凝固作業(yè)-西工大

1、一、凝固過程中有哪幾類重要的傳輸過程？它們是如何影響凝固過程的？如何有效控制這些過程？答:凝固過程中包括熱量傳輸、質(zhì)量傳輸和動量傳輸；凝固過程的傳熱符合傳熱的普遍規(guī)律，包括傳導、對流及輻射三種基本傳熱方式，但同時也具有自身的一些特點。首先它是一個有熱源的傳熱過程。金屬凝固時釋放潛熱，可以看成是一個熱源釋放的熱，且這個熱源位置在不斷地移動。其次，在金屬凝固時存在著兩個界面，即固液界面和金屬-鑄型間界面，在這些界面上，會發(fā)生極為復雜的傳熱現(xiàn)象。質(zhì)量傳輸包括擴散傳質(zhì)、對流傳質(zhì)、相間傳質(zhì)。若溶質(zhì)再分配過程不能充分完成，擴散不均勻，則產(chǎn)生成分偏析，金屬凝固結(jié)束后，各處成分不完全相同。動量傳輸即為液態(tài)金屬

2、的流動，包括動量對流和自然對流。當對流達到紊流程度時，會沖刷枝晶壁造成晶粒繁殖，促使等軸晶的發(fā)展，特別是溶質(zhì)濃度較高的合金容易借助流動形成等軸晶。二、試述等軸晶的形核機理，給出主要的晶粒細化方法和相應的工藝過程？答:等軸晶形核的機理有：1、型壁上形核按照大野篤美的機理游離；2、固液兩相區(qū)的枝晶被熔斷并被液流帶入液相區(qū)；3、自由表面凝固形成“晶雨”；游離晶的形成:液態(tài)金屬在鑄型型壁的激冷作用下發(fā)生了兩種變化1、在型壁上形成晶核；2、液態(tài)金屬因冷卻收縮而發(fā)生流動。生長中的晶核在液流作用下從型壁脫落進入液相區(qū)。枝晶熔斷：枝晶生長過程中由于根部溶質(zhì)的富集產(chǎn)生“縮頸”并熔斷、脫落；在沒有強制對流的條件下

3、，大量被熔斷枝晶的形成與漂移均與側(cè)向生長的兩相區(qū)中枝晶的流動密切相關；表面凝固和“晶雨”的形成:表面凝固取決于熔體的凝固溫度與環(huán)境之差。表面凝固必須具備的形核條件與內(nèi)生生核相似，需較大的過冷度。當合金溫度與環(huán)境溫度之差較大時，表面獲得所需要的過冷度而發(fā)生形核長大。液相的流動和表面的擾動會使表面形成的晶核下落形成”晶雨”。晶粒細化的方法：1、添加晶粒細化劑，即向液態(tài)金屬中引入大量形核能力很強的易幟晶核，達到細化晶粒的目的；2、添加阻止生長劑以降低晶核的長大速度，使形核數(shù)量相對提高，獲得細小的等軸組織；3、采用機械攪拌、電磁攪拌、鑄型振動等力學方法，使枝晶折斷、破碎，使晶粒數(shù)量增多，尺寸減??；4、

4、提高冷卻速度使液態(tài)金屬獲得大過冷度，增加形核速率；5、去除液相中的異質(zhì)晶核，抑制低過冷度下的形核，使合金獲得很大過冷度，并在大過冷度下突然大量形核，獲得細小等軸組織。三、凝固偏析大體分為宏觀偏析和微觀偏析，它們是如何形成的？如何控制和減少凝固偏析？答：微觀偏析是枝晶凝固的必然產(chǎn)物。假定凝固過程中的固相擴散可以忽略，則凝固過程的任何時刻液固界面附近固相一側(cè)的成分被保留在最終的凝固組織中形成枝晶形式的等濃度面。因此等濃度面可以標記凝固界面的進程。并且，影響微觀偏析的只要因素有：1）凝固速率R=dsd,隨局部凝固時間的增大，非平衡相的析出量減小，即偏析減輕。2）合金元素的固相擴散系數(shù)。合金元素的固相

5、擴散系數(shù)越大，凝固過程的擴散越充分，該元素的偏析也就越輕。3）合金元素的液相擴散系數(shù)，液相擴散系數(shù)越大，液相中的合金元素能夠在枝晶間充分擴散。宏觀偏析：平界面定向凝固過程中偏析的形成是由擴散過程決定的。在無液相流動的條件下，隨著凝固速率的加快，凝固界面前液相中溶質(zhì)富集區(qū)內(nèi)溶質(zhì)分布向穩(wěn)態(tài)的逼近速度加快。因而，快速凝固有利于縮小偏析區(qū)。并且枝晶凝固組織中的偏析分布不僅與擴散過程相關，也受液相流動過程的控制。由于溶質(zhì)的再分配，枝晶間液相中的溶質(zhì)質(zhì)量分數(shù)不同于平均溶質(zhì)質(zhì)量分數(shù)。這些液體的流動將導致溶質(zhì)質(zhì)量分數(shù)在宏觀尺度上的不均勻，形成宏觀偏析。因此通過控制凝固速度和液相流動過程可以控制宏觀偏析。四、詳

6、述固液界面形態(tài)選擇的成分過冷理論和絕對穩(wěn)定理論的基本內(nèi)容。請給出相關理論推導及重要推論？答：成分過冷理論：當一種合金冷卻下來，由于溶質(zhì)在固相和液相中的分配因數(shù)不同，溶質(zhì)原子隨著凝固的進行，被排擠到液相中去。在固液界面液相一側(cè)堆積著溶質(zhì)原子，隨著離開固液界面距離的增大，溶質(zhì)質(zhì)量分數(shù)逐漸降低。在固液界面的一側(cè)液相中的溶質(zhì)原子濃度梯度應為:dldxx=0=-RDLL*(1-k)式中 R生長速率； L液相溶質(zhì)質(zhì)量分數(shù)；L*溫度T*下的平衡溶質(zhì)質(zhì)量分數(shù)；DL溶質(zhì)液相擴散系數(shù)；k溶質(zhì)分配因數(shù)。當界面處于平衡時， (dTLdx)x=0=ml(dLdx)x=0式中 TL合金液的液相線溫度；mL合金系的液相線斜

7、率。如果沒有過冷界面液相中的實際溫度梯度GTL應等于或大于(dTLdx)x=0， GTL(dTLdx)x=0或 GTLR-mLS*(1-k)kDL再穩(wěn)態(tài)對流條件下，S*等于C0，即上式變?yōu)椋?GTLR-mLC0(1-k)kDL絕對穩(wěn)定理論：Mullins和Sekerka鑒于成分過冷理論存在的不足，提出一個考慮了溶質(zhì)濃度場和溫度場、固液界面能以及界面動力學的新理論。在運算時，假定固液界面處于平衡，表面能為各向同性、無對流，在平的固液界面上有干擾。其界面溫度為， TL*=TS*=Tm+T=Tm-Tmk式中 TL*界面液相溫度；TS*界面固相溫度；Tm平面凝固界面的熔點；Gibbs-Thomson數(shù)

8、；k曲率，曲面凹向液相時為正。絕對穩(wěn)定理論推導界面失穩(wěn)公式為， DL2mLGCR2kTm式中 GC溶質(zhì)質(zhì)量分數(shù)梯度；根據(jù)絕對穩(wěn)定理論，可概括總結(jié)以下幾點：1） 快速凝固時，界面張力總是起到穩(wěn)定固液界面的作用；2） 快速凝固時，溶質(zhì)原子總是起到破壞固液界面穩(wěn)定的作用；3） 平衡溶質(zhì)分配因數(shù)越小，對絕對穩(wěn)定區(qū)的平面凝固條件要比成分過冷區(qū)的越苛刻；4） 快速凝固時，宏觀的擴散邊界層變得很小，大約只有幾個原子層。固液界面前進的速率超過溶質(zhì)原子在液相中的擴散速率，使在固液界面的局部平衡不起作用，就會發(fā)生完全的溶質(zhì)截留。五、什么是定向凝固？請給出實現(xiàn)高梯度定向凝固的基本原理和主要方法？答：定向凝固：又稱定

9、向結(jié)晶，是使金屬或合金在熔體中定向生長晶體的一種工藝方法。定向凝固技術是在鑄型中建立特定方向的溫度梯度，使熔融合金沿著熱流相反方向，按要求的結(jié)晶取向進行凝固鑄造的工藝。它能大幅度地提高高溫合金綜合性能。鑄件中形成定向凝固的柱狀晶組織需要兩個基本條件，首先熱流向單一方向流動并垂直于生長中的固液界面；其次是晶體生長的前方熔體中沒有穩(wěn)定的結(jié)晶核心。定向凝固的工藝方法主要有1)發(fā)熱劑法；將型殼置于絕熱耐火材料箱中，底部安放水冷結(jié)晶器，型殼中澆入金屬液后，在型殼上部蓋以發(fā)熱劑，使金屬處于高溫，建立自上而下的凝固條件。2）功率降低法；鑄型加熱感應線圈分兩段，鑄型在凝固過程中不移動。當型殼被預熱到一定過熱度

10、時，向型殼內(nèi)澆入過熱合金液，切斷下部電源，上部繼續(xù)加熱。3)快速凝固法；與功率降低法相比，主要區(qū)別在于鑄型加熱器始終加熱，在凝固時鑄件與加熱器之間產(chǎn)生相對移動。4）液態(tài)金屬冷卻法；此工藝過程與快速凝固法基本相同，當合金液澆入型殼后，按選擇的速度將型殼拉出爐體，浸入金屬浴。5）液態(tài)床冷卻法；6）區(qū)域熔化液態(tài)金屬冷卻法； 六、什么是高溫合金？請簡述高溫合金的發(fā)展歷程，給出單晶高溫合金熔體生長技術的基本原理和工藝方法？答：高溫合金是指能夠在600以上高溫，承受較大復雜應力，并具有表面穩(wěn)定性的高合金化鐵基或鎳基、鈷基奧氏體金屬材料。高溫、較大應力、表面穩(wěn)定性和高合金化鐵基或鎳基、鈷基奧氏體是不可缺一的

11、四大要素。50多年來我國高溫合金的發(fā)展可以分為三個階段:第一階段,從1956年至20世紀70年代初是我國高溫合金的創(chuàng)業(yè)和起始階段.在蘇聯(lián)專家的指導下煉出的第一爐高溫合金GH3030(3H435),拉開了我國研制和生產(chǎn)的序幕.1960年后,當時的國際形勢要求我國必須獨立自主地研制和生產(chǎn)主要殲擊機發(fā)動機WP一5,WP一6,WP一7和WP一8等所需的各種高溫合金材料,為此,必須建立和完善我國高溫合金的生產(chǎn)基地和研究基地,配備相應的生產(chǎn)、檢測設備和科研儀器設備.本階段的主要成果是仿制前蘇聯(lián)高溫合金為主體的合金系列,GH4033,GH4037,GH4O49,GH2036,GH303O,GH3039,GH

12、3044,K401,K403和K406等,。第二階段,從20世紀70年代中至90年代中期,是我國高溫合金的提高階段.隨著試制和生產(chǎn)一些仿歐美型號的航空發(fā)動機,引進了一系列歐美體系的合金,特別是在WS一9,WZ一6和WZ一8等發(fā)動機所需高溫合金材料的研制中,全面引進歐美技術,按國外的技術標準進行研制和生產(chǎn),對材料的純潔度、均勻性和綜合性能提出了比過去更高的要求.為此,增添了一批新的生產(chǎn)工藝設備,如大型真空冶煉設備、快鍛機、精鍛機等以及先進檢測設備,進一步改進了生產(chǎn)工藝,在生產(chǎn)中建立了質(zhì)量管理系統(tǒng)和更嚴格的質(zhì)量管理程序,按照國外的規(guī)范加強質(zhì)量控制和質(zhì)量檢測工作.第三階段,從20世紀90年代中至今,

13、是我國高溫合金的新發(fā)展階段.本階段的特點是應用和開發(fā)出一批新工藝,研制和生產(chǎn)了一系列高性能高檔次的新合金.隨著新型先進航空發(fā)動機的設計、研制和生產(chǎn),要求研制和發(fā)展高性能的新材料,為此,建立和完善了旋轉(zhuǎn)電極制粉工藝粉末高溫合金生產(chǎn)線,研制了粉末渦輪盤材料FGH4095和FGH4096;采用機械合金化工藝技術,研制了氧化物彌散強化高溫合金MGH4754和FGH2756;研制了第一代、第二代單晶高溫合金DD402,DD408,DD406等,新型定向凝固柱晶合金Z4125,DZ4125L,DZ6O4M,DZ417G,低膨脹系數(shù)合金GH29O7,GH29Og以及耐熱腐蝕、可鍛可鑄的高Cr合金GH4648

14、等.單晶高溫合金熔體生長技術的基本原理和工藝方法：可以分為正常凝固法和區(qū)熔法。1) 正常凝固法中最常用的有坩堝移動、爐體移動及晶體提拉等定向凝固方法。a)坩堝移動或爐體移動單向凝固法基本原理和工藝方法：都是由坩堝的一端開始，坩堝可以垂直放置在爐內(nèi)，熔體自下而上凝固或自上而下凝固，也可以水平放置。最常用的是將尖底坩堝垂直沿爐體逐漸下降，單晶體從尖底部位緩慢向上生長；也可以將籽晶放在坩堝底部，當坩堝向下移動時，籽晶處開始結(jié)晶，隨著固液界面移動，單晶不斷長大。這類方法的主要缺點是晶體和坩堝壁接觸，容易產(chǎn)生應力或寄生成核，因此，在生產(chǎn)高完整性的單晶時，很少采用。b)晶體提拉法基本原理和工藝方法：它能在

15、較短的時間里生長出大而無位錯的晶體。將欲生長的材料放在坩堝里熔化，然后將籽晶插入熔體中，在適當?shù)臏囟认?，籽晶既不熔掉，也不長大；然后，緩慢向上提拉和轉(zhuǎn)動晶桿。旋轉(zhuǎn)一方面是為了獲得好的晶體熱對稱性，另一方面也攪拌熔體。用這種方法生長高質(zhì)量的晶體，要求提拉和旋轉(zhuǎn)速度平穩(wěn)，熔體溫度控制精確。單晶體的直徑取決于熔體溫度和拉速；減少功率和降低拉速，晶體直徑增加，反之直徑減小。2）區(qū)熔法包括水平區(qū)熔法和懸浮區(qū)熔法，其原理是區(qū)域熔煉，使多晶體從一端開始鑄件熔化，使整個晶體成分逐漸均勻，通過多次區(qū)熔，晶體純度提高。a)水平區(qū)熔法工藝方法：將材料置于水平舟內(nèi)，通過加熱器加熱，首先在舟端放置的籽晶和多晶材料間產(chǎn)生

16、熔區(qū)，然后以一定的速度移動熔區(qū)，使熔區(qū)從一端移至另一端，使多晶材料變成單晶體。 b)懸浮區(qū)熔法工藝方法：方法與水平區(qū)熔法類似，可以看做垂直區(qū)熔法，都是移動熔區(qū)，使多晶材料變成單晶體。七、試述快速凝固的基本原理、特征和主要技術手段？答：快速凝固的基本原理：由液相到固相的相變過程進行得非常快，從而獲得普通鑄件和鑄錠無法獲得的成分、相結(jié)構(gòu)和顯微結(jié)構(gòu)的過程就叫做快速凝固。在快速凝固條件下，凝固過程的各種傳輸現(xiàn)象可能被抑制，凝固偏離平衡，經(jīng)典凝固理論中的許多平衡條件假設不再適應。一般可通過激冷法和深過冷法實現(xiàn)。其中激冷法師通過提高鑄型的導熱能力，增大熱流的導出速率可使凝固界面快速推進，實現(xiàn)快速凝固；深過

17、冷法是通過抑制凝固過程中的形核，使合金液獲得很大的過冷度，從而凝固過程釋放的潛熱被過冷熔體吸收，可大大減少凝固過程需要導出的熱量，獲得很大的凝固速率?？焖倌痰奶卣鳎?、偏析形成傾向減小。2、非平衡相的形成；在快速凝固條件下，平衡相的析出可能被抑制，析出非平衡的亞穩(wěn)定相。3、細化凝固組織；大的冷卻速度不僅可細化枝晶，而且由于形核速率的增大而使晶粒細化。4、微觀凝固組織的變化；隨著合金類型與成分的變化，相同成分的合金在不同冷卻速率下可獲得完全不同的組織。5、非晶態(tài)的形成；當冷卻速率極高時，結(jié)晶過程被完全抑制，獲得非晶態(tài)的固體?？焖倌痰募夹g手段：1、粉末材料快速凝固制備技術：1) 液態(tài)合金液滴的

18、形成與凝固；將液態(tài)金屬分散成液滴，使散熱的比表面積增大，冷卻速率提高，實現(xiàn)快速凝固，可獲得具有快速凝固組織的粉末材料。2）流體霧化法。3）離心霧化法；采用一定的工藝方法使合金液旋轉(zhuǎn)，并在離心力的作用下以液滴的形式被高速拋出。液滴與環(huán)境氣體摩擦，在切應力作用下進一步破碎，并快速凝固形成粉末。2、低維材料的快速凝固：1）金屬碎片的快速凝固；最初是在液態(tài)金屬下落過程中，采用高速氣流加速，打在基板上而被快速冷卻，實現(xiàn)快速凝固。2）金屬帶的快速凝固；包括單輥法、雙輥法、溢流法、甩出法。3）線材的快速凝固；包括玻璃涂敷溶液紡績法、合金液流注入液體冷卻液法、旋轉(zhuǎn)水紡績法和傳送帶法。3、體材料的快速凝固：1)

19、液態(tài)金屬深過冷法；采取一定的措施抑制合金液中固相的形核，從而達到很大的過冷度，使合金液中的大量熱量在凝固之前被排出，凝固過程中需要導出的熱流大大減小。包括熔融玻璃凈化法和懸浮熔煉法。2）噴射沉積法；合金液經(jīng)過噴射霧化以后形成高速飛行的液滴。這些液滴在完成凝固之前沉積在激冷的基板上快速凝固。通過連續(xù)沉積可獲得大尺寸的快速凝固制件。八、請分別給出普通鋼錠連鑄技術和O.C.C技術的原理圖，詳細論述它們各自的工藝過程和技術特點？答：普通鋼錠連鑄技術和O.C.C技術的原理圖：O.C.C連鑄技術與傳統(tǒng)連鑄工藝的區(qū)別在于其鑄型是加熱的，而不是冷卻的。傳統(tǒng)的連鑄過程鑄型同時起到結(jié)晶器的作用，合金液首先在鑄型的

20、激冷作用下凝固，并逐漸向中心生長，如圖1(b)所示。而O.C.C連鑄過程中鑄型溫度高于合金液的凝固溫度。鑄型只能約束合金液的形狀，而不會在表面發(fā)生金屬的凝固，其凝固方式如圖1（a）所示。與鋼錠澆注相比，連鑄過程有以下特點：1）連鑄坯凝固實質(zhì)上是動態(tài)傳熱過程。分為結(jié)晶器、二冷和輻射三個傳熱區(qū)，鑄坯邊運行，邊放熱，邊凝固形成很長的液相區(qū)。2）連鑄坯凝固實質(zhì)上是沿液相穴在凝固溫度區(qū)間把液體轉(zhuǎn)變?yōu)楣腆w的加工過程。3）連鑄坯運行過程中坯殼所承受的外力作用，對鑄坯裂紋的形成有決定性影響。4）連鑄坯是分階段凝固的。5）已凝固坯殼在連鑄機運行過程中接受噴水冷卻，同時液芯熱量又傳給坯殼，因此可把凝固坯殼看成經(jīng)歷“形變熱處理”的過程。O.C.C技術的特點有：1）滿足定向凝固的條件，可以得到完全單方向凝固的無限長柱狀晶組織。2）由于O.C.C法固相與鑄型之間