高梯度定向凝固設備
定向凝固，是指在凝固過程中采用強制手段，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，控制熱流方向，使鑄件沿規(guī)定方向結晶的鑄造技術[15-18]。定向凝固能得到一些具有特殊取向的規(guī)則組織和優(yōu)異性能的材料,便于準確測量組織形態(tài)和尺度特征,因而自它誕生以來得到了迅速的發(fā)展[19],已廣泛地應用于半導體材料、磁性材料、定向單晶、渦輪葉片以及自生復合材料的生產[20]。
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面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(tài)選擇的關鍵因素[22]。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范圍運動時,要求運動的平穩(wěn)性要高。此外,有些合金在高溫下極易氧化、揮發(fā),整個熔煉及定向凝固過程需要在真空狀態(tài)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。
從定向凝固技術的發(fā)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面[24]。
(1)提高凝同界面前沿處熔體的溫度以強化輸入界面的熱流，可有效提高界面前沿液相溫度梯度。
(2)強化已凝固固相內的散熱，提高固／液界面固相側的溫度梯度。
(3)改善高溫加熱區(qū)與冷卻區(qū)間的隔熱，用隔熱性能較好的擋板保持兩區(qū)間盡可能高的溫度著，可有效地加大界面前沿的液相溫度梯度。
(4)在固液界面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[25-26]。
(1)改變被提純熔體外部的環(huán)境。采用水冷的真空爐室，保證在真空下熔化保溫，以減少熔體表面的氧化吸氣。
(2)采用高精度拉伸裝置。采用高精度拉伸裝置，以獲得平穩(wěn)的牽引速度，促使柱狀晶沿生長方向正常生長，保證平界面的穩(wěn)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(qū)感應加熱，提高界面前沿熔體的溫度；同時采用側面環(huán)狀及底部結合的強冷方式，在界面前沿產生穩(wěn)定的大溫度梯度，保證在一定生長速度下晶體以平界面方式生長，把雜質元素限度地排出到界面前沿。
(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，促使排出到界面前沿的雜質元素混合到熔體中[27]。
因此,以獲得高的溫度梯度為目的,根據上述原則及工藝要求，新型真空高梯度定向凝固設備應該具備以下幾個基本系統(tǒng)：加熱系統(tǒng)、抽拉系統(tǒng)、真空系統(tǒng)、冷卻系統(tǒng)、控制系統(tǒng)等 [28],各系統(tǒng)間閉環(huán)連接控制。 
高梯度定向凝固設備的密封主要需要考慮加熱電極的密封、聯接法蘭的密封、水冷系統(tǒng)處得動密封等。在動密封處，防止高溫和硬質顆粒的落入伸入爐膛內的桿件需作旋轉或軸向運動，故需施以動密封。旋轉動密封采用了磁流體密封技術。法蘭部分一般采用了O形環(huán)密封的結構形式進行密封。