一种定向凝固镁合金装置及用该装置定向凝固镁合金方法
【技术领域】
[0001]本发明涉及金属定向凝固技术领域，特别涉及一种定向凝固镁合金装置及用该装置定向凝固镁合金方法。
【背景技术】
[0002]定向凝固是指采用强制手段，在金属凝固过程中建立起特定方向上温度梯度，使得熔体能够沿着与热流相反的方向凝固，最终得到具有特殊晶粒取向的柱状晶的技术。定向凝固是研究凝固原理和金属凝固规律的重要手段，也是制备单晶的主要方法。60年代以来，定向凝固研究方法和技术飞速发展，经历了从发热剂法、功率降低法到现在广泛应用的高速凝固法、液态金属法和连续定向凝固技术的转变。无论是在传统的高温合金，磁性材料，自身复合型材料的制备方面，还是在新型的金属间化合物，形状记忆型合金领域，定向凝固技术都有很广阔的前景。
[0003]邹敏强等人采用自行设计的简易定向凝固装置，利用发热剂法制备了AZ31镁合金铸件，研究发现，定向凝固AZ31合金组织与性能都表现出各向异性的特征。
[0004]赵彦民、李秋书等人通过液态金属冷却定向凝固技术制备了AZ91与AZ31合金，发现温度梯度的提高与拉速的降低可以提高定向组织的稳定性与连续性。对AZ31镁合金，当拉速< ΙΟμπι/s时可以获得稳定的定向凝固组织。
[0005]C.Zhang等人利用布里奇曼装置制备了Mg-4A1 二元合金定向凝固组织，研究了不同凝固速度下合金的微观组织与微观偏析情况。
[0006]Mabuch等人也利用布里奇曼定向凝固炉制得定向凝固AZ91，但样品的凝固组织为各向异性的多晶，并没有获得稳定连续的定向凝固组织。
[0007]传统的金属定向凝固方法普遍使用布里奇曼定向凝固炉，制成的式样虽然具有明显的定向生长晶粒，但式样直径小，凝固速度慢，故一般用于基础研究，不能同于实际生产。
【发明内容】
[0008]本发明的目的在于:针对上述问题，提供一种定向凝固镁合金装置及用该装置定向凝固镁合金的方法。
[0009]本发明提供一种定向凝固镁合金装置，包括架体结构，所述架体结构由底部支撑子结构和上部固定子结构组成，还包括炉体结构、升降机构、搅拌机构、水冷管道、测温器和坩祸；
所述炉体结构包括炉腔、加热电阻丝、保温层、隔热层和上保温盖，所述加热电阻丝布置于所述炉腔侧壁，所述保温层位于所述炉腔外侧，所述炉体结构顶部、中部、底部分别布置有所述隔热层；
所述升降机构包括坩祸底座、下保温底盘、行走横梁和步进电机，所述坩祸底座置于所述下保温底盘上，所述下保温底盘与所述行走横梁连接，所述行走横梁与所述底部支撑子结构连接，所述步进电机与所述行走横梁连接； 所述搅拌机构包括搅拌棒和搅拌电机，所述搅拌电机固定于所述上部固定子结构，所述搅拌棒与所述上部固定子结构为可移动连接，所述搅拌电机与所述搅拌棒连接，所述搅拌棒穿过所述上保温盖；
所述水冷管道包括进水管和出水管，所述进水管和所述出水管均与所述坩祸底座连接；
所述测温器包括上部热电偶和下部热电偶，所述上部热电偶与所述上保温盖之间为可移动连接，所述下部热电偶与所述下保温底盘连接；
所述炉体结构通过所述底部支撑子结构、所述上部固定子结构与所述架体结构固定连接;所述升降机构通过所述行走横梁与所述架体结构连接;所述搅拌机构通过所述上部固定子结构与所述架体结构连接，通过所述上保温盖与所述炉体结构连接。
[0010]本发明还提供一种使用上述装置定向凝固镁合金的方法，包括以下步骤:
步骤一、材料准备，熔炼镁材料为2000克，对所述材料进行打磨去除表面的氧化层； 步骤二、所述坩祸内壁和所述搅拌棒用氮化硼涂料涂抹均匀；
步骤三、将所述材料放入所述坩祸内，所述坩祸置于所述坩祸底座上，将所述坩祸自下而上升入到所述炉腔内；关闭所述炉腔，同时开启所述加热电阻丝，设置加热温度为720°C;所述材料在熔化过程中，当加热温度高于650°C时通入SF6和CO2的混合气作为保护气体；步骤四、添加合金元素，用特制漏勺从所述炉腔顶部将合金元素放入所述坩祸内，充分熔解，同时加大SF6和CO2的混合气的通入量；
步骤五、打开所述搅拌电机，所述搅拌棒自下而上对所述坩祸内熔液进行搅拌，时间为I分钟；
步骤六、用特制工具打渣，除去浮于熔液表层的杂质和氧化物;继续保持加热，使镁合金熔液在所述炉腔内静置保温20分钟；
步骤七、通入冷却水开始冷却，同时打开所述升降系统，将所述坩祸缓缓从所述炉腔内移出，直至所述镁合金熔液完全凝固成锭坯，期间通过所述上部热电偶和所述下部热电偶记录熔液上部和下部的温度；
步骤八、所述锭坯降温到室温时将其取出。
[0011]进一步的，步骤二中所述氮化硼涂料的配比为:氮化硼15%，其余为无水乙醇。
[0012]进一步的，步骤三中所述SF6和CO2的混合气的比例为1: 100。
[0013]进一步的，步骤七中所述坩祸从所述炉腔内的移出速度为0.5_/分钟。
[0014]本发明的有益效果为:
1、能够制得直径为89mm的定向凝固铸锭，内部组织具有明显定向生长特征，使得定向凝固后的铸锭能够直接用于后续加工和分析，并为实际工业生产提供理论和实践依据。
[0015]2、较好控制镁合金的烧损，使凝固后的材料更纯净。
[0016]3、镁合金密度低，熔化后经过较长时间的凝固，容易造成成分分布不均匀的问题，通过前述定向凝固方法，该问题也得到有效解决。
【附图说明】
[0017]图1所示为本发明实施例结构示意图。
[0018]图中:1_底部支撑子结构、2-上部固定子结构、3-加热电阻丝、4-保温层、5-隔热层、6-上保温盖、7-搅拌电机、8-搅拌棒、9-上部热电偶、10-下部热电偶、11-下保温底盘、12-行走横梁、13-步进电机、14-进水管、15-出水管、16_i甘祸、17-炉腔、18_i甘祸底座。
【具体实施方式】
[0019]下文将结合具体附图详细描述本发明具体实施例。应当注意的是，下述实施例中描述的技术特征或者技术特征的组合不应当被认为是孤立的，它们可以被相互组合从而达到更好的技术效果。在下述实施例的附图中，各附图所出现的相同标号代表相同的特征或者部件，可应用于不同实施例中。
[0020]如图1所示，本发明实施例一种定向凝固镁合金装置，包括架体结构，所述架体结构由底部支撑子结构I和上部固定子结构2组成，还包括炉体结构、升降机构、搅拌机构、水冷管道、测温器和坩祸16;
所述炉体结构包括炉腔17、加热电阻丝3、保温层4、隔热层5和上保温盖6，所述加热电阻丝3布置于所述炉腔17侧壁，所述保温层4位于所述炉腔17外侧，所述炉体结构顶部、中部、底部分别布置有所述隔热层5;
所述升降机构包括坩祸底座18、下保温底盘11、行走横梁12和步进电机13，所述坩祸底座18置于所述下保温底盘11上，所述下保温底盘11与所述行走横梁12连接，所述行走横梁12与所述底部支撑子结构I连接，所述步进电机13与所述行走横梁12连接；
所述搅拌机构包括搅拌棒8和搅拌电机7，所述搅拌电