机中燃烧室中最前端，由于其消除了晶界，使得承温能力和力学性能显著提升，使用温度较定向柱晶高温合金提高30℃，如今凡是新发展的先进航空发动机和燃气轮机，都采用单晶高温合金制作涡轮叶片和导向叶片。可以说，没有单晶高温合金，就没有现代先进的航空发动机和燃气轮机。但是我们知道，实际使用的叶片一般由叶身和大小缘板构成，沿着生长方向的截面在不断变化中，尤其是处于变截面的平台，所以定向凝固单晶叶片生产过程中，平台杂晶总是常常出现，这会重新引入晶界，晶界通常是低熔点元素和有害相的偏聚处，且服役过程中也是应力集中处，严重损害了叶片的力学性能和使用寿命，所以控制和减少单晶叶片中的杂晶成为研究人员特别关注的问题。
为了消除单晶高温合金平台杂晶的形成，国内外学者们也提出了各种的方法，如变速抽拉、辅助引晶杆技术、变截面平台区添加石墨块、施加强磁场等。但是，这些技术在实际生产中的应用都受到一定程度的限制，比如生产效率不高、易产生小角度晶界、技术复杂不易控制、设备复杂且耗能较高等，探索新的控制杂晶形成的方法也仍具有较强的迫切性。
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，提供一种控制单晶金属铸件平台杂晶形成的装置、方法及其应用，本发明提供了一种简单易行的Cusp磁场施加在单晶定向凝固中抑制杂晶形成的装置。在单晶铸件定向凝固不断推进的液固界面周围施加Cusp磁场，通过该结构磁场能够抑制远处熔体的流动、减小液固界面曲率、增加液固界面前沿稳定性、不破坏枝晶形态的效应，增加金属铸件平台区域的径向温度均匀性，最终达到消除或者抑制单晶铸件平台杂晶的目的，获得较为理想的完整的单晶，提高其服役性能。
为达到上述目的，本发明采用如下发明构思：
本发明提出了一种采用上述装置控制单晶铸件平台杂晶形成的方法。由于单晶铸件平台区杂晶的形成源于平台区域横向方向中间到边缘的温度差较大，使得定向凝固液固界面推进到平台区域时，平台边缘和中间同时处于过冷状态，中间正在生长的枝晶未达到边缘时，边缘已经过冷，长出独立的枝晶，形成杂晶。Cusp磁场具有特殊的结构，呈现轴对称和上下对称，由中间对称线往上，磁场强度逐渐增强，纵向分量逐渐加大，径向分量逐渐减小。将Cusp磁场中心区域施加到单晶铸件平台区域附近，其结构特点可以减小液固界面曲率、增加液固界面前沿稳定性、不破坏枝晶形态的效应，抑制杂晶的形成；该结构磁场对于熔体远离液固界面远处的熔体的抑制作用，对稳定熔体总体的流场也起到了较好的作用，进一步增强其在平台区域抑制杂晶的效应。
根据上述发明构思，本发明采用如下技术方案：
一种控制单晶金属铸件平台杂晶形成的装置，包括Cusp磁体系统和定向凝固设备系统；其中，Cusp磁体系统包括Cusp磁体主体、直流电源、冷水机；其中，定向凝固系统包括定向炉体、加热体、控温系统、冷却系统、抽拉系统；在磁体中心竖直的圆柱形内腔通道内安放定向凝固加热炉，炉体上方有测量炉内温度的热电偶，炉壁设置有保温层，炉体内装有带加热电源的石墨电阻；炉体下方安装设置冷却介质腔，在冷却介质腔中装入冷却金属液或冷却气体，与抽拉系统相连的活动拉杆从冷却介质腔中穿过，活动拉杆的顶端连接装有母合金的刚玉管，刚玉管安装在炉体内腔中，使母合金熔体从炉体内腔进入刚玉管中，在加热炉和液态金属腔之间设有隔热层。
优选地，Cusp磁体由上下对称的两个线圈组组成，两个线圈组分别通以大小相等和方向相反的直流电，线圈组采用水冷铜线圈或超导线圈；或采用永磁体代替线圈组作为上下对称的两个永磁体，组成Cusp磁体；单个线圈组的强度不超过10T。
优选地，Cusp磁体的上下两个磁极的位置可调整，其间距是每个磁体等效半径的0.5～2倍。
优选地，Cusp磁体的中心位置围绕着炉体内单晶铸件模壳中液固界面的位置做一定范围的调整，调整幅度在不大于100mm的范围内。
优选地，定向凝固系统的冷却系统采用水冷铜盘。
优选地，在冷却介质腔中装入冷却金属液采用Ga-In-Sn液、Sn液或者Al液，形成液冷装置；优选地，在冷却介质腔中通入冷却气体采用冷空气，形成气冷装置。
一种控制单晶金属铸件平台杂晶形成的方法，采用本发明控制单晶金属铸件平台杂晶形成的装置控制单晶铸件平台杂晶形成，其特征如下：利用Cusp磁体系统生成Cusp磁场，呈现轴对称和上下对称的磁场强度分布，由Cusp磁体的中间对称线往上，磁场强度逐渐增强，磁场强度纵向分量逐渐加大，磁场强度径向分量逐渐减小；将Cusp磁场中心区域施加到单晶铸件平台区域附近，减小液固界面曲率、增加液固界面前沿稳定性、不破坏枝晶形态的效应，并抑制金属单晶铸件中杂晶的形成。
一种本发明控制单晶金属铸件平台杂晶形成的方法的应用，适合于各种下拉或者上引的定向凝固方法；适合于定向凝固的各种抽拉速度和温度梯度。
还有一种本发明控制单晶金属铸件平台杂晶形成的方法的应用，适用于高温合金单晶或NbSi基的金属单晶铸件杂晶的形成。
另有一种本发明控制单晶金属铸件平台杂晶形成的方法的应用，适用于控制航机用的小叶片、燃机用的大叶片以及其他金属叶片的各种尺寸金属单晶铸件的杂晶形成。
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.本发明由施加的Cusp磁场结构可以减小液固界面曲率、增加液固界面前沿稳定性、不破坏枝晶形态的效应，抑制杂晶的形成；该结构磁场对于熔体远离液固界面远处的熔体的抑制作用，对稳定熔体总体的流场也起到了较好的作用，进一步增强其在平台区域抑制杂晶的效应；本发明金属凝固中不与金属直接接触，不会对金属造成污染；上下两个磁体可以是一对线圈、也可以由永磁体组成，实现方式简单；
2.本发明的装置和方法能够有效的消除单晶铸件的平台杂晶，提高单晶的完整性，减少其缺陷，提高生产效率和生产质量，节约成本，改善其后续服役性能；
3.本发明应用在各种单晶铸件的制备中，比如高温合金叶片。
附图说明
图1为本发明的Cusp磁体与定向凝固装置示意图。
图中附图标记代表：1-热电偶，2-Cusp磁体，3-隔热层，4-进水口，5-活动拉杆，6-保温层，7-石墨电阻，8-刚玉管，9-冷却介质腔，10-出水口。
图2为利用本发明装置和方法制备的单晶高温合金在无磁场和通入50A电流的Cusp磁场时变截面上方5mm处的EBSD图。
图3为利用本发明装置和方法制备的单晶高温合金在无磁场和通入100A电流的Cusp磁场时变截面上方5mm处的EBSD图。
具体实施方式
以下结合具体的实施例子对上述方案做进一步说明，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1，一种控制单晶金属铸件平台杂晶形成的装置，包括Cusp磁体系统和定向凝固设备系统；其中，Cusp磁体系统包括Cusp磁体2主体、直流电源、冷水机；其中，定向凝固系统包括定向炉体、加热体、控温系统、冷却系统、抽拉系统；在磁体中心竖直的圆柱形内腔通道内安放定向凝固加热炉，炉体上方有测量炉内温度的热电偶1，炉壁设置有保温层6，炉体内装有带加热电源的石墨电阻7；炉体下方安装设置冷却介质腔9，在冷却介质腔9中装入冷却金属液或冷却气体，与抽拉系统相连的活动拉杆5从冷却介质腔9中穿过，活动拉杆5的顶端连接装有母合金的刚玉管8，刚玉管8安装在炉体内腔中，使母合金熔体从炉体内腔进入刚玉管8中，在加热炉和液态金属腔之间设有隔热层3。定向凝固系统的冷却系统采用水冷铜盘，水冷铜盘设置在冷却介质腔9的外侧，水冷铜盘包括进水口4和出水口10。
本实施例控制单晶金属铸件平台杂晶形成的方法，采用本实施例控制单晶金属铸件平台杂晶形成的装置控制单晶铸件平台杂晶形成，利用Cusp磁体系统生成Cusp磁场，呈现轴对称和上下对称的磁场强度分布，由Cusp磁体2的中间对称线往上，磁场强度逐渐增强，磁场强度纵向分量逐渐加大，磁场强度径向分量逐渐减小；将Cusp磁场中心区域施加到单晶铸件平台区域附近，减小液固界面曲率、增加液固界面前沿稳定性、不破坏枝晶形态的效应，并抑制金属单晶铸件中杂晶的形成。
在本实施例中，参见图2，单晶高温合金在一定的拉速和温度梯度下无磁场和通入50A电流的Cusp磁场时变截面上方5mm处的EBSD图。可以看出，无磁场和通电电流为50A的Cusp磁场下，横截面上杂晶面积比例分别为14.1％、3.4％。可以得到，Cusp磁场有抑制杂晶产生的作用。
本实施例在单晶铸件定向凝固不断推进的液固界面周围施加Cusp磁场，通过该结构磁场能够抑制远处熔体的流动、减小液固界面曲率、增加液固界面前沿稳定性、不破坏枝晶形态的效应，增加金属铸件平台区域的径向温度均匀性，最终达到消除或者抑制单晶铸件平台杂晶的目的，获得较为理想的完整的单晶，提高其服役性能。
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，将Cusp磁场中通电电流由50A增大至100A。
在本实施例中，参见图3，单晶高温合金在一定的拉速和温度梯度下无磁场和通入100A电流的Cusp磁场时变截面上方5mm处的EBSD图。可以看出，无磁场和通电电流为100A的Cusp磁场下，横截面上杂晶面积比例分别为14.1％、2.3％。与实施例一对比，可以得到，Cusp磁场有抑制杂晶产生的作用，且随着Cusp磁场强度的增大，抑制杂晶的作用在增强。
实施例三：
本实施例与前述实施例基本相同，特别之处在于：
在本实施例中，Cusp磁体由上下对称的两个线圈组组成，两个线圈组分别通以大小相等和方向相反的直流电，线圈组采用水冷铜线圈或超导线圈；或采用永磁体代替线圈组作为上下对称的两个永磁体，组成Cusp磁体；单个线圈组的强度不超过10T。本实施例通过Cusp磁体的选择实现对Cusp磁场的调控。
实施例四：
本实施例与前述实施例基本相同，特别之处在于：
在本实施例中，Cusp磁体2的上下两个磁极的位置可调整，其间距是每个磁体等效半径的0.5～2倍。本实施例通过Cusp磁体的两个磁极的位置调节实现对Cusp磁场的调控。
实施例五：
本实施例与前述实施例基本相同，特别之处在于：
在本实施例中，Cusp磁体2的中心位置围绕着炉体内单晶铸件模壳中液固界面的位置做一定范围的调整，调整幅度在不大于100mm的范围内。本实施例通过Cusp磁体2和单晶铸件的位置关系调节实现对Cusp磁场的调控。
实施例六：
本实施例与前述实施例基本相同，特别之处在于：
在本实施例中，在冷却介质腔9中装入冷却金属液采用Ga-In-Sn或Sn液或Al液，形成液冷装置；或者，在冷却介质腔9中通入冷却气体采用冷空气，形成气冷装置。本实施例通过冷却方式的选择实现对装置冷却效果的调控。
综上所述，上述实施例用Cusp磁场控制单晶金属铸件平台杂晶形成，通过这种磁场稳定熔体流动、减小液固界面曲率、不破坏枝晶形态的效应降低单晶金属铸件平台杂晶。在定向凝固炉外安装Cusp磁体，通过控制磁场强度大小和磁场中心相对于铸件凝固中液固界面的位置，在定向凝固的铸件液固界面产生不同强度的流动来减小液固界面的曲率，进而有效的抑制杂晶形成，比如变截面平台处的杂晶，改善单晶晶体的整体和完整性，提升后续的服役性能。上述实施例具有装备简单和易于实现的优点，可应用在各种单晶金属铸件的制备中，比如单晶高温合金叶片。
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、组合或简化，均应为等效的置换方式，只要符合本发明的发明目的，只要不背离本发明的技术原理和发明构思，都属于本发明的保护范围。
Claims (10)
1.一种控制单晶金属铸件平台杂晶形成的装置，其特征如下：包括Cusp磁体系统和定向凝固设备系统；
其中，Cusp磁体系统包括Cusp磁体(2)主体、直流电源、冷水机；
其中，定向凝固系统包括定向炉体、加热体、控温系统、冷却系统、抽拉系统；在磁体中心竖直的圆柱形内腔通道内安放定向凝固加热炉，炉体上方有测量炉内温度的热电偶(1)，炉壁设置有保温层(6)，炉体内装有带加热电源的石墨电阻(7)；炉体下方安装设置冷却介质腔(9)，在冷却介质腔(9)中装入冷却金属液或冷却气体，与抽拉系统相连的活动拉杆(5)从冷却介质腔(9)中穿过，活动拉杆(5)的顶端连接装有母合金的刚玉管(8)，刚玉管(8)安装在炉体内腔中，使母合金熔体从炉体内腔进入刚玉管(8)中，在加热炉和液态金属腔之间设有隔热层(3)。
2.根据权利要求1所述控制单晶金属铸件平台杂晶形成的装置，其特征如下：Cusp磁体由上下对称的两个线圈组组成，两个线圈组分别通以大小相等和方向相反的直流电，线圈组采用水冷铜线圈或超导线圈；或采用永磁体代替线圈组作为上下对称的两个永磁体，组成Cusp磁体；单个线圈组的强度不超过10T。
3.根据权利要求1所述控制单晶金属铸件平台杂晶形成的装置，其特征如下：Cusp磁体(2)的上下两个磁极的位置可调整，其间距是每个磁体等效半径的0.5～2倍。
4.根据权利要求1所述控制单晶金属铸件平台杂晶形成的装置，其特征如下：Cusp磁体(2)的中心位置围绕着炉体内单晶铸件模壳中液固界面的位置做一定范围的调整，调整幅度在不大于100mm的范围内。
5.根据权利要求1所述控制单晶金属铸件平台杂晶形成的装置，其特征如下：冷水机或定向凝固系统的冷却系统采用水冷铜盘。
6.根据权利要求1所述控制单晶金属铸件平台杂晶形成的装置，其特征如下：在冷却介质腔(9)中装入冷却金属液采用Ga-In-Sn或Sn液或Al液，形成液冷装置；或者，在冷却介质腔(9)中通入冷却气体采用冷空气，形成气冷装置。
7.一种控制单晶金属铸件平台杂晶形成的方法，采用权利要求1所述控制单晶金属铸件平台杂晶形成的装置控制单晶铸件平台杂晶形成，其特征如下：利用Cusp磁体系统生成Cusp磁场，呈现轴对称和上下对称的磁场强度分布，由Cusp磁体(2)的中间对称线往上，磁场强度逐渐增强，磁场强度纵向分量逐渐加大，磁场强度径向分量逐渐减小；将Cusp磁场中心区域施加到单晶铸件平台区域附近，减小液固界面曲率、增加液固界面前沿稳定性、不破坏枝晶形态的效应，并抑制金属单晶铸件中杂晶的形成。
8.一种权利要求7所述控制单晶金属铸件平台杂晶形成的方法的应用，其特征如下：适合于各种下拉或者上引的定向凝固方法；适合于定向凝固的各种抽拉速度和温度梯度。
9.一种权利要求7所述控制单晶金属铸件平台杂晶形成的方法的应用，其特征如下：适用于高温合金单晶或NbSi基单晶的金属单晶铸件杂晶的形成。
10.一种权利要求7所述控制单晶金属铸件平台杂晶形成的方法的应用，其特征如下：适用于控制航机用的小叶片、燃机用的大叶片以及其他金属叶片的各种尺寸金属单晶铸件的杂晶形成。
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