[发明专利]直流电流作用下的Ti-Al基合金定向凝固实验设备及实验方法

说明书

技术领域

 本发明涉及一种Ti-Al基合金定向凝固设备及凝固方法，具体涉及一种直流电流作用下的Ti-Al基合金定向凝固实验设备及实验方法。

背景技术

目前，在材料加工技术中铸造技术以其适用范围广、制造精度高以及成本低廉等许多优点仍然占有极其重要的地位，虽然人们通过各种技术手段使铸件的性能得到了极大的提升，但是依然无法满足装备制造业对材料的要求，尤其是在航空航天领域表现的非常突出。为了提高航空航天器的效率，近年来人们发展了多种新型的材料和新型的铸造加工技术。镍基合金的成功研制，就极大地推进了燃气涡轮发动机在航空领域的应用，但是随着航空发动机涡轮前端温度以及推重比不断上升，已经使得钛基高温合金与镍基合金这两种传统的高温结构材料的使用性能提高达到了极限，因此必须继续研究更先进的新型材料和铸造工艺才能满足未来燃气涡轮发动机的技术要求条件。

近年来凝固技术不断发展变化，产生了很多新型的凝固过程控制方法，这些新型的方法中外场作用对金属凝固组织的影响十分明显，在机制研究以及应用方面已经获得了长足的进步。另一方面现代社会对环境保护十分重视，利用外场作用下的凝固技术，不仅可以减少对环境污染，而且还可以避免对合金熔体的污染，这对材料加工工艺的长远发展十分重要。

改善Ti-Al基合金性能的有效途径：Ti-Al基合金具有金属间化合物普遍存在的一个弊端，就是其塑性在室温条件下很低，这为Ti-Al基合金的大规模应用造成了阻碍，同时这也是科研工作者努力解决的一个瓶颈问题。大量研究结果表明Ti-Al基合金的力学性能与其显微组织和合金成分有着紧密的联系。

通过添加固溶元素或者沉淀强化、控制晶粒大小和组织形态等方法可以有效改善Ti-Al基合金的高温抗氧化性以及力学性能。添加合金元素或者Al元素的含量可以改变影响Ti-Al基合金的晶格参数，有利于提高合金的塑性。单胞体积减小可以使Ti-Al原子之间的相互作用力加强，这可以减弱共价键性，从而使合金的塑性升高。

通过控制Ti-Al基合金定向凝固组织中的片层取向以提高Ti-Al基合金的性能是Ti-Al基合金定向凝固研究的主要方向之一。γ-Ti-Al合金的片层取向对其力学性能的影响非常显著。可以发现其力学性能随片层取向与受力方向的夹角的变化而不断变化，当夹角为0°时合金具有最佳的塑性和强度的匹配，这种状态时材料的综合性能也最佳，当夹角为90°时合金的强度最高，但是塑性最低，这种情况是最应该避免的。

电流对改善Ti-Al基合金组织性能的作用：利用电流改善Ti-Al基合金定向凝固组织开辟了改善Ti-Al基合金组织和性能的一种新的途径，虽然已经有学者发明了电流作用下的定向凝固实验方法，但都是用来研究化学活性低且熔点低的合金，而对于活性高的高熔点合金还没有涉及。因为Ti-Al基合金的化学活性比较活泼所以其对设备的要求也较高，所以实验中存在一些技术难点，例如：感应石墨套加热试样时试样上的磁场会与外加电流相互作用；不能实时观察电流作用下Ti-Al基合金定向凝固过程，不利于进行电流对其影响机理的研究；Ti-Al基合金的熔点高且高温时非常活泼，因此对模壳的要求很高。

但是，在以电磁冷坩埚定向凝固设备为平台进行直流电流作用下的Ti-Al基定向凝固实验时，还存在一个技术问题：在定向凝固过程中外加电流引入的问题，以及无法确定引入电压的大小的问题。

发明内容

本发明的目的在于提出一种直流电流作用下的Ti-Al基合金定向凝固实验设备及实验方法，来解决以电磁冷坩埚定向凝固设备为平台进行直流电流作用下的Ti-Al基定向凝固实验时，无法在定向凝固过程中外加电流引入的问题，以及无法确定引入电压大小的问题。

本发明为了解决上述技术问题所采取的技术方案是：