高梯度定向凝固爐結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)
 
 定向凝固技術(shù)
定向凝固，是指在凝固過程中采用強(qiáng)制手段，在凝固金屬和未凝固金屬熔體中建立沿特定方向的溫度梯度，利用合金凝固時(shí)晶粒沿?zé)崃飨喾捶较蛏L的原理，控制熱流方向，使鑄件沿規(guī)定方向結(jié)晶的鑄造技術(shù)。20世紀(jì)80年代初，大野篤美教授將連續(xù)鑄造與定向凝固相結(jié)合，發(fā)明了OCC(Ohno Continuous Casting)法。OCC法固液界面前沿液相溫度梯度較低;而且工藝過程難以控制，特別是對于下拉法，極易拉漏，因此，北京科技大學(xué)在其基礎(chǔ)上開發(fā)了具有較高的溫度梯度、工藝控制方便、適用于多種合金材料的連續(xù)定向凝固方法，并得到了很好的應(yīng)用。而后又將真空設(shè)備與該工藝相結(jié)合，開發(fā)出一種熔煉、提純、凝固一體，工藝簡單，生產(chǎn)效率高，金屬純凈度高的新型真空連續(xù)定向凝固方法。定向凝固能得到一些具有特殊取向的規(guī)則組織和優(yōu)異性能的材料,便于準(zhǔn)確測量組織形態(tài)和尺度特征,因而自它誕生以來得到了迅速的發(fā)展,已廣泛地應(yīng)用于半導(dǎo)體材料、磁性材料、定向單晶、渦輪葉片以及自生復(fù)合材料的生產(chǎn)。
在定向凝固技術(shù)中,獲得高質(zhì)量定向凝固組織的基本條件是保持凝固界面前沿具有較高溫度梯度[21]。根據(jù)成分過冷理論分析，溫度梯度和生長速度是影響定向凝固過程中晶粒形態(tài)選擇的關(guān)鍵因素。因此,高的溫度梯度是設(shè)計(jì)定向凝固設(shè)備的關(guān)鍵技術(shù)參數(shù)[23]。而設(shè)備在較高的溫度梯度下進(jìn)行較大調(diào)速范圍運(yùn)動(dòng)時(shí),要求運(yùn)動(dòng)的平穩(wěn)性要高。此外,有些合金在高溫下極易氧化、揮發(fā),整個(gè)熔煉及定向凝固過程需要在真空狀態(tài)下進(jìn)行。而高的爐溫>1 600℃的強(qiáng)烈熱輻射還要求爐體必須具有水冷結(jié)構(gòu)[35]。
從定向凝固技術(shù)的發(fā)展過程可以看出，獲得高溫度梯度和攪拌對流強(qiáng)度的基本原則可考慮如下幾個(gè)方面。
(1)提高凝同界面前沿處熔體的溫度以強(qiáng)化輸入界面的熱流，可有效提高界面前沿液相溫度梯度。
(2)強(qiáng)化已凝固固相內(nèi)的散熱，提高固／液界面固相側(cè)的溫度梯度。
(3)改善高溫加熱區(qū)與冷卻區(qū)間的隔熱，用隔熱性能較好的擋板保持兩區(qū)間盡可能高的溫度著，可有效地加大界面前沿的液相溫度梯度。
(4)在固液界面前沿增加外力的攪拌。
根據(jù)上述原則，設(shè)計(jì)要求凝固設(shè)備滿足以下幾點(diǎn)要求及相應(yīng)的工藝。
(1)改變被提純?nèi)垠w外部的環(huán)境。采用水冷的真空爐室，保證在真空下熔化保溫，以減少熔體表面的氧化吸氣。
(2)采用高精度拉伸裝置。采用高精度拉伸裝置，以獲得平穩(wěn)的牽引速度，促使柱狀晶沿生長方向正常生長，保證平界面的穩(wěn)定，減少不必要的晶界產(chǎn)生，提高捉純的效率。
(3)增大溫度梯度。加熱方式采用雙線圈雙區(qū)感應(yīng)加熱，提高界面前沿熔體的溫度；同時(shí)采用側(cè)面環(huán)狀及底部結(jié)合的強(qiáng)冷方式，在界面前沿產(chǎn)生穩(wěn)定的大溫度梯度，保證在一定生長速度下晶體以平界面方式生長，把雜質(zhì)元素限度地排出到界面前沿。
(4)攪拌。在晶體生長的同時(shí)，利用電磁力對熔體進(jìn)行充分?jǐn)嚢瑁偈古懦龅浇缑媲把氐碾s質(zhì)元素混合到熔體中[27]。