CN1332070C - 一种籽晶法定向凝固起始端结构及其应用 - Google Patents
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Abstract
一种能提高单晶生长成功率的籽晶法定向凝固起始端结构及其应用，采用20-40°的圆锥形籽晶，以预埋的方式置于型壳中，使圆锥底部与结晶器接触，以同成分的母合金为实验材料进行定向凝固。在开始下拉的引晶阶段，可增大固液界面的温度梯度，且能维持稳定的内凹的固液界面，抑制杂晶的形核；进而提高定向凝固过程中生长单晶的成功率。
Description
技术领域
本发明涉及单晶的定向凝固技术，具体地说是一种能提高单晶生长成功率的籽晶法凝固定向起始端结构及其应用，尤其适用于坩埚下降法制取非[001]取向的单晶高温合金材料或零件。
背景技术
单晶高温合金的最显著的特征就是具有各向异性。基于择优生长原理的选晶法只能制备[001]取向的单晶，为了全面了解单晶高温合金的性能就必须采用籽晶法获得其他取向的单晶。传统技术中，通常采用圆柱形籽晶，虽然加工籽晶过程简便，但需要使用型壳复杂的底注法，更重要的是容易导致籽晶全部熔化或者单晶生长过程失稳，降低了生长单晶的成功率。
发明内容
为了克服传统籽晶技术生长成功率低的不足，本发明提供一种籽晶法定向凝固起始端结构及其应用，新形状的籽晶及其装入型壳的方法可避免圆柱籽晶容易全部熔化或生长失稳的缺点，大幅提高生长单晶的成功率。
为解决上述问题，本发明采用的技术方案为：
一种籽晶与陶瓷型壳相配合的定向凝固起始端结构，用于制取不同取向的单晶合金材料及零件；采用的籽晶外形为圆锥形，可为圆锥或锥台；
圆锥或锥台如果顶角太小，则与圆柱籽晶没有太大差别，不能起到提高温度梯度的作用；如果角度太大则丧失了定向散热的特征同样不利于合金液定向凝固；籽晶的锥角最好为20-40°。
考虑到[001]单晶的尺寸限制和制备模壳时的便利，籽晶的尺寸通常在以下范围内：高度为14-20毫米，顶面直径为0-3毫米，底面直径为8-15毫米。
应用时，将籽晶与蜡型连接成一体，进而将籽晶直接埋入型壳内，圆锥底部与结晶器接触。
本发明的优点为：有助于防止籽晶全部熔化和建立较高的固液界面温度梯度，抑制杂晶形核，显著提高籽晶法生长单晶的成功率。
其原因如下：
1)籽晶法生长单晶时，因籽晶底部与结晶器通常难以密切接触，因而散热阻力较大，采用圆柱籽晶时，容易发生籽晶全熔或者温度梯度过低而形成新的晶核。而本发明改用圆锥形籽晶后，可使散热面积大于热量传入的面积，提高热流强度，即使籽晶与结晶器接触不太好的情况下，也能保证足够的温度梯度。
2)由于籽晶的圆锥状外形可在其内部建立独特的热流场，使固液界面为内凹状，可抑制杂晶在试样的外缘形核。
3)籽晶埋入型壳的方法可实现籽晶与型壳配合紧密，防止钢液沿其间的缝隙流下。即使有少量流下时，圆锥状的外形可阻止籽晶向上移位，不象圆柱籽晶那样容易与结晶器脱离而全部熔化。因而可以克服圆柱籽晶及籽晶后装法的缺点，提高单晶生长成功率。
附图说明
图1为籽晶与模壳组件的结构示意图；
图2为20°顶角圆锥籽晶生长单晶成功凝固后的纵向组织示意图；
图3为40°顶角圆锥籽晶生长单晶成功凝固后的纵向组织示意图。
具体实施方式
本实施例是取一种无铼单晶高温合金DD98在工业用大型双区加热ZGD-2真空单晶炉中通过籽晶法生长单晶，共选用了2种不同顶角的籽晶。
1.从选晶法制取的[001]单晶高温合金中切取顶角为20°的圆锥形[011]籽晶，20度顶角的为锥台形籽晶的顶面直径为2.7毫米，底面直径为8毫米，高度为15毫米；采用预埋的方式将其置入陶瓷型壳，以同成分的母合金为实验材料进行定向凝固，可得到按[011]籽晶方向生长的单晶。
2.从选晶法制取的[001]单晶高温合金中切取顶角为40°的圆锥形[011]籽晶，高度为14毫米；采用预埋的方式将其置入型壳，以同成分的母合金为实验材料进行定向凝固，可得到按[011]籽晶方向生长的单晶。
通过分析结果可知，采用20°顶角的圆锥形籽晶后，其生长成功率比用圆柱形籽晶时大幅提高，可达90％。采用40°顶角的圆锥形籽晶后，由于籽晶高度受[001]单晶直径的限制，在制备型壳时容易从型壳中脱落，其成功率虽低于20°顶角籽晶的情况，但比圆柱形籽晶时仍有明显提高。这是因为圆锥形籽晶在开始下拉的引晶阶段，可增大固液界面的温度梯度，且能维持稳定的内凹的固液界面，抑制杂晶的形核；进而提高定向凝固过程中生长单晶的成功率。
Claims (2)
1.一种籽晶法定向凝固起始端结构，其特征在于：籽晶为圆锥形或锥台形，圆锥或锥台的锥角为20-40°；将籽晶与蜡型连接成一体，进而将籽晶直接埋入型壳内，圆锥底部与结晶器接触，以与籽晶同成分的母合金为实验材料进行定向凝固。
2.按照权利要求1所述的籽晶法定向凝固起始端结构，其特征在于：籽晶的尺寸在以下范围内，高度为14-20毫米，顶面直径为0-3毫米，底面直径为8-15毫米。
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