專利名稱：一種金屬材料單晶的制備技術(shù)的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及冶金技術(shù)，特別提供了一種單晶合金材料的制備方法。
R.A.laudise，曾經(jīng)在The growth of single crystals(Prentice-Hall，Inc，1970)Chapter 5，中敘述過一種制備單晶的方法，系采用將坩蝸底部制成毛細(xì)管狀或葫蘆串狀選晶器的方法來選晶，優(yōu)點是可以使用多次選晶，成功率可以比較高，缺點是生長出的晶體為任意取向，無法控制，而且葫蘆串的腰部(即縮頸的地方)由于存在熔體表面強(qiáng)力引起的充型問題而不能做得很細(xì)，所以需要多次選晶，另外選晶器和坩堝連在一起，使坩堝的制取工藝復(fù)雜化。美國專利US.Pat.No.3,494,709描述了一種采用將陶瓷模殼的底部制成螺旋形狀或彎折形狀的選晶器的方法來生長Ni基合金的單晶，優(yōu)點是定向凝固單晶生長操作工藝簡單，而且可以控制晶體取向為晶體生長的擇優(yōu)取向，即[100]取向，而且選晶成功率可以較高，缺點是模殼的制取工藝復(fù)雜，并且降低模殼的耐火度，選晶器由于考慮充型問題不能做得很細(xì)，所以需要進(jìn)行較長的選晶生長，整套生長裝置體積較龐大。文獻(xiàn)T.S.Noggle，Rev.Sci.Instr.，24(1953)184采用將Al2O3粉壓緊形成″軟模″的方法生長單晶，其具體操作為將母合金塊加工成所需試樣的形狀，并且在其底部帶一尖錐，然后放入剛玉坩堝中，周圍用Al2O3粉壓緊形成″軟模″，然后連同坩堝一起放入定向凝固爐中定向生長制成單晶。其優(yōu)點是預(yù)先成型，單晶形狀可以接近最終形狀尺寸，減少單晶的機(jī)械加工，可用于生長高熔點金屬材料的單晶。缺點是″軟模″是靠將剛玉粉壓緊形成，操作煩瑣，并且Al2O3″軟模″可能會不致密，樣品在加熱和熔化時容易變形，″軟?！宓暮穸容^大，熱傳導(dǎo)較慢，嚴(yán)重地降低單晶定向生長時所必須的溫度梯度，如果在真空系統(tǒng)中操作，Al2O3粉可能會污染真空系統(tǒng)，而且所得晶體取向為任意取向，無法控制。
本發(fā)明的目的在于提供一種工藝簡單，且成功率高，基本不需要機(jī)加工的金屬單晶材料的制備技術(shù)。
本發(fā)明提供了一種金屬材料單晶的制備技術(shù)，其特征在于根據(jù)所需單晶材料的尺寸制做相應(yīng)的陶瓷模殼，將預(yù)制母合金棒加工成與陶瓷模殼相配合的尺寸的樣品，在樣品的中下部位距樣品底部20mm以上處加工出縮頸，縮頸形狀可以為圓形，橢圓形，方形，斜柱形，扭折形或螺旋形等，縮頸的橫截面尺寸大小為0.05-75mm2，縮頸與陶瓷模殼之間的剩余部分用陶瓷涂料填充而成為選晶器，待陶瓷涂料干燥硬化以后，放入陶瓷模殼中，然后在定向凝固爐中重熔并定向生長，即可得到單晶材料，工藝參數(shù)為過熱度溫度，100-300℃，真空或惰性氣體保護(hù)，10℃/cm以上的溫度梯度，向下抽拉，抽拉速度為0.05mm/min-5mm/min。
本發(fā)明所述陶瓷模殼可以采用Al2O3-SiO2系陶瓷模殼，其制備方法是以Al2O3粉為基體，以SiO2系粘接劑(如硅酸乙酯溶膠)粘接后燒結(jié)成型。在可以成型的前提下減少SiO2以及雜質(zhì)含量可以提高模殼的耐火度。
所述陶瓷涂料系以高純Al2O3粉末為基，向該粉體內(nèi)逐步加入硅酸乙酯水解液，并同時攪拌直至形成粘稠的糊狀混合物即成。在此條件得到滿足的前提下，減少硅酸乙酯水解液的用量可以提高陶瓷涂料的耐火度。
本發(fā)明適用于Ni基、Co基、Fe基、Cu基和Al基金屬材料合金的單晶制備，只要該合金的凝固結(jié)晶和固態(tài)相變特性能夠采用金屬熔體生長方法生長(即在凝固時不發(fā)生包晶反應(yīng)；如計量比Ni3Al合金凝固時發(fā)生的NiAl相與鋼水的包晶反應(yīng)，在冷卻過程中不發(fā)生使晶體配位數(shù)發(fā)生變化的相變，如純Fe在冷卻時發(fā)生的體心立方δ-Fe向面心立方r-Fe的轉(zhuǎn)變)。
本發(fā)明與文獻(xiàn)①和文獻(xiàn)②比較，模殼加工工藝可以簡化，使用溫度提高，可以生長熔點較高的單晶。如實施例①由于合金熔點較高，用文獻(xiàn)①和文獻(xiàn)②的方法所制成的模殼難以承受使用的1650℃的高溫。另外本發(fā)明的選晶器尺寸很小，但不會有充型的問題，而且整套生長裝置可以微型化。與文獻(xiàn)③比較，本發(fā)明工藝簡單，可以控制結(jié)晶取向為[100]，而且可以提高成功率，由于模殼壁厚較小，生長時的溫度梯度較高，可以采用校高的速度生長單晶，所得單晶的枝晶結(jié)構(gòu)較細(xì)，可以提高樣品的性能。
總之本發(fā)明1.將選晶器與模殼獨立，分別制取，工藝簡單，而以前的選晶器都是與模殼連在一起的，工藝復(fù)雜。
2.陶瓷選晶器與縮頸部分是由涂料方式形成，屬于無公差配合，可以確保選晶的成功率，操作方便可靠。
3.縮頸部分可以做成不同形狀和斷面尺寸，選晶成功率高，結(jié)晶取向可以控制為晶體生長的擇優(yōu)取向，即[100]取向。該取向具有最佳的力學(xué)性能。
4.可以簡化陶瓷模殼形狀，制備工藝簡化，還可以制備高純陶瓷模殼，使用溫度可以比復(fù)雜模殼提高150℃以上。
5.由于合金棒是預(yù)先成型，可以避免其它方法存在的細(xì)頸選晶器充型不良的問題，此外，由于縮頸部分可以做得很細(xì)，提高了選晶成功率和縮短了選晶器部分的長度，使獲得單晶的有效部分長度增加。
下面結(jié)合附圖通過實施例詳述本發(fā)明附

圖1為實施例1樣品形狀附圖2為實施例2樣品形狀附圖3為單晶生長示意圖附圖4為單晶組織形態(tài)示意圖附圖5為單晶實物照片實施例1將NiAl基合金Ni-16.6Al-7Cr-0.4Zr鑄造成φ8mm的母合金棒，再加工成圖1所示形狀和尺寸，在縮頸部分用陶瓷涂料填充，陶瓷涂料由硅酸乙酯水解液和高純Al2O3粉混合組成，陶瓷涂料的填充方式與制做精密鑄造陶瓷模殼的方法類似，步驟如下先用陶瓷涂料在縮頸外涂一層，趁其未干之時立即撒上一層高純Al2O3粉，然后自然干燥，約2天以后干透，再重復(fù)涂料和撒Al2O3粉以及干燥，反復(fù)幾次以后縮頸部分填充涂料尺寸達(dá)到直徑6.9mm，待其徹底干燥硬化后放入內(nèi)徑7.0mm的高純Al2O3薄壁陶瓷管內(nèi)形成模---料組件，此處陶瓷管是作為模殼使用。
將模---料組件放入如圖3所示的定向凝固爐中生長。爐中有Ar氣保護(hù)，Ar氣流量為200ml/min爐子的溫度梯度約為150℃/cm，該合金的熔點為1490℃，采用160℃的過熱度，以70℃/min的升溫速度升至1650℃，保溫3min后以1mm/min的速度向下抽接至合金凝固完畢。溫度的監(jiān)測是通過從裝置頂部的三棱鏡中用光學(xué)高溫計測取的。定向生長以后的樣品組態(tài)如圖4所示，其下部為初始生長的柱狀晶，上部為選晶生長以后長出的單晶，中間為陶瓷涂料填充形成的選晶器，邊上為陶瓷模殼，將樣品以陶瓷模殼中取出以后妤可獲得單晶，圖5是生長出的單晶的實物照片。經(jīng)X光檢驗，其晶體取向為[100]。
實施例2將Ni3Al基合金Ni--16.6Al--7Cr--0.4Zr熔煉鑄造成φ8mm的母合金棒，加工成圖2所示形狀和尺寸，由于該合金熔點較低，約為1370℃，采用180℃的過熱度，即使熔體溫度保持為1550℃左右，其余過程與實施例1相同，實物照片如圖4所示，經(jīng)x光檢驗，其晶體取向為[100]。
權(quán)利要求
1.一種金屬材料單晶的制備技術(shù)，其特征在于根據(jù)所需單晶材料的尺寸制做相應(yīng)的陶瓷模殼，將預(yù)制母合金棒加工成與陶瓷模殼相配合的尺寸的樣品，在樣品的中下部位距樣品底部20mm以上處加工出縮頸，縮頸形狀可以為圓形，橢圓形，方形，斜柱形，扭折形或螺旋形等，縮頸的橫截面尺寸大小為0.05-75mm2，縮頸與陶瓷模殼之間的剩余部分用陶瓷涂料填充而成為選晶器，待陶瓷涂料干燥硬化以后，放入陶瓷模殼中，然后在定向凝固爐中重熔并定向生長，即可得到單晶材料，工藝參數(shù)為過熱度溫度，100-300℃，真空或惰性氣體保護(hù)，10℃/cm以上的溫度梯度，向下抽拉，抽拉速度為0.05mm/min-5mm/min。
全文摘要
一種金屬材料單晶的制備技術(shù)，其特征在于根據(jù)所需單晶材料的尺寸制作相應(yīng)的陶瓷模殼，將預(yù)制母合金棒加工成與陶瓷模殼相配合的尺寸的樣品，在樣品的中下部位距樣品底部20mm以上處加工出縮頸，縮頸的橫截面尺寸大小為0.05-75mm
文檔編號C30B11/00GK1150185SQ9511391
公開日1997年5月21日 申請日期1995年11月14日 優(yōu)先權(quán)日1995年11月14日
發(fā)明者陳健, 鄭啟, 于洋, 唐亞俊, 胡壯麒 申請人:中國科學(xué)院金屬研究所