一種籽晶起始端抑制雜晶形成和長大的方法及模殼結構的製作方法

2023-09-19 17:26:55

專利名稱：一種籽晶起始端抑制雜晶形成和長大的方法及模殼結構的製作方法
技術領域：
本發明涉及單晶高溫合金的製備技術，特別提供了一種籽晶起始端抑制雜晶形成和長大的方法及模殼結構。
背景技術：
為了得到單晶體，首先要在金屬熔體中形成一個單晶核，可以引入籽晶或自發形核，而後在晶核熔體界面上不斷生長出單晶體。獲得單一晶核的方法通常有兩種，即選晶法和籽晶法。對於單晶高溫合金來說，這兩種方法各有優缺點，互相補充，不可偏廢。選晶法無需繁瑣的籽晶製備過程，而且成品率高，得到廣泛的應用，它基於結晶擇優生長原理而只能製取
取向單晶，可控制鑄件的縱向與001的偏差在15°之內，但無法控制鑄件的橫向取向。採用籽晶法可以獲得任何方向的單晶，該方法是將選晶器的和起始端換成籽晶。將籽晶安放在模殼的最底部與結晶器接觸，並使其成為合金與結晶器接觸的唯一部分；將具有一定過熱度的合金熔體澆注入模殼，使籽晶部分熔化，然後將模殼由爐內向外抽拉使合金冷卻，合金熔體從殘餘的晶體部分外延生長、凝固成三維取向與籽晶相同的單晶體。籽晶是具有所需取向的現成晶體，應由所鑄合金，或者熔點比所鑄合金高或相當的合金製成。
現有籽晶法生長單晶試棒模殼1的結構設計如圖1所示，在圖1的設計中，籽晶2的放入方式有一種為預置籽晶2，也就是在製作蠟模時將籽晶2直接焊在蠟模上(圖2-1)；一種為後裝籽晶2，模殼1又分為裝有剛玉管3(圖2-2)和不裝剛玉管3兩種(圖2-3)。在採用籽晶法生長單晶時，當籽晶2較高但熔化部分較少時，籽晶2和模殼1之間形成交角，雖說在籽晶2的起始端採用剛玉管3可以保證籽晶2與剛玉管3的緊密接觸，但剛玉管3與模殼1之間容易形成夾角或臺階，按照晶體形核理論，在夾角或臺階處形核功最小，合金液易於在此形成核心並長大，破壞單晶的完整性。對於未預置籽晶2時，籽晶2與模殼1間隙過大，澆注時容易導致合金溶液沿縫隙流下，當流下的鋼液較少時，在籽晶2的冷卻下，容易在籽晶2與模殼1的間隙處形核並長大，從而引入雜晶；當沿縫隙處流下的合金熔體較多時，此時籽晶2與模殼1的間隙較大，摩擦較小，合金液容易將籽晶2託起，籽晶2與結晶器脫離，散熱途徑被切斷，導致籽晶2全部熔化，失去籽晶的單晶形核核心的作用，造成籽晶生長失效。

發明內容
為了克服上述不足，本發明的目的是提供一種具有設計合理的籽晶生長起始端、能提高籽晶生長成功率的籽晶起始端抑制雜晶形成和長大的方法及模殼結構。
為了實現上述目的，本發明技術方案是以籽晶法為基礎，預置籽晶於模殼內，在起始端設一縮頸結構，抑制籽晶生長的起始端形成的雜晶，使合金熔體在籽晶的未熔化界面上以外延生長的方式長成單晶；所述籽晶生長起始端抑制雜晶形成和生長的方法所用模殼結構，為預置籽晶的模殼結構，在模殼底部設一縮頸結構，於籽晶生長起始部位的上方；所述頸縮部分的頸口尺寸相當於籽晶直徑的80％～100％；所述縮頸結構在模殼上的位置設於模殼下部籽晶上方的10～15mm處。
與現有技術相比，本發明具有如下優點本發明是將以往的籽晶法起始端設計與縮頸選晶器的設計結合起來，在起始端設一縮頸結構，從而這樣既可以對單晶生長的起始過程出現的雜晶進行抑制和排除，又可以保證獲得所需的晶體取向，提高單晶生長的成功率。


圖1為現有技術中的籽晶法模殼結構。
圖2-1為現有技術中預埋籽晶的模殼結構。
圖2-2為現有技術中帶有剛玉管的模殼結構。
圖2-3為現有技術中的籽晶法模殼結構。
圖3為本發明籽晶生長的起始端抑制雜晶形成和生長的方法所用模殼結構。
圖4為本發明一個實施例籽晶法選晶的起始端組織。
具體實施例方式
下面結合附圖和實施例對本發明作進一步詳細說明。
實施例本發明籽晶生長的起始端抑制雜晶形成和生長的方法，是以籽晶法為基礎，在起始端設一縮頸結構，並採用預置籽晶的方法置入籽晶，抑制在籽晶生長起始端雜晶的形成和長大，使合金熔體在籽晶的未熔化界面上一外延生長的方式長成單晶。
如圖3所示，所述籽晶生長的起始端抑制雜晶形成和生長的方法所用模殼結構，為預置籽晶2的模殼1結構，在模殼1底部籽晶生長起始部位的上方設一縮頸結構，保證籽晶2與模殼1的緊密接觸並對起始端可能生成的雜晶進行抑制，使籽晶生長的起始處形成一個能促使在晶核熔體界面上不斷生長出單晶體的區域。
其中本實施例所述頸縮部分頸口尺寸與籽晶的直徑相同(或略小於籽晶的直徑，如取籽晶直徑的80％)。所述縮頸結構在模殼1上的位置設於模殼1下部籽晶上方的10～15mm處(本實施例為籽晶上方的15mm處)。
就現有技術籽晶法生長單晶而言，它雖然可以獲得取向精度較高的單晶，但成功率不高。這主要取決於單晶生長的起始過程，因為在起始過程完成了從籽晶到新生單晶的引晶過程，但是也往往在起始生長過程容易有雜晶的生成。所謂雜晶是指由籽晶以外其他結晶核心長大而成的晶粒，在單晶生長中要儘可能避免的。而在單晶的生長過程中，雜晶生長要有足夠的時間和空間，即晶體的生長包括時間和空間兩個方面的因素。時間因素主要由溶質的擴散速度決定，由晶體的擇優取向和熱流方向共同決定；空間因素則取決於枝晶的形態以及枝晶生長的空間，由晶粒中枝晶的相對位置以及鑄件的幾何形狀決定。雜晶能否長大要看枝晶的相對位置能否夠抑制住單晶的生長。在生長過程中，晶體生長的前端如果受阻，則雜晶就可能被淘汰。本發明的主要原理為在籽晶生長的前斷設置一縮頸部分，限制籽晶生長初始階段在籽晶的外圍形成的雜晶生長空間，抑制雜晶的生長，使之淘汰，從而保證籽晶作為單一晶粒生長。
本實施例取是一種無錸單晶高溫合金DD98在工業用大型雙區加熱ZGD-2真空單晶爐中通過籽晶法生長單晶，其組織形貌如圖4所示，其結果表明採用本發明在籽晶生長的起始端形成的雜晶在通過縮頸處被成功的抑制和排除，保證了單晶合金的完整性，最終成功的生長出所需取向的單晶高溫合金。
權利要求
1.一種籽晶起始端抑制雜晶形成和長大的方法，以籽晶法為基礎，預置籽晶於模殼內，其特徵在於在起始端設一縮頸結構，抑制籽晶生長的起始端形成的雜晶，使合金熔體在籽晶的未熔化界面上以外延生長的方式長成單晶。
2.一種籽晶起始端抑制雜晶形成和長大的模殼結構，為預置籽晶(2)的模殼(1)結構，其特徵在於在模殼(1)底部設一縮頸結構，於籽晶生長起始部位的上方。
3.按照權利要求2所述籽晶起始端抑制雜晶形成和長大的模殼結構，其特徵在於所述頸縮部分的頸口尺寸可以為籽晶直徑的80％～100％。
4.按照權利要求2所述籽晶起始端抑制雜晶形成和長大的模殼結構，其特徵在於所述縮頸結構在模殼(1)上的位置設於模殼(1)下部籽晶上方的10～15mm處。
全文摘要
本發明涉及單晶高溫合金的製備技術，特別提供了一種籽晶起始端抑制雜晶形成和長大的方法及模殼結構。其方法是以籽晶法為基礎，預置籽晶於模殼內，在起始端設一縮頸結構，抑制籽晶生長的起始端形成的雜晶，使合金熔體在籽晶的未熔化界面上以外延生長的方式長成單晶。所用模殼結構為預置籽晶的模殼結構，在模殼底部設一縮頸結構，於籽晶生長起始部位的上方。本發明是將以往的籽晶法起始端設計與縮頸選晶器的設計結合起來，從而這樣既可以對單晶生長的起始過程出現的雜晶進行抑制和排除，又可以保證獲得所需的晶體取向，提高單晶生長的成功率。
文檔編號B22D27/20GK1570224SQ0313373
公開日2005年1月26日 申請日期2003年7月16日 優先權日2003年7月16日
發明者李金國, 趙乃仁, 王志輝, 金濤, 侯桂臣, 鄭啟, 孫曉峰, 管恆榮, 胡壯麒 申請人:中國科學院金屬研究所