高梯度定向凝固爐結構設計
 
 定向凝固技術
定向凝固，是指在凝固過程中采用強製手段，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，利用合金凝固時晶粒沿熱流相反方向生長的原理，控製熱流方向，使鑄件沿規定方向結晶的鑄造技術。20世紀80年代初，大野篤美教授將連續鑄造與定向凝固相結合，發明了OCC(Ohno Continuous Casting)法。OCC法固液界麵前沿液相溫度梯度較低;而且工藝過程難以控製，特別是對於下拉法，極易拉漏，因此，北京科技大學在其基礎上開發了具有較高的溫度梯度、工藝控製方便、適用於多種合金材料的連續定向凝固方法，並得到了很好的應用。而後又將真空設備與該工藝相結合，開發出一種熔煉、提純、凝固一體，工藝簡單，生產效率高，金屬純淨度高的新型真空連續定向凝固方法。定向凝固能得到一些具有特殊取向的規則組織和優異性能的材料,便於準確測量組織形態和尺度特征,因而自它誕生以來得到了迅速的發展,已廣泛地應用於半導體材料、磁性材料、定向單晶、渦輪葉片以及自生複合材料的生產。
在定向凝固技術中,獲得高質量定向凝固組織的基本條件是保持凝固界麵前沿具有較高溫度梯度[21]。根據成分過冷理論分析，溫度梯度和生長速度是影響定向凝固過程中晶粒形態選擇的關鍵因素。因此,高的溫度梯度是設計定向凝固設備的關鍵技術參數[23]。而設備在較高的溫度梯度下進行較大調速範圍運動時,要求運動的平穩性要高。此外,有些合金在高溫下極易氧化、揮發,整個熔煉及定向凝固過程需要在真空狀態下進行。而高的爐溫>1 600℃的強烈熱輻射還要求爐體必須具有水冷結構[35]。
從定向凝固技術的發展過程可以看出，獲得高溫度梯度和攪拌對流強度的基本原則可考慮如下幾個方麵。
(1)提高凝同界麵前沿處熔體的溫度以強化輸入界麵的熱流，可有效提高界麵前沿液相溫度梯度。
(2)強化已凝固固相內的散熱，提高固／液界麵固相側的溫度梯度。
(3)改善高溫加熱區與冷卻區間的隔熱，用隔熱性能較好的擋板保持兩區間盡可能高的溫度著，可有效地加大界麵前沿的液相溫度梯度。
(4)在固液界麵前沿增加外力的攪拌。
根據上述原則，設計要求凝固設備滿足以下幾點要求及相應的工藝。
(1)改變被提純熔體外部的環境。采用水冷的真空爐室，保證在真空下熔化保溫，以減少熔體表麵的氧化吸氣。
(2)采用高精度拉伸裝置。采用高精度拉伸裝置，以獲得平穩的牽引速度，促使柱狀晶沿生長方向正常生長，保證平界麵的穩定，減少不必要的晶界產生，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感應加熱，提高界麵前沿熔體的溫度；同時采用側麵環狀及底部結合的強冷方式，在界麵前沿產生穩定的大溫度梯度，保證在一定生長速度下晶體以平界麵方式生長，把雜質元素限度地排出到界麵前沿。
(4)攪拌。在晶體生長的同時，利用電磁力對熔體進行充分攪拌，促使排出到界麵前沿的雜質元素混合到熔體中[27]。