金屬的單向凝固課件

第七章單向凝固技術(shù)

UnidirectionalSolidificationTechnology

講授者：張鴻北京科技大學(xué)材料學(xué)院1第七章單向凝固技術(shù)

UnidirectionalSolid單向凝固概述及工藝單晶生長(zhǎng)柱狀晶的生長(zhǎng)自生復(fù)合材料主要內(nèi)容

2單向凝固概述及工藝主要內(nèi)容

27.1.1單向凝固概述(1)定義:單向凝固技術(shù)是在鑄型中建立特定方向的溫度梯度,使熔體合金沿著與熱流相反的方向,按照要求的結(jié)晶取向進(jìn)行凝固的鑄造工藝。7.1單向凝固概述及工藝7單向凝固技術(shù)37.1.1單向凝固概述(1)定義:單向凝固技術(shù)是在鑄型中(2)起源：1925年,布里奇曼首先使用定向凝固方法制備鉍單晶。后來(lái)斯托克巴杰（1936、1949）進(jìn)一步發(fā)展了定向凝固技術(shù)。20世紀(jì)60年代，用于高溫合金的生產(chǎn)，如渦輪葉片。其抗熱沖擊性能、疲勞壽命、蠕變抗力和中溫塑性等性能優(yōu)良，從而提高葉片的使用壽命及使用溫度。該技術(shù)可用于制備單晶、柱狀晶和自生復(fù)合材料。4(2)起源：1925年,布里奇曼首先使用定向凝固方法制備鉍單固液界面前沿液相中的溫度梯度GL固液界面向前推進(jìn)速度——生長(zhǎng)速率RmL——二元合金系相圖中液相線斜率；C0

——合金溶質(zhì)含量；k

——溶質(zhì)分配系數(shù)；DL

——熔液中溶質(zhì)擴(kuò)散系數(shù)＊“成分過(guò)冷判據(jù)”方程:(1)Ⅰ.工藝參數(shù)對(duì)凝固的影響(3)工藝參數(shù)5固液界面前沿液相中的溫度梯度GLmL——二元合金系相圖中液相GL/R——控制晶體長(zhǎng)大形態(tài)的重要判據(jù)對(duì)簡(jiǎn)單固溶體合金，(1)式是得到平界面生長(zhǎng)的定向凝固組織的必要條件。隨GL/R的減少，凝固組織形態(tài)的變化為：平面狀→胞狀→枝狀→等軸晶＊保證獲得高質(zhì)量定向組織的基本條件是：保持界面前沿的高溫度梯度。6GL/R——控制晶體長(zhǎng)大形態(tài)的重要判據(jù)6圖7.1凝固速率R對(duì)DD8單晶鎳基合金固液界面形態(tài)的影響a)R=1.42μm/s,b)R=2.08μm/s,c)R=2.17μm/s,d)R=2.94μm/s,e)R=12.6μm/s,f)R=110.2μm/s

隨著凝固速率的增大，平界面（見(jiàn)圖1a）失穩(wěn)，并逐漸向胞狀（見(jiàn)圖1b、c），胞狀枝晶（見(jiàn)圖1d），粗狀晶（見(jiàn)圖1e）及細(xì)枝晶（見(jiàn)圖1f）轉(zhuǎn)化，與組成過(guò)冷理論所預(yù)言是變化一致。

7圖7.1凝固速率R對(duì)DD8單晶鎳基合金固液界面形態(tài)的影響

在提高GL的條件下，增加R，才能獲得要求的晶體形態(tài)。以極小R的來(lái)維持高的GL/R比值在生產(chǎn)中是不可取的（因其導(dǎo)致枝晶粗大、顯微疏松增加以及效率低下）。(2)GS

，GL——固液相中的溫度梯度；λs，λL——晶體和熔體的熱導(dǎo)率；L——生長(zhǎng)單位質(zhì)量的晶體所放出的結(jié)晶潛熱；R——生長(zhǎng)速率；ρm——熔點(diǎn)附近熔體的密度8在提高GL的條件下，增加R，才能獲得要求(2)GSⅡ.獲得高溫度梯度的措施：①提高凝固界面前沿處溶液的溫度。如采用兩區(qū)加熱器。②強(qiáng)化已凝固相內(nèi)的散熱，提高凝固界面固相側(cè)溫度梯度。③改善高溫加熱區(qū)與低溫冷卻區(qū)的隔熱。④控制凝固界面在隔熱擋板附近。9Ⅱ.獲得高溫度梯度的措施：97.1.2單向凝固工藝方法發(fā)熱劑法功率降低法(PD法)快速凝固法(HRS法)液態(tài)金屬冷卻法(LMC法)107.1.2單向凝固工藝方法發(fā)熱劑法10圖7.2發(fā)熱劑法裝置圖1-起始段2-隔熱層3-光學(xué)測(cè)溫架4-澆口杯5-澆道6-發(fā)熱劑7-零件8-水冷銅底座無(wú)法調(diào)節(jié)溫度梯度和凝固速率，只能用于制備小柱狀晶鑄件(1)發(fā)熱劑法11圖7.2發(fā)熱劑法裝置圖無(wú)法調(diào)節(jié)溫度梯度和凝固速率，(1)圖7.3功率降低法裝置圖1-葉片根部2-葉身3-葉冠4-澆道5-澆口杯6-模蓋7-精鑄模殼8-熱電偶

9-軸套10-碳?xì)?1-石墨感受器12-Al2O3管13-感應(yīng)圈14-Al2O3管泥封15-模殼緣盤16-螺栓17-軸18冷卻水管19-銅座分兩段加熱，鑄件在凝固過(guò)程中不移動(dòng)(2)功率降低法12圖7.3功率降低法裝置圖分兩段加熱，鑄件在凝固過(guò)程中不移動(dòng)圖7.4高速凝固法裝置圖1-拉模室2-模室3-熔室4-坩堝和原材料5-水冷感應(yīng)圈6-石墨電阻加熱器7-模殼8-水冷底座和桿鑄型始終加熱；鑄件凝固時(shí)移動(dòng)；熱區(qū)底部使用輻射擋板和水冷套。比PD法局部冷速增大，組織細(xì)化。(3)高速凝固法13圖7.4高速凝固法裝置圖鑄型始終加熱；鑄件凝固時(shí)移動(dòng)；熱圖7.5液態(tài)金屬冷卻法裝置圖1液態(tài)Sn2模殼3浸入機(jī)構(gòu)4真空室5坩堝6爐高溫區(qū)7擋板8加熱線圈溫度梯度較高，但設(shè)備復(fù)雜，操作麻煩，故在工業(yè)尚未廣泛應(yīng)用。(4)液態(tài)金屬冷卻法14圖7.5液態(tài)金屬冷卻法裝置圖溫度梯度較高，但設(shè)備復(fù)雜，操表7.1三種定向凝固方法的主要冶金工藝項(xiàng)目PD法HRS法LMC法溫度梯度(℃/cm)7～1126～3073～103生長(zhǎng)速率(cm/h)8～1223～2753～61粥狀區(qū)高(cm)10～153.8~5.61.5~2.5冷卻速率(℃/h)907004700局部凝固時(shí)間(min)85~888~121.2~1.615表7.1三種定向凝固方法的主要冶金工藝項(xiàng)目PD法HRS法L7.2

單晶生長(zhǎng)首先形成單晶核，可引入籽晶或自發(fā)形核；而后，在晶核和熔體界面上長(zhǎng)出單晶。單晶體從液相中生長(zhǎng)出來(lái)，按其成分和晶體特征，可分為三種：晶體和熔體成分相同晶體和熔體成分不同第二相或出現(xiàn)共晶的晶體7.2.1特點(diǎn)167.2單晶生長(zhǎng)首先形成單晶核，可引入籽晶或自發(fā)形核；而后，

7.2.2方法(1)正常凝固法①坩堝移動(dòng)或爐體移動(dòng)單向凝固法＊選晶法原理：合金熔液在具有狹窄截面及變方向的選晶器內(nèi)通過(guò)，結(jié)晶生長(zhǎng)時(shí)，淘汰多數(shù)晶粒，只允許少數(shù)甚至一個(gè)晶粒長(zhǎng)出。經(jīng)過(guò)多次變換截面及方向，最后只有一個(gè)晶粒長(zhǎng)入型腔并逐漸充滿整個(gè)鑄型，從而得到只有一個(gè)晶粒的單晶鑄件。17

7.2.2方法＊選晶法原理：合金熔液在具有狹窄截面及變方＊籽晶法：將與鑄件合金有相同成分和組織的籽晶安放在模殼最底部與水冷銅板接觸，并使其成為合金與水冷銅板接觸的唯一部分。具有一定過(guò)熱的熔融合金澆入模殼，使籽晶部分地熔化以避免造成非自發(fā)形核。然后隨模殼由爐內(nèi)向外抽出冷卻，合金溶液就從殘余的籽晶部分外延生長(zhǎng)、凝固成三維取向與籽晶相同的單晶體。18＊籽晶法：將與鑄件合金有相同成分和組織的籽晶安放在模殼最底部②晶體提拉法及單晶質(zhì)量控制＊晶體提拉法先將材料放在坩堝中熔化，再將籽晶插入熔體中，控制合適的溫度，使籽晶既不熔掉，也不長(zhǎng)大；然后緩慢向上提拉和轉(zhuǎn)動(dòng)晶桿，從而得到單晶體。＊單晶質(zhì)量控制

單晶提拉速率溫度梯度原材料純度籽晶質(zhì)量19②晶體提拉法及單晶質(zhì)量控制＊單晶質(zhì)量控制19(2)區(qū)熔法①水平區(qū)熔法：用加熱器對(duì)置于水平舟內(nèi)的材料進(jìn)行加熱，使在舟端放置的籽晶和多晶材料間產(chǎn)生熔區(qū)，然后以一定速度移動(dòng)熔區(qū)，使熔區(qū)從一端移至另一端，使多晶材料變?yōu)閱尉w。②懸浮區(qū)熔法：用加熱器（射頻、電阻等）加熱垂直放置的多晶材料，依靠表面張力的作用支持熔區(qū)，從而制備單晶體。20(2)區(qū)熔法207.3柱狀晶的生長(zhǎng)(1)形成定向生長(zhǎng)的柱晶組織的兩個(gè)基本條件：①熱流向單一方向流動(dòng)并垂直于生長(zhǎng)中的固液界面；②晶體生長(zhǎng)前方的熔體中沒(méi)有穩(wěn)定的結(jié)晶核心。柱狀晶包括柱狀樹(shù)枝晶和胞狀柱晶7.3.1柱狀晶生長(zhǎng)條件217.3柱狀晶的生長(zhǎng)(1)形成定向生長(zhǎng)的柱晶組織的兩個(gè)基本條為此，需要：有足夠高的溫度梯度，避免側(cè)向散熱；此外，避免在凝固界面前沿出現(xiàn)成分過(guò)冷或外來(lái)核心，使柱晶橫向生長(zhǎng)受限制，抑制液態(tài)合金的形核能力。措施：提高液態(tài)合金的純潔度，減少氧化、吸氣形成的雜質(zhì)的污染；添加適當(dāng)元素或添加物，使形核劑失效。22為此，需要：22晶體取向測(cè)試方法宏觀織構(gòu)分析：X射線衍射微觀織構(gòu)分析：EBSD方法＊取向分散度或發(fā)散度：柱狀晶生長(zhǎng)過(guò)程中，晶體生長(zhǎng)方向偏離軸向的程度?？捎弥鶢罹L(zhǎng)方向和軸向之間的夾角表示。(2)衡量柱狀晶組織的標(biāo)志＊枝晶臂間距和晶粒大小23晶體取向測(cè)試方法宏觀織構(gòu)分析：X射線衍射＊取向分散度或發(fā)散度7.3.2柱狀晶的力學(xué)性能單晶高溫合金具有良好的持久壽命、低的蠕變速度、好的熱疲勞性能、較高的抗氧化、抗熱腐蝕性能。相同成分鑄件，性能方面，單晶組織優(yōu)于柱狀晶組織的，而柱狀晶組織則優(yōu)于普通鑄造組織的。247.3.2柱狀晶的力學(xué)性能單晶高溫合金具有良好的持久壽命、7.4

自生復(fù)合材料對(duì)共晶系的要求：1.共晶系中一相為高強(qiáng)相。2.基體具有較高的斷裂韌性，以固溶體為宜。3.在單向凝固時(shí)能夠獲得定向排列的規(guī)則組織，即可以呈棒狀（纖維狀）或片層狀組織。

257.4自生復(fù)合材料對(duì)共晶系的要求：25●連續(xù)定向凝固技術(shù)

（1）OCC法的原理

OCC法的技術(shù)與傳統(tǒng)連鑄技術(shù)的區(qū)別在于其鑄型是加熱的，而不是冷卻的，如圖6所示。傳統(tǒng)的連鑄過(guò)程，金屬或合金液首先在鑄型的急冷作用下凝固，并逐漸向中心生長(zhǎng)。而OCC法連鑄過(guò)程中鑄型溫度高于金屬或合金液的凝固溫度。鑄型只能約束金屬或合金液的形狀，而不會(huì)在其表面發(fā)生金屬的凝固。凝固界面通常是凸向液相的。這一凝固界面形態(tài)利于獲得定向或單晶凝固組織。26●連續(xù)定向凝固技術(shù)（1）OCC法的原理26

圖7.6傳統(tǒng)連鑄與OCC法原理對(duì)比示意圖冷卻距離27冷卻距離27

(a)連續(xù)定向凝固(b)普通鑄造圖7.7連續(xù)定向凝固與普通鑄造桿坯組織示意圖

[100][001]28(a)連續(xù)定向凝固（2）OCC法的特點(diǎn)1）鑄型出口端與冷卻區(qū)有懸殊的溫差和高的溫度梯度，型內(nèi)金屬液的熱流主要沿拉鑄方向單向傳輸，滿足定向凝固的條件，可以得到完全單方向凝固的無(wú)限長(zhǎng)柱狀組織。對(duì)其工藝進(jìn)行優(yōu)化控制使其有利于晶粒的淘汰生長(zhǎng)，則可實(shí)現(xiàn)單晶的連續(xù)鑄造。2）OCC法固相與鑄型之間始終有液相隔離，摩擦力小，所需牽引力也小，利于進(jìn)行任意復(fù)雜形狀截面型材的連鑄；同時(shí)，鑄錠表面的自由凝固使其呈鏡面狀態(tài)。因此，OCC法是一種近終形連鑄生產(chǎn)的技術(shù)，29（2）OCC法的特點(diǎn)1）鑄型出口端與冷卻區(qū)有懸殊的溫差和高的可用于那些通過(guò)塑性加工難于成型的硬脆合金及金屬間化合物等線材、板材及復(fù)雜管材的連鑄。3）凝固過(guò)程中固液界面始終凸向液相，凝固過(guò)程析出的氣體及夾雜進(jìn)入液相。因此，氣孔、夾渣等缺陷較少；同時(shí)，鑄錠中心先于表面凝固，不存在鑄錠中心補(bǔ)縮困難問(wèn)題。因而可得到無(wú)縮孔、縮松等缺陷，鑄錠組織是致密的。

4）鑄錠中缺陷少，組織致密，消除了橫向晶界，因此，塑性加工性能好，是生產(chǎn)超細(xì)、超薄精細(xì)產(chǎn)品的理想坯料。同時(shí)抗腐蝕及抗疲勞性能均得到大幅度改善，導(dǎo)電性能優(yōu)異，是生產(chǎn)高保真電纜的優(yōu)質(zhì)材料。3030圖7.8四種O·C·C連鑄方法的基本原理a）簡(jiǎn)單下引法b）虹吸管下引式c）上引