定向凝固技術(shù)與理論的進展

1、定向凝固技術(shù)定向凝固技術(shù) 哈爾濱工業(yè)大學(xué)材料科學(xué)與工程學(xué)院 主要內(nèi)容主要內(nèi)容 定向凝固技術(shù)的應(yīng)用 定向凝固技術(shù)的研究歷程 定向凝固技術(shù)的新進展 定向凝固技術(shù)的比較和分析 定向凝固理論研究的進展 材料的使用性能是由其組織形態(tài)來決定的。因此包括成分調(diào)整在內(nèi), , 人們通過控制 材料的制備過程以獲得理想的組織從而使材料具有所希望的 使用性能，控制凝固過程已成為提高傳統(tǒng)材料的性能和開發(fā)新材料的重要途 徑。定向凝固技術(shù)由于能得到一些具有 特殊取向的組織和優(yōu)異性能的材料 ，因而自它誕生以來得到了迅速的發(fā)展，目前已廣泛 地應(yīng)用于高溫合金、 半導(dǎo)體材料、磁性材料以及自身復(fù)合材料的生產(chǎn)。 同時，由于定向凝固技術(shù)

2、 的出現(xiàn)，也為凝固理論的研究和發(fā)展提供了 實驗基礎(chǔ)(由于理論處理過程的簡單化)，因為 在定向凝固過程中溫度梯度和 凝固速率這兩個重要的凝固參數(shù)能夠獨立變化，從而可以 分別研究它們對 凝固過程的影響 定向凝固技術(shù)的應(yīng)用定向凝固技術(shù)的應(yīng)用 消除橫向晶界 控制晶體生長方向 控制第二相的形狀、大小和分布 凝固理論研究的有力工具 傳統(tǒng)的定向凝固技術(shù) 6 根據(jù)成分過冷理論，要使合金定向凝固得到平面凝固組織，主要取決 于合金的性質(zhì)和工藝參數(shù)的選擇。前者包括溶質(zhì)量、液相線斜率和溶 質(zhì)在液相中的擴散系數(shù)，后者包括溫度梯度和凝固速率。如被研究的 合金成分已定，則靠工藝參數(shù)的選擇來控制凝固組織，其中固液界界 面液相

3、一側(cè)的溫度梯度是最關(guān)鍵，所以人們都致力于提高溫度梯度， 可以說定向凝固技術(shù)的發(fā)展歷史是不斷提高設(shè)備溫度梯度的歷史，大 的溫度梯度可以得到理想的合金組織和性能，又可以允許加快凝固速 率，提高設(shè)備利用率。 7 p 保證金屬單向散熱，絕對避免在側(cè)面型壁生核及長出新晶體 p 減小成分過冷 提高澆注溫度 提高鑄型溫度 加熱固-液界面前沿的液體 p 減小金屬液體的生核能力 提高液體的純潔性 減少氧化 吸氧或夾雜 （一）發(fā)熱劑法（一）發(fā)熱劑法 定向凝固技術(shù)研究歷程定向凝固技術(shù)研究歷程 發(fā)熱劑 金屬熔體 固液界面 結(jié)晶器 鑄錠 水冷銅盤 冷卻水 9 發(fā)熱劑法是定向凝固中最原始的一種方法， 為了造成一個溫度梯度

4、，零件模殼放在一個水 冷銅底座上，并在頂部加發(fā)熱劑。 成本低，但無法保證重復(fù)性，難以生產(chǎn)高 質(zhì)量的發(fā)動機高溫合金葉片。 （二）功率降低法（二）功率降低法 加熱器 受熱體 陶瓷模 金屬液 水冷銅底 冷卻水 11 加熱時上下兩部分感應(yīng)圈全部通電，在模殼內(nèi)建立起所需要的溫度場，然 后澆入過熱的合金溶液。 下部感應(yīng)圈停電，調(diào)節(jié)輸入上部感應(yīng)圈的功率，使之產(chǎn)生一個軸向溫度梯 度。 這種工藝可達到的溫度梯度最小，在10oC/cm左右，制出的合金葉片長度 受到限制，并且柱狀晶之間的平行度差 （三）快速凝固法（三）快速凝固法 13 多出一個拉錠機構(gòu)，用移動模殼加強散熱條件 澆入合金后達到熱穩(wěn)定及開始在冷卻底座表

5、面生成一薄層固態(tài)金屬，然后模殼以 預(yù)定速度經(jīng)過感應(yīng)器底部的輻射擋板從加熱器中移出。 前段凝固階段，熱量散失是通過水冷底座的對流傳熱為主，離開結(jié)晶器一定距離 后，轉(zhuǎn)為以輻射為主。 14 擋板的作用 模殼移動時輻射熱的損失降至最小，使加熱器內(nèi)維持相對均勻的溫度場 使感應(yīng)圈到鑄件凝固部分表面的輻射熱保持最小，從而加強了傳熱 與功率降低法相比 p有較大的溫度梯度，能改善柱狀晶質(zhì)量和補縮條件，在約300mm高度 內(nèi)可全是柱狀晶 p 由于局部凝固時間和糊狀區(qū)都變小，使顯微組織致密，減小偏析，從 而改善了合金組織 p 提高凝固速率2-3倍，R達到300mm/h 優(yōu)點： v 高的冷卻速率 v 對于大模組具有相

6、同高的冷卻速度 v 快速加工 缺點： v 有限的堅固性 v 原始成本高 16 液態(tài)金屬的選擇 p 有低的蒸汽壓，可在真空下使用 p 熔點低，熱容量大，導(dǎo)熱率高 p 不溶解于合金中 p 價格便宜 冷卻介質(zhì)的溫度 模殼的傳熱性、厚度形 狀 擋板的位置 熔液溫度 （五）流態(tài)床冷卻（五）流態(tài)床冷卻 法法 流態(tài)化的150號 ZrO2粉作為冷卻 介質(zhì)，冷卻介質(zhì) 溫度100-120oC. 傳統(tǒng)定向凝固技術(shù)存在的問題 不論是爐外法，還是爐內(nèi)法，也不論是功率降低法，還是快速凝固 法，它們的主要缺點是冷卻速度太慢，即使是液態(tài)金屬冷卻法，其冷卻速 度仍不夠高，這樣產(chǎn)生的一個弊端就是使得凝固組織有充分的時間長大、 粗

7、化，以致產(chǎn)生嚴重的枝晶偏析，限制了材料性能的提高 19 傳統(tǒng)定向凝固技術(shù)存在的問題 造成冷卻速度慢的主要原因： 凝固界面與液相中最高溫度面距離太遠 固液界面并不處于最佳位置 因此所獲得的溫度梯度不大，這樣為了保證界面前液相中沒 有穩(wěn)定的結(jié) 晶核心的形成，所能允許的最大凝固速度就有限。 20 為了進一步細化材料的組織結(jié)構(gòu)，減輕甚至消除元素的微觀偏析， 有效地提高材料的 性能，就需提高凝固過程的冷卻速率。在定向凝固技 術(shù)中，冷卻速率的提高，可以通過提高 凝固過程中固液界面的溫度梯度 和生長速率來實現(xiàn)。 因而如何采用新工藝、新方法去實現(xiàn)高溫度梯度和大生長速率的定向凝固，是 當(dāng)今眾多研究者追求的目標。

8、 定向凝固技術(shù)發(fā)展展望 溫度梯度進一步提高 適合于不同材料的定向凝固技術(shù) 與其他技術(shù)結(jié)合形成復(fù)合技術(shù) 22 分析法定向凝固過程 凝固界面并不在最佳位置 凝固界面遠離擋板 凝固液相中的最高溫度遠離液固界面 在距冷卻金屬面極近的特定位置加熱 液態(tài)金屬冷卻法液態(tài)金屬冷卻法 （一）區(qū)域重熔（一）區(qū)域重熔 高梯度和超高梯度定向凝固方面高梯度和超高梯度定向凝固方面 試樣 熔區(qū) 加熱體 隔熱板 陶瓷管 冷卻劑 水浴器 抽拉桿 GTL=1270K/cm （二）激光超高溫度梯度快速定向凝固 （三）氣冷快速定向凝固 高冷卻效率 快速加工 容易控制柔性的 原始成本低 對于任何定向凝固鑄件 容易改進提高 不同定向凝固

9、技術(shù)的不同定向凝固技術(shù)的G/R/TG/R/T比較比較 特殊材料的定向凝固技術(shù)特殊材料的定向凝固技術(shù) （一）電磁約束成形定向凝固 （二）軟接觸電磁約束成形定向凝固（二）軟接觸電磁約束成形定向凝固 1 固態(tài)料棒固態(tài)料棒 2 磁模磁模 3 絕熱層絕熱層 4 上加熱線圈上加熱線圈 5 保溫層保溫層 6 約束成形熔體約束成形熔體 7 下加熱成形線圈下加熱成形線圈 8 磁化套磁化套 9 凝固的金屬凝固的金屬 10 水冷銅盤水冷銅盤 光加熱懸浮區(qū)熔定向凝固光加熱懸浮區(qū)熔定向凝固 三、冷坩堝軟接觸定向凝固三、冷坩堝軟接觸定向凝固 Al2O3單晶定向凝固技術(shù)示意圖 定向凝固理論研究的發(fā)展趨勢 從單相合金和共晶合

10、金向偏晶合金和包晶合金轉(zhuǎn)移 從二元向多元合金發(fā)展 對流對凝固過程影響的定量描述 從低溫度梯度向高溫度梯度發(fā)展 實現(xiàn)相與組織的主動控制 定向凝固過程中晶體擇優(yōu)取向與生長方向的關(guān)系 定向凝固的模型化與數(shù)值模擬 謝 謝 ！ 主要內(nèi)容主要內(nèi)容 定向凝固技術(shù)的應(yīng)用 定向凝固技術(shù)的研究歷程 定向凝固技術(shù)的新進展 定向凝固技術(shù)的比較和分析 定向凝固理論研究的進展 傳統(tǒng)的定向凝固技術(shù) 37 p 保證金屬單向散熱，絕對避免在側(cè)面型壁生核及長出新晶體 p 減小成分過冷 提高澆注溫度 提高鑄型溫度 加熱固-液界面前沿的液體 p 減小金屬液體的生核能力 提高液體的純潔性 減少氧化 吸氧或夾雜 38 p 保證金屬單向散熱，絕對避免在側(cè)面型壁生核及長出新晶體 p 減小成分過冷 提