材料成形理論基礎(chǔ)4章2016版

第四章液態(tài)金屬充型與宏觀凝固組織

4.1凝固溫度場、凝固方式及實(shí)現(xiàn)原則一、溫度場數(shù)學(xué)解析方法數(shù)學(xué)模型的建立求解幾何條件邊界條件初始條件第四章液態(tài)金屬充型與宏觀凝固組織

4.1凝固溫度場、凝固方式及實(shí)現(xiàn)原則

半無限大鑄件在鑄型中冷卻

溫度分布a)砂型b)金屬型a)b)第四章液態(tài)金屬充型與宏觀凝固組織

4.1凝固溫度場、凝固方式及實(shí)現(xiàn)原則數(shù)值計算法對數(shù)學(xué)模型進(jìn)行離散連續(xù)的變化過程轉(zhuǎn)化為離散的數(shù)值點(diǎn)有限差分有限元第四章液態(tài)金屬充型與宏觀凝固組織

4.1凝固溫度場、凝固方式及實(shí)現(xiàn)原則試驗(yàn)法

Al-42.4Zn合金溫度--時間曲線

鑄件斷面上的溫度場第四章液態(tài)金屬充型與宏觀凝固組織

4.1凝固溫度場、凝固方式及實(shí)現(xiàn)原則溫度場的影響因素金屬的導(dǎo)溫系數(shù)結(jié)晶潛熱金屬的凝固溫度

金屬性質(zhì)的影響

鑄型性質(zhì)的影響鑄型的蓄熱系數(shù)鑄型的預(yù)熱溫度

澆注條件的影響鑄件的壁厚鑄件的形狀

澆注溫度

鑄件結(jié)構(gòu)的影響第四章液態(tài)金屬充型與宏觀凝固組織

4.1凝固溫度場、凝固方式及實(shí)現(xiàn)原則二、凝固方式

鑄件凝固動態(tài)曲線【x/R--t】坐標(biāo)上液相邊界固相邊界應(yīng)用厚大斷面球鐵1.凝固動態(tài)曲線第四章液態(tài)金屬充型與宏觀凝固組織

4.1

凝固溫度場、凝固方式及實(shí)現(xiàn)原則凝固區(qū)域結(jié)構(gòu)

液-固部分傾出邊界

固-液部分補(bǔ)縮邊界凝固區(qū)結(jié)構(gòu)示意圖

固相區(qū)

液相區(qū)第四章液態(tài)金屬充型與宏觀凝固組織

4.1凝固溫度場、凝固方式及實(shí)現(xiàn)原則凝固方式及影響因素

逐層凝固方式體積凝固方式中間凝固方式取決于凝固區(qū)域的寬度第四章液態(tài)金屬充型與宏觀凝固組織

4.1凝固溫度場、凝固方式及實(shí)現(xiàn)原則

逐層凝固方式

純金屬共晶合金合金結(jié)晶溫度范圍很小或溫度梯度很大

逐層凝固方式a)純金屬或共晶合金成分b)合金結(jié)晶溫度范圍很小或溫度梯度很大第四章液態(tài)金屬充型與宏觀凝固組織

4.1凝固溫度場、凝固方式及實(shí)現(xiàn)原則

體積凝固方式a)溫度梯度較小b)凝固溫度區(qū)間大

體積凝固（糊狀凝固）溫度梯度較平坦合金的結(jié)晶溫度范圍很寬凝固的某一段時間內(nèi)，其凝固區(qū)域很寬，甚至貫穿整個鑄件斷面第四章液態(tài)金屬充型與宏觀凝固組織

4.1凝固溫度場、凝固方式及實(shí)現(xiàn)原則中間凝固方式

中間凝固方式合金的結(jié)晶溫度范圍較窄溫度梯度較大凝固區(qū)域介于前二者之間第四章液態(tài)金屬充型與宏觀凝固組織

4.1凝固溫度場、凝固方式及實(shí)現(xiàn)原則金屬凝固方式與金屬化學(xué)成分及外部冷卻條件的關(guān)系合金結(jié)晶溫度范圍的影響溫度梯度的影響第四章液態(tài)金屬充型與宏觀凝固組織

4.1凝固溫度場、凝固方式及實(shí)現(xiàn)原則一、窄結(jié)晶溫度范圍的合金純金屬和共晶合金逐層凝固方式激冷晶垂直于型壁的柱狀晶凝固前沿純金屬鑄件的凝固過程金屬的凝固方式與鑄件質(zhì)量的關(guān)系第四章液態(tài)金屬充型與宏觀凝固組織

4.1凝固溫度場、凝固方式及實(shí)現(xiàn)原則一、窄結(jié)晶溫度范圍的合金窄結(jié)晶溫度范圍的合金逐層凝固方式凝固前沿不是平滑的鋸齒形窄結(jié)晶溫度范圍合金的凝固過程第四章液態(tài)金屬充型與宏觀凝固組織

4.1凝固溫度場、凝固方式及實(shí)現(xiàn)原則

逐層凝固方式的縮孔特點(diǎn)得到液體的補(bǔ)充產(chǎn)生分散性縮松的傾向性小在最后凝固的部位產(chǎn)生集中縮孔熱裂傾向性小充型能力好第四章液態(tài)金屬充型與宏觀凝固組織

4.1凝固溫度場、凝固方式及實(shí)現(xiàn)原則一、寬結(jié)晶溫度范圍的合金形成小晶體，布滿整個凝固區(qū)域過冷度小，數(shù)量少形成樹枝發(fā)達(dá)的粗大等軸晶寬結(jié)晶溫度范圍合金的凝固過程形成分散的縮孔，縮松熱裂傾向性大高溫強(qiáng)度低充型能力差第四章液態(tài)金屬充型與宏觀凝固組織

4.1凝固溫度場、凝固方式及實(shí)現(xiàn)原則體積凝固方式的縮松形成分散的縮孔，縮松熱裂傾向性大高溫強(qiáng)度低充型能力差第四章液態(tài)金屬充型與宏觀凝固組織

4.1凝固溫度場、凝固方式及實(shí)現(xiàn)原則三、中等結(jié)晶溫度范圍的合金中碳鋼高錳鋼一部分黃銅白口鐵中等結(jié)晶溫度范圍合金的凝固過程補(bǔ)縮特性介于窄結(jié)晶溫度和寬溫度范圍合金之間凝固初期

凝固方式近于窄結(jié)晶溫度范圍的合金一定時間后

凝固方式近似寬溫度范圍的合金第四章液態(tài)金屬充型與宏觀凝固組織

4.2凝固過程中的流動現(xiàn)象一、澆注和凝固過程中的液體流動第四章液態(tài)金屬充型與宏觀凝固組織

4.2凝固過程中的流動現(xiàn)象一、澆注和凝固過程中的液體流動強(qiáng)烈沖刷澆道和鑄型的型壁型腔內(nèi)液體中的自然對流溫度差密度差溫度起伏

凝固收縮、液體收縮及重力等引起液體在枝晶間的流動

液體中的自然對流上部晶體的沉積已凝固層晶體的脫落分枝的熔斷及晶體的增殖第四章液態(tài)金屬充型與宏觀凝固組織

4.2凝固過程中的流動現(xiàn)象二、液體流動對鑄件結(jié)晶過程的影響頂部晶體的沉積頂部凝固層脫落或分枝下沉成為以后的晶核

a)鑄型示意圖b)鑄件宏觀組織第四章液態(tài)金屬充型與宏觀凝固組織

4.2凝固過程中的流動現(xiàn)象二、液體流動對鑄件結(jié)晶過程的影響型壁上晶體的脫落

a)型壁晶體的脫落b)晶體增殖過程型壁晶體縮頸沖刷作用下及溫度起伏下熔斷或脫落晶體增殖一個晶體碎化成幾部分，各自生長ab第四章液態(tài)金屬充型與宏觀凝固組織

4.3宏觀凝固組織特征與形成液體對型壁的沖刷Macrograhpsofcastingsproducedbydifferentpouringtechniquesa)pouredinthecenterofthegauzeandb)pouredbetweenthemouldwallandthegauze第四章液態(tài)金屬充型與宏觀凝固組織

4.2凝固過程中的流動現(xiàn)象二、液體流動對鑄件結(jié)晶過程的影響枝晶分枝的熔斷脫落

分枝出現(xiàn)縮頸溫度起伏下熔斷或脫落

枝晶分枝“縮頸”的形成a)b)c)分枝縮頸形成示意圖d)環(huán)已烷枝晶流體流動及其所引起的晶體或分枝的脫落，沉積和晶體增殖將大大增大流體中的有效晶核，促進(jìn)等軸晶的獲得增加磁場消除液體金屬內(nèi)部的對流和

溫度起伏第四章液態(tài)金屬充型與宏觀凝固組織

4.3宏觀凝固組織特征與形成鑄態(tài)組織鑄件的晶粒組織晶粒的形狀晶粒的尺寸晶粒的取向晶體的完整性鑄件中元素的分布偏析夾雜物第四章液態(tài)金屬充型與宏觀凝固組織

4.3宏觀凝固組織特征與形成

a)全部柱狀晶b)表面細(xì)等軸晶+內(nèi)部柱狀晶c)表面細(xì)等軸晶+內(nèi)部柱狀晶+中心等軸晶d)全部細(xì)等軸晶表面細(xì)晶區(qū)的形成內(nèi)部柱狀晶中心等軸晶

abcd第四章液態(tài)金屬充型與宏觀凝固組織

4.3宏觀凝固組織特征與形成鑄錠第四章液態(tài)金屬充型與宏觀凝固組織

4.3宏觀凝固組織特征與形成表面細(xì)晶區(qū)的形成特點(diǎn)：無方向性細(xì)等軸晶形成機(jī)理

早期理論表面激冷作用(ChillZone)

激冷區(qū)大量形核形成表面細(xì)等軸晶后來的研究液體的流動對表面細(xì)等軸晶的形成起決定作用無對流時，即使冷卻速度很大也不會出現(xiàn)表面細(xì)晶區(qū)形成穩(wěn)定的凝固層，晶體不易脫落表面細(xì)晶區(qū)大小的影響因素澆注溫度鑄型溫度鑄型導(dǎo)熱能力合金生核能力合金成分全部柱狀晶第四章液態(tài)金屬充型與宏觀凝固組織

4.3宏觀凝固組織特征與形成內(nèi)部柱狀晶區(qū)的形成實(shí)質(zhì)：表面層區(qū)晶體向內(nèi)單向延伸生長，具有方向性。形成機(jī)理

對流減弱凝固層晶體脫落減少結(jié)晶潛熱的析出使界面前溫度升高溫度梯度較大，成分過冷區(qū)小表面細(xì)晶區(qū)的晶體轉(zhuǎn)為單向延伸生長生長方式擇優(yōu)生長柱狀區(qū)形成的影響因素

固體的導(dǎo)熱系數(shù)液體的導(dǎo)熱系數(shù)澆注溫度

合金的結(jié)晶溫度范圍流體流動的抑制合金中有效質(zhì)點(diǎn)的多少穿晶穿晶的形成界面前沿成分過冷小沒有新的晶核形成第四章液態(tài)金屬充型與宏觀凝固組織

4.3宏觀凝固組織特征與形成中心等軸晶區(qū)的形成實(shí)質(zhì)：液體內(nèi)部的獨(dú)立生核和長大形成機(jī)理

成分過冷理論過冷熔體非自發(fā)生核理論

1954年

WinegrandandChalmers

提出溶質(zhì)再分配成分過冷過冷度大于非自發(fā)生核所需過冷生核長大第四章液態(tài)金屬充型與宏觀凝固組織

4.3宏觀凝固組織特征與形成成分過冷的局限性

很難解釋非勻質(zhì)生核所需的微小過冷度為什么遲到柱狀晶區(qū)已充分長大以后才能生核無法解釋有關(guān)內(nèi)部等軸晶形成的試驗(yàn)現(xiàn)象第四章液態(tài)金屬充型與宏觀凝固組織

4.3宏觀凝固組織特征與形成中心等軸晶區(qū)的形成形成機(jī)理激冷等軸晶型壁脫落與游離理論

1963年Chalmers提出澆注過程及凝固初期激冷等軸晶自型壁脫落與游離促進(jìn)等軸晶的形成澆注過程中澆注系統(tǒng)和型壁處形成大量晶核等軸晶從型壁脫落隨澆注液流分布整個鑄件少量熔化，大部分留下來成為等軸晶的晶核

澆注過程種激冷晶的游離第四章液態(tài)金屬充型與宏觀凝固組織

4.3宏觀凝固組織特征與形成中心等軸晶區(qū)的形成澆注完畢凝固的開始階段在型壁處形成的晶體由于密度差引起對流使型壁處產(chǎn)生的晶體脫落且游離到鑄件的內(nèi)部a)晶體密度比熔體小的情況b)晶體密度比熔體大的情況純金屬幾乎得不到等軸晶合金濃度越大，越不容易得到柱狀晶而是等軸晶第四章液態(tài)金屬充型與宏觀凝固組織

型壁上晶體的脫落

a)型壁晶體的脫落b)晶體增殖過程型壁晶體縮頸沖刷作用下及溫度起伏下熔斷或脫落晶體增殖一個晶體碎化成幾部分，各自生長ab第四章液態(tài)金屬充型與宏觀凝固組織

4.3宏觀凝固組織特征與形成中心等軸晶區(qū)的形成形成機(jī)理枝晶熔斷及結(jié)晶雨理論

Jackson等人提出生長著的柱狀晶在凝固界面前方的熔斷、游離和增殖導(dǎo)致了內(nèi)部等軸晶的形成SouthinandRosenhain

液面冷卻產(chǎn)生的晶粒下雨似地沉積到柱狀晶區(qū)前方的液體中，下落過程中發(fā)生熔斷和增殖。第四章液態(tài)金屬充型與宏觀凝固組織

4.3宏觀凝固組織特征與形成中心等軸晶區(qū)的形成研究的焦點(diǎn)

等軸晶晶核的來源等軸晶區(qū)的具體形成過程

每種理論都有自己的試驗(yàn)根據(jù)都有其局限性

上述機(jī)理都是存在的它們的相對作用取決于凝固的實(shí)際條件一種條件下某種機(jī)理或幾種機(jī)理起主導(dǎo)作用第四章液態(tài)金屬充型與宏觀凝固組織

4.3宏觀凝固組織特征與形成鑄件結(jié)晶組織對鑄件性能的影響表面細(xì)晶區(qū)較薄對鑄件的性能影響較小柱狀晶擇優(yōu)生長的細(xì)長晶體，比較粗大，晶界面積較小柱狀晶排列位向一致，具有明顯的方向性在柱狀晶與柱狀晶柱狀晶與等軸晶的交界處形成性能的弱面易形成熱裂

通常情況下鑄件不希望獲得粗大的柱狀晶特殊條件下采用定向凝固技術(shù)獲得全部單向排列的柱狀晶組織，提高鑄件的性能和可靠性第四章液態(tài)金屬充型與宏觀凝固組織

4.3宏觀凝固組織特征與形成鑄件結(jié)晶組織對鑄件性能的影響內(nèi)部等軸晶晶粒位向各不相同晶界面積大偏析元素、非金屬夾雜物和氣體的分布分散等軸晶彼此嵌合結(jié)合比較牢固性能比較均勻沒有方向性

等軸晶發(fā)達(dá),顯微縮松多凝固組織不夠致密性能降低細(xì)化等軸晶第四章液態(tài)金屬充型與宏觀凝固組織

4.3宏觀凝固組織特征與形成

獲得細(xì)等軸晶的措施等軸晶組織的獲得及細(xì)化第四章液態(tài)金屬充型與宏觀凝固組織

4.3宏觀凝固組織特征與形成澆注方式對鑄件組織的影響加強(qiáng)液體在澆注和凝固期間的流動利用液體對型壁的沖刷第四章液態(tài)金屬充型與宏觀凝固組織

4.3宏觀凝固組織特征與形成加強(qiáng)液體在澆注和凝固期間的流動利用液體對型壁的沖刷實(shí)驗(yàn)所用模具示意圖SchematicdiagramofmoldusedMacrograhpsofcastingsproducedbydifferentpouringtechniquesa)Pouredinthecenterofthegauzeandb)pouredbetweenthemouldwallandthegauze第四章液態(tài)金屬充型與宏觀凝固組織

4.3宏觀凝固組織特征與形成增大冷卻速度及降低澆注溫度提高鑄型的冷卻能力不同冷卻速度的顯微組織（澆注溫度，左：720℃，右：605℃，(AZ91alloy)從下至上的顯微組織對應(yīng)于1、2、3和4點(diǎn)）.Differnentmicrostructureswithvariedcoolingrates(Pouringtemperature,Left:720℃andright:605℃,fromthebottomtothetopcorrespondingto1,2,3and4pointsmeasured)第四章液態(tài)金屬充型與宏觀凝固組織

4.3宏觀凝固組織特征與形成增大冷卻速度及降低澆注溫度提高鑄型的冷卻能力冷卻速度對晶粒尺寸的影響Grainsizeasafunctionofcoolingrate第四章液態(tài)金屬充型與宏觀凝固組織

4.3宏觀凝固組織特征與形成增大冷卻速度及降低澆注溫度提高鑄型的冷卻能力（改變鑄型的預(yù)熱溫度）模具預(yù)熱溫度對宏觀晶粒尺寸影響(澆注溫度625℃)EffectofpreheatedtemperatureofmoldonmacrostructureofA356alloycastat625℃(a)100℃(b)300℃(c)500℃(d)550℃(e)600℃Grainsizeasafunctionofpreheattemperatureofmould第四章液態(tài)金屬充型與宏觀凝固組織

4.3宏觀凝固組織特征與形成用旋轉(zhuǎn)磁場使金屬液體轉(zhuǎn)動利用電磁場控制晶粒組織pureAl單相合金固溶體的初生相共晶合金不適合旋轉(zhuǎn)磁場中的液體切割磁力線旋轉(zhuǎn)的液體不斷沖刷鑄型和凝固層鑄件的不同部位獲得不同的組織第四章液態(tài)金屬充型與宏觀凝固組織

4.3宏觀凝固組織特征與形成金屬液流經(jīng)震動的澆注槽或澆口杯金屬遇到溫度較低的澆口槽或澆口杯，形成固相或凝固層震動有利于晶體的脫落

用偏心輪使鑄型產(chǎn)生慣性震動使鑄型變速或不斷改變方向第四章液態(tài)金屬充型與宏觀凝固組織

孕育處理

在澆注之前或澆注過程中向液體金屬添加少量物質(zhì)以達(dá)到細(xì)化晶粒、改善宏觀組織目的的一種工藝方法4.3宏觀凝固組織特征與形成

孕育（Inoculaiton)

變質(zhì)(modification)孕育作用機(jī)理

外加晶核

澆注時向金屬液流中加入與欲細(xì)化相具有共格對應(yīng)關(guān)系的高熔點(diǎn)物質(zhì)或同類金屬的碎片作為有效質(zhì)點(diǎn)促進(jìn)非自發(fā)生核第四章液態(tài)金屬充型與宏觀凝固組織

4.3宏觀凝固組織特征與形成孕育作用機(jī)理采用生核劑

少量能與熔體中某元素組成穩(wěn)定的化合物，此化合物與欲細(xì)化相具有界面共格對應(yīng)、促進(jìn)非自發(fā)生核少量能在液體中造成很大富集區(qū)，迫使結(jié)晶相提前彌散析出孕育衰退現(xiàn)象時間推移孕育作用很快減弱以致消失第四章液態(tài)金屬充型與宏觀凝固組織

4.3宏觀凝固組織特征與形成孕育作用機(jī)理

采用強(qiáng)成分過冷元素熔點(diǎn)低顯著降低合金的液相線溫度原子半徑大在金屬中固溶量很小阻礙晶體的生長

形成較大的成分過冷促進(jìn)生核促進(jìn)分枝形成縮頸，易于熔斷脫落

Tashis第四章液態(tài)金屬充型與宏觀凝固組織

4.3宏觀凝固組織特征與形成鑄件晶粒的局部細(xì)化

采用機(jī)械、物理的方法加強(qiáng)鑄件局部的液體運(yùn)動表面細(xì)化在鑄型或熔模鑄造的蠟?zāi)１砻嫱克⒑猩藙┑耐苛?，能使該鑄件的表面層內(nèi)晶粒細(xì)化，提高其疲勞強(qiáng)度。Ni基和Co基合金熔模鑄造高合金鋼40%Fe3O420%TiC第四章液態(tài)金屬充型與宏觀凝固組織

Al合金晶粒細(xì)化

晶粒細(xì)化劑1.Al-Ti2.Al-Ti-B3.Al-Ti-C4.Al-Ti-B-Re5.Al-Ti-Sr6.Al-Ti-Be

晶粒細(xì)化機(jī)理包晶理論粒子理論а-Al晶體增殖理論包晶殘骸理論雙形核理論等這些理論都企圖解釋鋁合金晶粒細(xì)化機(jī)理，但是迄今為止，沒有一種理論能完全解釋所有的晶粒細(xì)化現(xiàn)象第四章液態(tài)金屬充型與宏觀凝固組織

Mg合金晶粒細(xì)化航空油泵殼體機(jī)匣機(jī)匣主殼體滑油泵隔板滑油泵隔蓋

汽車60多個汽車零件采用鎂合金，座椅骨架、儀表盤、轉(zhuǎn)向盤和轉(zhuǎn)向柱、輪圈、發(fā)動機(jī)氣缸蓋、變速器殼、離合器殼每年以15%增加移動電話、筆記本電腦外殼、精密儀器、照相機(jī)、麥克、耳機(jī)、CD機(jī)外殼及電視等家電的裝飾件等第四章液態(tài)金屬充型與宏觀凝固組織

Mg合金晶粒細(xì)化Mg-Zrbinaryphasediagram不含鋁的鎂合金（Mg-Zn,Mg-RE,Mg-Ca)采用Zr晶粒細(xì)化

а-Mg:α=0.32nm,

c=0.512nm

а-Zr

:α=0.323nm,c=0.514nm

兩者具有良好的共格關(guān)系，а-Zr能成為а

–Mg的結(jié)晶核心，鎂液中形成的大量的а-Zr彌散質(zhì)點(diǎn)使晶粒顯著細(xì)化Zr以Mg-Zr中間合金的方式加入鎂合金未變質(zhì)處理晶粒粗大第四章液態(tài)金屬充型與宏觀凝固組織

含鋁鎂合金過熱處理和碳素材料添加過熱處理(superheating)

加熱到液相線以上250-300℃，過熱10mins，然后以大于100℃/min的速度快冷到澆注溫度進(jìn)行澆注。

過熱處理晶粒細(xì)化機(jī)理尚不清楚缺點(diǎn)過熱溫度高在鋼坩堝中鎂液與鐵發(fā)生反應(yīng)，鐵滲透到鎂合金中降低鎂合金的耐蝕性第四章液態(tài)金屬充型與宏觀凝固組織

合金成分的影響

Mg-Al合金，高含鋁量（>8%）比低含鋁量的合金過熱晶粒細(xì)化效果更好

Fe和Mn的影響含F(xiàn)e和Mn效果明顯少量Si利于過熱晶粒細(xì)化，Be、Zr、Ti不利于晶粒細(xì)化第四章液態(tài)金屬充型與宏觀凝固組織

加碳變質(zhì)法

加入一定量的MgCO3、CaCO3、C2Cl6等含碳的化合物，高溫下分解還原出碳，碳與鋁生成大量彌散分布的Al4C3。Al3C4與δ-Mg同屬密排六方晶格，晶格常數(shù)與δ-Mg僅差4%，作為外來晶核，使基體晶粒細(xì)化。

MgCO3==MgO+CO2C2Cl6==C2Cl4+

Cl2

CO2+2Mg==2MgO+CC2Cl4+4Mg==4MgCl+2C3C+4Al==Al4C33C+4Al==Al4C3第四章液態(tài)金屬充型與宏觀凝固組織

4.4特種條件下凝固狀態(tài)與組織控制機(jī)理特種條件下凝固快速凝固定向凝固半固態(tài)外場與傳統(tǒng)的鑄件（鑄錠）凝固不同的條件第四章液態(tài)金屬充型與宏觀凝固組織

4.4特種條件下凝固狀態(tài)與組織控制機(jī)理

快速凝固

常規(guī)凝固的缺點(diǎn)

★組織上：

組織粗大，偏析嚴(yán)重，縮孔，縮松，應(yīng)力★成分設(shè)計上:受到限制★性能上：低★原因：冷卻速度低（＜102K/s）第四章液態(tài)金屬充型與宏觀凝固組織

4.4特種條件下凝固狀態(tài)與組織控制機(jī)理快速凝固快速凝固的定義快速凝固技術(shù)：

是指從液相到固相的相變過程進(jìn)行的非?？?，從而獲得普通鑄件或鑄錠無法獲得的成分、相結(jié)構(gòu)和顯微結(jié)構(gòu)的過程?？焖倌踢^程偏離了平衡凝固狀態(tài)，不但可以克服傳統(tǒng)鑄造過程中的偏析、縮孔、疏松等缺陷，而且在獲得新的微觀組織結(jié)構(gòu)和優(yōu)異性能合金方面，具有巨大潛力。快速凝固合金已經(jīng)廣泛應(yīng)用于航空、航天、核工業(yè)、機(jī)械、電子等許多重要部門。第四章液態(tài)金屬充型與宏觀凝固組織

快速凝固的特征

偏析形成傾向減小無論溶質(zhì)分配系數(shù)K>1還是K<1，實(shí)際溶質(zhì)分配系數(shù)總是隨著凝固速率的增大向1趨近。非平衡相的形成平衡相被抑制，析出非平衡的亞穩(wěn)定相細(xì)化凝固組織形核速率的增大而使晶粒細(xì)化，晶粒尺寸減小，獲得微晶、納米晶微觀凝固組織的變化絕對穩(wěn)定的凝固條件下，可獲得無偏析的凝固組織；相同的成分在不同的冷卻條件下可獲得不同的組織非晶態(tài)的形成特殊的力學(xué)性能及物理性能冷卻速度/(K/S)受化學(xué)成分及工藝因素的影響常規(guī)顯微組織熔體改善的顯微組織新型顯微組織粗大的樹枝晶、共晶及其它顯微組織細(xì)化的樹枝晶、共晶及其它顯微組織擴(kuò)大的固溶極限，超細(xì)晶粒，無偏析或少偏析，亞穩(wěn)相直至非晶態(tài)組織及成分的均勻性100102104106108第四章液態(tài)金屬充型與宏觀凝固組織

1952年Falkenhagen的工作1950年許Turnbull的工作(熔滴彌散法)1960年Duwez著名實(shí)驗(yàn)，學(xué)科的誕生60～70年代：非晶態(tài)功能材料（Pond和陳鶴壽）70～80年代：晶態(tài)結(jié)構(gòu)與功能材料80年代中葉：準(zhǔn)晶的出現(xiàn)(陳鶴壽)90年代：大塊非晶的發(fā)展（井上，張濤，Johnsonm）本世紀(jì)初開始：微晶、非晶、納米材料快速凝固發(fā)展史第四章液態(tài)金屬充型與宏觀凝固組織

快速凝固分類

主要包括兩大類，急冷凝固法與深過冷法急冷凝固法（模冷、霧化、表面熔化與沉積）單輥法、雙輥法、熔體旋轉(zhuǎn)法、氣體霧化法、水霧化法、離心霧化法、噴射沉積法、激光或電子束表面處理技術(shù)等。(通過鑄型的導(dǎo)熱能力，增大熱流的導(dǎo)出速率可使凝固界面快速推進(jìn)，實(shí)現(xiàn)快速凝固）深過冷法大致可以分為兩類，（1）熔滴彌散法，即在細(xì)小熔滴中獲得大凝固過冷度的方法，包括乳化法、落管法、熔滴-基底法等；（2）較大體積熔體中獲得大的凝固過冷度，包括玻璃體包裹法、電磁懸浮熔煉法等。第四章液態(tài)金屬充型與宏觀凝固組織

1－細(xì)粉2－氣體3－氣源4－合金液5－真空感應(yīng)加熱器6－噴嘴7－霧化室8－收集室9－粉末第四章液態(tài)金屬充型與宏觀凝固組織

（1）快速凝固粉末材料具有的基本特征：細(xì)小的亞結(jié)構(gòu)（枝晶與包晶）極大的溶質(zhì)過飽和度小的晶粒尺寸（2）粉末材料快速凝固技術(shù)的關(guān)鍵首先，要使液態(tài)金屬克服界面張力而分散成微小的顆粒（即霧化技術(shù)）；其次，在保證材料盡可能不發(fā)生氧化、污染的條件下獲得盡可能大的冷卻速率。

粉末尺寸和凝固速率是標(biāo)志粉末材料快速凝固技術(shù)水平的主要指標(biāo)。第四章液態(tài)金屬充型與宏觀凝固組織

離心霧化法旋轉(zhuǎn)電極霧化法1-真空計2-傳送帶3-電動機(jī)4-電刷5-電極6-送料7-旋轉(zhuǎn)器8-粉末收集室9-鎢電極工作原理：

將合金首先預(yù)制成棒狀電極，在預(yù)制電極高速旋轉(zhuǎn)的同時，采用等離子束或電弧使其端部熔化，熔化的合金液膜在離心力的作用下，立即被高速拋出發(fā)生霧化。

優(yōu)點(diǎn)粉末純凈度高粉末為球體，尺寸均勻材料無污染

不足之處生產(chǎn)效率低設(shè)備及運(yùn)行成本高粉末尺寸大第四章液態(tài)金屬充型與宏觀凝固組織

霧化基本原理：將熔融的合金液澆注在高速旋轉(zhuǎn)的圓杯或圓盤中，在離心力的作用下被高速拋出而發(fā)生霧化。圖c是將杯的側(cè)壁用多孔網(wǎng)代替，利用網(wǎng)的分散作用進(jìn)行合金液的霧化旋轉(zhuǎn)圓杯/盤法a旋轉(zhuǎn)圓盤b旋轉(zhuǎn)圓杯

c旋轉(zhuǎn)多孔杯第四章液態(tài)金屬充型與宏觀凝固組織

美國Duwez于1960年首次采用濺射法獲得快速凝固組織，開始了快速凝固研究的歷史。濺射法的快凝原理：母合金在石英管種感應(yīng)熔化，高壓室突然通入高壓氣流，高、低壓室產(chǎn)生沖擊波，熔體被分離成細(xì)小液滴，以每秒幾百米的速度噴射到銅模凝固成箔片。凝固冷速高達(dá)109K/s。濺射法示意圖1.高壓室2.聚酯薄膜3.感應(yīng)線圈4.低壓室5.銅模第四章液態(tài)金屬充型與宏觀凝固組織

進(jìn)入70年代，薄膜材料快速凝固技術(shù)得到迅速發(fā)展，并實(shí)現(xiàn)了連續(xù)批量生產(chǎn)。主要包括單輥法、雙輥法、溢流法、甩出法等。第四章液態(tài)金屬充型與宏觀凝固組織

單輥法（singleroller)又稱熔體旋轉(zhuǎn)法（Meltspinning)。a、b的區(qū)別在于熔體的噴嘴到單輥的距離不同。前者是合金液通過噴槍射到高速旋轉(zhuǎn)的激冷輥上，形成薄膜并快速凝固。后者在單輥與噴嘴之間形成一個熔池，熔池對合金液的流出有緩沖作用因而獲得更均勻的薄膜。a自由噴射甩出法b平面流動鑄造法1-激冷輥2-感應(yīng)加熱爐3-排氣閥4-壓力表5-帶材6-噴嘴7-合金液8-激冷基底（單輥表面）第四章液態(tài)金屬充型與宏觀凝固組織

基本原理：將熔融合金液噴射到兩個反相高速旋轉(zhuǎn)的軋輥之間，并實(shí)現(xiàn)快速凝固。雙輥法快速凝固技術(shù)1-帶材2-合金液流3-加熱爐4-坩鍋5-漏出孔6-雙輥第四章液態(tài)金屬充型與宏觀凝固組織

雙輥法快速凝固技術(shù)優(yōu)點(diǎn)：雙面冷卻，獲得帶材其兩面的表面質(zhì)量相同并且均勻不足之處：存在類似于單輥法的各種工藝問題，其工藝過程控制的難度甚至更大。理論上雙輥法的冷速應(yīng)大于單輥法，但工程實(shí)際并非如此兩個軋輥的平行度對帶材的質(zhì)量影響很大只能制備毫米甚至更厚的帶材，而單輥法可制備數(shù)十到100m的薄帶第四章液態(tài)金屬充型與宏觀凝固組織

基本原理：利用特制的坩鍋與激冷單輥的配合，使合金液從坩鍋的特定形狀的邊沿溢出，并由高速旋轉(zhuǎn)的單輥拉成薄膜，獲得快速凝固帶材。溢流法實(shí)際上是單輥法快速凝固技術(shù)的一種改進(jìn)。溢流法快速凝固第四章液態(tài)金屬充型與宏觀凝固組織

與單輥法相比，具有以下特點(diǎn)：采用坩鍋邊沿溢出的方式取代噴嘴的噴射方式，因而不存在噴射的紊流，流動更加平穩(wěn)，利于獲得均勻的帶材可采用溶劑對合金液進(jìn)行表面保護(hù)，因此可在非真空并無保護(hù)氣氛的條件下進(jìn)行易氧化材料薄帶的快速凝固。第四章液態(tài)金屬充型與宏觀凝固組織

基本原理：首先將合金制成棒，并將其置于玻璃管中。端部采用感應(yīng)加熱將合金及其表面玻璃管同時熔化，在一定的拉力下拉成很細(xì)的纖維，經(jīng)過冷卻器的冷卻，經(jīng)纏繞后獲得連續(xù)的線材。1-繞線機(jī)2-繞線導(dǎo)管3-冷卻器4-高頻加熱線圈5-玻璃管6-合金棒玻璃涂覆熔液紡績法（Taylor法）第四章液態(tài)金屬充型與宏觀凝固組織

基本原理：將熔融合金液通過噴嘴注入冷卻液中，通過導(dǎo)管使合金液流與冷卻液同步流動并被激冷，獲得快速凝固線材。成功用于多種合金直徑20～600m線材的制備。合金液流注入液體冷卻液法1-導(dǎo)流管2-噴嘴3-合金液4-感應(yīng)加熱器5-穩(wěn)流罩6-分散器7-導(dǎo)流管8-泵第四章液態(tài)金屬充型與宏觀凝固組織

深過冷快速凝固技術(shù)的主要原理，是采取一定的措施抑制合金液中固相的形核，從而達(dá)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(dǎo)出的熱流大大減少。其核心是抑制合金液中的異質(zhì)形核。通過抑制大體積液態(tài)金屬異質(zhì)形核并獲得深過冷的主要途徑，有熔融玻璃凈化法和懸浮熔煉法。第四章液態(tài)金屬充型與宏觀凝固組織

熔融玻璃凈化法該方法實(shí)現(xiàn)合金液深過冷的機(jī)理：（1）熔化合金液中的異質(zhì)結(jié)晶核心通過物理或化學(xué)作用與熔融玻璃反應(yīng)而被除去（2）熔融玻璃可使合金液與環(huán)境氣體隔離，防止表面氧化形成的氧化膜而起到異質(zhì)形核作用。而熔融玻璃本身為玻璃態(tài)，不可能成為異質(zhì)形核的基底（3）粘性的玻璃作為一種高阻尼隔離層，可以消除外界隨機(jī)振動的干擾，而這些干擾可能是促進(jìn)均質(zhì)形核的因素

消除異質(zhì)核心

采用措施

懸浮線圈的結(jié)構(gòu)與主要設(shè)計參數(shù)下部為主繞組，產(chǎn)生高頻磁場對試樣懸??；上部為環(huán)形穩(wěn)定控制繞組，抑制試樣的側(cè)向漂移。主繞組與控制繞組是反相串連的。由于二者的磁場方向相反，試樣就穩(wěn)定地懸浮在熔煉線圈產(chǎn)生的高頻磁場中。懸浮線圈的設(shè)計主要是磁場懸浮力的計算，同時要考慮懸浮力與加熱功率的匹配。第四章液態(tài)金屬充型與宏觀凝固組織

非晶材料的特性高強(qiáng)度高硬度高耐腐蝕性良好的導(dǎo)電性優(yōu)異的軟磁性較高的熱穩(wěn)定性較低的表面活性應(yīng)用：機(jī)械結(jié)構(gòu)材料磁性材料聲學(xué)材料仿生材料光學(xué)材料體育器材電子材料第四章液態(tài)金屬充型與宏觀凝固組織

噴射沉積產(chǎn)品b德國PEAK公司c丹麥DanSpray公司a噴射沉積過程鋁合金錠合金鋼第四章液態(tài)金屬充型與宏觀凝固組織

*快速凝固組織特征*含氧量低（與鑄錠冶金比）*工藝簡單生產(chǎn)周期短*適用性強(qiáng)（柔性加工）*熱加工性能得到改善*半固態(tài)與近終形

第四章液態(tài)金屬充型與宏觀凝固組織

定向凝固定向凝固生產(chǎn)的背景

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)

的出現(xiàn)，也為凝固理論的研究和發(fā)展提供了實(shí)驗(yàn)基礎(chǔ)(由于理論處理過程的簡單化)，因?yàn)?/p>

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，從而可以

分別研究它們對凝固過程的影響第四章液態(tài)金屬充型與宏觀凝固組織

定向凝固條件

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第四章液態(tài)金屬充型與宏觀凝固組織

定向凝固

傳統(tǒng)的定向凝固技術(shù)

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（一）發(fā)熱劑法

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，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(jī)高溫合金葉片第四章液態(tài)金屬充型與宏觀凝固組織

定向凝固加熱器受熱體陶瓷模金屬液水冷銅底冷卻水（二）功率降低法

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(dá)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第四章液態(tài)金屬充型與宏觀凝固組織

（三）快速凝固法第四章液態(tài)金屬充型與宏觀凝固組織

定向凝固（四）液態(tài)金屬冷卻法第四章液態(tài)金屬充型與宏觀凝固組織

定向凝固傳統(tǒng)定向凝固技術(shù)存在的問題

爐外法功率降低法快速凝固法

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)生嚴(yán)重的枝晶偏析，限制了材料性能的提高。造成冷卻速度慢的主要原因是凝固界面與液相中最高溫度面距離太遠(yuǎn)，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。第四章液態(tài)金屬充型與宏觀凝固組織

定向凝固為了進(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)。因而如何采用新工藝、新方

法去實(shí)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(biāo)。

第四章液態(tài)金屬充型與宏觀凝固組織

定向凝固試樣熔區(qū)加熱體隔熱板陶瓷管冷卻劑水浴器抽拉桿液態(tài)金屬冷卻法（一）區(qū)域重熔GTL=1270K/cm半固態(tài)成形半固態(tài)成形的特點(diǎn)應(yīng)用范圍廣充形平穩(wěn)、無湍流和噴濺加工溫度低，凝固收縮小，零件尺寸精度高，可實(shí)現(xiàn)凈近成形凝固時間短，提高生產(chǎn)率半固態(tài)成形模具壽命提高零件缺陷少可形成十分復(fù)雜的零件半固態(tài)成形

Technologiesforcomponentshaping半固態(tài)成形半固態(tài)加工技術(shù)的工業(yè)應(yīng)用情況

國外應(yīng)用現(xiàn)狀

美國歐洲日本國內(nèi)應(yīng)用現(xiàn)狀東南大學(xué)北京有色金屬研究總院北京科技大學(xué)哈爾濱工業(yè)大學(xué)東北大學(xué)清華大學(xué)沈陽金屬所重慶大學(xué)半固態(tài)成形

半固態(tài)加工成形的零件半固態(tài)成形半固態(tài)坯料的生產(chǎn)方法

機(jī)械攪拌法電磁攪拌法應(yīng)變?nèi)刍ɑ瘜W(xué)晶粒細(xì)化法形變熱處理法近液相線鑄造法雙螺桿半固態(tài)金屬流變注射成形法剪卻-冷卻-軋制法(Shear-coolingrool)

新MIT法冷卻斜槽法

NRP(NewRheocastingProcessing)法不同液體混合法半固態(tài)成形電磁攪拌法電磁攪拌法示意圖1.連續(xù)饋送合金液2.電磁攪拌圈3.合金液4.冷卻管5.鑄