[发明专利]一种强磁场控制定向凝固组织枝晶取向的方法

说明书

技术领域

本发明涉及一种强磁场控制定向凝固组织枝晶取向的方法，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。通常情况下，树枝晶生长的取向会尽可能与热流方向一致或相反，而且沿由晶体学确定的择优取向生长（例：Al枝晶，择优枝晶取向为<100>；Sn枝晶，择优枝晶取向为<110>）。在定向凝固的树枝晶单晶（例如涡轮叶片）中，组成这一单个晶粒的所有树枝晶都整齐地排列起来，从而改善了高温性能。

由于定向凝固组织及单晶存在明显的各向异性现象，晶体取向对合金性能的影响也是研究热点之一。Dalal等人发现单晶SC7-14-6合金的持久性能以<111>取向时为最高。Mckay等对Mar-M247单晶在760℃蠕变性能研究表明，在晶体取向<001>及<111>方向均有较高的性能。由于高对称的晶体取向（<001>，<111>），晶体蠕变达到交叉滑移所需的晶体转动较小，经相对较小的初始蠕变状态随即进入第二蠕变阶段，因而一般具有较长的持久寿命。以上研究均表明定向凝固组织中晶体的取向直接影响材料的各项性能。目前为止，为了获得具有一定枝晶取向的材料组织，一般采用的手段是通过定向凝固籽晶法控制晶体取向，或是通过轧制获得具有一定取向织构的材料。但是籽晶法往往需要制备出具一定取向的单晶作为籽晶，需要耗费大量的人力、物力。通过轧制方法得到的材料，其织构取向度不高。

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强磁场控制定向凝固组织枝晶取向的方法。与籽晶法和轧制法对比，本方法通过在定向凝固过程中引入强磁场，强磁场将导致具有磁各向异性的晶体发生转动，导致易磁化轴方向转向磁场方向。

为达到上述目的，本发明采用如下技术方案：

一种强磁场控制定向凝固组织枝晶取向的方法，具有以下的过程和步骤：

a. 选择99.99%的高纯合金原料，配置合金成分各为Bi-0.85wt%Mn（Bi-Mn合金），Al-12wt%Ni（Al-Ni合金），Al-4.5wt%Cu（Al-Cu合金）的三种合金在真空炉中熔炼，电磁搅拌1小时，使原材料充分合金化后，用内径为3mm的石英管进行真空负压吸铸，得到枝晶生长择优取向与易磁化方向各异的Bi-Mn、Al-Ni和Al-Cu三种体系的成分均匀的合金棒试样，并将其封装在刚玉坩埚中；

b. 将传统常规定向凝固装置放入超导强静磁场发生体内，超导磁体产生的静磁场强度范围为1~14T；将刚玉坩埚放置于定向凝固装置的拉杆上，使其能在加热炉中抽拉作垂直移动；加热使合金熔化，保温0.5小时后，开启抽拉系统以设定的拉速进行定向抽拉；试样定向凝固方向与磁场方向平行，凝固界面前沿液相的温度梯度随加热炉温度变化而变化；Bi-Mn合金定向凝固过程中加热炉中心炉温为650℃，固液界面前沿的温度梯度为50K/cm；Al-Ni和Al-Cu合金的加热炉中心炉温为900℃，温度梯度分别为38K/cm和68K/cm；在抽拉过程中保证固液界面处于稳恒磁场区域；

c. 抽拉至稳定生长时，迅速拉入Ga-In-Sn淬火池中进行淬火，得到枝晶生长方向发生改变的定向凝固柱状晶组织。

本发明方法采用传统常规的定向凝固装置，包括保护气氛输入管、水冷套管、加热炉、控温装置、合金棒试样、超导强磁体、淬火池、刚玉坩埚以及拉杆；放置有合金棒试样的刚玉坩埚放置在加热炉内；加热炉的外侧安装有水冷套管，超导强磁体置于水冷套管的外侧，且磁场方向与定向凝固方向相平行；合金定向凝固过程中固液界面置于超导强磁体的稳恒区域；加热炉连接控温装置控制其温度；在加热炉顶端有一通入惰性气体的保护气氛输入管；拉杆与刚玉坩埚连接；淬火池位于加热炉下方。

本发明的原理是基于具有各向异性的晶体，在磁场中会发生取向。假设一个具有各向异性的晶体处于磁场中，单位体积的磁矩可以表示为：

                                      (1)

和分别为沿c轴和ab轴方向的单位体积磁矩，可以表示为：

                                                 (2)

                                                (3)