控制高溫合金定向凝固組織的裝置和方法
【技術領域】
[0001]本發明涉及一種控制高溫合金定向凝固組織的裝置，尤其是涉及一種利用cusp磁場(cusp magnetic field會切磁場或鉤形磁場)控制高溫合金定向凝固組織的裝置。本發明還涉及采用上述裝置控制高溫合金定向凝固組織的方法。
【背景技術】
[0002]渦輪葉片是現代航空航天和燃氣機發動機上最關鍵的、最重要的轉動部件，服役時承受復雜應力(離心應力、熱應力、振動應力等)和非常高的工作溫度，這就要求其具有高的蠕變強度、優異的抗疲勞性和良好的抗氧化腐蝕能力等綜合性能，這其中高溫蠕變強度是影響使用的關鍵問題。高溫合金正是因滿足這些性能要求而使得其成為航空航天和燃氣發動機上葉片用材。高溫合金的使用性能是由其組織狀態決定的，而組織狀態又是由工藝決定的。為了滿足航空發動機葉片工作溫度和推重比的不斷提高，高溫合金葉片工藝的發展走過了這樣的路程:鍛造(從1940到1958年)一多晶鑄造(1958年以后)一定向凝固和單晶(20世紀60年代中后期)，由多晶鑄造到定向凝固消除了葉片在運行過程中垂直于主應力方向的晶界，再由定向凝固到單晶消除一切晶界，葉片的性能提高了多倍，世界各先進的軍用和民用航空發動機都普遍采用了定向凝固或單晶鑄造葉片。
[0003]為了控制定向凝固組織的組織和缺陷，人們采用液態金屬冷卻法、電子區域熔化超高溫度梯度定向凝固技術、溫度和抽拉速率回饋控制系統、施加電磁場等方法。在施加電磁場法中，有軸向的縱向靜磁場、橫向的靜磁場，這兩種磁場有效的發揮了靜磁場的磁制動效應，在適當的條件下改善了合金的組織和性能。但是熱電磁力常常會破壞組織的定向生長性，橫向磁場也破壞了定向凝固組織中的熱對稱性，縱向磁場由于改變液固界面前的擴散層的厚度增加了定向凝固縱向成分的不均勻性；而且縱向、橫向磁場的磁力線方向都是單一方向，它們僅對與其磁力線垂直方向或成一定角度的部分對流起抑制，而對與磁力線平行的對流不起任何抑制作用。

【發明內容】

[0004]本發明所要解決的第一個技術問題，就是提供一種控制鎳基高溫合金定向凝固組織的裝置。
[0005]本發明所要解決的第二個技術問題，就是提供一種采用上述裝置控制鎳基高溫合金定向凝固組織的方法。
[0006]采用本發明的裝置和方法，可在定向凝固中液固界面上不產生環狀的熱電磁力來破壞高溫合金定向生長特性，又不破壞定向凝固的熱對稱性。
[0007]解決上述第一個技術問題，本發明采用如下的技術方案:
[0008]一種控制高溫合金定向凝固組織的裝置，其特征是:包括兩個相同、且平面中心法線同軸、并分別通以大小相等方向相反直流電的線圈3，所述的線圈3中間設有加熱爐，加熱爐分為上、下部分，上、下部分的分界線越過所述線圈3中心線并設有隔熱片9，上部分的爐壁為保溫層1，內設帶有加熱電源的石墨電阻2，下部分為液態金屬腔，腔內設有抽拉系統的活動拉桿10，拉桿10的頂端連接剛玉管6，剛玉管6穿過所述隔熱片9的中心孔越過線圈3的中心線，剛玉管6內越過中心線的為試樣液態部分7、處于中心線的為試樣固體部分8。
[0009]所述的液態金屬腔設有進、出水口 5、11 ;還設有氣氛保護系統。
[0010]解決上述第二個技術問題，本發明采用如下的技術方案:
[0011]—種控制高溫合金定向凝固組織的方法，其特征是:在定向凝固高溫合金定向凝固組織時把液固界面固定在cusp磁場的幾何中心上。
[0012]所述組成cusp磁場的兩個線圈上下對稱布置，并分別通以大小相等和方向相反的直流電流，其磁力線在兩個線圈幾何中心縱軸和水平中心上下均對稱分布，在兩組線圈的中間空間的徑向和縱向上磁場強度為非均勻的分布。
[0013]所述的方法具體包括以下步驟:
[0014]SI，裝配樣品，將待定向凝固的樣品放在剛玉管內，固定在拉桿上，調整樣品和加熱爐體的相對位置，使得樣品的固液界面位于CUSP磁場的幾何中心上；
[0015]S2，加熱樣品，樣品裝配好后，打開設備循環水和氣氛保護系統，再打開加熱電源對石墨電阻加熱，加熱到規定溫度；
[0016]S3，定向凝固，保溫一段時間，開啟抽拉控制系統，進行定向凝固；
[0017]S4，定向凝固結束時，把樣品以高速拉入液體金屬冷卻池內以完成淬火，關閉加熱爐電源，待冷卻到室溫，關閉控制氣氛和循環水系統，取出樣品。
[0018]如圖1所示，當給兩個線圈通以大小相等和方向相反的直流電流時，線圈產生的磁場橫向分量方向相同，總的橫向分量為兩橫向之和；如圖2所示；縱向分量方向相反，總的縱向分量為兩縱向之差，在兩個磁體中心區域的零點上磁場強度為零，如圖3所示。基于此，線圈內將形成了一個以軸和上下對稱兼有徑向和縱向分量的圓柱非均勻發散型磁場，磁場強度可通過調整電流大小改變。
[0019]定向凝固時把液固界面固定在cusp磁場的幾何中心上，如附圖4，這樣在磁場的中心線上，液固界面上受到水平的磁場力，形不成旋轉的磁場力，不會在高溫合金的定向凝固的枝晶上形成破壞力，而且水平方向的磁場力對液固界面上的溫度和溶質起到水平的攪拌作用，使得縱向的成分分布均勻，該磁場在能夠有效地抑制成分不均勻性。
[0020]本發明與現有技術相比較，具有以下顯著的實質性特點和優點:
[0021]cusp磁場磁力線以軸和上下對稱，為徑向和縱向分量的圓柱非均勻發散型磁場，克服了縱向、橫向磁場的磁力線方向單一方向的缺點(單一方向磁場僅對與其磁力線垂直方向或成一定角度的部分對流起抑制，而對與磁力線平行的對流不起任何抑制作用)；而且在定向凝固中液固界面上不產生環狀的熱電磁力來破壞高溫合金定向生長特性，又不破壞定向凝固的熱對稱性。因此，采用這種磁場可有效地抑制坩禍內熔體的熱對流，使得縱