特殊凝固技術(shù)—楊雪

1、特殊凝固技術(shù)特殊凝固技術(shù)一、快速凝固技術(shù)一、快速凝固技術(shù)二、定向凝固技術(shù)二、定向凝固技術(shù)三、其他特殊凝固技術(shù)三、其他特殊凝固技術(shù)特殊凝固技術(shù)特殊凝固技術(shù)是指除了人們對傳統(tǒng)是指除了人們對傳統(tǒng)鑄錠和鑄件凝固過程進(jìn)行優(yōu)化控制，鑄錠和鑄件凝固過程進(jìn)行優(yōu)化控制，使鑄錠和鑄件的質(zhì)量得到提高外，還使鑄錠和鑄件的質(zhì)量得到提高外，還表現(xiàn)為各種全新的凝固技術(shù)的形成，表現(xiàn)為各種全新的凝固技術(shù)的形成，如快速凝固、定向凝固、半固態(tài)鑄造、如快速凝固、定向凝固、半固態(tài)鑄造、連續(xù)鑄造等。連續(xù)鑄造等。前 言q快速凝固1960年開始出現(xiàn)q快速凝固是一項(xiàng)新型材料制備技術(shù)，既是一種生產(chǎn)手段,又是一種探索新材料的研究方法，受到了普遍的

2、重視q對現(xiàn)有牌號合金，可以顯著地改善其組織結(jié)構(gòu)，充分挖掘其性能潛力，也可以研制在常規(guī)鑄造條件下無法得到的、具有優(yōu)異性能的新型材料q近二、三十年來，不但開拓了一個嶄新的學(xué)術(shù)領(lǐng)域，而且向市場提供了具有特殊性能的新材料一、快速凝固凝固與快速凝固特點(diǎn)是：特點(diǎn)是：較常規(guī)凝固快得多的冷卻速度和大得多的過冷度。較常規(guī)凝固快得多的冷卻速度和大得多的過冷度。 快快速凝固的定義速凝固的定義快速凝固快速凝固采用急冷技術(shù)或深度過冷技術(shù)獲得很高的采用急冷技術(shù)或深度過冷技術(shù)獲得很高的凝固前沿推進(jìn)速率的凝固過程（以極快的凝固速度凝固前沿推進(jìn)速率的凝固過程（以極快的凝固速度由液態(tài)轉(zhuǎn)變?yōu)楣虘B(tài)由液態(tài)轉(zhuǎn)變?yōu)楣虘B(tài)），），從而獲得了傳

3、統(tǒng)鑄件或鑄錠從而獲得了傳統(tǒng)鑄件或鑄錠冷卻條件下所不能獲得的成分、相結(jié)構(gòu)或顯微結(jié)構(gòu)。冷卻條件下所不能獲得的成分、相結(jié)構(gòu)或顯微結(jié)構(gòu)。l工業(yè)冷卻速率范圍10-310/s（大鑄錠10-2/s ，中、小等的1 /s） 冷冷卻速率與產(chǎn)品特征的關(guān)系卻速率與產(chǎn)品特征的關(guān)系l薄型鑄錠102/s，普通氣體霧化粉末103/s ，水霧化粉末104/s l快速凝固冷速可能需更高（如基體表面淬冷法106/s ，甚至更高） 快快凝對性能的影響凝對性能的影響1. 提高強(qiáng)度提高強(qiáng)度 IN100合金：合金：工藝工藝斷裂強(qiáng)度斷裂強(qiáng)度/MPa 屈服強(qiáng)度屈服強(qiáng)度/MPa延伸率延伸率/%普通鑄態(tài)普通鑄態(tài)9829148霧化粉末法霧化粉末法

4、1676120216 快凝鋁合金：快凝鋁合金： 強(qiáng)度、塑性提高，替代鈦合金，輕、價低；加鋰，更輕，強(qiáng)度更高。強(qiáng)度、塑性提高，替代鈦合金，輕、價低；加鋰，更輕，強(qiáng)度更高。 快凝非晶化：快凝非晶化： 非晶非晶Fe78Mo2B20斷裂強(qiáng)度可達(dá)斷裂強(qiáng)度可達(dá)2747MPa；非晶；非晶Fe80B20斷裂強(qiáng)度也達(dá)斷裂強(qiáng)度也達(dá)2541MPa；非晶；非晶Ti50Be40Zr10斷裂強(qiáng)度為斷裂強(qiáng)度為1648MPa，而密度只有，而密度只有4.1g/cm3 。 提高疲勞強(qiáng)度： 快冷2024-3Li鋁合金在107周下的疲勞強(qiáng)度為290MPa，較普通工藝生產(chǎn)的高約100MPa。 表面激光處理也能顯著提高熱、冷抗疲勞性能。

5、 原因：消除晶界粗大第二相、產(chǎn)生彎曲組織、晶粒大大細(xì)化。2. 提高塑性 Fe-5Si-3Al合金： 延伸率從1%提高至6.4%。 超塑性： 霧化法生產(chǎn)的IN100合金，延伸率可達(dá)1500%。一次壓成型新工藝 Al-6.7Mg-1.6Li：具有超塑性的變形速率 10-4s-1至10-2s-1。3. 提高耐磨性 快速凝固提高硬度，進(jìn)而提高耐磨性。4. 提高耐蝕性 成分均勻、組織精細(xì)。5. 提高磁性能 非晶材料是理想的軟磁材料。 6. 提高催化性能 活化、比表面積大大提高。 快速凝固技術(shù)基本原理及分類（一）快速凝固技術(shù)的分類（一）快速凝固技術(shù)的分類（二）快速凝固技術(shù)的基本原理（二）快速凝固技術(shù)的基本

6、原理（三（三）典型的急冷凝）典型的急冷凝固技固技術(shù)方法術(shù)方法快快速速凝凝固固技技術(shù)術(shù)急急冷冷凝凝固固技技術(shù)術(shù)大大過過冷冷技技術(shù)術(shù)在細(xì)小熔滴中達(dá)到的凝固過冷度的（熔滴彌散）方法：在細(xì)小熔滴中達(dá)到的凝固過冷度的（熔滴彌散）方法： 乳化法、熔滴乳化法、熔滴基底法、落管法等基底法、落管法等在較大體積熔體中獲得大凝固過冷度的（熔滴彌散）方法：在較大體積熔體中獲得大凝固過冷度的（熔滴彌散）方法： 玻璃體包裹法、嵌入熔體法（二相區(qū)法）、電磁懸浮熔體法玻璃體包裹法、嵌入熔體法（二相區(qū)法）、電磁懸浮熔體法不同學(xué)者對快速凝固方法作了不同的分類，不同學(xué)者對快速凝固方法作了不同的分類， Jones(1982)Jone

7、s(1982)根據(jù)熔體分離與冷卻方式不同而分成三類：根據(jù)熔體分離與冷卻方式不同而分成三類： （i i） 熔體急冷前破碎成液滴的噴射方法熔體急冷前破碎成液滴的噴射方法霧化技術(shù)；霧化技術(shù)； （iiii） 熔體急冷時保持其連續(xù)性的急冷方法熔體急冷時保持其連續(xù)性的急冷方法模冷技術(shù)；模冷技術(shù)； （iiiiii）在相對很厚的材料表面熔化有限深度的金屬并凝固的表面方法）在相對很厚的材料表面熔化有限深度的金屬并凝固的表面方法（材料即為冷卻器）（材料即為冷卻器）表面熔化與沉積技術(shù)。表面熔化與沉積技術(shù)。 SavageSavage和和FroesFroes（19841984）根據(jù)熔體液流是否霧化成滴而分成兩類：）根據(jù)

8、熔體液流是否霧化成滴而分成兩類：霧化法和非霧化法霧化法和非霧化法（一）快速凝固技術(shù)的分類 （a）定向凝固）定向凝固 (b)體積凝固體積凝固 圖圖1-1 兩種典型的凝固方式兩種典型的凝固方式q1-自液相導(dǎo)人凝固界面的熱流密度；自液相導(dǎo)人凝固界面的熱流密度；q2-自凝固界面導(dǎo)人固相的熱流密；自凝固界面導(dǎo)人固相的熱流密； Q-鑄件向鑄型散熱熱量鑄件向鑄型散熱熱量 （二）快（二）快速凝固技術(shù)的基本原理速凝固技術(shù)的基本原理 熱流密度熱流密度q q1 1和和q q2 2與結(jié)晶潛熱釋放率之間滿足與結(jié)晶潛熱釋放率之間滿足熱平衡方程熱平衡方程: :213qqq（1-1） 根據(jù)傅里葉導(dǎo)熱定律知根據(jù)傅里葉導(dǎo)熱定律知

9、1LTLqG（1-2） 2STSqG（1-3）3ssqhv （1-4） Q Q1 1，Q Q2 2，Q Q3 3可如下求出可如下求出 式中，式中，A A為鑄型與鑄件的界面面積；為鑄型與鑄件的界面面積； q q為界面熱為界面熱流流密度；密度；V VC C為冷卻速度，為冷卻速度， 為負(fù)值；為負(fù)值；V VSVSV為體積為體積凝凝固速度，固速度， ；V V為鑄件體積；為鑄件體積； h h為結(jié)晶為結(jié)晶潛潛熱；熱；S S、L L、 分別為固相密度、液相密度及平分別為固相密度、液相密度及平均密度；均密度；C CS S、C CL L分別為固相、液相的質(zhì)量熱容；分別為固相、液相的質(zhì)量熱容； 分別為固相體積分?jǐn)?shù)和

10、液相體積分?jǐn)?shù)。分別為固相體積分?jǐn)?shù)和液相體積分?jǐn)?shù)。 1QqA (1-7) 2()CSSSLL LQvVCC3SVQv Vh (1-8)(1-9) /CvdT d/SVSvddSL、 近似取近似取 , , , 并且已并且已知知 ，則由式（，則由式（1-61-6）至式）至式 （1-91-9）可）可得出得出: :SLSLCCC1SL+()SVCqvhcvM (1-10)/SSTSSvGh（1-11） ()/SSkiSvTTh（1-12）式中， 為鑄件模數(shù)。對凝固層內(nèi)的溫度分布作線性相似得 式中， 為凝固層厚度；TK 為液固界面溫度；Ti為鑄件與鑄型界面溫度。/MVA急冷凝固技術(shù)急冷凝固技術(shù)（Rapid

11、ly Quenching Technology, RQT）欲獲高的冷速，需滿足兩個基本條件欲獲高的冷速，需滿足兩個基本條件減少單位時間內(nèi)金屬凝固時產(chǎn)生的熔化潛熱減少單位時間內(nèi)金屬凝固時產(chǎn)生的熔化潛熱必須有能帶走熱的冷卻介質(zhì)，提高凝固過程中傳熱速率必須有能帶走熱的冷卻介質(zhì)，提高凝固過程中傳熱速率而冷卻速度取決于對流、輻射、傳導(dǎo)等的導(dǎo)熱速率而冷卻速度取決于對流、輻射、傳導(dǎo)等的導(dǎo)熱速率在理想冷卻過程中在理想冷卻過程中 ， dT/dtdT/dt=10=104 4z z 式中式中dT/dtdT/dt凝固速度，凝固速度，z z截面厚度截面厚度故熔化金屬必須被分散，至少一維方向上足夠小，具有大故熔化金屬必須

12、被分散，至少一維方向上足夠小，具有大比表面積，而且最大程度地增加熔體與冷卻介質(zhì)之間的接觸，比表面積，而且最大程度地增加熔體與冷卻介質(zhì)之間的接觸，以減小熱阻，利于散熱以減小熱阻，利于散熱急冷凝固技術(shù)中獲得高冷速的基本原則急冷凝固技術(shù)中獲得高冷速的基本原則設(shè)法減少同一時刻凝固的熔體體積設(shè)法減少同一時刻凝固的熔體體積設(shè)法增大熔體散熱表面積與體積之比設(shè)法增大熔體散熱表面積與體積之比設(shè)法減少熔體與熱傳導(dǎo)性能好的冷卻介質(zhì)的設(shè)法減少熔體與熱傳導(dǎo)性能好的冷卻介質(zhì)的界面熱阻界面熱阻盡可能主要以傳導(dǎo)方式散熱盡可能主要以傳導(dǎo)方式散熱急冷凝固三急冷凝固三種基本途徑種基本途徑 用用高速氣流打擊金屬液體，或在離心力的作用

13、下使之霧化高速氣流打擊金屬液體，或在離心力的作用下使之霧化成十分細(xì)小成十分細(xì)小 的的液滴，最后凝固成粉末。液滴，最后凝固成粉末。 把把液態(tài)金屬噴到急冷板或轉(zhuǎn)動的滾輪上，凝固成很薄的金液態(tài)金屬噴到急冷板或轉(zhuǎn)動的滾輪上，凝固成很薄的金屬箔或絲。屬箔或絲。 用激光或高能電子束熔化極薄一層金屬表層，整塊金屬基用激光或高能電子束熔化極薄一層金屬表層，整塊金屬基體起到體起到自身冷卻劑的作用。自身冷卻劑的作用。 實(shí)現(xiàn)大過冷技術(shù)的途徑： 消除金屬熔體內(nèi)部形核媒質(zhì) 分離熔體為熔滴； 消除容器壁的形核媒質(zhì) 金屬熔體與容器壁分離。 當(dāng)熔滴很小、數(shù)量很多時，每個熔滴中的形核媒質(zhì)數(shù)目非常少，從而產(chǎn)生接近均勻形核的條件。

14、 1、氣體霧化法、氣體霧化法過程：兩束或多束氣體射流介質(zhì)傳遞過程：兩束或多束氣體射流介質(zhì)傳遞動能，將金屬液流破碎，細(xì)小的液滴在動能，將金屬液流破碎，細(xì)小的液滴在飛行中通過對流或輻射散熱凝固成粉飛行中通過對流或輻射散熱凝固成粉 流流體霧化體霧化（Fluid AtomizationFluid Atomization）工藝參數(shù)：射流距離、射流壓力、噴工藝參數(shù)：射流距離、射流壓力、噴嘴結(jié)構(gòu)、氣體和金屬流速和質(zhì)量流率、嘴結(jié)構(gòu)、氣體和金屬流速和質(zhì)量流率、金屬過熱度、氣液交匯角、金屬表面張金屬過熱度、氣液交匯角、金屬表面張力和金屬融化溫度范圍力和金屬融化溫度范圍應(yīng)用：高合金鋼、鋁合金、超合金、應(yīng)用：高合金鋼

15、、鋁合金、超合金、鈦合金等（活潑金屬粉末采用惰性氣體鈦合金等（活潑金屬粉末采用惰性氣體霧化）霧化）粉末多成球形。凝固冷速取決于顆粒粉末多成球形。凝固冷速取決于顆粒尺寸和霧化介質(zhì)的類型，通常，尺寸愈尺寸和霧化介質(zhì)的類型，通常，尺寸愈小，氣體愈輕，冷速愈高小，氣體愈輕，冷速愈高（三（三）典型的急冷凝固技術(shù)方法）典型的急冷凝固技術(shù)方法2、水霧化法（、水霧化法（Water Atomization）以水射流代替氣體射流外，以水射流代替氣體射流外，其余與氣體霧化相似其余與氣體霧化相似 顆粒多呈不規(guī)則形，但冷速顆粒多呈不規(guī)則形，但冷速可達(dá)可達(dá)10102 2-10-104 4K/sK/s 已被大規(guī)模應(yīng)用于工具

16、鋼、已被大規(guī)模應(yīng)用于工具鋼、低合金鋼、銅、錫、鐵粉等等低合金鋼、銅、錫、鐵粉等等（水霧化鋼和超合金（水霧化鋼和超合金, ,活潑元活潑元素易氧化，素易氧化，O%1000ppmO%1000ppm，而，而氣體霧化，氣體霧化，O%100ppmO%100ppm）有時，）有時，也可以油代水，以降也可以油代水，以降O%O% 離離心霧化技術(shù)心霧化技術(shù)l液態(tài)金屬在高速旋轉(zhuǎn)的容器（盤、杯、坩堝、平板或凹板）的邊緣上破碎、霧化液態(tài)金屬在高速旋轉(zhuǎn)的容器（盤、杯、坩堝、平板或凹板）的邊緣上破碎、霧化的技術(shù)。液態(tài)金屬從坩堝或從熔化的母合金棒端澆注到旋轉(zhuǎn)器上，在離心力的作用的技術(shù)。液態(tài)金屬從坩堝或從熔化的母合金棒端澆注到旋

17、轉(zhuǎn)器上，在離心力的作用下，熔融金屬被甩向容器邊緣霧化，噴射出金屬霧滴，霧滴在飛行過程中球化并凝下，熔融金屬被甩向容器邊緣霧化，噴射出金屬霧滴，霧滴在飛行過程中球化并凝固。整個過程（熔化、霧化、凝固）在惰性氣體環(huán)境中完成固。整個過程（熔化、霧化、凝固）在惰性氣體環(huán)境中完成1、快速凝固霧化法、快速凝固霧化法l液流自坩堝底澆至高速旋轉(zhuǎn)的水冷液流自坩堝底澆至高速旋轉(zhuǎn)的水冷水平盤，液態(tài)金屬被機(jī)械打碎、霧化，水平盤，液態(tài)金屬被機(jī)械打碎、霧化，從旋轉(zhuǎn)盤邊緣甩出，液滴在飛行過程從旋轉(zhuǎn)盤邊緣甩出，液滴在飛行過程中凝固中凝固 旋轉(zhuǎn)離心霧化的一種，又稱旋轉(zhuǎn)離心霧化的一種，又稱l可加氦氣流噴吹，加速冷卻，（水可加氦氣

18、流噴吹，加速冷卻，（水流等亦然），也防氧化。也有人已螺流等亦然），也防氧化。也有人已螺旋槳代平盤旋槳代平盤 l粉末多呈球形，尺寸約粉末多呈球形，尺寸約20-80m20-80m，冷速冷速10104 4-10-106 6K/sK/s l已用于制備鎳、鋁、鈦和超合金粉已用于制備鎳、鋁、鈦和超合金粉 2、離心霧化法、離心霧化法l靜止電極和帶電旋轉(zhuǎn)坩靜止電極和帶電旋轉(zhuǎn)坩堝之間產(chǎn)生電弧，熔化金堝之間產(chǎn)生電弧，熔化金屬屬 l在離心力作用下，熔融在離心力作用下，熔融金屬被甩出坩堝邊緣霧化，金屬被甩出坩堝邊緣霧化，并噴射出金屬液態(tài)顆粒并噴射出金屬液態(tài)顆粒 3、旋轉(zhuǎn)電極霧化法旋轉(zhuǎn)電極霧化法l欲被霧化的棒料快速旋轉(zhuǎn)

19、，同時棒料一欲被霧化的棒料快速旋轉(zhuǎn)，同時棒料一端被一個非自耗鎢電極產(chǎn)生的電弧熔化，端被一個非自耗鎢電極產(chǎn)生的電弧熔化，融化的金屬從旋棒上甩出，在與惰性氣融化的金屬從旋棒上甩出，在與惰性氣體室室壁碰撞之前凝固，成粉體室室壁碰撞之前凝固，成粉 l粉末多呈球形，表面質(zhì)量好，尺寸大，粉末多呈球形，表面質(zhì)量好，尺寸大，大于大于200m200m，冷速，冷速1010 l已用于霧化活潑的金屬，如高純、低氧已用于霧化活潑的金屬，如高純、低氧的、等金屬的、等金屬及其合金，以及和的超合金。及其合金，以及和的超合金。易出現(xiàn)鎢污染，可用鈦陰極或等離子體易出現(xiàn)鎢污染，可用鈦陰極或等離子體弧、激光、電子束來熔化棒料弧、激光

20、、電子束來熔化棒料 1.雙雙軋軋輥法輥法 利用兩個反向高速旋轉(zhuǎn)輥輪將利用兩個反向高速旋轉(zhuǎn)輥輪將金屬液流霧化。經(jīng)過雙輥時需金屬液流霧化。經(jīng)過雙輥時需防凝固（用碳涂層包裹兩輥），防凝固（用碳涂層包裹兩輥），液態(tài)金屬從輥下方排出，形成液態(tài)金屬從輥下方排出，形成渦凹，并以液滴形式甩出，并渦凹，并以液滴形式甩出，并迅速落入水浴，凝固迅速落入水浴，凝固 將熔體液流在兩個反向旋轉(zhuǎn)的導(dǎo)熱軋輥之間軋制，熔體液流垂直下落在將熔體液流在兩個反向旋轉(zhuǎn)的導(dǎo)熱軋輥之間軋制，熔體液流垂直下落在兩輥之間，可制備兩輥之間，可制備mm的薄片，冷速達(dá)的薄片，冷速達(dá)。精控工。精控工藝參數(shù)，可制備非常長的薄帶藝參數(shù)，可制備非常長的薄帶

21、液體急冷發(fā)液體急冷發(fā)冷速達(dá)冷速達(dá)，可制備金屬薄片、箔以及不規(guī)可制備金屬薄片、箔以及不規(guī)則或球形顆粒。效率低則或球形顆粒。效率低 2、平面流鑄造法（平面流鑄造法（Planar Flow Casting）急冷塊熔體自旋法的一急冷塊熔體自旋法的一種，但將圓嘴改成矩形嘴，種，但將圓嘴改成矩形嘴，可制備更寬且均勻橫截面可制備更寬且均勻橫截面的薄帶的薄帶 熔融金屬從一個非常接熔融金屬從一個非常接近旋轉(zhuǎn)急冷基底的槽形噴近旋轉(zhuǎn)急冷基底的槽形噴嘴中流出。熔體熔池被噴嘴中流出。熔體熔池被噴嘴和基底約束成穩(wěn)定的矩嘴和基底約束成穩(wěn)定的矩形。流體基本上靠壓力控形。流體基本上靠壓力控制，它也取決于基底表面制，它也取決于基

22、底表面速度、噴嘴寬度（平行于速度、噴嘴寬度（平行于薄帶運(yùn)動方向）和噴嘴與薄帶運(yùn)動方向）和噴嘴與基底之間的縫隙基底之間的縫隙 束流表層急冷法束流表層急冷法 采用激光、電子束、粒子束進(jìn)行表面層快速熔凝。采用激光、電子束、粒子束進(jìn)行表面層快速熔凝。只只改變組織，不改變成分改變組織，不改變成分 表面上釉，表面非晶化表面上釉，表面非晶化即即改變成分，又改變組織改變成分，又改變組織 表面合金化、表面噴涂后激光快速熔凝、離子注入后快速熔凝表面合金化、表面噴涂后激光快速熔凝、離子注入后快速熔凝。l激光表面處理方法的基本原理如圖激光表面處理方法的基本原理如圖 l激光束將高密度能量施于金屬表面有限激光束將高密度能

23、量施于金屬表面有限的區(qū)域上，該區(qū)表面快速熔化（根據(jù)處理的區(qū)域上，該區(qū)表面快速熔化（根據(jù)處理工藝要求，熔化層厚度可從幾十微米到上工藝要求，熔化層厚度可從幾十微米到上千微米不等），然后熔化微區(qū)快速凝固，千微米不等），然后熔化微區(qū)快速凝固，（固態(tài)）冷卻（固態(tài)）冷卻 l過程是一個快速熔過程是一個快速熔化化快快速凝固的程序速凝固的程序 二、定向凝固二、定向凝固3030定向凝固定向凝固可使材料凝固組織按特定方向排列可使材料凝固組織按特定方向排列, 獲得定向及單獲得定向及單晶組織結(jié)構(gòu)晶組織結(jié)構(gòu), 從而大大改善材料的力學(xué)和物理性能。定向凝從而大大改善材料的力學(xué)和物理性能。定向凝固共晶復(fù)合材料是一種自生纖維增強(qiáng)

24、的金屬基復(fù)合材料。固共晶復(fù)合材料是一種自生纖維增強(qiáng)的金屬基復(fù)合材料。 定向凝固技術(shù)定向凝固技術(shù)最初是在高溫合金的研制中建立和完善起來最初是在高溫合金的研制中建立和完善起來的的, 在用于燃汽渦輪發(fā)動機(jī)葉片的生產(chǎn)中在用于燃汽渦輪發(fā)動機(jī)葉片的生產(chǎn)中, 所獲得的具有柱所獲得的具有柱狀乃至單晶組織的材料，具有優(yōu)良的抗熱沖擊性能、較長狀乃至單晶組織的材料，具有優(yōu)良的抗熱沖擊性能、較長的疲勞壽命、較高的蠕變抗力和中溫塑性的疲勞壽命、較高的蠕變抗力和中溫塑性, 成為當(dāng)時震動冶成為當(dāng)時震動冶金界和工業(yè)界的重大成果之一。該技術(shù)已逐漸推廣到半導(dǎo)金界和工業(yè)界的重大成果之一。該技術(shù)已逐漸推廣到半導(dǎo)體材料、磁性材料、復(fù)合

25、材料等的研制中。因此體材料、磁性材料、復(fù)合材料等的研制中。因此, 定向凝固定向凝固技術(shù)自其誕生以來得到了迅速發(fā)展。技術(shù)自其誕生以來得到了迅速發(fā)展。 定向凝固是在凝固過程中采用強(qiáng)制手段，在凝固金屬和未凝固熔體中建立起特定方向的溫度梯度，從而使熔體沿著與熱流相反的方向凝固，獲得具有特定取向柱狀晶的技術(shù)。 定向凝固技術(shù)是在高溫合金的研制中建立和完善起來的。該技術(shù)最初用來消除結(jié)晶過程中生成的橫向晶界，甚至消除所有晶界，從而提高材料的高溫性能和單向力學(xué)性能。 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(dú)立變化，可以分別研究它們對凝固過程的影響。這既促進(jìn)了凝固理論的發(fā)展，也激發(fā)了不同定向凝

26、固技術(shù)的出現(xiàn)。傳統(tǒng)的定向凝固技術(shù)主有：傳統(tǒng)的定向凝固技術(shù)主有： 1.1.爐外結(jié)晶法爐外結(jié)晶法( (發(fā)熱鑄型法發(fā)熱鑄型法) ) 2. 2. 爐內(nèi)結(jié)晶法爐內(nèi)結(jié)晶法1 1 功率降低法功率降低法(PD(PD法法)2 )2 快速快速凝固法凝固法(HRS)3 (HRS)3 液態(tài)金屬冷卻法液態(tài)金屬冷卻法(LMC(LMC法法)。 然而傳統(tǒng)定向凝固技術(shù)存在著它的不足之處，然而傳統(tǒng)定向凝固技術(shù)存在著它的不足之處，不論是爐外法，還是爐內(nèi)法，也不論是功率降不論是爐外法，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(diǎn)是冷低法，還是快速凝固法，它們的主要缺點(diǎn)是冷卻速度太慢，即使是液態(tài)金屬冷卻法，其冷卻卻速

27、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、粗化，以致產(chǎn)生凝固組織有充分的時間長大、粗化，以致產(chǎn)生嚴(yán)重的枝晶偏析，限制了材料性能的提高。嚴(yán)重的枝晶偏析，限制了材料性能的提高。 為了進(jìn)一步細(xì)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(shí)現(xiàn)。在此基礎(chǔ)上形成了一些新型定向凝固的方法： 1 超高梯度定向凝固技術(shù)(ZMLMC)； 2深過冷定向凝固 ； 3電磁約束成形定向凝

28、固技術(shù) ； 4激光超高溫度梯度快速定向凝固 ； 又叫發(fā)熱劑法，是定向凝固工藝中最原始的一種。 基本原理：將鑄型預(yù)熱至一定溫度后，迅速放到激冷板上并進(jìn)行澆鑄，激冷板上噴水冷卻，從而在金屬液和已凝固金屬中建立一個自下而上的溫度梯度，實(shí)現(xiàn)單向凝固。也有采用發(fā)熱鑄型的，鑄型不預(yù)熱，而是將發(fā)熱材料充在鑄型壁四周，底部采用噴水冷卻。缺點(diǎn)：溫度梯度不缺點(diǎn)：溫度梯度不大而且很難控制，大而且很難控制，不適合大型、優(yōu)質(zhì)不適合大型、優(yōu)質(zhì)件的生產(chǎn)件的生產(chǎn) 優(yōu)點(diǎn)：工藝簡單、優(yōu)點(diǎn)：工藝簡單、生產(chǎn)成本低生產(chǎn)成本低 工藝流程：把熔融的金屬液置于保溫爐，保溫爐是分段加熱的，其底部采用水冷激冷板。自上而下逐段關(guān)閉加熱器，金屬則自

29、下而上逐漸凝固。缺點(diǎn)：設(shè)備較復(fù)缺點(diǎn)：設(shè)備較復(fù)雜，能耗消耗比雜，能耗消耗比較大，溫度梯度較大，溫度梯度小小優(yōu)點(diǎn)：溫度梯度優(yōu)點(diǎn)：溫度梯度容易難控制容易難控制 裝置和功率降低法相似，多了拉錠機(jī)構(gòu)，可使模殼按一定速度向下移動， 改善了功率降低法溫度梯度在凝固過程中逐漸減小的缺點(diǎn)；另外，在熱區(qū)底部使用輻射擋板和水冷套，擋板附近產(chǎn)生較大的溫度梯度冷卻速，局部度增大，有利于細(xì)化組織，提高力學(xué)性能。 避免了爐膛的影響且利用空氣冷卻，因而獲得的柱狀間距變小，組織較均勻，提高了鑄件的性能 靠輻射換熱來冷卻的，獲得的溫度梯度和冷卻速度都很有限。 以液態(tài)金屬代替水，作為模殼的冷卻介質(zhì)，模殼直接浸入液態(tài)金屬冷卻劑中，散

30、熱大大加強(qiáng)，以至在感應(yīng)器底部迅速發(fā)生熱平衡，造成很高的GTL，幾乎不依賴浸入速度。影響因素：1冷卻劑的溫度 2 模殼傳熱性、厚度和形狀 3 擋板位置 4 熔液溫度 5液態(tài)金屬冷卻劑的選擇條件： 6 有低的蒸氣壓，可在真空中使用 7 熔點(diǎn)低，熱容量大，熱導(dǎo)率高 8 不溶解在合金中 9 價格便宜 液態(tài)金屬冷卻法采用低熔點(diǎn)合金冷卻，成本高，可能使鑄件產(chǎn)生低熔點(diǎn)金屬脆性。 流態(tài)床冷卻法以懸浮在惰性氣體中的穩(wěn)定陶瓷粉末作為冷卻介質(zhì)。 激冷能力下降，溫 度 梯 度 要 略小于液態(tài)金屬冷卻 法。v制造壓型制造壓型壓制熔模壓制熔模： 將糊狀易熔模料壓入壓型來制造熔模。如果有復(fù)雜內(nèi)腔，將糊狀易熔模料壓入壓型來制

31、造熔模。如果有復(fù)雜內(nèi)腔，制模前還需將陶瓷型芯放入壓型的型腔，制成帶有型芯的制模前還需將陶瓷型芯放入壓型的型腔，制成帶有型芯的熔模。熔模。組焊模組組焊模組： 熔模鑄件一般比較小，常常把幾個熔模焊在一個預(yù)先做熔模鑄件一般比較小，常常把幾個熔模焊在一個預(yù)先做好的蠟制的澆口棒模樣上來構(gòu)成熔模組。好的蠟制的澆口棒模樣上來構(gòu)成熔模組。壓型壓型用于壓制熔模的型。一般用鋼或鋁合金等材料。用于壓制熔模的型。一般用鋼或鋁合金等材料。 ZMLMC法是采用區(qū)域熔化和液態(tài)金屬冷卻相結(jié)合的方法。它利用感應(yīng)加熱,集中對凝固界面前沿液相進(jìn)行加熱,從而有效地提高了固液界面前沿的溫度梯度。由于冷卻速率明顯提高,導(dǎo)致凝固組織細(xì)化,

32、大幅度提高了合金的力學(xué)性能 裝有試樣的坩堝裝在高頻線圈中循環(huán)過熱，使異質(zhì)核心通過蒸發(fā)與分解去除；或通過凈化劑的吸附消除和鈍化異質(zhì)核心，獲得深過冷的合金熔體。 再將坩堝的底部激冷，底部先形核，晶體自下而上生長，形成定向排列的樹枝晶骨架， 殘余的金屬液向已有的枝晶骨架上凝固，最終獲得了定向凝固組織。 在形核就處于深過冷時，一旦形核，生長速率很快，基本上不受外界散熱條件的影響。所以金屬體積對深過冷定向凝固的影響不大，凝固速度快，且免除復(fù)雜的抽拉裝置。 電磁約束成形定向凝固技術(shù)是利用電磁感應(yīng)加熱金屬材料,并利用在金屬熔體表層部分產(chǎn)生的電磁壓力來約束已熔化的金屬熔體成形。同時,冷卻介質(zhì)與鑄件表面有直接接

33、觸,增強(qiáng)鑄件固相的冷卻能力,在固液界面附近熔體內(nèi)可以產(chǎn)生很高的溫度梯度,使凝固組織超細(xì)化。它是提高金屬材料產(chǎn)品性能和成材率的重要方向之一。電磁成形是一種先進(jìn)的材料成形加工技術(shù),應(yīng)用該技術(shù),不僅可以實(shí)現(xiàn)金屬的無坩鍋熔化,而且還可以達(dá)到無鑄型成形的效果,避免了材料在冶煉和成形中的污染。該技術(shù)是一項(xiàng)涉及電磁流體力學(xué)、冶金、凝固以及自動控制等學(xué)科的技術(shù),各種工藝參數(shù)如電磁壓力、加熱密度、抽拉速度的選擇將決定鑄件的表觀質(zhì)量和性能。電磁約束成形定向凝固工藝將成為一種很有競爭力的定向凝固技術(shù),但還需研究解決靠近固液界面處熔體的側(cè)向是否有橫向傳熱等問題。 定向凝固方法,由于受加熱方法的限制,溫度梯度不可能再有

34、很大提高,要使溫度梯度產(chǎn)生新的飛躍,必須尋求新的熱源或加熱方式。激光具有能量高度集中的特性,這使它具備了在作為定向凝固熱源時可能獲得比現(xiàn)有定向凝固方法高得多的溫度梯度的可能性。 利用激光表面熔凝技術(shù)實(shí)現(xiàn)超高溫度梯度快速定向凝固的關(guān)鍵在于:在激光熔池內(nèi)獲得與激光掃描方向一致的溫度梯度;根據(jù)合金凝固特性選擇適當(dāng)?shù)墓に噮?shù)以獲得胞晶組織。利用激光快速熔凝方法可以實(shí)現(xiàn)與Bridgman法相似的超高溫度梯度快速定向凝固,其溫度梯度可高達(dá)106K/m,速度可高達(dá)24mm/s,冷卻速度較區(qū)熔液態(tài)金屬冷卻法大大提高(約為三個數(shù)量級)。 定向凝固方法,由于受加熱方法的限制,溫度梯度不可能再有很大提高,要使溫度梯

35、度產(chǎn)生新的飛躍,必須尋求新的熱源或加熱方式。激光具有能量高度集中的特性,這使它具備了在作為定向凝固熱源時可能獲得比現(xiàn)有定向凝固方法高得多的溫度梯度的可能性。 利用激光表面熔凝技術(shù)實(shí)現(xiàn)超高溫度梯度快速定向凝固的關(guān)鍵在于:在激光熔池內(nèi)獲得與激光掃描方向一致的溫度梯度;根據(jù)合金凝固特性選擇適當(dāng)?shù)墓に噮?shù)以獲得胞晶組織。利用激光快速熔凝方法可以實(shí)現(xiàn)與Bridgman法相似的超高溫度梯度快速定向凝固,其溫度梯度可高達(dá)106K/m,速度可高達(dá)24mm/s,冷卻速度較區(qū)熔液態(tài)金屬冷卻法大大提高(約為三個數(shù)量級)。 (a) 定向凝固組織(b) 普通鑄造組織 目前，定向凝固技術(shù)的最主要應(yīng)用是生產(chǎn)具有均勻柱狀晶組

36、織的鑄件，特別是在航空領(lǐng)域生產(chǎn)高溫合金的發(fā)動機(jī)葉片，與普通鑄造方法獲得的鑄件相比，它使葉片的高溫強(qiáng)度、抗蠕變和持久性能、熱疲勞性能得到大幅度提高。對于磁性材料，應(yīng)用定向凝固技術(shù)，可使柱狀晶排列方向與磁化方向一致，大大改善了材料的磁性能。定向凝固技術(shù)也是制備單晶的有效方法。定向凝固技術(shù)還廣泛用于自生復(fù)合材料的生產(chǎn)制造，用定向凝固方法得到的自生復(fù)合材料消除了其它復(fù)合材料制備過程中增強(qiáng)相與基體間界面的影響，使復(fù)合材料的性能大大提高。(a) 超細(xì)無氧銅絲（19.7mm） (b)超細(xì)Al-Si絲（25mm） 定向凝固和低溫強(qiáng)加工技術(shù)相結(jié)合制備產(chǎn)品 這種組織的材料由于不存在垂直于長度方向的橫向晶界，因此具

37、有優(yōu)良的物理與力學(xué)性能：電導(dǎo)率高，信號保真性能好，強(qiáng)度與延伸率大幅度提高，加工性能好。 （a）17mm純銅桿 (b) 5mmAl-1%Si合金桿 采用連續(xù)定向凝固技術(shù)成功制備了具有連續(xù)柱狀晶組織的17mm純銅桿，其相對電導(dǎo)率可達(dá)103%；采用該技術(shù)成功制備了具有連續(xù)柱狀晶組織的5mmAl-1%Si 合金桿，所制取的合金桿表面光亮、組織致密、且具有優(yōu)異塑性，晶體取向?yàn)椤?(a) 391.8mm銅管 (b) 16mm單晶銅棒 取向（100） 真空熔煉和連續(xù)定向凝固相結(jié)合制備產(chǎn)品 利用此技術(shù) 生產(chǎn)工序大大地減少，生產(chǎn)成本和能源消耗大幅度降低，并且可充分發(fā)揮銅管坯的定向凝固組織及冷加工性能的優(yōu)勢，提高管坯的加工效率和成材率，管坯表面質(zhì)量和性能穩(wěn)定。 臨床上對長骨損傷的修復(fù)中, 人們希望找到一