专利名称：一种金属单晶横向晶体取向的控制方法
技术领域：
本发明涉及金属单晶的制备技术，具体地说是一种金属单晶横向晶体取向的控制方法。
背景技术：
现有技术中，在梯度炉中制备金属单晶的主要方法包括籽晶法和选晶法，其中籽晶法实质上是一种让液态金属在预制单晶母样(籽晶)上外延生长的方法，所以理论上可以控制单晶的晶体取向，但籽晶法需要预制籽晶，而且需要复杂的籽晶晶体取向测定和籽晶加工，工艺复杂，工艺条件要求严格；选晶法则是直接利用液态金属本身的结晶过程，运用特定的选晶器选择生长单晶，不用先期预制单晶籽晶，所以工艺简单，易于控制，成为工程用单晶制备的主要方法。幸运的是对于立方系金属其择优生长方向为
取向，综合性能最优。不利的是单晶横向取向往往是任意的，由于单晶体性质的各向异性性，对于具有确定结构形状的单晶材料零件的横向物理与力学性能产生不确定性。
多数选择简单的圆柱型起晶器(参见图2b)，圆形横截面起晶器获得辐射状横向温度梯度，产生辐射性热场，由于其辐射性热场无确定方向，所以晶体为随机的横向取向。然而能否在单晶生长中利用起晶器控制其横向取向很少有人讨论。
发明内容
为了克服上述不足，本发明的目的是提供一种金属单晶横向晶体取向的控制方法。
为了实现上述目的，本发明的技术方案是在单晶炉系统中，设置有选晶器、起晶器，应用选晶法生长单晶铸件；所述起晶器采用具有一对较长、相对平行对边的矩形或类矩形横截面，从而引入附加的定向横向热场，控制晶体生长过程中单晶横向晶体取向；运用常规熔模精铸方法造型，浇注液态金属，在单晶炉中生长单晶；所述具有一对较长的、相对平行的对边的起晶器，其横截面为矩形或者类似矩形，可为多边形、腰形、正方形等形状中的一种，其横截面长度为5～60mm，宽度为3～30mm，其高度为5～60mm。
本发明在常规选晶法基础上，运用立方系金属在横向也存在择优生长的原理，在起晶器上附加一个横向热场，使与该热场方向一致的晶粒择优生长，并通过选晶器获得预定横向取向的初始单晶。在此之后的单晶生长与籽晶法类似，即液态金属在初始单晶上外延生长，从而获得横向取向确定的单晶。
本发明的优点是1.由于本发明通过选晶法的起晶器尺寸形状设计(有一对较长的对边，且相对平行)，引入附加的定向横向热场，所以在晶体生长过程中能结合晶体生长择优取向的特征，控制单晶横向晶体取向。
2.本发明控制只是通过简单的改变了起晶器的形状，无需改变选晶器结构，也无需改变梯度炉的结构和增加任何设施，采用常规工艺方法，其方法简单、便于操作。
图1a为采用本发明方法单晶生长过程示意图，其中1′为液态金属，1″为已结晶金属。
图1b为采用本发明方法控制单晶横向取向制备样品的选晶系统一个实施例(包括金属单晶，选晶器和起晶器结构，以及金属单晶和起晶器的相对位相关系)。
图1c为所述图1b中实施例中样品的A向视图，单晶枝晶取向和宏观组织取向特征，说明横向
取向与起晶器横向热场方向的一致性。
图2a为矩形横截面起晶器中热场取向、枝晶生长方向示意图。
图2b为现有技术中圆柱型起晶器中热场取向、枝晶生长方向示意图。
图3a金属材料立方晶体结构(体心立方BCC)示意图。
图3b金属材料立方晶体结构(面心立方FCC)示意图。
具体实施例方式
下面结合附图和实施例详述本发明。
如图1a所示，本发明金属单晶横向晶体取向的控制方法，在单晶炉系统4中，设置有选晶器2、起晶器3，应用选晶法生长单晶铸件1；其中所述起晶器3采用具有一对较长、相对平行对边的矩形或类矩形横截面起晶器3的设计方法，引入附加的定向横向热场，控制晶体生长过程中单晶横向晶体取向，运用常规熔模精铸方法造型，浇注液态金属，在单晶炉中生长单晶。本发明能在晶体生长过程中通过引入附加的定向横向热场，结合晶体生长择优取向的特征，控制单晶横向晶体取向。
所述具有一对较长的、相对平行的对边的起晶器3，其横截面为矩形或者类似矩形，可为多边形、腰形、正方形等形状中的一种；当所述起晶器3横截面为矩形时，其横截面长度为5～60mm，宽度为3～30mm，起晶器3高度为5～60mm。
实施例1如图1b所示，以TMS64单晶高温合金样品为单晶铸件1，起晶器3截面为矩形，长30mm，宽8mm，起晶器3高30mm引入附加的定向横向热场；选晶器2为螺旋结构，采用熔模精密铸造陶瓷壳型技术，在ZGD-2型梯度炉中生长单晶，熔体温度1600℃，抽拉速度3mm/min；晶体生长过程中单晶横向晶体取向结果如图1c所示，单晶样品取矩形截面，长轴方向为横向
取向的预定方向，获得横向取向与预定方向一致的单晶，偏离度小于15°；图中1′为液态金属，1″为已结晶金属。
本发明基本原理是如图3a、图3b所示，金属材料主要为立方晶体结构(体心立方BCC，面心立方FCC)，关于原点对称，所以X，Y，Z方向均为
方向，分别正交。
晶体学关系决定了
方向为晶体的择优生长方向，该方向生长速度最快。所以在选晶法生长单晶时，在最大温度梯度方向总是得到
取向。而
取向总能获得最佳的力学性能，所以总要把铸件的最大受力方向与单晶生长时的最大温度梯度方向保持一致。
横向不能外加温度梯度，否则容易破坏单晶的正常生长(如出现晶界)。通常起晶器取圆形横截面，所以在横向没有最大梯度方向，单晶横向取向在<001>晶面上取向任意。如上所述，由于
取向具有最佳的力学性能，是否可以将横向
取向(或者因其它物理性能的各向异性特征)置于特殊需要的方向是本发明的出发点。
本发明选用长方形起晶器3可以获得典型方向性横向温度梯度，且在垂直于长边方向温度梯度最大，这是因为长边散热面积最大。根据前述择优生长原理，横向
取向与该横向最大梯度方向一致的晶粒择优生长，最终成为选择性籽晶，并获得横向取向确定的单晶铸件。
该附加温度梯度不利用外加热场，对纵向温度梯度不产生影响。
由于晶体在横向同样存在择优生长特性，择优生长特性与热场取向的耦合作用，导致晶体的选择性生长。从而推断，如果在选晶器上附加一个横向热场，单晶体的横向晶体取向将被确定。本发明起晶器3具有一对较长的对边，且相对平行的形状因素，造成横向热流的取向性，构成典型的取向性热场。由于晶体择优生长性质与该热场耦合作用，使横向择优取向与热场取向一致的晶体优先选择生长。不同横截面形状起晶器中热场取向、枝晶生长方向不同，如图2a所示，本发明横截面形状起晶器3中热场取向、枝晶生长方向(G为热场取向)，与图2b所示的现有技术中圆柱型起晶器中热场取向、枝晶生长方向相比，本发明在起晶器3上附加一个横向热场，使与该热场取向一致的晶粒择优生长，并通过选晶器3获得预定横向取向的金属单晶。
实施例2与实施例1不同之处在于将本发明方法应用于DD8单晶高温合金，单晶样品截面为圆形，起晶器3截面仍为矩形，长20mm，宽4mm，其高度40mm；但熔体温度为1550℃，抽拉速度4mm/min；基本工艺与实施例1相同，得到的单晶样品横向
取向与起晶器3长轴方向一致，偏离度小于15°。
实施例3与实施例1不同之处在于将本发明方法应用于DD98单晶高温合金，其截面为圆形；起晶器3截面为矩形，长50mm，宽20mm，其高度50mm；其它与实施例1相同，得到的单晶样品横向
取向与起晶器3长轴方向一致，偏离度小于15°。
本发明所述起晶器3截面还可以为类似矩形的形状，如多边形、腰形、正方形等形状中的一种，以具有一对较长的、相对平行的对边为原则。
权利要求
1.一种金属单晶横向晶体取向的控制方法，在单晶炉系统(4)中设置有选晶器(2)、起晶器(3)，应用选晶法生长单晶铸件(1)；其特征在于所述起晶器(3)采用具有一对较长、相对平行对边的矩形或类矩形横截面，从而引入附加的定向横向热场，控制晶体生长过程中单晶横向晶体取向，运用常规熔模精铸方法造型，浇注液态金属，在单晶炉中生长单晶。
2.按照权利要求2所述金属单晶横向晶体取向的控制方法，其特征在于所述横截面为类似矩形的起晶器(3)可为多边形、腰形、正方形形状中的一种。
3.按照权利要求2或3所述金属单晶横向晶体取向的控制方法，其特征在于所述起晶器(3)横截面为矩形时，其横截面长度为5～60mm，宽度为3～30mm，起晶器(3)高度为5～60mm。
全文摘要
本发明涉及金属单晶的制备技术，具体地说是一种金属单晶横向晶体取向的控制方法。在单晶炉中，设置有选晶器、起晶器，应用选晶法生长单晶铸件；其中所述起晶器采用具有一对较长、相对平行对边的矩形或类矩形横截面，从而引入附加的定向横向热场，控制晶体生长过程中单晶横向晶体取向，运用常规熔模精铸方法造型，浇注液态金属，在单晶炉中生长单晶。本发明能在晶体生长过程中通过引入附加的定向横向热场，结合晶体生长择优取向的特征，控制单晶横向晶体取向。
文档编号C30B11/00GK1465754SQ0213253
公开日2004年1月7日 申请日期2002年7月4日 优先权日2002年7月4日
发明者郑启, 孙晓峰, 侯桂臣, 管恒荣, 胡壮麒, 郑 启 申请人:中国科学院金属研究所