鑄造金屬凝固原理 第10章

第10章定向凝固技術(shù)

UnidirectionalSolidification定義：定向凝固又稱定向結(jié)晶，是在凝固過程中采用強制手段，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或單晶的技術(shù)。目的：獲得柱狀晶、單晶或自生復(fù)合材料幾個概念的區(qū)別順序凝固逐層凝固定向凝固滿足的條件凝固開始形成穩(wěn)定的凝固殼，以阻止型壁游離——激冷；固液界面前沿不存在形核和游離現(xiàn)象。工藝措施嚴(yán)格的單向散熱；足夠大的GL/v；使成分過冷限制在較小范圍；減小熔體的異質(zhì)形核能力；避免液態(tài)金屬的對流、攪拌，防止游離，最好自下而上。10.1定向凝固工藝定向凝固工藝參數(shù)主要工藝參數(shù)：GL、v液相溫度梯度GL重要性：形態(tài)、速度、質(zhì)量

分析：在提高GL的條件下提高v。GL和GS成正比，增大GS是獲得大GL的重要途徑；大GS有利于提高GL

，也會提高v，故常提高固液界面前沿熔體的溫度；GL過大，熔體溫度過高導(dǎo)致?lián)]發(fā)、分解和污染，GS過大導(dǎo)致導(dǎo)致內(nèi)應(yīng)力、開裂。凝固速率分析采用快速凝固法時，GL受到鑄件拉出速度、熱輻射條件和鑄件徑向尺寸的影響。在穩(wěn)定態(tài)生長條件下，鑄件拉出的臨界速率主要受到鑄件輻射傳熱的特性的影響，其關(guān)系式如下：設(shè)上式中GL=0為臨界條件，則定向凝固的工藝方法發(fā)熱劑法工藝：加熱鑄型→放置水冷板→澆注。特點：無法調(diào)節(jié)凝固速度v和GL應(yīng)用：制備小的柱狀晶鑄件，多用于磁鋼。功率降低法（P·D）工藝

型殼預(yù)熱→澆注→下部水冷→切斷下部電源、上部繼續(xù)加熱。特點

GL隨凝固距離增大不斷減?。籊L

、v不能人為控制

散熱條件差，柱狀晶區(qū)短。

高（快）速凝固法（HRS）與PD的區(qū)別

鑄型加熱器始終加熱；

鑄件與加熱器相對運動；

底部用輻射擋板和水冷套產(chǎn)生較大的GL、GS。優(yōu)勢

大大縮小界面前沿兩相區(qū)；

局部冷速增大，有利于細化晶粒；

避免爐膛影響，利用空氣冷卻。液態(tài)金屬冷卻法（L·M·C）在HRS基礎(chǔ)上發(fā)展；原理

將澆入金屬后的型殼浸入高導(dǎo)熱系數(shù)的低熔點金屬浴中。按選擇速度將鑄型拉出爐體。優(yōu)勢

提高了鑄件的冷卻速度和固液界面的溫度梯度。冷卻金屬應(yīng)滿足的條件10.2單晶生長單晶的生長特點形核:引入籽晶、自發(fā)形核。固液界面不允許有溫度過冷和成分過冷；界面前熔體過熱，潛熱通過生長的晶體導(dǎo)出。三種單晶體

晶體和熔體的成分相同；晶體和熔體成分不同；有第二相或出現(xiàn)共晶的晶體。單晶的生長方法正常凝固法：坩堝或爐體移動、晶體提拉區(qū)熔法：水平區(qū)熔、懸浮區(qū)熔。（1）坩堝移動法原理：坩堝衡速移動，與凝固速度相同方式：垂直、水平（適用低熔點）。缺陷：晶體和坩堝壁接觸，易產(chǎn)生應(yīng)力和寄生成核。應(yīng)用示例：異型高溫合金葉片自生籽晶法。表面細等軸晶→起始段柱狀晶→進入選晶段→柱狀單晶進入鑄件。起始段選晶段單晶葉片起始段：晶粒生長分三個階段：急冷等軸晶，擇優(yōu)競爭、穩(wěn)定。高度：整個起始段的高度要保證第三階段高度足以使90％以上的[001]柱晶取向偏離度小于10o，通常大于25mm。影響因素：合金溶質(zhì)濃度加大，柱狀晶傾向減小，起始段高度相應(yīng)地增加。選晶段的形狀與尺寸：起始段柱狀晶生長的延伸，進入選晶段的柱狀晶通過多次接近直角拐彎，淘汰了一批柱狀晶，最后僅允許一個柱狀晶晶粒長入鑄件本體。（2）晶體提拉法或丘克拉斯基技術(shù)（Czochralski）原理：熔化→插入籽晶→緩慢上提并轉(zhuǎn)動晶桿→單晶生長。單晶體的直徑取決于熔體溫度和拉速度。優(yōu)點方便觀察；自由表面生長，減少應(yīng)力、防止寄生晶；可較快生長，低位錯密度，完整；可控制晶體直徑。晶體的質(zhì)量控制單晶體中的缺陷：空位、置換或間隙雜質(zhì)原子、位錯、小角度晶界、孿生、生長層、氣泡、胞狀組織、包裹物、裂隙等。影響因素：界面的形狀。（受晶體中、熔體中以及固-液界面前沿的溫度梯度和溫度分布的穩(wěn)定性影響。）單晶提拉速率受到材料性質(zhì)和生長參數(shù)的約束

導(dǎo)熱系數(shù)高的晶體材料，可以來用較大的生長速率，對同一材料，摻雜后在較大的生長速率下將會出現(xiàn)成分過冷，從而破壞了單晶生長的條件。欲增大生長速率，主要依靠提高固-液界面前沿的溫度來實現(xiàn)。但是，高的溫度梯度值意味著晶體與生長環(huán)境之間有較強的熱量傳輸，即晶體中將有較大的溫度梯度，甚至出現(xiàn)彎曲的等溫面，這將會引起大的熱應(yīng)力和較高的位錯密度，可能會使晶體開裂。晶體轉(zhuǎn)動：攪拌熔體、增加溫度場的徑向?qū)ΨQ性、有利于熔體中溶質(zhì)混合均勻、控制固-液界面的形狀。由于晶體轉(zhuǎn)動，削弱了自然對流，在界面上出現(xiàn)了向上運動的液流，使等溫面向上推移，界面形狀出現(xiàn)了相應(yīng)的變化。對界面穩(wěn)定性的影響將因轉(zhuǎn)動速度、晶體直徑、熔體粘度、熔池深度等參數(shù)而改變。熔體自然對流傾向于使界面凸向熔體，而晶體旋轉(zhuǎn)產(chǎn)生的強制對流則傾向于使界面凹進晶體，在強制對流足以壓倒自然對流時，凸界面將變?yōu)槠浇缑妗２粌H提高轉(zhuǎn)速可以使界面拉平，而且增大晶體半徑也可以拉平界面。減小軸向溫度梯度

晶體不轉(zhuǎn)動時晶體轉(zhuǎn)動時原材料的純度是獲得高完整性單晶的重要前提，生長環(huán)境也可能污染熔體，如果雜質(zhì)的溶質(zhì)分配系數(shù)小，雜質(zhì)將富集于界面，一旦其濃度達到過飽和狀態(tài)，雜質(zhì)將在界面上成核、長大，并以包裹物形式進入晶體，這些包裹物不僅是光散射的中心，而且也會誘發(fā)位錯。生長環(huán)境中的氣體作為雜質(zhì)，溶解在熔體中，會形成氣泡。降低晶體的提拉速率，有助于消除這類包裹物。另外，雜質(zhì)的存在也會增加界面不穩(wěn)定性。摻雜的單晶，當(dāng)晶體生長時，熔體的溫度若出現(xiàn)溫度起伏，將引起晶體的生長速率的起伏，由于不同生長速率影響到有效溶質(zhì)分配系數(shù)KE，于是在晶體中將產(chǎn)生溶質(zhì)濃度起伏，這樣，在晶體生長過程中容易出現(xiàn)軸向，甚至徑向成分不均勻性，這種宏觀缺陷稱為生長層（條紋）。產(chǎn)生生長層的原因還可能由于熔體中不穩(wěn)定對流引起溶質(zhì)邊界層

δ瞬時變化，δ和生長速率一樣會影響KE值。生長層的存在破壞了晶體各種物理性能均勻性，因此必須采取工藝手段抑制生長層的產(chǎn)生，溫度波動造成的瞬時生長速率的起伏還會使晶體中產(chǎn)生位錯。柱狀晶：包括柱狀樹枝晶和胞狀晶。減少偏析疏松,基本消除橫向晶界,改善合金高溫性能、磁性能。獲得采用定向凝固工藝，使晶體有控制地向著與熱流方向相反的方向生長。使晶體取向為特定位向，并且大部分柱狀晶貫穿整個鑄件。10.3柱狀晶的生長生長條件和特點生長條件熱流方向定向；足夠高的GL/v，避免成分過冷和外來晶核、抑制液態(tài)合金的形核能力；限制側(cè)壁橫向形核。措施：凈化合金液外，還可以通過添加適當(dāng)?shù)脑鼗蛱砑游?，使形核劑失效。生長特點擇優(yōu)生長形貌及控制：取向分散度：柱晶生長方向與軸向之間的夾角；枝晶臂間距和晶粒大小?？刂茀?shù)GL/v、拉出速度。在柱狀晶生長過程中，只有在高的GL/v值條件下，柱狀晶的實際生長方向和柱狀晶的理論生長方向才越接近，否則，晶體生長會偏離軸向排列方向。當(dāng)晶體生長速度與鑄型拉出速度一致時，鑄型中橫向熱輻射造成的熱損失不致形成大的橫向溫度梯度，該條件下形成的柱狀晶取向偏離度最小。如果鑄型移出速度太快，促使柱狀晶生長不穩(wěn)定，鑄件底部柱狀晶晶粒比較細，而上部柱狀晶數(shù)量少而發(fā)散，甚至?xí)霈F(xiàn)橫向柱狀晶。隨著晶粒和枝晶臂間距變小，力學(xué)性能提高。采用功率降低法時，晶粒直徑與距激冷板距離的關(guān)系如圖10.15所示，枝晶臂間距與至激冷板距離的關(guān)系如圖10.16所示。柱狀晶的力學(xué)性能單晶、柱狀晶、等軸晶Mar-M200的力學(xué)性能10.4連續(xù)定向凝固技術(shù)大野篤美的OCC連續(xù)鑄造法與一般的連續(xù)鑄造的根本區(qū)別利用加熱鑄型型壁的高溫以阻止晶核在型壁處形成。這樣，通過端部散熱使溶液在鑄錠心部先凝固，而表層在脫離鑄型的一瞬間才凝固，從而獲得具有定向凝固組織的連續(xù)鑄錠。OCC連續(xù)定向凝固技術(shù)的原理與特點區(qū)別：鑄型、組織、固液界面。技術(shù)核心：避免凝固界面附近的側(cè)向散熱，維持很強的軸向熱流，保證凝固界面是凸向液相的。局限：高導(dǎo)熱率合金、小尺寸。技術(shù)特點：滿足定向凝固的條件，柱狀晶和單晶；摩擦力小，復(fù)雜截面、近凈形連續(xù)生產(chǎn)；不產(chǎn)生氣孔、夾渣、縮松、縮孔等缺陷；塑性加工性能好，抗腐蝕及抗疲勞性能均得到大幅度改善。OCC連鑄工藝方法三種主要工藝下引式上引式水平