[發明專利]多模式激發的深過冷定向凝固裝置及方法

有效

• 申請號: 202010280826.3
• 申請日: 2020-04-10
• 公開（公告）號: CN111299553B
• 公開（公告）日: 2021-05-25
• 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;C22C1/02;C22C1/06;C22C33/04;C21C7/076
• 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，尤其涉及一種多模式激發的深過冷定向凝固裝置及方法，其包括反應爐、熔煉裝置、加料裝置、激發裝置、抽拉桿和抽拉裝置，加料裝置用于在熱熔過程中向坩堝內添加凈化劑；激發裝置包括能夠填充液態金屬的激發室、水冷環層和與激發室連通的液位控制器，液位控制器用于控制激發室內液態金屬的液位；抽拉裝置能夠通過抽拉桿以預定速度范圍將坩堝的至少一部分拉入激發室內。本裝置通過玻璃凈化和循環過熱結合的方法實現熔體深過冷，并將熔煉、液態金屬/水雙重冷卻以及抽拉裝置巧妙結合，可以選擇不同模式激發深過冷熔體定向凝固，從而能夠獲得具有不同組織及性能特征的深過冷定向凝固鑄件，以滿足更多研究和應用需求。

技術領域

本發明涉及定向凝固技術領域，尤其涉及一種多模式激發的深過冷定向凝固裝置及方法。

背景技術

深過冷方法是通過各種有效的凈化手段盡量避免金屬和合金液中的異質晶核的形核作用，增加臨界形核功并抑制均質形核使液態金屬獲得在常規凝固條件下難以達到的過冷，是實現三維大體積液態金屬快速凝固的有效途徑。目前，實現熔體深過冷的方式主要有液滴乳化法、循環過熱法、熔融玻璃凈化法以及各種無容器處理技術。過冷熔體在凝固后往往有其獨特的組織特征，如組織細化、偏析減小、出現亞穩相等。

近年來，隨著深過冷凝固技術的發展，出現了深過冷定向凝固技術。它綜合了深過冷和Bridgman定向凝固技術的優點，基于金屬熔體的熱力學過冷，在凝固界面建立微尺度的負溫度梯度，凝固潛熱向過冷熔體釋放并在過冷熔體中儲存，實現具有一定尺寸大體積熔體的快速定向凝固或單晶生長，是制備微細柱狀晶和單晶的理想手段。與傳統定向凝固相比，深過冷定向凝固技術可大幅提高生產效率，有望成為航空發動機單晶渦輪葉片的新型制造技術，具有廣闊的應用前景。

已知的深過冷定向凝固技術是將盛有金屬液的坩堝置于激冷基座上，在金屬液被動力學過冷的同時，金屬液內建立起自下而上的溫度梯度。冷卻過程中溫度最低的底部最先形核，晶體自下而上進行生長，形成定向排列的樹枝晶骨架，最終獲得定向凝固組織。但這種技術所能達到的熔體過冷度較小，而在小過冷條件下，晶體生長的驅動力仍然較小，需要借助于外加溫度場才能完成定向凝固過程，因此同樣需要強制冷卻裝置。其實質上是過冷熔體自激發形核與強制性晶體生長相結合的產物，因此未能從根本上擺脫定向凝固的熱流約束，并且由于形核過程是在熔體降溫過程中自發進行，其初始形核過冷度無法精確控制，單晶成品率低，難于發展成為可靠的工業生產技術。此后，深過冷定向凝固技術被改進為通過人工激發過冷熔體的方式來實現定向凝固，但是熔體的凈化和凝固過程需在不同坩堝中進行，工藝繁雜。并且，激發金屬熔體時只能通過點激發、面激發或體激發其中的一種激發方式，定向凝固過程的可控參數少；熔煉體積小，無法制備較大樣品。因此亟需設計新的深過冷熔體定向凝固裝置及方法，滿足更多應用的需求。

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多模式激發的深過冷定向凝固裝置，旨在解決現有技術存在的激發方式單一、工藝繁雜以及無法進行原位熔化加定向凝固等問題。

(二)技術方案

為了達到上述目的，本發明的多模式激發的深過冷定向凝固裝置包括：

反應爐，所述反應爐內形成有密封腔室；

熔煉裝置，所述熔煉裝置包括坩堝和加熱機構，所述坩堝設置于所述密封腔室內且用于容置合金材料，所述加熱機構用于對所述坩堝內的合金材料進行熱熔；

加料裝置，所述加料裝置用于在熱熔過程中向所述坩堝內添加凈化劑；

激發裝置，所述激發裝置設置于所述密封腔室內且所述激發裝置包括能夠填充液態金屬的激發室、包裹于所述激發室外的水冷環層和與所述激發室連通的液位控制器，所述液位控制器用于控制所述激發室內液態金屬的液位；

抽拉桿，所述抽拉桿從外部貫穿所述激發室且能夠在所述激發室內移動，所述抽拉桿的上端與所述坩堝的底部連接；