降低定向凝固铸件中通道偏析缺陷的方法和装置

摘要

降低定向凝固铸件中通道偏析缺陷的方法和装置，所述降低定向凝固铸件中通道偏析的方法包括步骤如下：将进行定向凝固的熔体放入磁场中，使其在磁场中凝固成铸件。采用本发明的方法完成的铸件定向凝固，可大大降低铸件中通道偏析缺陷的数量。

说明书

技术领域

本发明涉及材料制备领域，具体涉及一种降低定向凝固铸件中通道偏析缺陷的方法和装置。

背景技术

定向凝固是指在凝固过程中应用技术手段，在液固界面（也就是说凝固金属和未凝固熔体）处建立起特定方向的温度梯度，从而使熔体沿着与热流相反的方向凝固，最终得到定向组织。定向凝固技术消除了垂直于结晶方向的横向晶界，对合金组织和性能有极大的改善，该技术已经在材料制备中广泛运用。但是在其凝固铸件中经常会发生通道偏析缺陷，尤其是高温合金的定向凝固铸件，此缺陷大大降低了铸件的力学性能和产品合格率，因此抑制凝固过程中通道偏析的形成十分重要。

通道偏析是在定向凝固时在糊状区中由于密度倒置形成的局部对流引起的缺陷，具体地说，定向凝固中固液界面前沿排出密度较小的元素，使得该处液体密度比位于其上方的熔体密度小，在浮力的作用下，熔体向上浮动，形成通道偏析。

发明内容

本发明所要解决的第一个技术问题是提供一种降低定向凝固铸件中通道偏析的方法。

本发明所要解决的第二个技术问题是提供一种降低定向凝固铸件中通道偏析的装置。

本发明所要解决的第一个技术问题通过如下技术方案实现：一种降低定向凝固铸件中通道偏析的方法，包括步骤如下：

将进行定向凝固的熔体放入磁场中，使其在磁场中凝固成铸件。

本发明基于磁场的磁制动效应，使磁场作用于铸件的定向凝固过程，熔体的流动诱发感应电流，感生电流与外加磁场相互作用产生一个与运动方向相反的力，这个力总是趋向于使对流运动强度减弱，从而抑制通道偏析的形成和生长，达到降低通道偏析的目的。

本发明所要解决的第二个技术问题通过如下技术方案实现：一种降低定向凝固铸件中通道偏析的装置，包括冷却源、生长室和磁场系统，所述冷却源根据定向凝固对方向的要求安装在生长室的相应位置处，所述磁场系统围绕所述生长室设置。

作为本发明的一种改进，所述装置还包括分别用于检测冷却源温度和生长室内生长基的温度的温度传感器，方便对生长过程进行精确控制。

所述磁场系统由电磁铁和直流电源组成，生长过程中，所述生长室内生长基的固液界面一直处于静磁场的匀强磁场区域。

所述冷却源包括冷却室、冷却液和铜板热交换器，所述冷却室为一双层箱体，外层为保温隔热层，内层为不锈钢层，所述冷却室的顶面具有一连通冷却室内部的开口，所述铜板热交换器安装在该开口中，下方由安装在冷却室内部的支撑架支撑，所述冷却液位于所述冷却室内，所述冷却室的上部还设有用于添加冷却液的开孔。

作为对所述冷却室的一种改进：所述冷却室内还设置有用于控制冷却室内冷却液液面高度的限位结构。

作为本发明的一种具体实施方式，所述限位结构为设置在冷却室内的一块隔板，所述隔板将所述冷却室内的空间隔离成两个储液区，一个为主储液区，一个为从储液区，所述隔板的高度根据对主储液区液面离开所述铜板热交换器的距离的要求设定。

所述冷却液由干冰和酒精的混合物构成。

所述生长室由透明的有机玻璃管构成，所述生长室放置在所述铜板热交换器的顶面。

所述生长室的管壁上纵向排列有若干个孔，每个孔内均插有不锈钢导热管，用于检测生长室内生长基的温度的温度传感器分设于所述不锈钢导热管内，所述铜板热交换器的侧壁上横向设有一柱形孔，用于检测冷却源温度的温度传感器安装在所述柱形孔中。

所述的生长室的管壁上还标有刻度线。

相对于现有技术，本发明具有如下有益效果：

采用本发明的方法或装置完成的铸件定向凝固，可大大降低铸件中通道偏析缺陷的数量。

附图说明

图1为本发明较佳实施例的降低定向凝固铸件中通道偏析缺陷的装置的结构示意图；

图2为无磁场下和0.02T磁场下定向凝固后氯化铵水溶液生长150分钟后通道偏析的俯视图；

图3 为无磁场下和0.05T磁场下定向凝固后氯化铵水溶液生长150分钟后通道偏析的俯视图；

图4 为无磁场下和0.1T磁场下定向凝固后氯化铵水溶液生长150分钟后通道偏析的俯视图。

具体实施方式

本发明的降低定向凝固铸件中通道偏析缺陷的装置包括冷却源，生长室1和磁场系统，冷却源根据定向凝固对方向的要求安装在生长室1的相应位置处，磁场系统围绕生长室设置。

如图1所示，冷却源包括冷却室5、冷却液13和铜板热交换器4，冷却室5为一双层的方形箱体，外层为保温隔热层12，内层为不锈钢层6，冷却液13位于冷却室5内，冷却室的上部设有用于添加冷却液的开孔10。冷却液13由干冰和酒精的混合物构成。冷却室5的顶面具有一连通冷却室5内部的开口，铜板热交换器4安装在该开口中。冷却室5内还设置一隔板7，隔板7将冷却室5内的空间隔离成两个储液区，一个为主储液区，一个为从储液区，隔板7的高度根据对主储液区液面离开铜板热交换器4的距离的要求设定，作为用于控制冷却室5内冷却液液面高度的限位结构，在主储液区里液面高度上升到隔板7顶端时，即溢出进入从储液区。主储液区内设置有支撑架14，铜板热交换器4支撑于其上。

在其它实施例中，也可设置其它结构的限位结构，如设置液位传感器等。

生长室1由透明的有机玻璃管构成，生长室1放置于铜板热交换器4的顶面上。生长室1的管壁上纵向排列有若干个孔，每个孔内均插有不锈钢导热管，用于检测生长室内生长基的温度的温度传感器3分设于不锈钢导热管内。铜板热交换器4的侧壁上横向设有一柱形孔11，用于检测冷却源温度的温度传感器安装在柱形孔11中。生长室1的管壁上还标有刻度线，便于在磁场下记录生长室1内固相生长基的高度。

磁场系统由直流电源（未画出）和两电磁铁2组成，两电磁铁2相对地分设于生长室1的两侧，高度与生长室1相近，以使在生长过程中，生长室1内生长基的固液界面一直处于由磁场系统产生的静磁场的匀强磁场区域。生长室1内生长基在生长过程中，直流电源的输出电流强度不变。

虽然图1中，磁场系统磁场方向与生长室1内生长基的凝固方向垂直，但实际上，本发明对它们之间方向的关系并无限制。上述实施例仅为本发明的一种具体实施方式，不应成为对本发明保护范围的限制。

下面以氯化铵水溶液作为定向凝固的生长基，在冷却室5内加入按一定比例配制的干冰和酒精的混合物，控制混合物的量使得主储液区里液面和铜板热交换器4保持一定的距离，进而来控制铜板热交换器4的温度，把一定浓度的氯化铵水溶液倒入生长室1中，几分钟后，系统稳定，晶体9开始稳定定向的生长，生长过程中，磁场系统一直处于工作状态，生长基和铜板热交换器4的温度通过温度传感器监测。

实施例一：

用图1的装置定向凝固了质量浓度为27%的氯化铵-水溶液，铜板热交换器的初始温度为-27℃，一种情况为没有施加磁场(a)，一种情况为施加了0.02T的磁场(b)，生长150分钟后，生长室中的通道偏析如图2所示，可以看到，施加磁场后通道偏析数目显著降低，由无磁场的60个降低为0.02T的磁场下的45个，降低幅度为25%。

实施例二：

用图1的装置定向凝固质量浓度为27%的氯化铵水溶液，铜板热交换器的初始温度为-27℃，一种情况为没有施加磁场(a)，一种情况为施加了0.05T的磁场(b)，生长150分钟后，生长室中的通道偏析如图3所示，可以看到，施加磁场后通道偏析数目显著降低，由无磁场的60个降低为0.05T的磁场下的35个，降低幅度为42%。

实施例三：

用图1饿装置定向凝固质量浓度为27%的氯化铵水溶液，铜板热交换器的初始温度为-27℃，一种情况为没有施加磁场(a)，一种情况为施加了0.1T的磁场(b)，生长150分钟后，生长室中的通道偏析如图4所示，可以看到，施加磁场后通道偏析数目显著降低，由无磁场的60个降低为0.1T的磁场下的42个，降低幅度为30%。