定向、单晶凝固基础理论和工艺讲义

定向、单晶凝固基础理论与工艺 讲义,（霍山） 2015年7月,引言,普通铸件一般均由无一定结晶方向的多晶体组成。在高温疲劳和蠕变过程中，垂直于主应力的横向晶界往往是裂纹产生和扩展的主要部位，也是涡轮叶片高温工作时的薄弱环节。采用定向凝固技术可获得生长方向与主应力方向一致的单向生长的柱状晶体）。定向凝固由于消除了横向晶界，从而提高了材料抗高温蠕变和疲劳的能力。定向凝固铸件的组织分为柱状、单晶和定向共晶3种。,等轴晶,柱状晶,柱状晶,单 晶,各种结晶形态,基本原理,铸件定向凝固需要两个条件：首先，热流向单一方向流动并垂直于生长中的固-液界面；其次，晶体生长前方的熔液中没有稳定的结晶核心。为此，在工艺上必须采取措施避免侧向散热,同时在靠近固-液界面的熔液中应造成较大的温度梯度。这是保证定向柱晶和单晶生长挺直，取向正确的基本要素。以提高合金中的温度梯度为出发点，定向凝固技术已由功率降低法、快速凝固法发展到液态金属冷却法。,定向凝固技术的应用基础理论研究,定向凝固技术的应用基础理论研究 主要涉及定向凝固过程的热场流动场及溶质场的动态分析定向组织及其控制以及组织与性能关系等多年来通过生产实践与定向凝固应用基础研究总结出得到优质定向组织的四个基本要素 热流的单向性或发散度 热流的温度梯度 冷却速度或晶体生长速度 结晶前沿液态金属中的形核控制 人们围绕上述四个基本要素的控制 做了大量的研究工作随着热流控制技术的发展 凝固技术也不断向前发,定向凝固技术的应用基础理论研究,定向凝固成形技术是伴随高温合金的发展而逐渐发展起来的，是在凝固过程中采用强制手段，在凝固金属和未凝固熔体中建立起特定方向的温度梯度，从而使熔体沿着与热流相反的方向凝固，以获得具有特定取向柱状晶的技术。由于该技术较好地控制了凝固组织的晶粒取向，消除了横向晶界，大大提高了材料的纵向力学性能。因此，将该技术用于燃气涡轮发动机叶片的生产，所获得的柱状晶组织具有优良的抗热冲击性能、长的疲劳寿命、高的高温蠕变抗力和中温塑性，进而提高了叶片的使用寿命和使用温度。该技术的进一步发展是单晶生产，它除了用于高温合金单晶叶片的研制外，还逐渐推广到半导体材料、磁性材料、复合材料的研究中，成为现代凝固成形的重要手段之一。,受力方向，横向断裂,去除横向晶界提高抗高温蠕变性能,研究的对象,定向凝固过程中温度梯度和凝固速率这两个凝固参数能够独立变化，成为凝固理论研究的重要手段。,定向/单晶设备,测温机构,加料室,操作机构,操作平台,熔炼和模壳加热室,铸型室,升降机构,关键结构: 1;模壳加热室 2;模壳加热室和铸型 室的隔板结构,隔离阀,关键结构,1,加料室,熔炼室,中频感应炉,中频感应线圈,石墨加热套,模壳,水冷结晶器,隔热板,铸型室,主轴,盖板,单晶凝固,定向/单晶的凝固技术,发热剂法（EP法） 所谓的发热剂法就是将熔化好的金属液浇入一侧壁绝热，底部冷却，顶部覆盖发热 剂的铸型中，在金属液和已凝固金属中建立起一个自上而下的温度梯度，使铸件自下而上进行凝固，实现单向凝固。这种方法由于所能获得的温度梯度不大，并且很难控制，致使凝固组织粗大，铸件性能差，因此，该法不适于大型、优质铸件的生产。但其工艺简单、成本低，可用于制造小批量零件,2 功率降低法（PD法）,将保温炉的加热器分成几组，保温炉是分段加热的。当熔融的金属液置于保温炉内后，在从底部对铸件冷却的同时，自下而上顺序关闭加热器，金属则自下而上逐渐凝固，从而在铸件中实现定向凝固。通过选择合适的加热器件，可以获得较大的冷却速度，但是在凝固过程中温度梯度是逐渐减小的，致使所能允许获得的柱状晶区较短，且组织也不够理想。加之设备相对复杂，且能耗大，限制了该方法的应用。,3 高速凝固法（HRS法）,为了改善功率降低法在加热器关闭后，冷却速度慢的缺点，在晶体生长技术的基础上发展成了一种新的定向凝固技术，即快速凝固法。该方法的特点是铸件以一定的速度从炉中移出或炉子移离铸件，采用水冷导热的方式，而且炉子保持加热状态。这种方法由于避免了炉膛的影响，且利用结晶器中水冷却导热，因而获得了较高的温度梯度和冷却速度，所获得的柱状晶间距较长，组织细密挺直，且较均匀，使铸件的性能得以提高，现在生产中大量应用。,4 液态金属冷却法（LMC法）,HRS法是由水换热来冷却的，所能获得的温度梯度和冷却速度都很有限。为了获得更高的温度梯度和生长速度。在HRS法的基础上，将抽拉出的铸件部分浸入具有高导热系数的高沸点、低熔点、热容量大的液态金属中，形成了一种新的定向凝固技术，即LMC法。这种方法提高了铸件的冷却速度和固液界面的温度梯度，而且在较大的生长速度范围内可使界面前沿的温度梯度保持稳定，结晶在相对稳态下进行，能得到比较长的单向柱晶。,液态金属冷却法（LMC法）常用的金属,常用的液态金属有GaIn合金和GaInSn合金，以及Sn液，前二者熔点低，但价格昂贵，因此只适于在实验室条件下使用。 Sn液熔点稍高(232)，但由于价格相对比较便宜，冷却效果也比较好，因而适于工业应用。,单晶、定向凝固工艺,由于单晶、定向铸件与等轴晶铸件凝固方式的不同，故铸件整个技术要求、工艺方案、生产过程、过程控制和检验内容也与等轴晶要求不同。 以下就不同之处和关键点按工序过程进行讲解。,一、蜡模车间,陶瓷型芯 为了满足铸造过程中高温合金液的冲击，因此要求型芯要有定的高温强度；（保证陶芯不断裂） 必须满足铸造过程中陶芯在高温合金液中长期工作1h4h，故高温挠度变形值小。（保证铸件内腔尺寸） 由于液态高温合金与型芯接触时间长，故型芯材料不能与合金有化学或热反应（保证化学成分和铸件冶金质量）,陶芯自由端、固定端制作和铸件壁厚尺寸的控制,陶芯自由端、固定端制作和铸件壁厚尺寸的控制,引晶端的制作（模具）,。,计算机模拟结果,模拟结果,，,模拟结果和实际相比 规律相似。,定向凝固组合形式,支撑棒 陶芯自由端 铸件 起始端 底盘,单晶凝固组合形式,支撑棒,陶芯自由端,铸件,选晶器,起始端,底盘,浇注系统带过滤网,制壳车间,要获得优质定向、单晶壳型，壳型材料应满足以下要求： 在配置料浆中壳型材料不与粘结剂发生化学反应而降低料浆的化学稳定性； 壳型材料与熔融金属润湿性好，又不发生化学作用； 铸型材料与粘结剂所组成的铸型材料体系具有足够的耐热温度、高温强度和高温长时间抗变形能力，能抵御熔融金属的机械冲击和热冲击； 具有优良而稳定的热物理性能，如热膨胀系数的、导热性等； 壳型材料与粘结剂组成的铸型具有良好的溃散性，浇注后铸型容易从铸件上清除。,常用的定向、单晶制壳材料,面层：熔融三氧化二铝（高纯度电熔刚玉） 锆英粉 EC95（莫来石基体） 加固层：熔融三氧化二铝 莫来石 EC95（莫来石基体） 粘结剂：硅溶胶（30%二氧化硅）,制壳过程,模壳的预焙烧,一般情况下，模壳都需进行预焙烧。 对不带陶瓷型芯的模壳，焙烧温度为850-900 保温一小时，随炉冷却至200 以下，出壳。 对带陶瓷型芯的模壳，预焙烧温度应小于600 ，模壳出、进炉和整个搬运过程必须轻拿轻放，不得有震动，防止陶瓷型芯断裂或损坏。,模壳清洗,对不带陶瓷型芯的模壳可直接用自来水进行清洗。 对带陶瓷型芯的模壳必须用工业酒精进行清洗。 注意：1、第一遍清洗时，应将内腔一端封堵，水或酒精中加亚甲基蓝，灌满型腔，检查模壳外表面是否有渗漏，保证模壳处于完好状态。 2、对可修补的模壳缺陷，一定要使用同种制壳材料进行修补。,终焙烧、熔炼、浇注与凝固,终焙烧：在定向炉内的模壳加热室进行，一般焙烧温度与浇注温度一致，下区略高于浇注温度。 熔炼、浇注与凝固工艺 例:浇注温度：1500。 精炼温度：15