[发明专利]多模式静磁场控制的单晶高温合金定向凝固生长装置、方法及其应用

权利要求书

1.一种多模式静磁场控制的单晶高温合金定向凝固生长装置，包括定向凝固系统、测温系统和磁场发生器系统；其特征在于：

所述定向凝固系统包括生长腔体、保温层(3)、加热电阻(4)、坩埚(5)、拉杆(15)、伺服抽拉系统(17)和冷却系统；生长腔体由通冷却水进行冷却的不锈钢炉壳(2)和内部保温层(3)构成，内部保温层(3)的内部空腔中设置加热电阻(4)，使坩埚(5)设置于生长腔体空间区域，对坩埚(5)进行加热，坩埚(5)用于装入熔融的待凝固的液态金属(6)；利用下拉或者上引的区熔的定向凝固方法，设置拉杆(15)，使拉杆(15)的一端伸入生长腔体并进入坩埚(5)中并与待凝固的液态金属(6)凝固生成的单晶固体(14)连接，拉杆(15)的另一端和伺服抽拉控制系统(17)的牵引端连接，组成抽拉动力装置；在生长腔体腔体的上部或下部设置冷却系统，冷却系统的中部空腔能容留拉杆(15)进行抽拉运动，冷却系统的中部空腔侧面为冷却池装置(9)，在冷却池装置(9)中注入冷却介质，构成深冷装置，并在靠近冷却池装置(9)外壁处设置循环水冷却系统，循环水冷却系统的进水口(11)和出水口(16)分别进行进水和出水，进行定向凝固过程中热量的传递实现快速散热；冷却池装置(9)和生长腔体之间通过设置隔热片(8)进行温度场分隔；

所述测温系统包括热电偶(1)、数据采集器(12)和电脑系统(13)，所述热电偶(1)的测试端靠近坩埚(5)，测试生长腔体内温度，电脑系统(13)通过数据采集器(12)接受热电偶(1)感应的温度信号；

磁场发生器系统(7)位于定向凝固系统的生长腔体周围，使坩埚(5)内待凝固的液态金属(6)的单晶生长界面位于匀强磁场区域，并通过控制电源的电流强度来调节磁场发生器系统(7)施加的磁场强弱。

2.根据权利要求1所述多模式静磁场控制的单晶高温合金定向凝固生长装置，其特征在于：多模式磁场至少采用静磁场或Cusp磁场；采用水冷铜线圈、超导线圈或永磁体；其中，单个线圈的磁场强度不大于20T，线圈的孔径在0.05～5米之间。

3.根据权利要求1所述多模式静磁场控制的单晶高温合金定向凝固生长装置，其特征在于：磁场发生器系统(7)施加的磁场强度为0.01-20.0T。

4.根据权利要求1所述多模式静磁场控制的单晶高温合金定向凝固生长装置，其特征在于：使坩埚(5)内待凝固的液态金属(6)的单晶生长界面位于单组磁体的匀强磁场区域，或是位于双组磁体的几何中心的匀强磁场区域附近。

5.根据权利要求1所述多模式静磁场控制的单晶高温合金定向凝固生长装置，其特征在于：将多模式磁场的中心位置围绕着坩埚(5)内待凝固的液态金属(6)的单晶生长界面的位置的距离进行调整，调整距离幅度在0～200mm范围内。

6.根据权利要求1所述多模式静磁场控制的单晶高温合金定向凝固生长装置，其特征在于：冷却池装置(9)中注入冷却介质为冷水、冷气或者冷却液态金属(10)，冷却液态金属(10)至少采用Ga-In-Sn或Sn液；当冷却介质为冷水或冷气，在于在冷却池装置(9)中设置水冷铜盘或风冷铜盘实现。

7.一种权利要求1所述多模式静磁场控制的单晶高温合金定向凝固生长装置的应用，其特征在于：用于Fe基高温合金单晶、Co基高温合金单晶、Ni基高温合金单晶、TiAl单晶或Nb基高温合金单晶的金属定向凝固单晶铸件的生长制备。

8.根据权利要求6所述应用，其特征在于：所述金属定向凝固单晶铸件用于制备航机用的小叶片或燃机用的大叶片，或者船舰上发动机用叶片，或者所有的单晶铸件。

9.一种定向凝固制备单晶高温合金的方法，其特征在于，利用权利要求1所述多模式静磁场控制的单晶高温合金定向凝固生长装置，包括如下步骤：向定向凝固装置施加多模式静磁场，通过控制磁场构型、强度及凝固工艺参数，在液态金属的液固界面和固体部分产生定向凝固组织。

10.根据权利要求9所述定向凝固制备单晶高温合金的方法，其特征在于：调控液态金属的固液界面前沿温度梯度、浓度梯度和流动结构的分布，使得液固界面保持所需流动状态，并稳定离开固液界面前沿的液态金属远处的流动，从而控制高温合金凝固中晶体生长模式。