一種制備定向凝固材料的選晶器及其應(yīng)用的制作方法
【專利摘要】本發(fā)明涉及一種制備定向凝固材料的選晶器及其應(yīng)用，屬于金屬材料制備領(lǐng)域。所述選晶器，包括引晶段（A）、選晶段（B）和成形段（C），頸縮段（1）搭配相應(yīng)的孕晶段（2）為一個(gè)選晶段（B）的子單元，所述選晶段（B）有兩個(gè)以上的子單元，并且頸縮段（1）為異軸設(shè)置。本發(fā)明采用多級(jí)異軸頸縮式選晶法，相對(duì)于其他制造定向凝固材料的設(shè)備的選晶機(jī)構(gòu)結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，易于制造，工藝穩(wěn)定，成本低廉，單晶產(chǎn)出率高，且具有較高的設(shè)備通用性和產(chǎn)品通用性，可用于制備具有尺寸要求和組織要求的具有磁各向異性的金屬磁性材料、具有組織各向異性的金屬結(jié)構(gòu)材料。
【專利說(shuō)明】—種制備定向凝固材料的選晶器及其應(yīng)用
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001]本發(fā)明涉及一種選晶器，特別是涉及一種多重縮頸型選晶器，屬于金屬材料制備領(lǐng)域。
[0002]
【背景技術(shù)】
[0003]定向凝固過(guò)程中經(jīng)過(guò)晶體擇優(yōu)生長(zhǎng)和選晶作用，抑制其他晶粒生長(zhǎng)而最終使擇優(yōu)生長(zhǎng)的晶粒長(zhǎng)大獲得單晶。常見的選晶方法可歸納為4種類型:轉(zhuǎn)折型、傾斜型、縮頸型和螺旋型。目前最常用的主要為縮頸型和螺旋型兩類。縮頸型選晶器模具制造較為簡(jiǎn)便。普通的縮頸型選晶方法原理是按照橫截面的關(guān)系淘汰晶粒，只允許對(duì)應(yīng)于縮頸橫截面上的那些柱狀晶進(jìn)入縮頸區(qū)，其它柱狀晶則被阻隔，即所謂的機(jī)械阻隔淘汰選晶機(jī)制。中國(guó)專利1137577A提供了一種單一縮頸技術(shù)，在母合金上加工出縮頸，并用陶瓷填充縮頸處，再將其放入陶瓷模殼中重熔定向結(jié)晶。此技術(shù)的一次縮頸很難達(dá)到人們的要求，于是便有了多重縮頸技術(shù)。鄭啟等描述了一種同軸多重縮頸技術(shù)(鄭啟，侯桂臣，金濤等，單晶高溫合金的選晶行為，中國(guó)有色金屬學(xué)報(bào)，2001，11 (2):176-178)，即包括多個(gè)同軸的縮頸部分，但是設(shè)置多重縮頸的本來(lái)目的是強(qiáng)化選晶過(guò)程，結(jié)果卻對(duì)強(qiáng)化選晶的作用并不明顯——柱晶在通過(guò)第一縮頸區(qū)，并進(jìn)入第一擴(kuò)張區(qū)后，只有周邊柱晶晶粒發(fā)生明顯的側(cè)向粗化，中部柱晶尺寸卻幾乎保持不變，所以當(dāng)柱晶進(jìn)入同軸的第二縮頸區(qū)時(shí)，對(duì)應(yīng)于第二縮頸橫截面的晶粒數(shù)目與第一縮頸區(qū)相同。另外，中國(guó)專利1295140A所描述的螺旋選晶方法雖然通過(guò)晶體擇優(yōu)生長(zhǎng)與連續(xù)彎曲攀旋的螺旋結(jié)構(gòu)的耦合作用具有較好的選晶特征，但其具有較高尺寸要求的空間螺旋形狀模具制造工藝復(fù)雜并且易變形、效率低、重復(fù)性差；而一些新型的機(jī)械自動(dòng)化模具，例如中國(guó)專利102205391A，對(duì)定向凝固設(shè)備尤其是具有真空要求的設(shè)備的尺寸和功能提出新的要求，使得設(shè)備設(shè)計(jì)難度和制造成本增加。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0004]本發(fā)明所要解決的技術(shù)問(wèn)題在于針對(duì)現(xiàn)有技術(shù)的不足，提供一種制備定向凝固材料的選晶器。其工藝簡(jiǎn)單，成本低廉，具有設(shè)備通用性和材料通用性。
[0005]本發(fā)明的所要解決的技術(shù)問(wèn)題是通過(guò)如下技術(shù)方案實(shí)現(xiàn)的:
本發(fā)明涉及一種制備定向凝固材料的選晶器，包括引晶段A、選晶段B和成形段C，頸縮段I搭配相應(yīng)的孕晶段2為一個(gè)選晶段B的子單元，所述選晶段B有兩個(gè)以上的子單元，并且頸縮段I為異軸設(shè)置。
[0006]上述選晶器的優(yōu)選方案為，各相鄰頸縮段I的軸線均與選晶器的中心軸平行。
[0007]上述選晶器的優(yōu)選方案為，各相鄰頸縮段I的內(nèi)表面在垂直于選晶器中心軸00’的平面上的投影無(wú)重疊。
[0008]上述選晶器的優(yōu)選方案為，考慮到模具與凝固材料受重力作用，為保證模具和材料的受力均勻，避免斷裂及破損，在頸縮段外部均配有支撐柱，相鄰的支撐柱軸線均與選晶器的中心軸平行；即所述的頸縮段I外部均配有支撐柱3，相鄰的支撐柱3軸線均與選晶器的中心軸00’平行。
[0009]上述選晶器的優(yōu)選方案為，所述選晶段B由2-5個(gè)子單元組成。因?yàn)獒槍?duì)材料較廣，材料性質(zhì)不一，選晶過(guò)程也不一樣，因此可針對(duì)不同材料制備2-5級(jí)的選晶段，以保證目標(biāo)單晶或目標(biāo)柱狀晶的研制與生產(chǎn)。
[0010]上述選晶器的優(yōu)選方案為，所述頸縮段I的形狀呈啞鈴型，其高度與引晶段直徑之比為1:3到1:2，最窄處直徑與引晶段直徑之比為1:4到1:3。
[0011]上述選晶器的優(yōu)選方案為，所述支撐柱3最窄處的直徑與頸縮段最窄處直徑之比為 1:2 到 1:1。
[0012]上述選晶器的優(yōu)選方案為，所述引晶段A形貌需與定向凝固冷卻底座的形貌匹配。
[0013]上述選晶器的優(yōu)選方案為，所述成形段C設(shè)計(jì)為最終產(chǎn)品的形狀。
[0014]本發(fā)明還涉及上述選晶器的應(yīng)用，該選晶器用于制備具有磁各向異性的金屬磁性材料或組織各向異性的金屬結(jié)構(gòu)材料。
[0015]本發(fā)明采用多級(jí)異軸頸縮式選晶法，相對(duì)于其他制造定向凝固材料的設(shè)備的選晶機(jī)構(gòu)結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，易于制造，工藝穩(wěn)定，成本低廉，單晶產(chǎn)出率高，且具有較高的設(shè)備通用性和產(chǎn)品通用性，可用于制備具有尺寸要求和組織要求的具有磁各向異性的金屬磁性材料、具有組織各向異性的金屬結(jié)構(gòu)材料。 【專利附圖】

【附圖說(shuō)明】
[0016]圖1為本發(fā)明實(shí)施例1的異軸縮頸選晶器的立體示意圖；
圖2為圖1所示的異軸縮頸選晶器的剖面示意圖；
圖3是圖1所示的異軸縮頸選晶器的仰視示意圖；
圖4為本發(fā)明實(shí)施例2的異軸縮頸選晶器的立體示意圖；
圖5是圖4所示的異軸縮頸選晶器的剖面示意圖；
圖6為圖4所示異軸縮頸選晶器的俯視示意圖；
圖7為本發(fā)明實(shí)施例3的異軸縮頸選晶器的立體示意圖；
圖8是圖7所示的異軸縮頸選晶器的剖面示意圖；
圖9為圖7所示異軸縮頸選晶器的俯視示意圖；
其中A為引晶段，B為選晶段，C為成形段，羅馬字母1-V為不同的選晶器子單元，由頸縮段(I)搭配相應(yīng)的孕晶段(2)和支撐柱(3)組成。
[0017]
【具體實(shí)施方式】
[0018]以下結(jié)合附圖對(duì)本發(fā)明的一個(gè)實(shí)施例做詳細(xì)說(shuō)明。
[0019]實(shí)施例1
圖1是圓柱狀的異軸縮頸選晶器立體示意圖，圖2是其剖面示意圖，圖3是其仰視圖。如圖1結(jié)合圖2所示，本發(fā)明的異軸縮頸選晶器為一中空模具，由壓模法一次制成，材料為石英，壁厚3mm。選晶器包括引晶段A、選晶段B和成形段C。[0020]引晶段A為中空?qǐng)A柱狀，其底部與定向凝固裝置的冷卻座(未圖示)連接并固定，其底部直徑為80_。引晶段A的形貌可匹配定向凝固冷卻底座形貌，包括圓形、橢圓形、矩形及其他形貌。
[0021]選晶段B位于引晶段A上面，由兩個(gè)頸縮段搭配相應(yīng)的孕晶段組成。具體來(lái)說(shuō)，由兩個(gè)相同的子單元I和II重疊組成，每一個(gè)子單元都由一個(gè)頸縮段I和一個(gè)孕晶段2組成。一個(gè)子單元為一級(jí)，兩個(gè)為兩級(jí)，N個(gè)就為N級(jí)，本實(shí)例為兩級(jí)。頸縮段I高20mm，呈啞鈴型，最窄處直徑20mm，且為異軸設(shè)置，所謂的異軸設(shè)置，即兩頸縮段的軸線olol’和ο2ο2’不在同一條直線上，保持相互平行，在本實(shí)施例中，如圖2所示，兩級(jí)頸縮段的軸線olol’和ο2ο2’均與選晶器的中心軸00’平行，且相對(duì)于選晶器的中心軸00’軸對(duì)稱(對(duì)應(yīng)兩頸縮段軸線與中心線夾角180° )。如此異軸可以保證通過(guò)不同縮頸段的不同晶粒所占的比例不同，以達(dá)到選晶的效果。為了更加有效的對(duì)晶粒進(jìn)行機(jī)械阻隔，如圖3所示，本發(fā)明中相鄰頸縮段I內(nèi)表面在垂直于選晶器中心軸00’的平面上的投影無(wú)重疊(對(duì)應(yīng)選晶器內(nèi)表面在徑向空間無(wú)重疊)，如此可更加有效的對(duì)晶粒進(jìn)行機(jī)械阻隔，基本不會(huì)使通過(guò)兩個(gè)相鄰的異軸的頸縮段I的晶粒數(shù)相同。孕晶段2則為中空?qǐng)A柱體，提供空間使得通過(guò)頸縮段I篩選的柱狀晶粒再次長(zhǎng)大。為保證模具和材料的受力均勻，避免斷裂及破損，在頸縮段I外部均配有支撐柱3，本實(shí)施例為兩個(gè)，兩支撐柱3的軸線均與選晶器的豎直中心軸00’平行，且相對(duì)于該中心軸00’軸對(duì)稱，兩支撐柱3最窄處的直徑均為10mm，與選晶器的中心軸00’間距為 20mm。
[0022]成形段C的頂部位于熔煉澆口(圖示)之下并與之共軸，其形貌根據(jù)實(shí)際所需產(chǎn)品的形貌來(lái)選擇，包括圓柱狀、葉片狀、圓錐狀及其它形貌。本實(shí)施例中為圓柱狀。
[0023]當(dāng)需要使用選晶器時(shí)，先將熔融材料通過(guò)熔煉澆口澆入成形段C，熔融材料通過(guò)成形段C流入選晶段B再流入引晶段A，進(jìn)而充滿整個(gè)選晶器模具。由于引晶段A底部與凝固裝置的冷卻座連接并固定 ，隨著冷卻座的下拉，進(jìn)而形成一垂直方向的溫度梯度，使得熔融材料向上定向凝固結(jié)晶。一般越往上晶粒長(zhǎng)得越大，又因?yàn)轭i縮段I可通過(guò)其橫截面淘汰一部分晶粒，只允許對(duì)應(yīng)于頸縮段I橫截面上的那些柱狀晶粒進(jìn)入頸縮段1，其它柱狀晶粒則被阻隔，即所謂的機(jī)械阻隔淘汰選晶機(jī)制；結(jié)果只有少數(shù)晶粒能通過(guò)I級(jí)頸縮段I進(jìn)入孕晶段2繼續(xù)長(zhǎng)大。經(jīng)過(guò)I級(jí)孕晶段2長(zhǎng)大后的晶粒又將經(jīng)過(guò)II級(jí)頸縮段I重復(fù)上述的篩選過(guò)程，此時(shí)，如【背景技術(shù)】的同軸多重選晶器所公開的那樣，在通過(guò)第一縮頸區(qū)并進(jìn)入第一擴(kuò)張區(qū)后，只有周邊柱晶晶粒發(fā)生明顯的側(cè)向粗化，中部柱晶尺寸卻幾乎保持不變。而本發(fā)明中的頸縮段I是異軸設(shè)置的，更有利于周邊側(cè)向粗化的柱晶生長(zhǎng)。也就是說(shuō)，在通過(guò)I級(jí)孕晶段2長(zhǎng)大后，由于兩個(gè)頸縮段I并不是同軸的，而是如前所述的異軸，相對(duì)于中心軸00’軸對(duì)稱，并在垂直于選晶器中心軸00’的平面上的投影無(wú)重疊；這樣將更有利于挑選出周邊側(cè)向粗化的柱晶，單位面積內(nèi)的晶粒數(shù)也就更少了。通過(guò)II級(jí)頸縮段I篩選后的晶粒將進(jìn)入II級(jí)孕晶段2繼續(xù)長(zhǎng)大，最后還要通過(guò)成形段C下部直徑較小的入口 4被進(jìn)一步篩選，單位面積的晶粒數(shù)再一次減少。最后經(jīng)過(guò)層層篩選的晶粒在成形段C的圓柱部分長(zhǎng)大形成我們需要的產(chǎn)品。
[0024]實(shí)施例2
圖4和圖5分別是葉片狀的2級(jí)異軸縮頸選晶器的立體示意圖和剖面示意圖，圖6為其俯視圖。如圖4結(jié)合圖5所示，引晶段A與選晶段B結(jié)構(gòu)及尺寸同實(shí)施例1，不同之處在于其成形段C主體為近似發(fā)動(dòng)機(jī)的葉片形狀(如圖6所示)，不過(guò)為了便于澆注，其成形段C頂部仍為圓形，它們之間設(shè)計(jì)成平滑過(guò)渡。使用方法與實(shí)施例一類似，在此不再贅述。本實(shí)施例的選晶器用于生產(chǎn)航空發(fā)動(dòng)機(jī)所用高溫合金。
[0025]實(shí)施例3
圖7和圖8分別是方柱形的4級(jí)異軸縮頸選晶器的立體不意圖和首I]面不意圖，圖9為其俯視圖。如圖，結(jié)構(gòu)組成與實(shí)施例1相似，不同之處在于其選晶段B由4級(jí)子單元組成，每相鄰單元頸縮段的軸線在垂直投影平面中與中心軸00’的投影點(diǎn)的連線的角度為90度。4個(gè)子單元頸縮段I的投影如圖9所示，這具有更好的選晶效果。除此之外，選晶段A直徑為100mm，頸縮段I內(nèi)表面最窄處直徑為30mm，支撐柱2最窄處直徑為24mm。成形段C主體為方柱狀，頂端面積充裕，不影響澆注過(guò)程。使用方法與實(shí)施例一類似，在此不再贅述。本實(shí)施例的選晶器用于功能材料單晶銅棒的生產(chǎn)。
[0026]以上只是本發(fā)明的三個(gè)優(yōu)選實(shí)施例，需要說(shuō)明的是本發(fā)明并不限于此，本發(fā)明的選晶器不僅可以用于生產(chǎn)實(shí)施例一中的具有尺寸要求和組織要求的具有磁各向異性的稀土超磁致伸縮材料，實(shí)施例二中的具有組織各向異性的高溫合金，實(shí)施實(shí)例三中的還可以生產(chǎn)單晶銅，另外還可以生產(chǎn)鋼鐵材料等。由于材料種類不同，材料性質(zhì)不一，其選晶過(guò)程也不一樣，因此可針對(duì)不同材料制備2-5級(jí)的選晶段，以保證目標(biāo)單晶或目標(biāo)柱狀晶的研制與生產(chǎn)，只要相鄰頸縮段異軸設(shè)置即可，優(yōu)選的為相鄰頸縮段的軸線都與選晶器的中心軸平行，且相對(duì)于選晶器的中心軸軸對(duì)稱，以及相鄰頸縮段的內(nèi)表面在垂直于選晶器中心軸00’的平面上的投影無(wú)重疊。
【權(quán)利要求】
1.一種制備定向凝固材料的選晶器，包括引晶段(A)、選晶段(B)和成形段(C)，其特征在于，頸縮段(I)搭配相應(yīng)的孕晶段(2)為一個(gè)選晶段(B)的子單元，所述選晶段(B)有兩個(gè)以上的子單元，并且頸縮段(I)為異軸設(shè)置。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種制備定向凝固材料的選晶器，其特征在于，各相鄰頸縮段(I)的軸線均與選晶器的中心軸平行。
3.根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種制備定向凝固材料的選晶器，其特征在于，各相鄰頸縮段(I)的內(nèi)表面在垂直于選晶器中心軸的平面上的投影無(wú)重疊。
4.根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種制備定向凝固材料的選晶器，其特征在于，所述的頸縮段(I)外部均配有支撐柱(3)，相鄰的支撐柱(3)軸線均與選晶器的中心軸平行。
5.根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種制備定向凝固材料的選晶器，其特征在于，所述選晶段(B)由2-5個(gè)子單元組成。
6.根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種制備定向凝固材料的選晶器，其特征在于，所述頸縮段(I)的形狀呈啞鈴型，其高度與引晶段直徑之比為1:3到1: 2，最窄處直徑與引晶段直徑之比為1:4到1:3。
7.根據(jù)權(quán)利要求4所述的一種制備定向凝固材料的選晶器，其特征在于，所述支撐柱(3)最窄處的直徑與頸縮段最窄處直徑之比為1:2到1:1。
8.根據(jù)權(quán)利要求1所述的 一種制備定向凝固材料的選晶器，其特征在于，所述引晶段(A)形貌需與定向凝固冷卻底座的形貌匹配。
9.根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種制備定向凝固材料的選晶器，其特征在于，所述成形段(C)設(shè)計(jì)為最終產(chǎn)品的形狀。
10.根據(jù)權(quán)利要求1-9任一項(xiàng)所述選晶器的應(yīng)用，其特征在于，該選晶器用于制備具有磁各向異性的金屬磁性材料或組織各向異性的金屬結(jié)構(gòu)材料。
【文檔編號(hào)】C30B11/00GK103834990SQ201410105919
【公開日】2014年6月4日 申請(qǐng)日期:2014年3月20日 優(yōu)先權(quán)日:2014年3月20日
【發(fā)明者】張深根, 劉賡, 潘德安, 劉波, 于鳴 申請(qǐng)人:北京科技大學(xué)