[发明专利]一种金属的定向凝固装置及凝固方法

说明书

本发明公开了一种金属的定向凝固装置及凝固方法，属于金属铸造领域，旨在规避单晶定向凝固制备的雀斑缺陷问题。通过对坩埚的外壁设置加热器来融化合金块，再对结晶器上设置冷却装置，能在合金液进入陶瓷膜时快速冷却合金液，形成凝固的合金；将结晶器与冷却装置连接可以对陶瓷膜的固定位置进行强制冷却，以恒定速度移动结晶器和冷却装置，凝固界面一直相对于合金液面保持固定高度和恒定的温度梯度。本发明提出的一种金属定向凝固装置，通过结晶器、舱体、加热器和冷却装置实现了金属的定向凝固，解决了因雀斑缺陷导致的资源浪费问题，提高了生产效率。

技术领域

本发明属于金属铸造领域，涉及一种金属的定向凝固装置及凝固方法。

背景技术

晶体的凝固生长通常是有择优取向的，这使得晶体的物理性质在各个方向通常是不完全一致的。晶体的凝固生长具体是由其液固界面的推进所造成的，而这很大程度取决于液固界面前沿的温度梯度。因而在工程上，可以通过技术手段在液固界面附近做温度梯度控制，从而使得晶体生长方向一致，从而获得物理性能在某些方向可以精确控制的材料。

这种控制晶体沿着某一方向择优生长的技术称为定向凝固技术，其广泛应用于各种晶体制备领域当中，特别适配于单晶高温合金叶片的制备。这是由于，这些叶片通常服役于温度极高(接近合金熔点)的恶劣工况之中，在这种条件下，传统多晶材料的晶界在高温下会作为弱化的缺陷从而使得材料的强度、刚度失效，因而这必须要求整个叶片由一个晶粒长出，从而提高叶片的使用温度。

Bridgeman方法是最常用的用于生长单晶高温合金叶片的方法。其核心思想是在加热仓中竖直放置上下均开口的异形陶瓷模，陶瓷模的底部连接有冷却板，加热仓的下部连接有冷却域，陶瓷模在冷却域与加热仓间上下穿梭移动；进行定向凝固时，合金液体从陶瓷模上部倒入，并同时将整个陶瓷模向下拉进入冷却域，以使得凝固释放的热量被冷却域吸收，从而使得液固界面水平一直维持在加热仓与冷却域交界处附近。此时，相对于在向下拉的模具下部连接的冷却板来说，合金是从下向上逐层定向凝固的。

但在上述过程当中，并不是全部条件下所凝固的样品均是定向凝固的单晶体，在一些情况下，定向凝固的样品之中会包含少量的晶粒取向与整个样品不同的缺陷，如杂晶、雀斑，这些缺陷的存在会极大损坏样品的性能。一些研究表明，这些缺陷的出现主要与凝固时液固界面附近的温度梯度有关，当温度梯度较大时，会减弱甚至消除这种缺陷。

因而在工程上，围绕Bridgeman方法考虑了温度梯度的设计和经济性，发展了一系列方法，如液态金属浸浴法(冷却域填充为液态金属，温度场均匀可控，但成本高，实现难度也大)、气体冷却法(冷却域是喷射气体，成本低，但容易使得加热仓温度过低导致叶片质量下降)，基于此2类思路，领域内还改进了许多方法。

但据报道，这些方法难以根除雀斑问题。原因在于，对于包含有显著的成分过冷的合金液(如高温合金)，其凝固界面是以树枝晶而非平面晶推进的，对于上述Bridgeman法以及类Bridgeman法，树枝晶的生长是朝上的，先凝固的树枝晶干会富集高熔点大密度相(如W、Re)，从而使得树枝晶的糊状区富集低密度相，使凝固层的液体的密度低于上层未凝固液体，从而引发重力对流。这些对流在可能会对已经凝固的树枝晶壁造成破坏，从而形成凝固缺陷。

当温度梯度较大，凝固推进较快，可能使该对流来不及发生从而减弱了缺陷影响，但不能根本上避免此类风险。

为避免雀斑问题，领域内提出了向上提拉法，即将陶瓷模竖直放于合金液之上，选晶器以及子晶置于陶瓷模的内的上部，将陶瓷模竖直浸入合金液体当中没过陶瓷模下口，然后向上匀速提拉陶瓷模，合金液体会在大气压的作用下吸入陶瓷模内与子晶接触开始形核，从而使得凝固方向从上至下，避免了雀斑的产生。

然而这种设计也存在如下问题：

(1)陶瓷模内的气体不易排出从而影响了子晶的作用；