定向凝固及其應(yīng)用課件

定向凝固及其應(yīng)用2006年12月11日一

定向凝固的原理二

定向凝固技術(shù)的發(fā)展三

定向凝固的理論基礎(chǔ)四

定向凝固在凝固理論研究中的應(yīng)用五

定向凝固在新材料研究與開(kāi)發(fā)中的應(yīng)用六

自制定向凝固裝置介紹七

我的研究?jī)?nèi)容定向凝固基本原理定向凝固是在凝固過(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，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(lái)的。該技術(shù)最初用來(lái)消除結(jié)晶過(guò)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(guò)程中溫度梯度和凝固速率這兩個(gè)重要的凝固參數(shù)能夠獨(dú)立變化，可以分別研究它們對(duì)凝固過(guò)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)。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(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。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(chǎng)．然后注入過(guò)熱的合金熔液。此時(shí)下部感應(yīng)圈停電，通過(guò)調(diào)節(jié)輸入上部感應(yīng)圈的功率，使之產(chǎn)生一個(gè)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(jiǎn)單、成本低，可用于制造小批量零件。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(zhǎng)，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(zhǎng)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，得到比較長(zhǎng)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，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(guó)、前蘇聯(lián)等國(guó)用于航空發(fā)動(dòng)機(jī)葉片的生產(chǎn)。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(duì)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。深過(guò)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(dòng)力學(xué)過(guò)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(guò)程中溫度最低的底部先形核，晶體自下而上生長(zhǎng)，形成定向排列的樹(shù)枝晶骨架，其間是殘余的金屬液。在隨后的冷卻過(guò)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(zhǎng)速率很快,基本上不受外界散熱條件的影響。可以免除復(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。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(lái)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(jìng)爭(zhēng)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(dòng)控制等多學(xué)科領(lǐng)域，目前還處于研究階段。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?cè)嚇拥木植坷鋮s條件促使凝固過(guò)程發(fā)生變化。重力場(chǎng)作用下的定向凝固技術(shù)微重力下的晶體生長(zhǎng)，由于重力加速度減小而有效的抑制了重力造成的無(wú)規(guī)則熱質(zhì)對(duì)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(zhǎng)，通過(guò)增大重力加速度而加強(qiáng)浮力對(duì)流，當(dāng)浮力對(duì)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(wú)規(guī)則的熱質(zhì)對(duì)流。Insituandreal-timeimagingsynchrotronX-rayimaging定向凝固技術(shù)小結(jié)縱觀定向凝固技術(shù)的發(fā)展,人們?cè)诓粩嗟靥岣邷囟忍荻取⑸L(zhǎng)速度和冷卻速度,以得到性能更好的材料。而溫度梯度無(wú)疑是其中的關(guān)鍵,提高固液界面前沿的溫度梯度在理論上有以下途徑:①縮短液體最高溫度處到冷卻劑位置的距離;②增加冷卻強(qiáng)度和降低冷卻介質(zhì)的溫度;③提高液態(tài)金屬的最高溫度。隨著試驗(yàn)技術(shù)的進(jìn)步,新的定向凝固技術(shù)必將滿(mǎn)足不同合金的特性。目前新興的凝固技術(shù)如冷坩堝定向凝固技術(shù)、軟接觸陶瓷殼定向凝固技術(shù)、雙頻電磁約束成形定向凝固技術(shù)等,這些無(wú)坩堝熔煉、無(wú)鑄型、無(wú)污染的定向凝固成形技術(shù)會(huì)成為未來(lái)發(fā)展的焦點(diǎn),在未來(lái)的發(fā)展中會(huì)日漸成熟。原位實(shí)時(shí)觀察技術(shù)為直觀的觀測(cè)凝固過(guò)程提供了有效的手段。定向凝固的理論基礎(chǔ)固液界面形態(tài)的選擇定向凝固時(shí)的枝晶生長(zhǎng)成分過(guò)冷理論界面穩(wěn)定性的動(dòng)力學(xué)理論特征長(zhǎng)度枝晶生長(zhǎng)一次間距選擇的歷史相關(guān)性成分過(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)于溶質(zhì)分配系數(shù)小于1的合金體系,隨著凝固的進(jìn)行,部分溶質(zhì)在界面處的液相中富集,并形成一定的溶質(zhì)梯度,與這種溶質(zhì)梯度相對(duì)應(yīng)的液相線(xiàn)溫度TL(x)與真實(shí)溫度Tq(x)分布之間有不同的值,其差值T(x)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。平界面凝固的穩(wěn)定條件為無(wú)成分過(guò)冷區(qū),即:成分過(guò)冷理論的不足之處以熱力學(xué)平衡態(tài)為基點(diǎn)的理論能否作為描述動(dòng)態(tài)的理論根據(jù)。在固液界面上引入局部的曲率變化要增加系統(tǒng)的自由能，這一點(diǎn)被成分過(guò)冷理論忽略了。成分過(guò)冷理論沒(méi)有說(shuō)明界面形態(tài)改變的機(jī)制。成分過(guò)冷理論不適用于快速凝固領(lǐng)域。因?yàn)槟趟俣群艽髸r(shí)，G/R值越來(lái)越小，更應(yīng)該出現(xiàn)樹(shù)枝晶，但實(shí)際情況是快速凝固后，固液界面反而又穩(wěn)定起來(lái)，產(chǎn)生無(wú)特征無(wú)偏析的組織，得到成分均勻的材料。界面穩(wěn)定性的動(dòng)力學(xué)理論也稱(chēng)為絕對(duì)穩(wěn)定理論、MS穩(wěn)定性理論。Mullins和Sekerka鑒于成分過(guò)冷理論的不足，提出一個(gè)考慮了溶質(zhì)濃度場(chǎng)和溫度場(chǎng)、固液界面能以及界面動(dòng)力學(xué)的理論。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,總結(jié)出平界面絕對(duì)穩(wěn)定性判據(jù)為：固液界面達(dá)到絕對(duì)穩(wěn)定的臨界生長(zhǎng)速率為MS穩(wěn)定性理論的不足之處MS穩(wěn)定性理論預(yù)言,在高速凝固時(shí),固液界面將恢復(fù)平面狀生長(zhǎng),即達(dá)到所謂的絕對(duì)穩(wěn)定性。但該理論未能給出在低速下,平界面失穩(wěn)后得到胞晶、進(jìn)而得到樹(shù)枝晶后至絕對(duì)穩(wěn)定性這一廣闊區(qū)間內(nèi)界面形態(tài)的轉(zhuǎn)變過(guò)程。MS穩(wěn)定性理論只適用于稀溶液，并且忽略了凝固速率對(duì)溶質(zhì)分配系數(shù)的影響。在固液界面的形態(tài)演化中，生長(zhǎng)速率一方面促進(jìn)成分過(guò)冷效應(yīng)增大的作用,另一方面又促進(jìn)界面曲率效應(yīng)強(qiáng)化的作用。在生長(zhǎng)速率較低的近平衡條件下,前者占主要地位,對(duì)固液界面的影響較大,后者雖然對(duì)固液界面也有作用,但是更多的是促進(jìn)成分過(guò)冷加劇,使界面的穩(wěn)定性降低。但兩者相等時(shí),即表明界面曲率效應(yīng)的作用同成分過(guò)冷的作用相抵消,達(dá)到了界面的絕對(duì)穩(wěn)定。高梯度絕對(duì)穩(wěn)定性在過(guò)去的理論和實(shí)驗(yàn)研究中,關(guān)注的是凝固速率而忽視溫度梯度的影響。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)穩(wěn)定性現(xiàn)象,即當(dāng)溫度梯度G超過(guò)一臨界值Ga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。由于沒(méi)有明確的理論判據(jù)以及實(shí)驗(yàn)技術(shù)的限制,在過(guò)去的研究中,高梯度絕對(duì)穩(wěn)定性被不適當(dāng)?shù)睾鲆暳?。?duì)大多數(shù)合金,實(shí)現(xiàn)高梯度絕對(duì)穩(wěn)定性的臨界溫度梯度在5000K/cm以上,遠(yuǎn)遠(yuǎn)超過(guò)常規(guī)的定向凝固方法所能達(dá)到的溫度梯度。KF穩(wěn)定性判據(jù)Kurz和Fisher在MS穩(wěn)定性理論的基礎(chǔ)上做了一些簡(jiǎn)化，得到KF穩(wěn)定性判據(jù)：定向凝固時(shí)界面失穩(wěn)的臨界條件

定向凝固時(shí)界面失穩(wěn)的臨界條件（1）低R時(shí)，服從成分過(guò)冷理論平界面向胞狀轉(zhuǎn)化條件為（2）高R時(shí)，服從絕對(duì)穩(wěn)定理論，胞晶向平界面轉(zhuǎn)化條件（3）低R時(shí)，胞晶向枝晶轉(zhuǎn)化條件為（4）高R時(shí)，枝晶向胞晶轉(zhuǎn)化條件為等溫界面下的枝晶生長(zhǎng)等溫界面下的枝晶生長(zhǎng)Bower、Flemings等提出枝晶尖端的過(guò)冷度為假設(shè)在任何枝晶間空間的一個(gè)體積元中液相組成是接近均勻的，而且為相圖中的液相線(xiàn)所限定；其次固液界面上溫度是一樣的。這個(gè)公式只在高的溫度梯度和低的生長(zhǎng)速率時(shí)適用。支持等溫界面的有2種模型：枝晶尖端是半球形；另一種是回轉(zhuǎn)拋物面。不等溫界面下的枝晶生長(zhǎng)Burden和Hunt提出一個(gè)說(shuō)明凝固速率和溫度梯度對(duì)胞晶和枝晶尖端溫度影響的模型。Trivedi充分考慮了界面曲率和界面動(dòng)力學(xué)的作用，認(rèn)為確定枝晶界面特性的三個(gè)主要因素為：熱流、溶質(zhì)原子擴(kuò)散和表面張力的作用。Laxmanan提出過(guò)冷度由枝晶間溶質(zhì)濃度梯度形成的過(guò)冷度、枝晶尖端溶質(zhì)擴(kuò)散形成的過(guò)冷度、枝晶尖端曲率造成的過(guò)冷度、動(dòng)力學(xué)過(guò)冷度。并循著B(niǎo)urden和Hunt的思路，推導(dǎo)出適合于低速和快速生長(zhǎng)兩種平面凝固條件。從目前理論進(jìn)展和實(shí)驗(yàn)觀察，以不等溫界面的枝晶生長(zhǎng)較可靠。一次間距選擇的歷史相關(guān)性一次枝晶間距選擇是金屬凝固微觀組織花樣形成領(lǐng)域中最重要的問(wèn)題之一。長(zhǎng)期以來(lái)，在凝固研究領(lǐng)域中的幾個(gè)一次枝晶間距理論模型都潛在地假定一次枝晶間距與凝固系統(tǒng)的當(dāng)前狀態(tài)具有確定的單值對(duì)應(yīng)關(guān)系。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，一次枝晶間距隨凝固控制參數(shù)選擇處于一個(gè)較寬的分布范圍，其上下限隨生長(zhǎng)速度變化而變化。平均一次間距不但與生長(zhǎng)速度的變化經(jīng)歷有關(guān)，而且與溫度梯度的變化經(jīng)歷有關(guān)，即平均一次間距具有明顯的歷史相關(guān)性。該結(jié)果正成為以非平衡自組織理論為指導(dǎo)的新的定向凝固理論的實(shí)驗(yàn)基礎(chǔ)。但關(guān)于枝晶/胞晶一次間距選擇歷史相關(guān)性及容許范圍的實(shí)驗(yàn)?zāi)壳岸际窃诘蜏靥荻?<300K/cm)和低凝固速率(<500um/s)下進(jìn)行的。理論迫切需要在更高的溫度梯度和凝固速率范圍內(nèi)的定向凝固實(shí)驗(yàn)規(guī)律，特別是凝固體系在靠近絕對(duì)穩(wěn)定性速度時(shí)的凝固行為。定向凝固在凝固理論研究中的應(yīng)用凝固過(guò)程的溶質(zhì)再分配1、界面溶質(zhì)分配系數(shù)k*測(cè)定k*最簡(jiǎn)單的方法是固液平界面試樣淬火法。2、非平衡凝固條件下的溶質(zhì)再分配液相中完全混合的溶質(zhì)再分配液相中有對(duì)流作用的溶質(zhì)再分配液相中只有擴(kuò)散的溶質(zhì)再分配枝晶間距的研究微觀偏析和宏觀偏析胞枝轉(zhuǎn)變形核、長(zhǎng)大晶體缺陷的形成定向凝固在新材料研究與開(kāi)發(fā)中的應(yīng)用高梯度定向及單晶葉片晶向擇優(yōu)控制定向凝固——金屬間化合物定向熔體織構(gòu)定向凝固——高溫氧化物超導(dǎo)材料超精細(xì)控制定向凝固——高溫結(jié)構(gòu)陶瓷定向晶體連續(xù)生長(zhǎng)定向凝固——單晶連鑄高梯度定向及單晶葉片定向及單晶葉片由于消除橫向晶界或完全消除晶界，晶體沿[001]特定方向生長(zhǎng)，提高初熔溫度及固溶處理窗口溫度，增加γ數(shù)量并細(xì)化，大幅度提高了性能，提高使用溫度。西北工業(yè)大學(xué)利用高梯度定向凝固技術(shù)，使單晶Ni基高溫合金的凝固組織與析出強(qiáng)化相分別達(dá)到微米及亞微米級(jí)，從而使高溫持久性能得到成倍的提高。晶向擇優(yōu)控制定向凝固主要針對(duì)各向異性的金屬間化合物特別是其最佳性能方向與晶體擇優(yōu)生長(zhǎng)方向不一致或伴隨有復(fù)雜固態(tài)相變的材料。要求定向凝固過(guò)程中除了要控制相與組織的競(jìng)爭(zhēng)選擇外，還必須精確調(diào)節(jié)和控制晶體的生長(zhǎng)方向，使具有最佳性能而非優(yōu)先生長(zhǎng)的晶向轉(zhuǎn)變?yōu)閾駜?yōu)生長(zhǎng)。一般采用兩種調(diào)節(jié)晶體生長(zhǎng)方向的方案：旋轉(zhuǎn)籽晶法和雙梯度法。熔體織構(gòu)定向凝固YBCO是一種強(qiáng)各向異性的高溫超導(dǎo)體，過(guò)去通用粉末燒結(jié)法制備。由于弱連接、夾雜、空洞，嚴(yán)重