[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

说明书

本发明公开了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、方法及其应用，包括定向凝固系统、控温系统和磁场发生器系统；定向凝固系统包括生长腔体、保温层、加热电阻、坩埚、拉杆、伺服抽拉系统和冷却系统；磁场发生器系统位于定向凝固系统的生长腔体周围，使内待凝固的液态金属的单晶生长界面位于匀强或者对称磁场中心区域，并通过调节磁场发生器系统施加的磁场强弱和构型。本发明用于制备单晶高温合金，包括Ni基、Co基、Fe基、Nb基、TiAl基等金属单晶，控制单晶高温合金中纵向和横向的成分分布，改变其微结构和析出相，从而实现单晶高温合金高温力学性能提升，尤其瞬时抗拉强度和蠕变持久性能，从而全面提升单晶高温合金高温力学性能。

技术领域

本发明涉及材料制备和性能领域，提出一种多模式静磁场下制备优异力学性能的定向/单晶高温合金的方法及其装置，应用于各种定向凝固/单晶金属铸件力学性能控制技术领域。

背景技术

单晶高温合金由于消除了晶界使其耐温能力大大得到改善，因此成为现在先进的航空航天及燃气发动机的涡轮叶片的首选材料，推重比为10的航空发动机F119(美)、GE90(美)、EJ200(英、德、意、西)、M88-2(法)、P2000(俄)等都选用了单晶合金作为叶片材料。随着发动机的推重比提升，涡轮前温度要求越来越高，推重比为10的发动机其涡轮前温度已经达到1580～1700℃，这就要求涡轮叶片使用的单晶高温合金具有较高的耐温能力，即优异的高温力学性能，所以单晶高温合金的力学性能的改善对航空航天及燃气发动机推重比的提升具有重要的作用。

为提升单晶高温合金的高温力学性能，目前普遍采用的方法有：

一、不断加入合金元素来提高其强度。目前单晶高温合金已经发展到第六代，每一代比前一代提高约25℃，最高代次的单晶高温合金承温能力已经达到1140℃以上，但目前单纯通过添加合金元素来提升高温合金性能的方法已趋极限，且稀贵元素如Re、Ru的添加使得价格极为昂贵，提高数10倍的成本；

二、改进定向凝固工艺来优化组织从而改善力学性能，目前制备高温合金单晶定向凝固工艺主要有：高速凝固法(HRS)、液态金属冷却法(LMC)、向下定向凝固(DWDS)、区熔液态金属冷却法(ZMLMC)。HRS法是工业上广为应用的方法，LMC也已经初步应用在工业上，后面两种为实验室研制的新方法。这些工艺在生产叶片时均表现出其不利之处，尤其在生产大型工业燃气机涡轮叶片。例如，在HRS法中，其定向的热量是通过铸件底部的水冷铜盘导走，其冷却能力较低，这会产生不均匀的组织，包括粗大的枝晶、严重的微观偏析，甚至生成雀斑和游离的晶体；所使用的模壳较厚而且不均匀，这也会产生不均匀的热场导致游离晶的形成，这些缺陷严重的降低了合金的力学性能。为了提高冷却能力，人们发展了LMC法，但是存在冷却剂侵蚀铸件的巨大风险，对力学性能也产生不利于影响，目前尚未广泛应用于工业当中。DWDS和ZMLMC法目前还受限于小的和形状比较简单的样品，还处于实验室研制阶段。因此，目前迫切需要开发进一步提升单晶高温合金耐温力学性能的新方法。

发明内容

为了解决现有技术问题，本发明的目的在于克服已有技术存在的不足，提供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、方法及其应用，本发明提出利用多模式静磁场的包括磁制动、热电磁对流、热电磁力效应的多种效应，作用于定向凝固的高温合金熔体，调控固液界面前沿温度梯度、浓度梯度和流动结构的分布，使得液固界面保持适当的流动，稳定远处的流动，达到控制高温合金凝固中晶体生长模式的目的，最终控制单晶高温合金中的纵向和横向的成分分布，改变其微结构和析出相，从而实现单晶高温合金高温力学性能的提升，尤其瞬时抗拉强度和蠕变持久性能，从而全面提升单晶高温合金的高温力学性能。

为达到上述目的，本发明采用如下技术方案：

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；