[發明專利]一種外加磁場控制雀斑缺陷的定向凝固方法

有效

• 申請號: 201610356362.3
• 申請日: 2016-05-26
• 公開（公告）號: CN105964990B
• 公開（公告）日: 2018-04-27
• 發明（設計）人: 秦嶺;沈軍;周雷;李秋東
• 申請（專利權）人: 西北工業大學
• 主分類號: B22D27/02
• 分類號: B22D27/02
• 代理公司: 西北工業大學專利中心61204
• 代理人: 慕安榮

技術領域

本發明涉及定向凝固技術，具體是一種外加磁場控制雀斑缺陷的定向凝固方法。

背景技術

一些金屬和半導體材料均采用定向凝固技術進行加工制造是由于該方法能夠使得凝固組織沿特定方向生長。這些定向排列的晶粒消除了橫向的晶界，從而使得一些半導體材料的光電轉換效率和金屬材料的強度、蠕變以及持久性均產生大幅提升。然而在定向凝固過程中經常會出現一些凝固缺陷，如，晶體生長不挺直，組織成份不均勻等。這些缺陷一定程度上影響了材料的綜合性能。此外，還有一類名為雀斑的凝固缺陷嚴重的影響了金屬材料的綜合力學性能，例如，當這類缺陷出現在單晶高溫合金渦輪葉片上時會直接導致葉片的報廢。雀斑這類缺陷往往出現在多組元的合金中，如，鉛錫合金、高溫合金等，而在這類合金的定向凝固過程中固相和液相之間普遍存在一個固液兩相共存的區域，即兩相區。在兩相區中，靠近固相的區域排出大量的溶質元素，密度比靠近液相的區域低，因此，產生了作用在液相上的浮力。當液相浮力大于粘滯力時，導致在固相的通道間的液相產生流動，這種通道中流動的高濃度的溶質在通道內部最終凝固，在鑄件中形成“雀斑”這類凝固缺陷。

目前公開的一些方法能夠減少甚至消除晶體生長不挺直，組織成份不均勻、雀斑等凝固缺陷。如，通過外加磁場來實現對材料凝固過程的控制，其中低頻行波磁場被運用于半導體和金屬材料加工和制備的過程中。在專利號為CN201110007198.2的發明專利中，公開了一種有行波磁場發生器的定向凝固裝置。該發明通過外部施加行波磁場在錫鎘合金中產生洛侖茲力并直接作用于生長的晶體上，從而達到改變晶體生長的目的；而在專利號為CN201210059757.9的發明專利中，公開了一種提高直拉硅單晶電阻率均勻性的行波磁場法。該發明可以通過行波磁場產生的洛侖茲力有效抑制高濃度摻雜劑的向下沉積問題，達到改善了組織成份的均勻性的目的，從而提高直拉重摻硅單晶的徑向電阻率均勻性；在申請號為201610345111.5的發明創造中，提出了一種消除橫截面突變的葉片類定向凝固鑄件中雀斑的方法，該方法用一定形狀尺寸的石墨塊取代鑄件橫截面突變區域局部的模殼材料，通過石墨塊的激冷作用，減小兩相區中固相的枝晶間距，增大了固相通道對液相流動的阻力，從而減弱或消除了通道間的液相流動，最終降低或消除了雀斑。但該方法在激冷中減弱或消除了雀斑的同時會引入新的雜晶，從而降低了鑄件的綜合力學性能，在鑄件上形成了雜晶缺陷。

近年來，國內外學者研究發現行波磁場不僅能夠控制合金中晶體的生長，提高組織成份均勻性，還能夠影響如單晶硅、鋁銅合金、鉛錫合金、高溫合金等液相中的流動。本發明專利以這些理論結果為基礎，提出了利用行波磁場在液態金屬中產生洛侖茲力，來抵消兩相區內的固相通道中及凝固界面前沿的液相上的浮力，抑制兩相區中的通道流動，避免高濃度元素富集區的形成，從根本上達到消除雀斑缺陷的目的。在上述過程中，當行波磁場強度過大時，其產生的洛侖茲力會使得液相中引入新的流動，但當行波磁場過小，其產生的洛侖茲力又不能完全抵消浮力。因此為了達到消除雀斑的目的，需要對行波磁場方向和強度的控制提出更為精確的要求。此外，液相中的流動在現有的實驗條件下并不能直接進行觀測。

發明內容

為克服現有技術中存在的在激冷中減弱或消除了雀斑的同時會引入新的雜晶，從而降低了鑄件的綜合力學性能，在鑄件上形成了雜晶缺陷的不足，本發明提出了一種外加磁場控制雀斑缺陷的定向凝固方法。

本發明的具體步驟是：

步驟1，確定行波磁場操作參數。通過匹配的行波磁場操作參數調控會產生雀斑缺陷的合金液相內流動。其中，行波磁場操作參數分別為相位角、電流強度和頻率；通過Ansys emag電磁分析軟件和Fluent流體分析軟件對行波磁場作用下的定向凝固全過程進行多物理場耦合的數值模擬計算分析。具體過程是：

第一步，生成模擬的會產生雀斑缺陷的合金鑄件的網格。

第二步，生成行波線圈的網格。

第三步，生成定向凝固爐內腔的網格。

第四步，輸入所述會產生雀斑缺陷的合金鑄件的磁物性參數、模殼的磁物性參數和線圈的磁物性參數。

第五步，計算行波磁場產生的電磁力。

第六步，驗證數值模擬中的磁場。