第五章+鑄件凝固組織的形成及控制課件

1、第五章 鑄件凝固組織的形成與控制一、鑄件宏觀凝固組織的特征及形成機(jī)理二、鑄件宏觀凝固組織的控制第五章 鑄件凝固組織的形成與控制一、鑄件宏觀凝固組織的特一、鑄件宏觀凝固組織的特征及形成機(jī)理（一） 鑄件的宏觀組織（二） 表面激冷區(qū)及柱狀晶區(qū)的形成（三） 內(nèi)部等軸晶的形成機(jī)理一、鑄件宏觀凝固組織的特征及形成機(jī)理（一） 鑄件的宏觀組織（一） 鑄件的宏觀組織激冷晶區(qū)由無規(guī)則的細(xì)小等軸晶組成;柱狀晶區(qū)的晶粒垂直于型壁排列，且平行于熱流方向.內(nèi)部等軸晶區(qū)的晶粒較為粗大，各向同性;表層急冷細(xì)晶區(qū)中間柱狀晶區(qū)內(nèi)部等軸晶區(qū)（一） 鑄件的宏觀組織激冷晶區(qū)由無規(guī)則的細(xì)小等軸晶組成;表層圖5-2 幾種不同類型的鑄件宏觀

2、組織示意圖（a）只有柱狀晶;（b）表面細(xì)等軸晶加柱狀晶;（c）三個(gè)晶區(qū)都有;（d）只有等軸晶 圖5-2 幾種不同類型的鑄件宏觀組織示意圖大多數(shù)工業(yè)應(yīng)用情況下，希望鑄件宏觀組織獲得各向同性的等軸細(xì)晶粒組織。為此，應(yīng)創(chuàng)造條件抑制晶體的柱狀長大，而促使內(nèi)部等軸晶的形成和等軸晶細(xì)化。就斷裂而論，裂紋最易沿晶界擴(kuò)展(特別是存在著溶質(zhì)及雜質(zhì)偏析時(shí))。柱狀晶相碰的地帶溶質(zhì)及雜質(zhì)聚積嚴(yán)重，造成強(qiáng)度、塑性、韌性在柱狀晶的橫向方向大幅度下降，對(duì)熱裂敏感，腐蝕介質(zhì)中易成為集中的腐蝕通道。大多數(shù)工業(yè)應(yīng)用情況下，希望鑄件宏觀組織獲得各向同性的等軸細(xì)晶柱狀晶的特點(diǎn)是各向異性，對(duì)于諸如磁性材料、發(fā)動(dòng)機(jī)和螺旋漿葉片等這些強(qiáng)調(diào)

3、單方向性能的情況，采用定向凝固獲得全部柱狀晶的零件反而更具優(yōu)點(diǎn)。如何在技術(shù)上有效地控制鑄件的宏觀組織十分重要。因此有必要學(xué)習(xí)各晶區(qū)組織的形成機(jī)理。返回柱狀晶的特點(diǎn)是各向異性，對(duì)于諸如磁性材料、發(fā)動(dòng)機(jī)和螺旋漿葉片（二） 表面激冷區(qū)及柱狀晶區(qū)的形成 表面激冷區(qū)的形成 柱狀晶區(qū)的形成（二） 表面激冷區(qū)及柱狀晶區(qū)的形成 表面激冷區(qū)的形成表面激冷區(qū)的形成 傳統(tǒng)理論：型壁附近熔體由于受到強(qiáng)烈的激冷作用，產(chǎn)生很大的過冷度而大量非均質(zhì)生核,各種形式的游離晶粒也是形成表面細(xì)等軸晶的“晶核”來源。這些晶核在過冷熔體中采取枝晶方式生長，由于其結(jié)晶潛熱既可從型壁導(dǎo)出，也可向過冷熔體中散失，從而形成了無方向性的表面細(xì)等

4、軸晶組織。澆注時(shí)液流的沖刷和澆注結(jié)束液體內(nèi)外溫度場引起的對(duì)流，引起晶體脫落和增殖溶質(zhì)再分配引起的頸縮表面激冷區(qū)的形成 傳統(tǒng)理論：型壁附近熔體由于受到強(qiáng)烈的 一旦型壁附近的晶粒互相連結(jié)而構(gòu)成穩(wěn)定的凝固殼層，凝固將轉(zhuǎn)為柱狀晶區(qū)由外向內(nèi)的生長，表面激冷細(xì)晶粒區(qū)將不再發(fā)展。因此穩(wěn)定的凝固殼層形成得越早，表面細(xì)晶粒區(qū)向柱狀晶區(qū)轉(zhuǎn)變得也就越快，表面激冷區(qū)也就越窄。鑄型冷卻能力的雙重性！無對(duì)流時(shí)，即使冷卻速度很大也不出現(xiàn)表面細(xì)晶層。大野篤美Al-0.1%Ti750澆注到用冰水激冷的薄壁不銹鋼杯中，鑄錠外部為柱狀晶。 一旦型壁附近的晶?；ハ噙B結(jié)而構(gòu)成穩(wěn)定的凝固殼層，凝固表面細(xì)晶區(qū)的大小與澆注溫度、鑄型溫度、鑄

5、型導(dǎo)熱能力、合金生核能力及合金成分有關(guān)。澆注溫度高、鑄型導(dǎo)熱能力弱，金屬開始凝固時(shí)的溫度已大為均勻，鑄型表面生核和形成的晶體少。脫落后被高溫液體重熔的幾率大，細(xì)晶區(qū)小，晶粒粗大，甚至消失。鑄型冷卻能力過強(qiáng)，細(xì)晶區(qū)減小甚至消失。溶質(zhì)元素多，晶體與型壁之間和分枝的根部頸縮更細(xì)，晶體和分枝更容易脫落，細(xì)晶區(qū)就大。表面激冷區(qū)的形成表面細(xì)晶區(qū)的大小與澆注溫度、鑄型溫度、鑄型導(dǎo)熱能力、合金生核柱狀晶區(qū)的形成穩(wěn)定的凝固殼層一旦形成，柱狀晶就直接由表面細(xì)等軸晶凝固層某些晶粒為基底向內(nèi)生長，發(fā)展成由外向內(nèi)生長的柱狀晶區(qū)。枝晶主干取向與熱流方向平行的枝晶生長迅速 ，并且抑制取向不利的晶體生長，這個(gè)互相競爭淘汰的晶

6、體長大過程稱為“晶體的擇優(yōu)生長”。柱狀晶區(qū)的形成穩(wěn)定的凝固殼層一旦形成，柱狀晶就直接由表面細(xì)等柱狀晶區(qū)開始于穩(wěn)定凝固殼層的產(chǎn)生，而結(jié)束于內(nèi)部等軸晶區(qū)的形成。因此柱狀晶區(qū)的存在與否及寬窄程度取決于上述兩個(gè)因素綜合作用的結(jié)果。如果在凝固初期就使得內(nèi)部產(chǎn)生等軸晶的晶核，將會(huì)有效地抑制柱狀晶的形成。柱狀晶生長過程的動(dòng)態(tài)演示如果界面前沿始終不利于等軸晶的形成與生長，柱狀晶區(qū)就可以一直延伸到鑄件的中心，直到與對(duì)面型壁生長出的柱狀晶相遇為止，從而形成“穿晶組織”澆鑄溫度提高，柱狀區(qū)的寬度增大；澆鑄條件一定，合金元素含量增加，游離晶粒增加，柱狀區(qū)減小。柱狀晶區(qū)開始于穩(wěn)定凝固殼層的產(chǎn)生，而結(jié)束于內(nèi)部等軸晶區(qū)的形

7、成柱狀晶生長過程的動(dòng)態(tài)演示鑄型液態(tài)金屬柱狀晶生長過程的動(dòng)態(tài)演示鑄液態(tài)金屬（三） 內(nèi)部等軸晶的形成機(jī)理 “成分過冷”理論 激冷等軸晶型壁脫落與游離理論 枝晶熔斷及結(jié)晶雨理論（三） 內(nèi)部等軸晶的形成機(jī)理 “成分過冷”理論“成分過冷”理論 該理論認(rèn)為，隨著凝固層向內(nèi)推移，固相散熱能力逐漸削弱，內(nèi)部溫度梯度趨于平緩，且液相中的溶質(zhì)原子越來越富集，從而使界面前方成分過冷逐漸增大。當(dāng)成分過冷大到足以發(fā)生非均質(zhì)生核時(shí)，便導(dǎo)致內(nèi)部等軸晶的形成。如：采用很強(qiáng)的生核劑時(shí)，可使整個(gè)鑄件斷面獲得細(xì)等軸晶。 “成分過冷”理論 該理論認(rèn)為，隨著凝固層向內(nèi)推移，固相激冷等軸晶型壁脫落與游離理論在澆注的過程中及凝固的初期激冷

8、,等軸晶自型壁脫落與游離促使等軸晶形成, 澆注溫度低可以使柱狀晶區(qū)變窄而擴(kuò)大等軸晶區(qū) 。激冷等軸晶型壁脫落與游離理論在澆注的過程中及凝固的初期激冷,圖5-5 型壁處形成的激冷晶向鑄件內(nèi)部的游離a) 晶體密度比熔體小的情況; b) 晶體密度比熔體大的情況圖5-5 型壁處形成的激冷晶向鑄件內(nèi)部的游離溶質(zhì)的偏析容易使晶體在與型壁的交會(huì)處產(chǎn)生“脖頸”，具有“脖頸”的晶體不易于沿型壁方向與其相鄰晶體連接形成凝固殼, 另一方面，在澆注過程和凝固初期存在的對(duì)流容易沖斷“脖頸”，使晶體脫落并游離出去。 圖5-6 晶體與型壁交會(huì)處產(chǎn)生“脖頸”促使晶體發(fā)生脫落而游離 溶質(zhì)的偏析容易使晶體在與型壁的交會(huì)處產(chǎn)生“脖頸

9、”，具有“脖頸圖5-7 游離晶體的生長、局部熔化與增殖圖5-7 游離晶體的生長、局部熔化與增殖枝晶熔斷及結(jié)晶雨理論生長著的柱狀枝晶在凝固界面前方的熔斷、游離和增殖導(dǎo)致了內(nèi)部等軸晶晶核的形成，稱為“枝晶熔斷”理論。 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，下落過程中也發(fā)生熔斷和增殖，是鑄錠凝固時(shí)內(nèi)部等軸晶晶核的主要來源，稱為“結(jié)晶雨”理論。晶粒游離現(xiàn)象大多發(fā)生在大型鑄錠的凝固過程中，而一般鑄件凝固過程中較少發(fā)生。枝晶熔斷及結(jié)晶雨理論生長著的柱狀枝晶在凝固界面前方的熔斷、游a) 7500C水淬,搖動(dòng) b) 在坩堝中置一不銹鋼篩網(wǎng)大野篤美的實(shí)驗(yàn)等軸晶不銹鋼篩網(wǎng)等軸晶a) 7500C水淬

10、,搖動(dòng) b) 目前比較統(tǒng)一的看法是內(nèi)部等軸晶區(qū)的形成很可能是多種途徑起作用。在一種情況下，可能是這種機(jī)理起主導(dǎo)作用，在另一種情況下，可能是另一種機(jī)理在起作用，或者是幾種機(jī)理的綜合作用，而各自作用的大小當(dāng)由具體的凝固條件所決定。目前比較統(tǒng)一的看法是內(nèi)部等軸晶區(qū)的形成很可能是多種途徑起作用二、 鑄件宏觀結(jié)晶組織的控制思路: 晶區(qū)的形成和轉(zhuǎn)變乃是過冷熔體獨(dú)立生核的能力和各種形式晶粒游離、增殖或重熔的程度這兩個(gè)基本條件綜合作用的結(jié)果，鑄件中各晶區(qū)的相對(duì)大小和晶粒的粗細(xì)就是由這個(gè)結(jié)果所決定的。凡能強(qiáng)化熔體獨(dú)立生核，促進(jìn)晶粒游離，以及有助于游離晶的殘存與增殖的各種因素都將抑制柱狀晶區(qū)的形成和發(fā)展，從而擴(kuò)大

11、等軸晶區(qū)的范圍，并細(xì)化等軸晶組織。 二、 鑄件宏觀結(jié)晶組織的控制思路: 晶區(qū)的形成和轉(zhuǎn)變乃是過一、合理地控制澆注工藝和冷卻條件二、孕育處理三、動(dòng)力學(xué)細(xì)化一、合理地控制澆注工藝和冷卻條件合理的澆注工藝?yán)鋮s條件的控制合理的澆注工藝合理的澆注工藝澆注溫度澆注方式 合理降低澆注溫度是減少柱狀晶、獲得及細(xì)化等軸晶的有效措施。但過低的澆注溫度將降低液態(tài)金屬的流動(dòng)性，導(dǎo)致澆不足和冷隔等缺陷的產(chǎn)生。 通過改變澆注方式強(qiáng)化對(duì)流對(duì)型壁激冷晶的沖刷作用，能有效地促進(jìn)細(xì)等軸晶的形成。但必須注意不要因此而引起大量氣體和夾雜的卷入而導(dǎo)致鑄件產(chǎn)生相應(yīng)的缺陷。 合理的澆注工藝澆注溫度合理降低澆注溫度是減少柱狀晶、獲得及細(xì)鑄型

12、中間澆注 單孔上注 沿型壁六孔澆注 圖5-8 不同澆注方法引起不同的鑄件凝固組織 鑄型中間澆注 單孔上注 低溫鑄造水流冷卻的斜板澆注方法 低溫鑄造水流冷卻的斜板澆注方法 冷卻條件的控制控制冷卻條件的目的是形成寬的凝固區(qū)域和獲得大的過冷，從而促進(jìn)熔體生核和晶粒游離。小的溫度梯度GL和高的冷卻速度R可以滿足以上要求。但就鑄型的冷卻能力而言，除薄壁鑄件外，這二者不可兼得。 對(duì)薄壁鑄件，可采用高蓄熱、快熱傳導(dǎo)能力的鑄型。 對(duì)厚壁鑄件，一般采用冷卻能力小的鑄型以確保等軸晶的形成，再輔以其他晶粒細(xì)化措施以得到滿意的效果。對(duì)厚壁鑄件表層激冷作用小，只作用于表面，容易造成內(nèi)部溫度梯度大，反而促進(jìn)柱狀晶形成。懸

13、浮澆注法可同時(shí)滿足小的GL與高的R的要求。 冷卻條件的控制控制冷卻條件的目的是形成寬的凝固區(qū)域和獲得大的懸浮澆注法是在澆注過程中將一定量的固態(tài)金屬顆粒加入到金屬液中，從而改變金屬液凝固過程，達(dá)到細(xì)化組織、減小偏析、減小鑄造應(yīng)力的目的的一種工藝方法。懸浮澆注用渦流導(dǎo)入法的澆注系統(tǒng)料斗離心集液包直澆道懸浮澆注法是在澆注過程中將一定量的固態(tài)金屬顆粒加入到金屬液中懸浮澆注法的特點(diǎn)1) 顯著細(xì)化鑄件組織，提高力學(xué)性能，改善鑄件厚大斷面力學(xué)性能均勻性； 2) 減小凝固收縮，使冒口減小1535%； 3) 減少縮松，提高鑄件致密性； 4) 減小鑄造應(yīng)力，減小鑄件熱裂傾向； 5) 改善宏觀偏析； 6) 提高凝固

14、速度，改善鑄型受熱狀況； 7) 可以實(shí)現(xiàn)澆注過程合金化。懸浮澆注法的特點(diǎn)1) 顯著細(xì)化鑄件組織，提高力學(xué)性能，改善技術(shù)原理： 通過加入金屬顆粒與金屬液的物理化學(xué)、晶體學(xué)和熱作用，強(qiáng)制金屬液生核，并改變鑄型中金屬液的溫度分布，從而改變金屬凝固方式。 適用范圍： 各種鑄鋼件、鑄鐵件、及有色合金件。 不需要特殊設(shè)備，僅要求簡單輔助工裝。技術(shù)原理： 通過加入金屬顆粒與金屬液的物理化學(xué)、晶體學(xué)和熱作二、孕育處理孕育處理是澆注之前或澆注過程中向液態(tài)金屬中添加少量物質(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。 孕育( Inoculation)主要是影響生核過程和促進(jìn)晶粒游離以細(xì)化晶粒；而變質(zhì)（Modi

15、fication）則是改變晶體的生長機(jī)理，從而影響晶體形貌。變質(zhì)在改變共晶合金的非金屬相的結(jié)晶形貌上有著重要的應(yīng)用，而在等軸晶組織的獲得和細(xì)化中采用的則是孕育方法。 二、孕育處理孕育處理是澆注之前或澆注過程中向液態(tài)金屬中添加少孕育劑作用機(jī)理孕育主要起非自發(fā)形核作用通過在生長界面前沿的成分富集而使晶粒根部和樹枝晶分枝根部產(chǎn)生 縮頸，促進(jìn)枝晶熔斷和游離而細(xì)化晶粒。促使界面前沿熔體內(nèi)的非勻質(zhì)形核成分過冷，溶質(zhì)富集會(huì)抑制晶體生長速度，使晶粒細(xì)化。孕育劑含有直接作為非自發(fā)生核的物質(zhì) 孕育劑能與液相中某些元素反應(yīng)生成較穩(wěn)定的化合物而產(chǎn)生非自發(fā)生核在液相中造成很大的微區(qū)富集而迫使結(jié)晶相提前彌散析出而生核 含

16、強(qiáng)成分過冷元素的生核劑在澆注瞬間加入具有和金屬液共格界面的高熔點(diǎn)顆粒，且在液體凝固前不被完全熔化，如高錳鋼中加錳鐵，高鉻鋼加鉻鐵。如鋼中加入V、Ti，能形成碳化物和氮化物細(xì)化鋼的晶粒Si在鐵水中瞬間形成富集區(qū)，造成局部過共晶迫使石墨提前析出，另外si的脫氧產(chǎn)物SiO2可作為石墨析出的襯底。孕育劑作用機(jī)理孕育主要起非自發(fā)形核作用通過在生長界面前沿的成合金種類孕育劑主要組元加入量wt%加入方法碳鋼及合金鋼Ti0.10.2鐵合金V0.060.30B0.0050.01鑄鐵Si-Fe，Ca, Ba, Sr0.11.0，與Si-Fe復(fù)合鐵合金鋁合金Ti, Zr , Ti+B, Ti+C Ti:0.15;

17、Zr:0.2；復(fù)合:Ti0.01B或C0.05;Al-Ti, Al-Zr,Al-Ti-B,Al-Ti-C中間合金過共晶Al-Si合金P0.02Al-P，Cu-P，F(xiàn)e-P中間合金銅合金Zr, Zr+B, Zr+Mg,Zr+Mg+Fe+P0.020.04純金屬或中間合金鎳基高溫合金WC, NbC碳化物粉末表5-1 合金常用孕育劑的主要元素情況 合金種類孕育劑主要組元加入量wt%加入方法碳鋼及合金鋼Ti0孕育衰退（孕育效果逐漸減弱）孕育劑加入合金液后要經(jīng)歷一個(gè)孕育期和衰退期。在孕育期內(nèi)，作為孕育劑的中間合金的某些組分完成熔化過程，或與合金液反應(yīng)生成化合物，起細(xì)化作用的異質(zhì)固相顆粒均勻分布并與合金液

18、充分潤濕，逐漸達(dá)到最佳的細(xì)化效果。當(dāng)細(xì)化效果達(dá)到最佳值時(shí)澆注是最理想的，隨合金熔化溫度和孕育劑種類的不同，達(dá)到最佳細(xì)化效果所需要的時(shí)間也不同。幾乎所有的孕育劑都有在孕育處理后一段時(shí)間出現(xiàn)孕育衰退現(xiàn)象，因此孕育效果不僅取決于孕育劑的本身，而且也與孕育處理工藝密切相關(guān)。一般處理溫度越高，孕育衰退越快，在保證孕育劑均勻散開的前提下，應(yīng)盡量降低處理溫度。孕育劑的粒度也要根據(jù)處理溫度、被處理合金液量和具體的處理方法來選擇。 孕育衰退（孕育效果逐漸減弱）孕育劑加入合金液后要經(jīng)歷一個(gè)孕育鑄型涂覆層的處理1.鑄型涂覆劑與鑄件金屬同種材料。2.鑄型涂覆層與鑄件金屬具有相似的晶體結(jié)構(gòu)。用Co金屬粉末，細(xì)化白口鑄鐵

19、初生奧氏體組織。3.揮發(fā)性涂料。促使等軸晶從型壁脫落及使枝晶破碎。含Zn涂料處理砂型，用于鑄鐵件細(xì)化晶粒，Zn能在高溫下汽化，攪動(dòng)晶粒從型壁脫落。鑄型涂覆層的處理1.鑄型涂覆劑與鑄件金屬同種材料。三、動(dòng)力學(xué)細(xì)化 1鑄型振動(dòng)2超聲波振動(dòng)3液相攪拌4流變鑄造三、動(dòng)力學(xué)細(xì)化 1鑄型振動(dòng)1鑄型振動(dòng)在凝固過程中振動(dòng)鑄型可使液相和固相發(fā)生相對(duì)運(yùn)動(dòng)，導(dǎo)致枝晶破碎形成結(jié)晶核心。離心鑄造時(shí)若周期改變旋轉(zhuǎn)方向可獲得細(xì)小等軸晶，說明液相和固相發(fā)生相對(duì)運(yùn)動(dòng)所起的細(xì)化晶粒作用。振動(dòng)還可引起局部的溫度起伏，有利于枝晶熔斷。振動(dòng)鑄型可促使“晶雨”的形成。立式離心鑄造機(jī)1鑄型振動(dòng)在凝固過程中振動(dòng)鑄型可使液相和固相發(fā)生相對(duì)運(yùn)動(dòng)

20、，2超聲波振動(dòng) 超聲波振動(dòng)可在液相中產(chǎn)生空化作用，形成空隙，當(dāng)這些空隙崩潰時(shí)，液體迅速補(bǔ)充，液體流動(dòng)的動(dòng)量很大，產(chǎn)生很高的壓力。當(dāng)壓力增加時(shí)凝固的合金熔點(diǎn)溫度也要增加，從而提高了凝固過冷度，造成形核率的提高，使晶粒細(xì)化。2超聲波振動(dòng) 超聲波振動(dòng)可在液相中產(chǎn)生空化作用，形成第五章+鑄件凝固組織的形成及控制3液相攪拌 采用機(jī)械攪拌、電磁攪拌或氣泡攪拌均可造成液相相對(duì)固相的運(yùn)動(dòng)，引起枝晶的折斷、破碎與增殖，達(dá)到細(xì)化晶粒的目的。 連鑄過程采用電磁攪拌的主要作用是提高連鑄坯的質(zhì)量，例如去除夾雜物、消除皮下氣泡、減輕中心偏析、提高連鑄坯的等軸晶率。在澆鑄斷面較大的鑄坯以及澆鑄質(zhì)量要求較高時(shí)，電磁攪拌技術(shù)便

21、成為首選。3液相攪拌 采用機(jī)械攪拌、電磁攪拌或氣泡攪拌均可造成液相4流變鑄造 流變鑄造又稱半固態(tài)鑄造，這種方法是當(dāng)液體金屬凝固達(dá)5060時(shí)，在氬氣保護(hù)下進(jìn)行高速攪拌，使金屬成為半固態(tài)漿液，將半固態(tài)漿液凝固成坯料或擠壓至鑄型凝固成形。其固態(tài)晶體隨攪拌轉(zhuǎn)速的增加趨于細(xì)小而圓整，機(jī)械性能顯著提高。這種細(xì)小圓整的半固態(tài)金屬漿液由于具有較好的流動(dòng)性而容易成形。因?yàn)樗臏囟冗h(yuǎn)低于液相線溫度，所以對(duì)于黑色金屬的壓鑄件來說，能大大減輕金屬對(duì)模具的熱沖擊，提高壓鑄模具的壽命，擴(kuò)大黑色金屬壓鑄的應(yīng)用范圍。4流變鑄造 流變鑄造又稱半固態(tài)鑄造，這種方法是當(dāng)液體傳統(tǒng)鑄造a）和流變鑄造b）所獲得的顯微組織 傳統(tǒng)鑄造a）和

22、流變鑄造b）所獲得的顯微組織 液態(tài)金屬在特殊條件下的凝固成形一、快速凝固二、定向凝固液態(tài)金屬在特殊條件下的凝固成形一、 快速凝固（一）快速凝固簡介（二）快速凝固方法（三）快速凝固顯微組織（四）金屬玻璃一、 快速凝固（一）快速凝固簡介（一）快速凝固簡介 快速凝固是指采用急冷技術(shù)或深過冷技術(shù)獲得很高的凝固前沿推進(jìn)速率的凝固過程。 快界面推進(jìn)速率大于10 mm/s冷卻速率達(dá)到104109 K/s固-液界面的移動(dòng)速率趕上或超過原子間擴(kuò)散速率時(shí)，晶體將來不及轉(zhuǎn)移成分，界面固、液相成分不再平衡。（一）快速凝固簡介 快速凝固是指采用急冷技術(shù)或深過冷技術(shù)獲完全擴(kuò)散平衡固-液界面局部平衡非穩(wěn)定界面局部平衡界面不

23、平衡凝固中的固、液界面溶質(zhì)成分完全擴(kuò)散平衡凝固中的固、液界面溶質(zhì)成分定義：在比常規(guī)工藝過程(冷速不超過102 /s )快得多的冷速下，合金以極快的速度從液態(tài)轉(zhuǎn)變?yōu)楣虘B(tài)的過程。冷速 定義：在比常規(guī)工藝過程(冷速不超過102 /s )快得多的快速凝固的組織特征快速凝固的實(shí)質(zhì)在于通過某種技術(shù)手段，使液態(tài)合金在很大的冷卻速度下達(dá)到足夠大的過冷度，使凝固過程盡可能按無溶質(zhì)再分配、無擴(kuò)散、無偏析的模式進(jìn)行。 顯著擴(kuò)大合金的固溶極限；超細(xì)的晶粒度；少偏析或無偏析；形成亞穩(wěn)相；形成非晶相；高的點(diǎn)缺陷密度?？焖倌痰慕M織特征快速凝固的實(shí)質(zhì)在于通過某種技術(shù)手段，使液快速凝固合金的性能特點(diǎn)高強(qiáng)度及高韌性；高耐蝕性；

24、高抗蠕變能力；使不銹鋼成為理想的核反應(yīng)內(nèi)壁的結(jié)構(gòu)材料；某些晶態(tài)合金也與非晶合金一樣具有良好的磁學(xué)、電學(xué)和超導(dǎo)能力；非晶合金具有一系列極有價(jià)值的性能特點(diǎn)?？焖倌毯辖鸬男阅芴攸c(diǎn)高強(qiáng)度及高韌性；動(dòng)力學(xué)激冷凝固技術(shù)熱力學(xué)深過冷凝固技術(shù)液相微粒的霧化法；經(jīng)過特殊處理的塊體材料快速凝固；動(dòng)力學(xué)激冷凝固技術(shù)液相微粒的霧化法；（二）快速凝固方法1、把金屬或合金熔體分散成小液滴 也稱之為霧化技術(shù)、乳化技術(shù)或噴射成形技術(shù)，以使這些小液滴在凝固前達(dá)到很大的過冷度。霧化法的裝置 2、使液流保持一個(gè)很小的截面，并與高效冷卻（散熱）器接觸，如熔體旋轉(zhuǎn)法或薄截面連續(xù)鑄造法。 熔體旋轉(zhuǎn)法3、使材料的一個(gè)薄層快速熔化并與無限

25、大散熱器緊密接觸，散熱器通常是同一種材料或相關(guān)的材料，如電子或激光束表面脈沖/移動(dòng)熔化。表面熔化法（二）快速凝固方法1、把金屬或合金熔體分散成小液滴霧化法的裝深過冷法深過冷法是另一類快速凝固方法，其核心是: 消除合金液中的異質(zhì)形核核心。熔融玻璃凈化法 通過熔融玻璃對(duì)合金液的凈化作用，消除合金液中的異質(zhì)形核核心。懸浮熔煉法（電磁懸浮、靜電懸浮、聲懸?。?通過無容器熔煉消除合金熔體與容器接觸對(duì)形核的促進(jìn)作用。深過冷法深過冷法是另一類快速凝固方法，其核心是: 消除合金液（三）快速凝固顯微組織 凝固在很大的過冷度和很高的冷卻速率下進(jìn)行，凝固組織中會(huì)出現(xiàn)非平衡相 。 可以把溫度梯度G和生長速率R聯(lián)系起來

26、，用GR空間表示顯微組織的變化和枝晶間距（偏析間距）的變化： 對(duì)鑄件和鑄錠，通常GR=10-3101K/s，但對(duì)霧化法，GR=102106K/s。相應(yīng)地，偏析間距從1000m減小到0.01m。（三）快速凝固顯微組織 凝固在很大的過冷度和很高的冷卻第五章+鑄件凝固組織的形成及控制（四）金屬玻璃金屬玻璃（也稱非晶態(tài)合金）是Duwez等人在1960年首先發(fā)現(xiàn)的，他們通過對(duì)熔融Au80Si20合金快速冷淬獲得了金屬玻璃。 金屬玻璃保留了液態(tài)金屬的短程有序的類似原子簇的結(jié)構(gòu) ，微觀組織中不存在晶界、位錯(cuò)和偏析等缺陷，其結(jié)構(gòu)類似于普通玻璃 ?？焖倌痰腁l-Fe-V-Si合金組織 金屬玻璃的拉伸強(qiáng)度可高達(dá)

27、 3 4GPa，并具有很好的耐腐蝕性能、優(yōu)異的軟磁性能、優(yōu)良的超導(dǎo)性能、較高的熱穩(wěn)定性和較低的表面活性，已經(jīng)或可望應(yīng)用于機(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、體育器材以及電子材料等多個(gè)方面。 （四）金屬玻璃金屬玻璃（也稱非晶態(tài)合金）是Duwez等人在1 能否發(fā)生玻璃化轉(zhuǎn)變的影響因素主要有冷卻速率、形核密度和材料特性。 對(duì)應(yīng)于一定的合金熔體，欲發(fā)生玻璃化轉(zhuǎn)變需要有足夠高的冷卻速率。 能否發(fā)生玻璃化轉(zhuǎn)變的影響因素主要有冷卻速率、形核密度二、定向凝固定向凝固技術(shù)在共晶凝固、定向柱狀晶生長和單晶鑄造等方面都有重要的意義。對(duì)于凝固溫度范圍寬的合金，定向凝固通過在鑄件的不同部位放置冷鐵實(shí)現(xiàn)

28、。這時(shí)凝固界面的溫度梯度很大，糊狀凝固區(qū)域明顯減小，因此補(bǔ)縮得到改善，鑄件完整性變好，同時(shí)鑄件的機(jī)械性能也得以提高。二、定向凝固定向凝固技術(shù)在共晶凝固、定向柱狀晶生長和單晶鑄造二、定向凝固定向凝固的合金柱狀晶粒結(jié)構(gòu)使得材料沿凝固方向的抗蠕變和抗熱疲勞特性明顯提高，這種技術(shù)常用于制造具有柱狀晶結(jié)構(gòu)或單晶的發(fā)動(dòng)機(jī)葉片。 二、定向凝固定向凝固的合金柱狀晶粒結(jié)構(gòu)使得材料沿凝固方向的抗1. 定向凝固定義：使物質(zhì)在熔體中定向生長晶體的一種方法；目的：獲得具有一定方向的柱狀晶或單晶組織的材料或零件。定向凝固原理及技術(shù)定向凝固原理和條件：嚴(yán)格保證單向散熱，使成正溫度梯度；提高G/L比值；提高液體的純凈度；避免

29、液態(tài)金屬的對(duì)流、攪拌和震動(dòng)；1. 定向凝固定義：使物質(zhì)在熔體中定向生長晶體的一種方法；發(fā)熱劑法：爐內(nèi)單向凝固法定向凝固原理及技術(shù)建立自下而上的凝固功率下降法：快速凝固法：液態(tài)金屬冷卻法：發(fā)熱劑法：定向凝固原理及技術(shù)建立自下而上的凝固功率下降法獲得單晶的條件和單晶制造方法定義：由一個(gè)晶粒組成的毛坯或產(chǎn)品。目的：性能優(yōu)良的零件。獲得單晶的條件：在金屬熔體中只能形成一個(gè)晶核；凝固前沿的熔體應(yīng)處于過熱狀態(tài)，且單向凝固；凝固前沿不允許有溫度過冷和成分過冷；獲得單晶的條件和單晶制造方法定義：由一個(gè)晶粒組成的毛坯或產(chǎn)獲得單晶的條件和單晶制造方法定向凝固獲得單晶的方法：正常凝固法區(qū)熔法坩堝移動(dòng)或爐體移動(dòng)法晶體

30、提拉法獲得單晶的條件和單晶制造方法定向凝固獲得單晶的方法：正常 定向凝固裝置的工作過程大致為：材料在頂部的熔化室中熔化然后澆注到模型中，模型在一端急冷，可控拉伸裝置保證了金屬在模具中的定向凝固。定向凝固的單晶葉片是通過對(duì)多晶的螺旋選擇生長凝固而成的。 柱狀晶、螺旋選擇器及生長的單晶 等軸晶、柱狀晶和單晶的發(fā)動(dòng)機(jī)葉片比較 定向凝固裝置的工作過程大致為：材料在頂部的熔化室中熔化然后小知識(shí)：定向凝固定向凝固技術(shù)在航空中的應(yīng)用在熔模鑄造型殼中建立特定方向的溫度梯度，使熔融合金沿著與熱流相反的方向按照要求的結(jié)晶取向凝固的一種鑄造工藝。定向凝固技術(shù)最突出的成就是在航空工業(yè)中的應(yīng)用。美國普拉特惠特尼航空公司

31、采用凝固技術(shù)自1965年美國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，這項(xiàng)技術(shù)已經(jīng)在許多國家得到應(yīng)用。采用定向凝固技術(shù)可以生產(chǎn)具有優(yōu)良的抗熱沖擊性能較長的疲勞壽命較好的蠕變抗力和中溫塑性的薄壁空心渦輪葉片。應(yīng)用這種技術(shù)能使渦輪葉片的使用溫度提高1030，渦輪進(jìn)口溫度提高2060，從而提高發(fā)動(dòng)機(jī)的推力和可靠性，并延長使用壽命。小知識(shí)：定向凝固定向凝固技術(shù)在航空中的應(yīng)用鑄件定向凝固需要兩個(gè)條件：首先，熱流向單一方向流動(dòng)并垂直于生長中的固-液界面；其次,晶體生長前方的熔液中沒有穩(wěn)定的結(jié)晶核心。為此，在工藝上必須采取措施避免側(cè)向散熱,同時(shí)在靠近固-液界面的熔液中應(yīng)造成較大的溫度梯度。這是保證定

32、向柱晶和單晶生長挺直，取向正確的基本要素。以提高合金中的溫度梯度為出發(fā)點(diǎn)，定向凝固技術(shù)已由功率降低法、快速凝固法發(fā)展到液態(tài)金屬冷卻法。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)展起來的，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，以獲得具有特定取向柱狀晶的技術(shù)。由于該技術(shù)較好地控制了凝固組織的晶粒取向，消除了橫向晶界，大大提高了材料的縱向力學(xué)性能。因此，將該技術(shù)用于燃?xì)鉁u輪發(fā)動(dòng)機(jī)葉片的生產(chǎn)，所獲得的柱狀晶組織具有優(yōu)良的抗熱沖擊性能、長的疲勞壽命、高的高溫蠕變抗力和中溫塑性，進(jìn)而提高了葉片的使用壽命和使用溫度。該技術(shù)的進(jìn)一步

33、發(fā)展是單晶生產(chǎn)，它除了用于高溫合金單晶葉片的研制外，還逐漸推廣到半導(dǎo)體材料、磁性材料、復(fù)合材料的研究中，成為現(xiàn)代凝固成形的重要手段之一。鑄件定向凝固需要兩個(gè)條件：首先，熱流向單一方向流動(dòng)并垂直于生定向凝固過程中溫度梯度和凝固速率這兩個(gè)凝固參數(shù)能夠獨(dú)立變化，成為凝固理論研究的重要手段。下面簡單介紹定向凝固的幾種工藝。1傳統(tǒng)的定向凝固技術(shù)1.1 發(fā)熱劑法（EP法）所謂的發(fā)熱劑法就是將熔化好的金屬液澆入一側(cè)壁絕熱，底部冷卻，頂部覆蓋發(fā)熱 劑的鑄型中，在金屬液和已凝固金屬中建立起一個(gè)自上而下的溫度梯度，使鑄件自上而下進(jìn)行凝固，實(shí)現(xiàn)單向凝固。這種方法由于所能獲得的溫度梯度不大，并且很難控制，致使凝固組織

34、粗大，鑄件性能差，因此，該法不適于大型、優(yōu)質(zhì)鑄件的生產(chǎn)。但其工藝簡單、成本低，可用于制造小批量零件。1.2 功率降低法（PD法）將保溫爐的加熱器分成幾組，保溫爐是分段加熱的。當(dāng)熔融的金屬液置于保溫爐內(nèi)后，在從底部對(duì)鑄件冷卻的同時(shí)，自下而上順序關(guān)閉加熱器，金屬則自下而上逐漸凝固，從而在鑄件中實(shí)現(xiàn)定向凝固。通過選擇合適的加熱器件，可以獲得較大的冷卻速度，但是在凝固過程中溫度梯度是逐漸減小的，致使所能允許獲得的柱狀晶區(qū)較短，且組織也不夠理想。加之設(shè)備相對(duì)復(fù)雜，且能耗大，限制了該方法的應(yīng)用。定向凝固過程中溫度梯度和凝固速率這兩個(gè)凝固參數(shù)能夠獨(dú)立變化，1.3 高速凝固法（HRS法）為了改善功率降低法在加

35、熱器關(guān)閉后，冷卻速度慢的缺點(diǎn)，在Bridgman晶體生長技術(shù)的基礎(chǔ)上發(fā)展成了一種新的定向凝固技術(shù)，即快速凝固法。該方法的特點(diǎn)是鑄件以一定的速度從爐中移出或爐子移離鑄件，采用空冷的方式，而且爐子保持加熱狀態(tài)。這種方法由于避免了爐膛的影響，且利用空氣冷卻，因而獲得了較高的溫度梯度和冷卻速度，所獲得的柱狀晶間距較長，組織細(xì)密挺直，且較均勻，使鑄件的性能得以提高，在生產(chǎn)中有一定的應(yīng)用。1.4 液態(tài)金屬冷卻法（LMC法）HRS法是由輻射換熱來冷卻的，所能獲得的溫度梯度和冷卻速度都很有限。為了獲得更高的溫度梯度和生長速度。在HRS法的基礎(chǔ)上，將抽拉出的鑄件部分浸入具有高導(dǎo)熱系數(shù)的高沸點(diǎn)、低熔點(diǎn)、熱容量大的

36、液態(tài)金屬中，形成了一種新的定向凝固技術(shù)，即LMC法。這種方法提高了鑄件的冷卻速度和固液界面的溫度梯度，而且在較大的生長速度范圍內(nèi)可使界面前沿的溫度梯度保持穩(wěn)定，結(jié)晶在相對(duì)穩(wěn)態(tài)下進(jìn)行，能得到比較長的單向柱晶。常用的液態(tài)金屬有GaIn合金和GaInSn合金，以及Sn液，前二者熔點(diǎn)低，但價(jià)格昂貴，因此只適于在實(shí)驗(yàn)室條件下使用。 Sn液熔點(diǎn)稍高(232)，但由于價(jià)格相對(duì)比較便宜，冷卻效果也比較好，因而適于工業(yè)應(yīng)用。該法已被美國、前蘇聯(lián)等國用于航空發(fā)動(dòng)機(jī)葉片的生產(chǎn)。1.3 高速凝固法（HRS法）新型的定向凝固技術(shù)2.1 區(qū)域熔化液態(tài)金屬冷卻法（ZMLMC法）該方法采用在距液固界面極近的位置處設(shè)置感應(yīng)線圈

37、進(jìn)行強(qiáng)制加熱，使金屬局部熔化過熱，產(chǎn)生的熔化區(qū)很窄，從而將液固界面位置下壓，同時(shí)使液相中的最高溫度盡量靠近凝固界面，啟動(dòng)抽拉裝置，不斷地向下抽拉熔化的試樣進(jìn)入液態(tài)合金中冷卻。ZMLMC定向凝固裝置最高溫度梯度可達(dá)1300K/cm，最大冷卻速度可達(dá)50K/s，凝固速率可在61000m/s內(nèi)調(diào)節(jié)。目前這方面的研究還都處于試驗(yàn)階段，要進(jìn)一步廣泛應(yīng)用，還有待于進(jìn)一步的努力和改進(jìn)。2.2 深過冷定向凝固（DUDS法）過冷熔體中的定向凝固法是將盛有金屬液的坩堝置于一激冷基座上，在金屬液被動(dòng)力學(xué)過冷的同時(shí)，金屬液內(nèi)建立起一個(gè)自下而上的溫度梯度，冷卻過程中溫度最低的底部先形核，晶體自下而上生長，形成定向排列的

38、樹枝晶骨架，其間是殘余的金屬液。在隨后的冷卻過程中，這些金屬液依靠向外界散熱而在已有的枝晶骨架上凝固。該法大大降低了設(shè)備要求，熱量散失快，鑄件生產(chǎn)率高，鑄件組織結(jié)構(gòu)細(xì)小，微觀成分偏析程度低，各種力學(xué)性能大幅提高。謝發(fā)勤等人采用深過冷定向凝固方法制備的Cu-Ni合金定向凝固樣件，其一次枝晶間距比LMC法獲得的組織還要細(xì)。目前，深過冷的研究還局限于純金屬或簡單的二元合金，對(duì)復(fù)雜合金的深過冷的獲得還存在著許多需要解決的問題。新型的定向凝固技術(shù)2.3 電磁約束成形定向凝固技術(shù)（DSEMS）電磁約束成形定向凝固技術(shù)是西北工業(yè)大學(xué)傅恒志等人將電磁約束成形技術(shù)和高梯度定向技術(shù)相結(jié)合而提出的新型材料制備技術(shù)。

39、該技術(shù)利用電磁感應(yīng)加熱熔化感應(yīng)器內(nèi)的金屬材料，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。10同時(shí)，冷卻介質(zhì)與鑄件表面直接接觸，增強(qiáng)了鑄件固相的冷卻能力，在固-液界面附近熔體內(nèi)產(chǎn)生很高的溫度梯度，使凝固組織超細(xì)化，可顯著提高逐漸的表面質(zhì)量和內(nèi)在綜合性能。電磁約束成形定向凝固技術(shù)為先進(jìn)材料成形加工技術(shù)的發(fā)展開辟了一個(gè)新的領(lǐng)域，對(duì)高熔點(diǎn)、易氧化及高活性特種合金的成形制備具有特別重要的意義。此技術(shù)目前還處于研究階段。2.4 激光超高溫度梯度快速定向凝固（LRM）楊森等人認(rèn)為激光能量高度集中的特性，使它具備了在作為定向凝固熱源時(shí)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。

40、激光超高溫度梯度快速定向凝固能夠獲得比常規(guī)定向凝固包括ZMLMC技術(shù)高得多的溫度梯度和凝固速率。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)獲得與激光掃描速度方向一致的溫度梯度。根據(jù)合金凝固特性選擇適當(dāng)?shù)募す夤に噮?shù)，以獲得包晶組織。目前激光超高溫度梯度快速定向凝固還處于探索性實(shí)驗(yàn)階段。2.3 電磁約束成形定向凝固技術(shù)（DSEMS）小知識(shí)：單晶葉片定義：只有一個(gè)晶粒的鑄造葉片。 定向結(jié)晶葉片消除了對(duì)空洞和裂紋敏感的橫向晶界，使全部晶界平行于應(yīng)力軸方向，從而改善了合金的使用性能。單晶葉片消除了全部晶界，不必加入晶界強(qiáng)化元素，使合金的初熔溫度相對(duì)升高，從而提高了合金的高

41、溫強(qiáng)度，并進(jìn)一步改善了合金的綜合性能。 單晶葉片整個(gè)鑄件由一個(gè)晶粒組成的鑄造高溫合金。這是繼定向凝固鑄造高溫合金之后，進(jìn)一步提高合金強(qiáng)度和使用溫度的一條途徑。單晶葉片鑄件的理想組織是葉根、葉身和葉冠，都由毫無缺陷的多相單晶體組成。晶體取向應(yīng)是100方向，并與葉片主應(yīng)力軸方向之間的偏離不應(yīng)大于10度。單晶鑄件可以用與定向凝固相同的設(shè)備和工藝制備，與定向凝固鑄件的區(qū)別只在于在水冷底盤的上部加入選晶器或仔晶，以便控制單一晶體進(jìn)入鑄件。簡史初期的單晶鑄造高溫合金采用普通鑄造高溫合金成分，在此情況下，單晶鑄造高溫合金與定向凝固鑄造高溫合金相比，除了改善橫向強(qiáng)度和塑性外，其他性能并無明顯改善。20世紀(jì)70

42、年代末，出現(xiàn)了去掉晶界強(qiáng)化(見高溫合金晶界強(qiáng)化)元素的單晶鑄造高溫合金，如美國的PwAl480、NASAIRl00。碳、硼、鋯、鉿等晶界強(qiáng)化元素去除后，提高了合金的初熔溫度，從而允許提高固溶處理溫度，獲得更細(xì)小、彌散的Y相(見高溫合金材料的金屬間化合物相)，使合金的潛力得到更充分發(fā)揮。經(jīng)過20多年的發(fā)展，出現(xiàn)了20多種單晶鑄造高溫合金。這些合金可以分為三代：第一代以PwAl480為代表，其承溫能力比最好的定向凝固鑄造高溫合金PwAl422有25的優(yōu)勢(shì)；第二代以PwAl484為代表，比第一代又提高了25；正在研制的是第三代單晶合金。 小知識(shí)：單晶葉片定義：只有一個(gè)晶粒的鑄造葉片。 定向結(jié)晶葉制造

43、工藝籽晶法首先將和所要鑄造的單晶部件具有相同材料的的籽晶安放在模殼的最底部,然后將過熱的熔融金屬液澆注在籽晶上面,使籽晶部分熔化,再恰當(dāng)?shù)乜刂乒桃航缑媲把匾后w中的溫度梯度和晶體的生長速度,金屬熔液就會(huì)從未被熔化的籽晶部分開始往金屬液中生長,并最終形成晶體取向與籽晶相同的單晶。選晶法選晶法是單晶高溫合金葉片制備中最基本的工藝方法. Higginbotham把常用的單晶選晶器結(jié)構(gòu)歸納為四種類型:螺旋型、傾斜型、轉(zhuǎn)折型、尺度限制型(縮頸型)隨著單晶高溫合金研究的發(fā)展,螺旋型選晶器逐漸淘汰掉其他三種選晶器,成為目前應(yīng)用最廣泛也是最成功的選晶器類型。 選晶法的原理就是利用選晶器的這種狹窄界面,只允許一個(gè)

44、晶粒長出它的頂部,然后這個(gè)晶粒長滿整個(gè)型腔,從而得到單晶體. 其晶體競爭生長機(jī)制是:螺旋結(jié)構(gòu)總的攀升走向正好與散熱方向相反,致使螺旋體內(nèi)散熱均勻,因此在整個(gè)螺旋形生長過程中,位向最適合生長的那個(gè)晶粒將其他眾多的初生晶粒一一淘汰,不斷長出枝晶并最終進(jìn)入試樣本體成為單晶鑄件. 至于鎳基單晶合金，在鎳的Gamma固溶態(tài)中，有大量分散結(jié)晶構(gòu)造稍為不同的Gamma基本態(tài)，只要將這種結(jié)晶單晶化，在定向凝固合金中，增加Gamma基本態(tài)，提高高溫強(qiáng)度。鎳基單晶合金基本上消除定向凝固高溫合金的限制。F119的渦輪葉片是用第三代單晶作的，DD3可能是第一代。小知識(shí)：單晶葉片制造工藝小知識(shí)：單晶葉片中國燃?xì)廨啓C(jī)單晶葉片技