[发明专利]强静磁场诱导定向凝固合金柱状晶向等轴晶转变的方法

说明书

技术领域

本发明涉及一种在强静磁场下诱导合金定向凝固组织由柱状晶向等轴晶转变的方法，提供了一种和现有通过机械振荡、电磁振荡法不同的诱导定向凝固组织形貌由柱状晶向等轴晶转变的新工艺，属于合金组织控制研究技术领域。

背景技术

枝晶是材料制备成形过程中最为常见的一种组织花样，其尺寸及形态对材料的最终性能具有非常重要的影响。在通常情况下，人们一般希望枝晶能够以等轴晶方式生长，因为由等轴晶生长所得到的多晶材料，具有性能的非各向异性，在受力变形时，由于存在多晶粒变形的相互协调作用，且内部大量的晶界一方面可以提高变形抗力，同时又可以阻断裂纹的发展，因此通常具有较高的强度和塑性。由此可见，材料凝固过程中对柱状晶和等轴晶生长的控制对材料的最终使用性能具有非常重要的影响。

为了获得细化的等轴晶组织，研究者们进行了大量的探索和研究。根据控制熔体手段的作用方式不同，可以将这些手段分为热力学控制方式、化学控制方式以及动力学控制方式。

热力学控制方式的原理基于凝固的结晶学理论，约翰逊-梅尔方程可导出，在t时间内形成的晶核数P(t)与形核率N及长大速率v_g之间的关系：

由上式可知，形核率N越大，晶粒越细小。同一种材料的N和v_g都取决于过冷度，增大过冷度，N迅速增大，且比v_g更快，因此，在一般凝固条件下，增加过冷度可使凝固后的晶粒细化。化学控制方式是通过在熔体中加入孕育剂，实际的凝固都为非均匀形核，为提高形核率，可在熔液凝固以前加入能作为非均匀形核基底的人工形核剂。

与前两种方法相比，利用动力学作用细化晶粒，促进促进柱状晶向等轴晶转变在于偏析较小、不引入杂质元素。常用的包括两大类：1.机械振动2.物理场。机械振动包括：机械搅拌、振动、摆动等；物理场包括：交变电场、超声波、行波磁场、旋转磁场以及电磁复合场。外场的作用通常可以导致柱状晶断裂，游离与熔体中，发生柱状晶向等轴晶的转变，并时晶粒发生细化。这些方法可以有效促进熔体流动，使得熔体内温度场均匀化，

但是，上述外场仍存在很多缺陷。机械振荡方法需要通过振荡器与熔体接触才能将振荡力传至熔体，造成金属液的污染，同时，振荡的细化效果主要集中于振荡器附近，得到的组织不均匀。超声振荡的缺陷在于声波在高温熔体中耗散严重，细化区域有限。脉冲电流(磁场)可在短时间内产生剧烈振荡，但是电流过大则易造成熔体飞溅，电流太小，会使新形成的晶粒在高温熔体中重熔，弱化细化效果。

为此，上海大学强磁场课题组，通过在结晶器内金属熔体上部插入一对电极，并通入交流电，结晶器外侧施加强静磁场，利用自冷电极诱发电极附近熔体迅速形核，同时结合电磁振荡促使晶核弹射到金属熔体中，形成其后金属凝固的核心主体，获得细晶组织材料。但是这种方法，设备复杂，在工业生产中难以实施；电极与熔体接触，仍然会污染金属液；同时电极处需要通入高频电流，需要消耗大量能源，故工业推广也存在障碍。

发明内容

针对现有技术存在的不足，本发明的目的是提供一种在强静磁场下诱导合金定向凝固组织发生柱状晶向等轴晶转变的方法。

本发明一种强静磁场诱导定向凝固组织发生柱状晶向等轴晶转变的方法，其特征在于将定向凝固中固液界面置于强静磁场中心位置，通过热电磁效应在枝晶尺寸下发挥的作用，将枝晶打断，在界面前沿增大形核率，最终导致柱状晶向等轴晶转变，使得晶粒得到细化。该方法不需要复杂的设备，只需要施加强静磁场，因而工业推广性强；通过磁场产生的热电磁力导致枝晶的断裂，真正做到了无污染，可用于制备高纯度的细晶组织。总的来说，该方法操作简单、易于实现，为促进柱状晶向等轴晶转变，从而获得性能优异的等轴晶组织提供了一种新思路。

本发明方法的特点和原理如下所述：

本发明一种强静磁场诱导定向凝固组织发生柱状晶向等轴晶转变的方法所用的定向凝固装置，它为传统常规的装置，包括有水冷夹套、加热炉、合金棒、超导强磁体、合金棒已凝固部分、淬火池以及拉杆；其特征在于定向凝固装置至于超导强磁体中；在超导强磁体和加热炉中间设置一水冷夹套；试样的固液界面处于强磁体的稳恒磁场区域。