[发明专利]控制单晶金属铸件平台杂晶形成的装置、方法及其应用

说明书

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。

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：