定向凝固技術(shù).doc

大連交通大學(xué)材料科學(xué)與工程學(xué)院定向凝固技術(shù)1、 定向凝固的研究狀況定向凝固成形技術(shù)是伴隨高溫合金的發(fā)展而逐漸發(fā)展起來(lái)的，是在凝固過(guò)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，以獲得具有特定取向柱狀晶的技術(shù)。定向凝固技術(shù)很好的控制了凝固組織的晶粒取向，消除橫向晶界，提高了材料的縱向力學(xué)性能，因而自美國(guó)普拉特惠特尼航空公司采用高溫合金定向凝固技術(shù)以來(lái)，這項(xiàng)技術(shù)得到廣泛的應(yīng)用。1.1定向凝固理論的研究定向凝固理論的研究，主要涉及定向凝固中液-固界面形態(tài)及其穩(wěn)定性，液-固界面處相變熱力學(xué)、動(dòng)力學(xué)，定向凝固過(guò)程晶體生長(zhǎng)行為以及微觀組織的演繹等，其中包括成分過(guò)冷理論、MS 界面穩(wěn)定性、線性擾動(dòng)理論、非線性擾動(dòng)理論等。從Chalmers1等的成分過(guò)冷理論到Mullins2等的界面穩(wěn)定動(dòng)力學(xué)理論(MS理論)，人們對(duì)凝固過(guò)程有了更深刻的認(rèn)識(shí)。下面主要分析一下成分過(guò)冷理論和界面穩(wěn)定性理論。（1） 成分過(guò)冷理論成分過(guò)冷理論是針對(duì)單相二元合金凝固過(guò)程界面成分的變化提出的，如對(duì)于平衡分配系數(shù)小于1的合金在冷卻下來(lái)時(shí)，由于溶質(zhì)在固相和液相中的分配系數(shù)不同，溶質(zhì)原子隨著凝固的進(jìn)行，被排擠到液相中去，并形成一定的濃度梯度，與這種溶質(zhì)梯度相對(duì)應(yīng)的液相線溫度與真實(shí)溫度分布之間有不同的值，其差值大于零時(shí)，意味著該部分熔體處于過(guò)冷狀態(tài)，有形成固相的可能性而影響界面的穩(wěn)定性。Chalmers等人通過(guò)分析得出了成分過(guò)冷的判據(jù)，確定了合金凝固過(guò)程中固液界面前沿的形態(tài)取決于兩個(gè)參數(shù)：GL/v和GLv，即分別為界面前沿液相溫度梯度和凝固速度的商和積。前者決定了界面形態(tài)，而后者決定了晶體的顯微組織（即枝晶間距或晶粒大?。?。成分過(guò)冷理論能成功的判定無(wú)偏析特征的平面凝固的條件，避免胞晶或枝晶的生成。但是成分過(guò)冷理論只考慮了溫度梯度和濃度梯度這兩個(gè)具有相反效應(yīng)的因素對(duì)界面穩(wěn)定性的影響，忽略了非平面界面的表面張力、凝固時(shí)的結(jié)晶潛熱及固相中溫度梯度等的影響。4（2） MS穩(wěn)定性理論針對(duì)成分過(guò)冷理論存在的問(wèn)題，Mullins等研究人員研究了溫度場(chǎng)和濃度場(chǎng)的干擾行為、干擾振幅和時(shí)間的依賴(lài)關(guān)系以及它們對(duì)界面穩(wěn)定性的影響，在1964年提出了界面穩(wěn)定性的動(dòng)力學(xué)理論（MS穩(wěn)定性理論），總結(jié)出平界面絕對(duì)穩(wěn)定性判據(jù)。MS穩(wěn)定性理論成功的預(yù)言了5：隨著生長(zhǎng)速度的增加，固液界面形態(tài)將經(jīng)歷從平界面-胞晶-樹(shù)枝晶-胞晶-帶狀組織-絕對(duì)穩(wěn)定平界面的轉(zhuǎn)變。近年來(lái)對(duì)MS理論界面穩(wěn)定性條件所做的進(jìn)一步分析表明，MS理論還隱含著另一種絕對(duì)性現(xiàn)象，即當(dāng)溫度梯度G超過(guò)一臨界值時(shí)，溫度梯度的穩(wěn)定化效應(yīng)會(huì)完全克服溶質(zhì)擴(kuò)散的不穩(wěn)定化效應(yīng)，這時(shí)無(wú)論凝固速度如何，界面總是穩(wěn)定的，這種絕對(duì)穩(wěn)定性稱(chēng)為高梯度絕對(duì)穩(wěn)定性。但是這種理論只適合稀溶液，即低溶質(zhì)質(zhì)量分?jǐn)?shù)的情況，并且忽略了凝固速率對(duì)溶質(zhì)分配因數(shù)的影響。1.2定向凝固技術(shù)的研究熔體中的熱流垂直于固/液界面并嚴(yán)格的單向?qū)С?，是定向凝固成功的關(guān)鍵。伴隨著對(duì)熱流控制技術(shù)的發(fā)展，研究者對(duì)定向凝固技術(shù)進(jìn)行多種方法的改進(jìn)，不斷細(xì)化材料的結(jié)構(gòu)組織，大大提高了溫度梯度和凝固速度，制備出的材料性能大幅度提高。伴隨著對(duì)熱流控制（不同的加熱、冷卻方式）技術(shù)的發(fā)展，傳統(tǒng)定向凝固技術(shù)經(jīng)歷了發(fā)熱劑法（EP）、功率降低法(PD)、高速凝固法(HRS)、液態(tài)金屬冷卻法(LMC)、流態(tài)床冷卻法(FBQ)等多種方法的發(fā)展。傳統(tǒng)定向凝固工藝的主要缺點(diǎn)6是冷卻速度慢，這樣就使得凝固組織有充分的時(shí)間長(zhǎng)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(méi)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。為了進(jìn)一步提高定向凝固過(guò)程中的溫度梯度，從而提高凝固速度，最終提高材料的性能，研究者在傳統(tǒng)定向凝固技術(shù)的基礎(chǔ)上，吸收了其它凝固技術(shù)如快速凝固等的優(yōu)點(diǎn)，開(kāi)發(fā)出了一些新的定向凝固技術(shù)。這些新型定向凝固技術(shù)7包括區(qū)域熔化液態(tài)金屬冷卻法（ZMLMC）、深過(guò)冷定向凝固(DUDS）、電磁約束成形定向凝固技術(shù)(DSEMS）、激光超高溫度梯度快速定向凝固（LRM）。新型定向凝固技術(shù)提高了凝固速度，進(jìn)而得到組織性能更加優(yōu)越的材料，使得定向凝固技術(shù)的使用范圍更廣。2、 定向凝固的特征及應(yīng)用2.1定向凝固的特征根據(jù)定向凝固的理論研究和技術(shù)研究，可知定向凝固的熱流是單向的，因此其性能是各向異性、晶間雜質(zhì)少、組織致密、縮松少。定向凝固技術(shù)所得到的材料綜合性能提高很多，更有利于定向凝固技術(shù)的廣泛應(yīng)用。但是定向凝固技術(shù)凝固時(shí)枝晶相向生長(zhǎng)的界面雜質(zhì)多，性能較差，因此其不能應(yīng)用于要求橫向性能良好的場(chǎng)合?，F(xiàn)在定向凝固技術(shù)正朝著無(wú)鑄型、無(wú)污染、成本低等方向發(fā)展，這使得定向凝固技術(shù)更符合現(xiàn)代綠色生產(chǎn)的發(fā)展。2.2定向凝固的應(yīng)用2.2.1制備高溫合金定向凝固技術(shù)最初就是應(yīng)用于高溫合金的研制，自從定向凝固和單晶合金出現(xiàn)以后，所有國(guó)家的先進(jìn)新型發(fā)動(dòng)機(jī)幾乎無(wú)一例外地選用鑄造高溫合金制作最高溫區(qū)工作的葉片，目前幾乎所有先進(jìn)航空發(fā)動(dòng)機(jī)都以采用單晶葉片為特色，正在研制中的許多新型發(fā)動(dòng)機(jī)都采用單晶高溫合金制作渦輪葉片8。西北工業(yè)大學(xué)凝固技術(shù)國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室9利用特殊設(shè)計(jì)的雙頻雙感應(yīng)器成功地實(shí)現(xiàn)了多種截面形狀的無(wú)接觸電磁約束成形。同時(shí)，他們利用軟接觸電磁約束成形定向凝固技術(shù)，制備出了不同尺寸的高溫合金葉片模擬樣件。中國(guó)科學(xué)院金屬研究所10應(yīng)用定向凝固工藝成功研制出一種性能優(yōu)異的低成本定向凝固鎳基高DZ417G。DZ417G 合金從室溫至高溫瞬時(shí)拉伸性能良好，無(wú)缺口敏感性，橫向性能優(yōu)異，其中最突出的優(yōu)點(diǎn)是室溫至高溫的拉伸塑性?xún)?yōu)異，且室溫沖擊韌性高。這種合金綜合性能優(yōu)異，可用作先進(jìn)航空發(fā)動(dòng)機(jī)低壓渦輪葉片等零件。2.2.2制備磁性材料深過(guò)冷快速凝固是目前國(guó)內(nèi)外制備塊體納米磁性材料的研究熱點(diǎn)之一，采用該工藝可先制備出大塊磁性非晶，再將其進(jìn)行退火熱處理而獲得納米磁性材料，也直接將整塊金屬進(jìn)行晶粒細(xì)化至納米級(jí)而獲得納米磁性材料。深過(guò)冷快速凝固方法所制備塊體納米材料的厚度及平均晶粒尺寸在很大程度上是由合金成分以及液態(tài)金屬獲得的過(guò)冷度決定的。蔣成保等11人采用JSL-500區(qū)域熔化真空定向凝固裝置，對(duì)TbDyFe超磁致伸縮合金定向凝固的磁致伸縮性能的研究表明：胞枝晶組織是制備高性能TbDyFe合金樣品的關(guān)鍵，因?yàn)榘麪钪Х绞缴L(zhǎng)的樣品軸向擇優(yōu)取向?yàn)闀r(shí)，磁致伸縮性能優(yōu)越。2.2.3制備共晶復(fù)合材料定向凝固共晶復(fù)合材料是一種自生纖維(或片層)增強(qiáng)的金屬基復(fù)合材料，它的纖維或片層是在合金熔體定向凝固時(shí)和基體同時(shí)生長(zhǎng)的。這種方法是原位生成法中的一種，采用定向凝固技術(shù)制備的復(fù)合材料增強(qiáng)體和基體的結(jié)合良好，不會(huì)出現(xiàn)界面反應(yīng)問(wèn)題和增強(qiáng)體與基體之間潤(rùn)濕性的問(wèn)題，所得到的復(fù)合材料增強(qiáng)相的排列取向較好。定向凝固技術(shù)制備復(fù)合材料在鎳基和鋯基復(fù)合材料上應(yīng)用較多，得到的共晶型復(fù)合材料具有優(yōu)異的韌性、抗疲勞性能、抗蠕變性能和持久強(qiáng)度，并且對(duì)熱循環(huán)影響很不敏感，所以這種新型復(fù)合材料在航空發(fā)動(dòng)機(jī)方面的應(yīng)用前景極為美好。12西北工業(yè)大學(xué)13在自行研制的具有高真空、高溫度梯度、寬抽拉速度等特點(diǎn)的定向凝固設(shè)備上制備出自生Cu-Cr 復(fù)合材料棒，復(fù)合材料的綜合性能得到提高。2.2.4制備多孔材料金屬中的氣孔一般都被認(rèn)為是一種缺陷，但是利用金屬中的氣體可以制備出多孔材料，現(xiàn)在使用最多的方法是金屬-氣體共晶定向凝固法，所得到的氣體-固體共晶結(jié)構(gòu)為圓柱形氣孔規(guī)則定向排列于金屬基體中的材料。這種工藝所得到的多孔金屬不僅具有比相同材質(zhì)的整塊致密金屬高的綜合力學(xué)性能（密度低，比模量、比強(qiáng)度高），而且與傳統(tǒng)方法制造的多孔材料比較起來(lái)，也具有很多優(yōu)異的性能特點(diǎn)。14清華大學(xué)劉源等15利用金屬-氣體共晶定向凝固新工藝，在自行開(kāi)發(fā)的Gasar裝置上，成功制備了具有規(guī)則氣孔分布的藕狀多孔金屬M(fèi)g，并研究了鑄型預(yù)熱溫度和氣體壓力等工藝參數(shù)對(duì)氣孔率、氣孔大小和分布的影響。 2.2.5制備其他新型材料隨著社會(huì)的發(fā)展，各種材料應(yīng)運(yùn)而生，因此定向凝固技術(shù)的使用在不斷地?cái)U(kuò)大，如制備高溫超導(dǎo)體材料、功能材料、納米材料形狀記憶合金、單晶連鑄坯等。由此可以看出：定向凝固技術(shù)必將為新材料的制備和新加工技術(shù)的開(kāi)發(fā)提供廣闊的前景，也必將使凝固理論得到完善和發(fā)展。 3、 定向凝固研究中存在的問(wèn)題雖然初步的實(shí)驗(yàn)表明定向凝固技術(shù)的應(yīng)用前景非常廣闊，但是目前仍然存在一些問(wèn)題需要解決。（1） 定向凝固技術(shù)制備單晶渦輪葉片時(shí)，易形成葉片凸臺(tái)邊緣的雜晶缺陷、成分偏析引起的斑點(diǎn)缺陷等16。此外，葉身的小角度晶界不得超過(guò)6，這使得在生產(chǎn)中不易控制。（2） 定向凝固技術(shù)中的深過(guò)冷技術(shù)局限于純金屬或簡(jiǎn)單的二元合金，如何應(yīng)用深過(guò)冷技術(shù)獲得性能優(yōu)良的復(fù)雜合金材料是一個(gè)亟待解決的問(wèn)題17。（3） 電磁約束成形定向凝固技術(shù)是一項(xiàng)涉及電磁流體力學(xué)、冶金、凝固以及自動(dòng)控制等多學(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，目前還處于研究階段。（4） 激光超高溫度梯度快速定向凝固技術(shù)存在的主要問(wèn)題18是如何控制熱流的方向使固液界面的生長(zhǎng)方向與激光束的掃描方向一致，實(shí)現(xiàn)傳統(tǒng)意義上的定向凝固，目前該工作正在進(jìn)行之中。參考文獻(xiàn)1Rutter J W，Chalmers B. 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