特殊條件下的凝固

特殊條件下的凝固1第三章金屬凝固熱力學(xué)與動力學(xué)第1頁，課件共45頁，創(chuàng)作于2023年2月

主要內(nèi)容

6.1定向凝固

6.2快速凝固

6.3非重力凝固2第三章金屬凝固熱力學(xué)與動力學(xué)第2頁，課件共45頁，創(chuàng)作于2023年2月6.1定向凝固

定向凝固：鑄件按一定方向由一端開始，逐步向另一端結(jié)晶。柱狀晶組織純凈、致密，當(dāng)排列方向與受力方向一致時(shí)，具有高強(qiáng)度，抗蠕變和抗熱疲勞特性明顯提高。關(guān)鍵是創(chuàng)造單向散熱的冷卻條件。

3第三章金屬凝固熱力學(xué)與動力學(xué)第3頁，課件共45頁，創(chuàng)作于2023年2月定向凝固裝置4第三章金屬凝固熱力學(xué)與動力學(xué)第4頁，課件共45頁，創(chuàng)作于2023年2月5第三章金屬凝固熱力學(xué)與動力學(xué)第5頁，課件共45頁，創(chuàng)作于2023年2月單晶定向凝固柱狀晶等軸多晶體渦輪葉片的微觀與宏觀組織6第三章金屬凝固熱力學(xué)與動力學(xué)第6頁，課件共45頁，創(chuàng)作于2023年2月定向凝固基本原理定向凝固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，獲得具有特定取向柱狀晶的技術(shù)。定向凝固技術(shù)是在高溫合金的研制中建立和完善起來的。該技術(shù)最初用來消除結(jié)晶過程中生成的橫向晶界，甚至消除所有晶界，從而提高材料的高溫性能和單向力學(xué)性能。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，可以分別研究它們對凝固過程的影響。這既促進(jìn)了凝固理論的發(fā)展，也激發(fā)了不同定向凝固技術(shù)的出現(xiàn)。7第三章金屬凝固熱力學(xué)與動力學(xué)第7頁，課件共45頁，創(chuàng)作于2023年2月定向凝固技術(shù)的發(fā)展傳統(tǒng)定向凝固技術(shù)新型定向凝固技術(shù)發(fā)熱鑄型法功率降低法快速凝固法液態(tài)金屬冷卻法區(qū)域熔化液態(tài)金屬冷卻法激光超高溫度梯度快速定向凝固電磁約束成形定向凝固技術(shù)深過冷定向凝固技術(shù)側(cè)向約束下的定向凝固技術(shù)對流下的定向凝固技術(shù)重力場作用下的定向凝固技術(shù)Insituandreal-timeimaging8第三章金屬凝固熱力學(xué)與動力學(xué)第8頁，課件共45頁，創(chuàng)作于2023年2月發(fā)熱鑄型法和功率降低法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，在金屬液和己凝固金屬中建立起一個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。石墨感應(yīng)發(fā)熱器放在分上下兩部分的感應(yīng)圈內(nèi)。加熱時(shí)上下兩部分感應(yīng)圈全通電，在模殼內(nèi)立起所要求的溫度場．然后注入過熱的合金熔液。此時(shí)下部感應(yīng)圈停電，通過調(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。9第三章金屬凝固熱力學(xué)與動力學(xué)第9頁，課件共45頁，創(chuàng)作于2023年2月快速凝固法和液態(tài)金屬冷卻法快速凝固法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。液態(tài)金屬冷卻法是在快速凝固法的基礎(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)、熱容量大的液態(tài)金屬中。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)晶在相對穩(wěn)態(tài)下進(jìn)行，得到比較長的單向柱晶。常用的液態(tài)金屬有Ga-In合金和Ga-In-Sn合金，以及Sn液。Sn液熔點(diǎn)稍高(232℃)，但由于價(jià)格相對比較便宜，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)動機(jī)葉片的生產(chǎn)。10第三章金屬凝固熱力學(xué)與動力學(xué)第10頁，課件共45頁，創(chuàng)作于2023年2月區(qū)域熔化液態(tài)金屬冷卻法該方法將區(qū)域熔化與液態(tài)金屬冷卻相結(jié)合，利用感應(yīng)加熱集中對凝固界面前沿液相進(jìn)行加熱，從而有效地提高了固液界面前沿的溫度梯度。最高溫度梯度可達(dá)1300K/cm，最大冷卻速度可達(dá)50K/s。11第三章金屬凝固熱力學(xué)與動力學(xué)第11頁，課件共45頁，創(chuàng)作于2023年2月激光超高溫度梯度快速定向凝固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。在激光表面快速熔凝時(shí)，凝固界面的溫度梯度可高達(dá)5×104K/cm,凝固速度高達(dá)數(shù)米每秒。但一般的激光表面熔凝過程并不是定向凝固，因?yàn)槿鄢貎?nèi)部局部溫度梯度和凝固速度是不斷變化的，且兩者都不能獨(dú)立控制；同時(shí)，凝固組織是從基體外延生長的，界面上不同位置的生長方向也不相同。12第三章金屬凝固熱力學(xué)與動力學(xué)第12頁，課件共45頁，創(chuàng)作于2023年2月深過冷定向凝固技術(shù)基本原理是將盛有金屬液的坩堝置于一激冷基座上，在金屬液被動力學(xué)過冷的同時(shí)，金屬液內(nèi)建立起一個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向已有的枝晶骨架上凝固，最終獲得了定向凝固組織。一旦形核,生長速率很快,基本上不受外界散熱條件的影響?？梢悦獬龔?fù)雜的抽拉裝置。另外,凝固速度快,時(shí)間短,可大幅度提高生產(chǎn)效率。13第三章金屬凝固熱力學(xué)與動力學(xué)第13頁，課件共45頁，創(chuàng)作于2023年2月電磁約束成形定向凝固技術(shù)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。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)可以產(chǎn)生很高的溫度梯度，使凝固組織超細(xì)化，顯著提高鑄件的表面質(zhì)量和內(nèi)在綜合性能。電磁約束成形定向凝固工藝將成為一種很有競爭力的定向凝固技術(shù)。但該技術(shù)涉及電磁流體力學(xué)、冶金、凝固以及自動控制等多學(xué)科領(lǐng)域，目前還處于研究階段。14第三章金屬凝固熱力學(xué)與動力學(xué)第14頁，課件共45頁，創(chuàng)作于2023年2月側(cè)向約束下的定向凝固技術(shù)隨著試樣截面的突然減小，合金凝固組織由發(fā)達(dá)的粗枝狀很快轉(zhuǎn)化為細(xì)的胞狀。隨著凝固的繼續(xù)進(jìn)行，胞晶間距繼續(xù)增加，之后胞晶間距保持基本恒定，凝固進(jìn)入新的穩(wěn)態(tài)，最后當(dāng)試樣截面由小突然增大時(shí)，凝固形態(tài)也由胞狀很快轉(zhuǎn)化為粗枝狀。改變試樣的局部冷卻條件促使凝固過程發(fā)生變化。15第三章金屬凝固熱力學(xué)與動力學(xué)第15頁，課件共45頁，創(chuàng)作于2023年2月對流下的定向凝固技術(shù)在加速旋轉(zhuǎn)過程中造成液相強(qiáng)迫對流，由于極大的改變熱質(zhì)傳輸過程而引起了界面形貌的顯著變化，導(dǎo)致糊狀區(qū)寬度顯著減小。液相快速流動引起界面前沿液相中的溫度梯度極大的提高，非常有利于液相溶質(zhì)的均勻混合和材料的平界面生長，枝晶生長形態(tài)發(fā)生顯著的變化，由原來具有明顯主軸的枝晶變?yōu)闊o明顯主軸的穗狀晶，穗狀晶具有細(xì)密的顯微組織。16第三章金屬凝固熱力學(xué)與動力學(xué)第16頁，課件共45頁，創(chuàng)作于2023年2月重力場作用下的定向凝固技術(shù)微重力下的晶體生長，由于重力加速度減小而有效的抑制了重力造成的無規(guī)則熱質(zhì)對流，從而獲得溶質(zhì)分布高度均勻的晶體；超重力下的晶體生長，通過增大重力加速度而加強(qiáng)浮力對流，當(dāng)浮力對流增強(qiáng)到一定程度時(shí)，就轉(zhuǎn)化為層流狀態(tài)，即重新層流化，同樣抑制了無規(guī)則的熱質(zhì)對流。17第三章金屬凝固熱力學(xué)與動力學(xué)第17頁，課件共45頁，創(chuàng)作于2023年2月定向凝固典型應(yīng)用——單晶制備由一個晶核長大而成的一大塊晶體叫單晶體。

1、意義：由于完全消除了晶界，單晶體在高溫力學(xué)、抗熱疲勞、抗熱腐蝕以及服役溫度等方面都具有更為優(yōu)異的性能，因而獲得了廣泛的應(yīng)用。單晶是電子元件和激光元件的重要原料。金屬單晶也開始應(yīng)用于某些特殊場合如噴氣發(fā)動機(jī)葉片等。18第三章金屬凝固熱力學(xué)與動力學(xué)第18頁，課件共45頁，創(chuàng)作于2023年2月

2、基本原理：根據(jù)結(jié)晶理論，制備單晶的基本要求是液體結(jié)晶時(shí)只存在一個晶核，要嚴(yán)格防止另外形核。為此，材料必須高度純凈以限制形核；結(jié)晶速度必須非常緩慢以保證定向生長。

3、制備方法：尖端形核法和垂直提拉法。單晶制造

柱狀晶、螺旋選擇器及生長的單晶

19第三章金屬凝固熱力學(xué)與動力學(xué)第19頁，課件共45頁，創(chuàng)作于2023年2月制備單晶體有兩種方法

1）尖端形核法模子尖端首先移出爐外緩慢冷卻，于尖端處產(chǎn)生一個晶核。隨著模子向右緩慢移動，晶核向左定向生長成單晶體。晶體內(nèi)容易產(chǎn)生應(yīng)力或寄生形核，很少用于制備質(zhì)量要求高的單晶。20第三章金屬凝固熱力學(xué)與動力學(xué)第20頁，課件共45頁，創(chuàng)作于2023年2月將籽晶接觸熔體表面，在籽晶與熔體間形成固液界面，由于籽晶的定向傳熱作用，液相原子將在固液界面上凝固，隨著籽晶的提拉上升，單晶體便在籽晶下部生長出來。晶體內(nèi)部應(yīng)力小，并可避免在坩堝壁上寄生形核，可制得高質(zhì)量的單晶。2）垂直提拉法21第三章金屬凝固熱力學(xué)與動力學(xué)第21頁，課件共45頁，創(chuàng)作于2023年2月6.2快速凝固

1、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。界面推進(jìn)速率大于10mm/s

冷卻速率達(dá)到105～1010K/s

固-液界面的移動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。22第三章金屬凝固熱力學(xué)與動力學(xué)第22頁，課件共45頁，創(chuàng)作于2023年2月快速凝固的目的超細(xì)組織過飽和固溶體亞穩(wěn)相或新的結(jié)晶相微晶、納米晶或金屬玻璃形成獲得優(yōu)異的強(qiáng)度、塑性、耐磨性、耐腐蝕性等。23第三章金屬凝固熱力學(xué)與動力學(xué)第23頁，課件共45頁，創(chuàng)作于2023年2月

2、快速凝固方法

①霧化法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

24第三章金屬凝固熱力學(xué)與動力學(xué)第24頁，課件共45頁，創(chuàng)作于2023年2月圖氣體霧化設(shè)備工作原理圖

1一細(xì)粉2一氣體3一氣源4－合金液5一真空感應(yīng)加熱器

6一噴嘴7—霧化室8一收集室9一粉末25第三章金屬凝固熱力學(xué)與動力學(xué)第25頁，課件共45頁，創(chuàng)作于2023年2月

②熔體旋轉(zhuǎn)法使液流保持一個很小的截面，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

2、快速凝固方法26第三章金屬凝固熱力學(xué)與動力學(xué)第26頁，課件共45頁，創(chuàng)作于2023年2月圖雙輥法快速凝固技術(shù)的基本原理

1一帶材2－合金液流3－加熱爐4一坩堝5一漏出孔6－雙輥

通常生產(chǎn)幾十微米厚的薄帶27第三章金屬凝固熱力學(xué)與動力學(xué)第27頁，課件共45頁，創(chuàng)作于2023年2月圖單輥法復(fù)合層快速凝固過程原理圖

1－單輥2－合金液13一坩堝14－坩堝25－合金液2

6－感應(yīng)加熱線圈7一復(fù)合層帶材通常生產(chǎn)幾十微米厚的薄帶28第三章金屬凝固熱力學(xué)與動力學(xué)第28頁，課件共45頁，創(chuàng)作于2023年2月

③表面熔化法使材料的一個薄層快速熔化并與無限大散熱器緊密接觸，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/移動熔化。表面熔化法示意圖

2、快速凝固方法29第三章金屬凝固熱力學(xué)與動力學(xué)第29頁，課件共45頁，創(chuàng)作于2023年2月圖幾種激光表面熔化處理方法的工作原理圖

a）表面硬化b）表面熔凝c）表面合金化d）表面粘附

30第三章金屬凝固熱力學(xué)與動力學(xué)第30頁，課件共45頁，創(chuàng)作于2023年2月④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?。┩ㄟ^無容器熔煉消除合金熔體與容器接觸對形核的促進(jìn)作用。31第三章金屬凝固熱力學(xué)與動力學(xué)第31頁，課件共45頁，創(chuàng)作于2023年2月

3、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，凝固組織中會出現(xiàn)非平衡相?？梢园褱囟忍荻菺和生長速率R聯(lián)系起來，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：對鑄件和鑄錠，通常GR=10-3~101K/s，但對霧化法，GR=102~106K/s。相應(yīng)地，偏析間距λ從1000μm減小到0.01μm。＜32第三章金屬凝固熱力學(xué)與動力學(xué)第32頁，課件共45頁，創(chuàng)作于2023年2月

Zn-1.8％(Ag的摩爾分?jǐn)?shù))合金在不同冷卻速率下的顯微組織(a、b、c、d生長速率分別為12mm/s、3.54mm/s、2.06mm/s、0.48mm/s)33第三章金屬凝固熱力學(xué)與動力學(xué)第33頁，課件共45頁，創(chuàng)作于2023年2月4、快速凝固的產(chǎn)物及其特征快速凝固使金屬材料的結(jié)構(gòu)發(fā)生了前所未有的變化可形成具有特殊性能的新材料。34第三章金屬凝固熱力學(xué)與動力學(xué)第34頁，課件共45頁，創(chuàng)作于2023年2月（1）形成過飽和固溶體將液態(tài)合金以高速急冷快速地穿過液/固兩相區(qū)，就阻止了第二相的生核和長大。使溶質(zhì)原子以超常規(guī)溶解度陷在α相晶格中。表部分合金元素在Al中平衡固溶度和擴(kuò)展固溶度（%）35第三章金屬凝固熱力學(xué)與動力學(xué)第35頁，課件共45頁，創(chuàng)作于2023年2月（2）超細(xì)的晶粒度隨著冷卻速率的增大，晶粒尺寸減小，可以獲得微晶甚至納米晶?？焖倌毯辖鸨瘸Ｒ?guī)合金低幾個數(shù)量級的晶粒尺寸，一般為<0.1～1.0μm在Ag-Cu（wCu=50%）合金中，觀察到細(xì)至3nm的晶粒。原因：很大過冷度下達(dá)到很高形核率36第三章金屬凝固熱力學(xué)與動力學(xué)第36頁，課件共45頁，創(chuàng)作于2023年2月（3）極少偏析或無偏析如果生長速度加劇，枝晶端部的溫度開始時(shí)上升，當(dāng)生長速度足夠高時(shí)，枝晶端部的溫度會重新下降到平衡的固相線溫度。此時(shí)的固相成分又回到合金的原始成分，凝固前沿亦重新成為平界面，表明合金凝固進(jìn)入了“絕對穩(wěn)定界限”如果凝固速率不僅達(dá)到了“絕對穩(wěn)定”界限，而且超過了界面上溶質(zhì)原子的擴(kuò)散速率，即進(jìn)入完全的“無偏析、無擴(kuò)散凝固”時(shí)，可在鑄件的全部體積內(nèi)獲得完全不存在任何偏析的合金37第三章金屬凝固熱力學(xué)與動力學(xué)第37頁，課件共45頁，創(chuàng)作于2023年2月（4）形成亞穩(wěn)相（非平衡相）

亞穩(wěn)相的晶體結(jié)構(gòu)可能與平衡狀態(tài)圖上相鄰的某一中間相的結(jié)構(gòu)極為相似，因此可看成是在快速冷卻和大過冷度條件下中間相亞穩(wěn)濃度范圍擴(kuò)大的結(jié)果。（5）高的點(diǎn)缺陷密度在快速凝固的過程中，液態(tài)金屬的缺陷會較多地保存在固態(tài)金屬中38第三章金屬凝固熱力學(xué)與動力學(xué)第38頁，課件共45頁，創(chuàng)作于2023年2月

（6）形成非晶態(tài)合金液態(tài)金屬為短程有序排列結(jié)構(gòu)，原子有極高的遷移速率。采用極快的冷卻速率冷卻，可能導(dǎo)致金屬在凝固后保留液態(tài)時(shí)結(jié)構(gòu)。Duwez等人用液態(tài)急冷法使接近共晶成分的Au-Si合金凝固成了非晶態(tài)材料。目前所能達(dá)到的冷卻速率，只能使很少一部分合金能夠抑制結(jié)晶過程而形成非晶態(tài)。原則上講，只要有更高的冷卻速率，就可以將所有合金系的合金凝固成非晶態(tài)。

39第三章金屬凝固熱力學(xué)與動力學(xué)第39頁，課件共45頁，創(chuàng)作于2023年2月5、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)金屬的短程有序的原子排列，微觀組織中不存在