[發明專利]一種金屬材料定向凝固方法

在審

• 申請號: 202010157621.6
• 申請日: 2020-03-09
• 公開（公告）號: CN111230078A
• 公開（公告）日: 2020-06-05
• 發明（設計）人: 阮瑩;李星吾;魏炳波
• 申請（專利權）人: 西北工業大學
• 主分類號: B22D27/04
• 分類號: B22D27/04;B22D7/06;C22C38/40;C22C14/00
• 代理公司: 北京易捷勝知識產權代理事務所(普通合伙) 11613
• 代理人: 齊勝杰

本發明涉及定向凝固技術領域，尤其涉及一種金屬材料定向凝固方法，其包括：S1、制備金屬材料并放入坩堝；S2、將坩堝放置于容器的密封腔室內，在給密封腔室抽真空后向密封腔室內充入保護性氣體；S3、采用加熱器給坩堝進行加熱，以使坩堝內的金屬材料熔化；S4、抽拉裝置通過結晶桿將坩堝以預定速度范圍拉入結晶器的中空通道內，以使金屬材料進行定向凝固；S5、完成定向凝固后，通過結晶桿將坩堝推至伸出加熱器，打開容器取出坩堝并進行脫模得到定向凝固鑄錠。本發明工藝相對簡單，將熔煉、液態金屬/水雙重冷卻以及抽拉裝置巧妙結合，從而能夠獲得性能更加優異的大塊定向凝固鑄錠。

技術領域

本發明涉及定向凝固技術領域，尤其涉及一種金屬材料定向凝固方法。

背景技術

定向凝固技術在工業和高技術領域具有非常重要和廣泛的應用，它被用來生產磁性材料、航空和地面燃機渦輪葉片、自生復合材料以及各種功能晶體。單晶高溫合金是目前制造先進航空發動機和燃氣輪機葉片的主要材料，但與定向凝固高溫合金比，制造工藝難度大，鑄造成品率低，熱處理工藝復雜，從而使制造成本加大，且難以制造出結構復雜的大型葉片。因此，定向凝固高溫合金在結構復雜的大型葉片以及地面和海上使用的超大型高效率燃氣輪機制造方面具有廣闊發展前景。

典型的定向凝固原理為由隔熱層將裝置的上部加熱區和下部冷卻區隔開而形成沿鑄件軸向的一維溫度梯度，鑄件在上部被熔化和過熱，下部進行強制冷卻，凝固界面位于隔熱擋板附近，通過向下抽拉獲得單向排列的凝固組織。比如現有的一種制備超磁致伸縮材料的定向凝固方法，先在電弧爐中熔煉合金，再將合金澆注進入水冷結晶器，結晶器中水冷底座和其頂端的籽晶向下移動，使晶粒沿著籽晶生長完成定向凝固。另一種中頻感應定向凝固鑄錠方法，精煉后的鋼水由鋼包運至鑄錠臺澆注，鋼水進入結晶器后通過結晶器外的中頻感應線圈進行電磁攪拌，再開動水冷底盤拉引裝置將鋼水進行定向凝固。

以上公開技術表明，現有定向凝固方法存在：1、熔煉、凝固分開進行導致元素燒損、工藝周期長；2、冷卻只依賴循環水冷，冷卻效果有限；3、在澆注過程、轉移熔融金屬以及定向凝固過程中合金容易氧化等問題，因此亟需設計新的高溫合金定向凝固方法。

發明內容

(一)要解決的技術問題

本發明的主要目的是提供一種金屬材料定向凝固方法，旨在解決現有技術存在的無法進行原位熔化加定向凝固、冷卻效果有限且容易氧化等問題。

(二)技術方案

為了達到上述目的，本發明的金屬材料定向凝固方法包括：

S1、制備金屬材料并放入坩堝；

S2、將坩堝放置于容器的密封腔室內，在給密封腔室抽真空后向密封腔室內充入保護性氣體；

S3、采用加熱器給坩堝進行加熱，以使坩堝內的金屬材料熔化；

S4、抽拉裝置通過結晶桿將坩堝以預定速度范圍拉入結晶器的中空通道內，以使金屬材料進行定向凝固，其中，所述結晶器包括形成有中空通道的液態金屬環層和包裹于所述液態金屬環層外的水冷環層，所述結晶桿的內部通有循環冷卻水；

S5、在完成定向凝固后，通過結晶桿將坩堝推至伸出加熱器，打開容器取出坩堝并進行脫模得到定向凝固鑄錠。

優選地，步驟S2中，通過真空泵對密封腔室抽真空至1×10^-6Pa～1×10^-4Pa，再向密封腔室內充入保護性氣體至0.8×10⁵Pa～1×10⁵Pa，重復從抽真空到充氣的過程3～5次。

優選地，所述保護性氣體為氦氣或氬氣。

優選地，所述金屬材料為純金屬或者金屬合金。