（有色金属冶金专业论文）超强磁场定向凝固试验装置的研制.pdf

上海人学硕十学位论文 摘要 定向凝固技术作为控制凝固组织的主要方法之一，具有重要的理论意义和实 际应用价值。随着定向凝固技术的发展，定向凝固的实验研究也不断深入名哥十新型 定向凝固炉应运而生，伴随对热流控制( 不同加热、冷却方式) 技术的发展，定向 凝固技术依次经历了发热铸型法( 炉外法) 、功率降低法( p d 法) 、铸型下降法( h r s 法) 、液态金属冷却法( l m c 法) 等发展过程。近来，将区熔技术与定向凝固技术 相结合开发出的超高温度梯度定向装置，提高了定向凝固界面前沿的温度梯度， 丌拓了超细柱晶材料研究领域。 然而，在高温度梯度下，熔体中存在着强烈的对流，将产生熔液中温度的波动， 大振幅的波动，会引起界面移动前沿出现不规则周期性重熔现象，使柱状晶界成非 平直状态，从而影响材料的使用性能。 为迸一步提高材料的性能，在z m l m c 超高梯度定向凝固技术的基础上利 用电磁场可以抑制热对流的优点，引入电磁约束成形技术，实现了具有特定形状的 铸件定向凝固组织的超细化。 研究表明，均衡强磁场能够影响晶体的长大过程和约束晶体的排列方向，并且 可以有效地抑制导电熔体中的热对流。从而改变了凝固过程中的传热、传质过程， 意味着均衡强磁场能改变凝固过程中晶体的生长特性、界面形态、晶体排列及溶 质分布等，全面地影响着材料的凝固过程。因此强磁场在材料凝固过程的应用研 究，有望产生一系列重大的材料制备新理论和新技术。 均衡强磁场与定向凝固技术相结合，将为控制材料凝固组织提供了新的手 段，为了进行探索这种新的凝固手段的机制和超强磁场对凝固特性的影向规律， 我们研制了新型超强磁场下定向凝固试验装置。经过详细的计算、设计、加工、 安装、调试、改进等一系列工作，该装置如期投入了使用。该装置兼有快速液淬 固定液固界面的功能，其主要性能指标为：温度梯度g l = 2 6 0 。c c m ，最高温度1 6 0 0 ，抽拉速度r 2 0 5 1 0 4 u m s ，定向凝固在充h 2 或惰性气体保护气氛下进行。定 向材料最大尺寸为中1 0 1 5 0 r a m 。可实现定向凝固试样在任意位置的快速液淬， 液淬时试样浸入熔池的速度i 5 x1 0 4 um s 发液淬冷却速率大于1 0 4 s 。而且通 过调整试样、加热温度及凝固速率，可满足各种不同要求的定向凝固试验。 经过初步试验发现，金属试样在强磁场作用下凝固，可获得定向排列的台余 上海大学硕士学位论文 凝固组织，为研究金属材料在超强磁场中的凝固特性，提供了实验手段。同时为 高熔点、易氧化合金的凝固及晶体生长理论研究提供了研究工具，并且它还可用 于制备各种新型结构及功能材料的样品。 关键字：实验装置定向凝固超强磁场温度梯度生长速率 占童盔翌堡堂焦笙塞 a b s t r a c t d i r e c t i o n a ls o l i d i f i c a t i o nt e c h n i q u ei su s e da so n eo ft h em a i nm e t h o d st os t u d ) t h eg r o w t ho fc r y s t a la n dt h ee n h a n c eo fm a t e r i a l so r i e n t a t i o n ，w h i c hh a si m p o r t a n t t h e o r e t i c a l m e a n i n g a n da c t u a l a p p l i c a t i o n v a l u e w i t ht h e d e v e l o p m e n t o ft h e d i r e c t i o n a ls o l i d i f i c a t i o nt e c h n i q u e ，t h er e s e a r c ho nt h ed i r e c t i o n a l s o l i d i f i c a t i o ni s c o n t i n u o u s l yd e e p e n e da n d v a r i o u sk i n d so fn e wd i r e c t i o n a ls o l i d i f i c a t i o nt e c h n o l o g i e s a r ee m e r g i n ga st h et i m e sr e q u i r e a c c o m p a n yw i t ht h ed e v e l o p m e n to fh e a tf l o x x c o n t r o lt e c h n i q u e ( d i f f e r e n th e a t i n ga n dc o o l i n gm e t h o d s ) ，t h ed i r e c t i o n a ls o l i d i f i c a t i o n t e c h n i q u eu n d e r g o e s f r o me x o t h e r m i cm o u l d m e t h o d ( o u t s i d e f u r n a c e m e t h o d ) p o w e rd o w nm e t h o d ( p dm e t h o d ) ，a n dh i g hr a p i do fs o l i d i f i c a t i o nm e t h o d ( h r s m e t h o d ) t ol i q u i dm e t a lc o o l i n gm e t h o d ( l m cm e t h o d ) e t c r e c e n t l y , t h ed i r e c t i o n a l s o l i d i f i c a t i o nm e t h o dw i t hu l t r a h i g ht e m p e r a t u r eg r a d i e n ti sd e v e l o p e do nt h ez o n e a r e am e l t i n gt e c h n i q u ec o m b i n i n gw i t hl m cm e t h o d t h et e m p e r a t u r eg r a d i e n ti n f r o n to ft h ei n t e r f a c eo fas i m p l ei si n c r e a s e da n dt h er e s e a r c hf i e l do ft h es u p e r f i n e c o l u m n a r c r y s t a l sm a t e r i a li se x p a n d e d h o w e v e r ，u n d e r t h eh i g ht e m p e r a t u r eg r a d i e n t ，t h ei n t e n s i v ec o n v e c t i o ni nt h em e l t c a nc a u s et i l e l a r g et e m p e r a t u r e sd i s t u r b a n c e w h i c hw i l lb r i n gt h ei r r e g u l a rp e r i o d i c r e m e h i n gp h e n o m e n aa t t h e l i q u i d - s o l i d i n t e r f a c e t h ep h e n o m e n aw i l lr e s u l ti n c r o o k e db o u n d a r i e so fc o l u m n a r c r y s t a l s ，a n de v e nc h a n g et h em a t e r i a l sp r o p e r t i e s o nt h eb a s eo f z m l m c t e c h n i q u e ，t h ee l e c t r o m a g n e t i cr e s t r i c t i o nt e c h n i q u ew a s e x p l o i t e d b yt h i st e c h n i q u e ，t h em i c r o s t r u c t u r eo f ad s a l l o yc a na t t a i ns u p e r f i n e di n p a r t i 吼l l a 卜s h a p e dc a s t i n g t h er e s u h so ft h ed sr e s e a r c h e ss h o w t h a tt h eu n i f o r m m a g n e t i cf i e l dw i t hh i g h f l u xc a l ln o to n l ya f f e c tt h eg r o w t ho f c r y s t a l ，b u ta l s oc a na v a i l a b l yr e p r e s st h eh e a t c o n v e c t i o ni nt h em e l t t h e s ea c t i o n s ，w h i c h c h a n g eh e a ta n dm a s st r a n s f e rd u r i n g s o l i d i f i c a t i o n t h a tm e a nt h eu n i f o r ma n d s t r o n gm a g n e t i cf i e l dc a nc h a n g et h ec r ) r s t a l s g r o 研hb e h a v i o r , t h ei n t e r f a c es h a p e ，t h ea l i g n m e n tc h a r a c t e r i s t i c sa n d t h es o i u t e d i s t r i b u t i o ne t c d u r i n gs o l i d i f i c a t i o n s ot h e yr o u n d l ya f f e c tt h e p r o c e s s e so fm a t e r i a i s f o r m i n gh i g hm a g n e t i cf i e l d sa p p l i c a t i o nd u r i n gs o l i d i f i c a t i o ni sh o p e dt op r o d u c ea 土查奎兰堕堂焦鲨塞 s e r i e so f i m p o r t a n tp r e p a r a t i v e t h e o r i e sa n dt e c h n i q u e sf o rm a t e r i a l sf o r m i n g c o m b i n i n g ah i g hm a g n e t i cf i e l dw i t hd i r e c t i o n a ls o l i d i f i c a t i o nt e c h n i q u ew i l l p r o v i d ean e wm e a n sf o rc o n t r o l l i n g m a t e r i a l ss o l i d i f i c a t i o nm i c r o s t r u c t u r e o nt h e b a s eo ft h i s k n o w l e d g e ，w ed e v e l o p e d ad i r e c t i o n a ls o l i d i f i c a t i o n e x p e r i m e n t a l a p p a r a t u s w i t ha h i g hm a g n e t i cf i e l do fh i g hf l u x 。 t h e a p p a r a t u s h a st h ef o l l o w i n gf u n c t i o n sa s ， 1 ) l i q u i d q u e n c h i n g t of i xt h e l i q u i d - s o l i d i n t e r f a c e w h i c hc a l la c h i e v e l i q u i d q u e n c h i n ga ta n yp o s i t i o no f t h es a m p l ew i t hd i p p i n gs p e e db y1 5 10 4um sa n dc o o l i n gr a t i o nb ym o r et h a n1 0 4 。c s 。 2 ) t h et e m p e r a t u r eg r a d i e n tg l = 2 6 0 。c c m 3 ) t h em a x i m u mt e m p e r a t u r ei s1 6 0 0 。c 4 1w i t h d r a wr a t er = 0 5 1 0 4 u m s 5 ) t h ed i r e c t i o n a ls o l i d i f i c a t i o ne x p e r i m e n t sa r eu n d e r g o n ei nt h ep r o t e c t i o no f f i l l i n gh y d r o g e n o ri n e r tg a s a g a i n s to x i d a t i o n 6 1t h e l a r g e s ts i z eo f t h es a m p l et h a tc a n b e 由1 0 1 5 0 r a m b ya d j u s t i n gs a m p l e s ，h e a t i n gt e m p e r a t u r e a n ds o l i d i f i c a t i o nr a t i o n ，i t c a n a c h i e v ev a r i o u sk i n d so f e x p e r i m e n t sf o rd i f f e r e n tr e q u i r e s t h ep r e l i m i n a r yt e s t ss h o wt h a tt h em i c r o s t r u c t u r eo fm e t a ls a m p l e sc a nc h a n g e o r i e n t i o n a la l i g n m e n t d u r i n gs o l i d i f i c a t i o ni nam a g n e t i cf i e l do f h i g hf l u x i tp r o v i d e s am e a n sf o rs t u d y i n gt h es o l i d i f i c a t i o nb e h a v i o ro fm e t a lm a t e r i a l sa n di ti sa l s oat o o l f o rt h et h e o r e t i c a lr e s e a r c ho f t h ec r y s t a l sg r o w t hb e h a v i o ra tt h es a m et i m e i tc a nb e u s e df o rp r e p a r i n gs a m p l e sf o rv a r i o u sk i n d so f n e w s t r u c t u r a lo rf u n c t i o n a lm a t e r i a l s k e yw o r d s ：d i r e c t i o n a ls o l i d i f i c a t i o na p p a r a t u s ；h i g hm a g n e t i c f i e l d ；t e m p e r a t u r e g r a d i e n t ；g r o w t hr a t e s v 上海大学硕士学僚论文 第1 章序言 随着定向凝固技术的发展，定向凝固的实验研究也不断深入，各种新型定向凝 固炉应运而生。伴随对热流控制( 不同加热、冷却方式) 技术的发展，定向凝固 技术依次经历了发热铸型法( 炉外法) 、功率降低法( p d 法) 、快速凝固法( h r s 法) 、液态金属冷却法( l m c 法) 等发展过程。为迸一步提高材料的性能，近年来 将电磁场与定向凝固技术相结合研制出多功能电磁成形定向凝固设备，西工大利 用电磁场可以抑制热对流的优点，来开发、完善毅型的定向凝固技术p j 。磁性是 物质的基本属性之一，与物质的带电基本粒子的循轨运动和自由运动密切相关， 所以施加磁场将是研究物质的结构和性能的有力武器。然而普通电磁场中的磁场 强度较低。对材料的作用多为加热、搅拌、抑制流体流动等，属于间接的影响和 动力学条件的改变、对材料本身的直接影响较小。强磁场可通过使物质磁化将巨 大的能量无接触地输入体系中。明显改变体系的热力学状态，从而影响材料加工 过程中多科t 平衡过程，改变材料的物性和组成原子的排列、匹配和迁移的行为， 引起强场过冷、场致相变等特殊现象，对材料的组织和性能产生根本性的深刻影 响。 有搬道 j j ，均衡强磁场还能够影响晶体的长大过程和约束晶体的排列方向，并 且可以有效地抑制导电熔体中的热对流。从而改变了凝固过程中晶体的生长特性、 界面形态、晶体排列及溶质分布等，全面地影响着材料的凝固过程。若将均衡强 磁场与定向凝固技术相结合，将为控制材料凝固组织提供了新的手段，基于这样 的认识，我们提出了研制新型超强磁场下定向凝固试验装置课题，并加以实施。 上海大学硕士学位论文 第2 章文献综述 材料的使用性能是由其组织形态来决定的。因此，包括成分调整在内，人们通 过控制材料的制备过程以获得理想的组织从而使材料具有所希望的使用性能控 制凝固过程己成为提高传统材料的性能和开发新材料的重要途径。定向凝固技术 由于能得到一些具有特殊取向的组织和优异性能的材料，因而自它诞生以来得到 了迅速的发展【“，目前已广泛地应用于半导体材料、磁性材料以及自生复合材料 的生产。 定向凝固技术是使金属或合金在熔体中定向生长晶体的一种工艺方法，就是 指凝围过程采用强制手段。在凝固金属和未凝固熔体中建立起沿特定方向的温度 梯度，从而使熔体在型壁上形核后沿着与热流相反的方向，按要求的结晶取向进 行凝固的技术，该技术最初是在高温合金研制中建立和完善起来的。采用和发展 该技术最初是用来消除结晶过程中生成的横向晶界，从而提高材料的单向力学性 能hj 。定向凝固技术运用于燃汽涡轮发动机叶片的生产，所获得的具有柱状晶乃 至单晶组织的材料具有优良的抗热冲击性能、较长的疲劳寿命、较高的抗蠕变性， 因而提高了叶片的使用寿命和使用温度，成为当时震动冶金界和工业界的重大事 件忆 定向凝固技术除用于高温合金的研制外，还逐渐推广到半导体材料、磁性材 料、复合材料的制各中。它不仅是生产纵向性能较优材料( 如定向单晶、磁性材 料、涡轮叶片) 的基本手段，也是研究凝固理论和研制新材料的重要方法。凝固 过程中固液界面前沿液相中的温度梯度g l 和固液界面向前推进速度，即晶体生 长速率r 是定向凝固技术的重要工艺参数由凝固理论可知f 6 | ，结晶前沿不出现 成分过冷的判掘是： 鱼噬! 二墅( 2 1 ) r 。d k 2 , a ( 2 i ) 可以看出，大温度梯度、较小凝固速率，可避免固液界面前沿出现成 分过冷t 有利于保持平直的固液界面，保证起始择优取向晶体的稳定生k 。另 方面，为了实现稳定的不中断的柱状晶生长，生长固液界面前沿的熔液中，不应 上海大学硕士学位论文 出现新的结晶核心。可以看到定向凝固技术的改进发展也就是人们围绕着实现上 述两个条件的不懈努力。 2 1 定向凝固技术发展 热流控制是定向凝固技术中的重要环节，获得并保持单向热流是定向凝固成 功的重要保证。伴随对热流的控制( 不同加热、冷却方式) 技术的发展，定向凝 固技术经历了发热铸型发( 炉外法) 、功率降低发( p d 法) 、快速凝固法( h r s 法) 、液态会属冷却法( l m c 法) 等发展过程口j 。 2 1 1 传统的定向凝固技术 ( 1 ) 炉外结晶法f 发热铸型法) i ” 所谓的炉外结晶法就是将熔化好的会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，使铸件自上而下进行凝固，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( p d 法) f 8 】 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，会属则自下而 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 ) 快速凝固法( h r s ) 1 9 】 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b r i d g m a n 晶体 牛 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，采用空冷的方式，而且炉子 保持加热状态。这种方法由于避免了炉膛的影响，且利用空气冷却，因而获得了较 高的温度梯度和冷却速度，所获得的柱状晶问距较长，组织细密挺直且较均匀， 使铸件的性能得以提高，在生产中的到了广泛的应用。 ( 4 ) 液态盒属冷却法( l m c 法一0 1 上海火学硕士学位论文 h r s 法是由辐射换热来冷却的，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h r s 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，同时在液态金属 的外侧进行水冷，形成了一种新的定向凝固技术，即l m c 法。采用这种方法使 液态金属直接与铸件相接触，液态金属与凝固界面之间换热系数很大，因此提高 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。 常用的液态金属有纯s n 和g a i n s n 合金，其熔点低，热容量大，冷却效果好。 2 1 ，2 传统定向凝固技术存在的问题 不论是炉外法，还是炉内法，也不论是功率降低法，还是快速凝固法，它们的主要 缺点是冷却速度太慢，即使是液态金属冷却法，其冷却速度仍不够高，这样产生 的一个弊端就是使得凝固组织有充分的时间长大、粗化，以致产生严重的枝晶偏 析，限制了材料性能的提高。造成冷却速度慢的主要原因是凝固界面与液相中最 高温度面距离太远，固液界面并不处于最佳位置，因此所获得的温度梯度不大， 这样为了保证界面前液相中没有稳定的结晶核心的形成，所能允许的最大凝固速 度就有限。表1 为不同定向凝固方法的主要冶金参数。 表1 不同定向凝固方法的主要冶金参数 为了更迸一步提高材料的各项使用性能和综合性能，有必要对传统定向凝固 技术进行改造，充分吸收其它凝固技术如快速凝固等的优点，尽量克服传统定向 ；疑固技术的缺点和不足，充分发挥定向凝固技术能获得单向组织的优势。因此， 在保证单向热流的前提下采用各种控制措施获得较高的冷却速度，研制出新型 定向凝同技术，并在此基础上研制出新型高性能结构材料及功能材料。 2 1 3 新型定向凝固技术 ( 1 ) z m l m c 法f 1 1 1 2 1 最近，人们通过改变加热和冷却方式，以实现强制加热和冷却的各种有机结合， 圭整盔堂堡堂垡堡墨 可以在固液界而一卜获得较高的温度梯度。李建国等通过改变加热方式，在l m c 法 的基础 二发展了一种新型定向凝固技术，区域熔化液态金属冷却法，即z m l m c 法。该方法将区域熔化与液态金属冷却相结合，利用感应加热集中对凝固界面前 沿液相进行加热，从而有效地提高了固液界面前沿的温度梯度。他们研制的 z m l m c 定向凝固装置，最高温度梯度可达1 3 0 0 k c m ，最大冷却速度可达5 0 k s 。 相应的所允许抽拉速度也大为增高，由于这种方法大幅度提高了温度梯度和所允 许的凝固速度，因此冷却速度得到提高，达到了亚快速凝固水平。为研究在亚快 凝固速度时材料的组织、形态等提供了实验手段。应用z m l m c 法，可以使高温 合金定向凝固一次枝晶和二次枝晶间距得到非常明显的细化【b 、1 乱。 亚快速定向凝固技术的一个显著特点是，通过提高温度梯度，扩大所允许的 凝固速度范围，从而提高冷却速度，达到细化组织、减小偏析和提高使用性能的 目的。但是，单纯采用强制加热的方法以求提高温度梯度从而提高凝固速度，仍 不能获得很大的冷却速度，因为需要散发掉的热量相对而言更多了，故冷却速度 提高受到一定的限制，亚快速凝固阶段已很不容易，开拓更大冷却速率的定向凝固 技术成为了人们追求的目标 ( 2 ) 深过冷定向凝固( d u d s ) ”“”1 过冷熔体中的定向凝固首先由b l u x 等在1 9 8 1 年提出其基本原理是将盛有金 属液的坩埚置于一激冷基座上，在金属液被动力学过冷的同时，金属液内建立起一 个自下而上的温度梯度，冷却过程中温度最低的底部先形核，晶体自下丽上生长， 形成定向排列的树枝晶骨架，其间是残余的金属液。在随后的冷却过程中，这些金 属液依靠向外界散热而向已有的枝晶骨架上凝固，最终获得了定向；疑固组织。与传 统定向凝固工艺相比，深过冷定向凝固法具有下述特点： 铸件和炉子间无相对运动，省去了复杂的传动和控制装置，大大降低了设备 要求； 凝固过程中热量散失快，铸件生长率高。传统的定向凝固按术是一端加热， 一端冷却，需要导出的热量不仅包括结晶潜热和熔体的过热热量，还要导出加热炉 不断传输陔铸件热端的热量，且传热过程严格限制在一维方向，故生产率极低。在 深过冷定向凝固中，导出的热量只包括结晶潜热和熔体的过热热量，而且铸件的散 热可在三维方向进行，故铸件的生产周期短： 更重要的是，定向凝固组织形成过程中的晶体生长速度高，组织结构细小， 上海人学硕士学位论文 微观成分偏析程度低，促使铸件的各种力学性能大幅度提高。如用深过冷定向凝固 法生产的) , f a r m 一2 0 0n f 片，其常温极限抗拉强度提高1 4 ，高温极限抗拉强度提高 4 0 ，抗高温蠕变能力也得到了改善。李德林等”“通过进行a 卜c u 合金的动力学过冷 定向凝固试验，获得了较为满意的定向凝固组织，并提出了深过冷快速定向凝固 技术的新概念，从而为这种新型定向凝固技术的发展注入了新的活力。2 f 3 】激光超高温度梯度快速定向凝固m l s j 定向凝固技术发展的历史就是不断提高温度梯度和凝固速率的历史：随着快 速凝固技术的发展及其在材料研究和制备中的广泛应用，以往建立在低速低温度 梯度条件下的凝固理论逐渐显现出其局限性。有的甚至不再适用，理论迫切需要 建立在更高的温度梯度和凝固速率范围内的定向凝固实验规律，特别是凝固体系 在靠近绝对稳定性速度时的凝固行为”。常规的定向凝固方法( 包括区熔液态会 属冷却法”。) 由于受加热方法的限制，温度梯度不可能再有很大的提高，要使温 度梯度产生新的飞跃，必须寻求新的热源或加热方式 自七一t 一年代大功率激光器问世以来，在材料的加工和制备过程中得到了广泛 的应用。在激光表面快速熔凝时，凝固界面的温度梯度可高达5 x1 0 4 k c m 凝崮 速度高达数米每秒。但一般的激光表面熔凝过程并不是定向凝固，因为熔池内部 局部温度梯度和凝固速度是不断变化的，且两者都不能独立控制；同时凝固组织 是从基体外延生长的，界面上不同位置的生长方向也不相同。然而，激光能量高度 集中的特性，使它具备了在作为定向凝固热源时可能获得比现有定向凝固方法高 得多的温度梯度的可能性。早在七十年代，c l i n e 2j 】等就利用9 0wc w n d ：y a g 激 光器作为热源来定向凝固制作a 1 a 1 2 c u 、p d c d 共晶薄膜，得到了规则的层片状 共晶组织，通过计算得到凝固时的温度梯度分别可达2 4 x1 04 k c m 和1 1 1 0 4 k c m 。而且由于凝固速度也显著提高，因而冷却速率比z m l m c 技术提高一个 数量级以上。c l 夕p ，还通过激光定向凝固首次在镍基高温合金中得到了一种完全 无侧向分枝、接近无偏析的超细胞晶。这种超细胞晶是典型的快速凝固组织。由 于上述探索性实验只是为了证实激光定向凝固是否可行，并未采取特别的温度控 制措施也未系统探索获得更大温度梯度的工艺条件，因而进一步提高激光定向 凝围温度梯度的潜力还很大 ( 4 ) 电场作用下的定向凝固 直流电场应用于余属凝固是一种新兴的控制凝固组织、细化晶粒的有效手段 土查点堂堡堂堕堡塞 一 但将直流电场应用于定向凝固却并不多见。根据电流的作用机制，不难理解若将 电场作用于凝固体系，会使凝固组织得以改变的试验事实j ：电场能提n s n b i 5 合 金胞晶生长向枝晶生长转变的临界生长速度；增大平面生长向胞晶方式转变的临 界生长速度：改变胞晶形态；减小胞晶间距。电场还能减小a 卜c u 共晶合金的片 问距：。常国威等人。“5 1 以c u a l 合会为材料，在定向凝固过程中通以不同大小的 电流，结果发现柱状晶间距随电流密度的增大近似呈直线下降。 ( 5 )电磁约束成形定向凝固技术( d s e m s ) ”州 电磁约束成形定向凝固技术是将电磁约束成形技术与定向凝固技术相结合而 产生的一种新型定向凝固技术。该技术利用电磁感应加热熔化感应器内的金属材 料，并利用在金属熔体表层部分产生的电磁压力来约束已熔化的金属熔体成形。 同时，冷却介质与铸件表面直接接触，增强了铸件固相的冷却能力，在固液界面 附近熔体内可以产生很高的温度梯度，使凝固组织超细化，显著提高铸件的表面 质量和内在综合性能。而工业上广泛应用的l m c 法由于是采用熔模精铸型壳 使合金凝固成形的，粗厚、导热性能差的陶瓷模壳一方面严重降低了合金熔体中 的温度梯度和凝固速度，另一方面模壳在高温下对铸件产生污染，降低了材料的 性能。z m l m c 法只限于实验室研究使用，无法实现工业化。因此，电磁约束成 形定向凝固工艺将成为种很有竞争力的定向凝固技术。但孩技术涉及电磁流体 力学、冶金、凝固以及自动控制等多学科领域，目前还处于研究阶段。 2 2 定向凝固技术的应用及凝固理论的研究进展 2 2 1 定向凝固技术的工业应用 应用定向凝固方法，得到单方向生长的柱状晶，甚至单晶，不产生横向晶界， 较大地提高了材料的单向力学性能，因此定向凝固技术已成为富有生命力的i q k 扛产手段，应用也r 益广泛。目前，定向凝固技术的最主要应用是生产具有均匀柱 状晶组织的铸件，特别是在航空领域生产高温合金的发动机叶片，与普通铸造方法 获得的铸件相比，它使叶片的高温强度、抗蠕变和持久性能、热疲劳性能得到大幅 度提高! 。对于磁性材料，应用定向凝固技术，可使柱状晶排列方向与磁化方向一 致，大大改善了材料的磁性能”。定向凝固技术也是制各单晶的有效方法。定向 凝固技术还广泛用于自生复合材料的生产制造，用定向凝固方法得到的自生复合 材料消除了其它复合材料制备过程中增强相与基体间界面的影响，使复合材料的 性能大大提高。“”。 上海大学硕士学位论文 2 2 2 定向凝固理论的研究进展 定向凝固技术的另一个重要应用就是用于凝固理论的研究，定向凝固技术的发 展直接推动了凝固理论的发展和深入。从c h a l m e r s 等j ”的成分过冷理论到 l l i n s 等：。：的界面稳定动力学理论( m s 理论) ，人们对凝固过程有了更深刻的认 识。m s 理论成功地预言了：随着生长速度的提高，固液界面形态将经历从平界面 一胞晶一树枝晶一胞晶一带状组织一绝对稳定平界面的转变。枝晶胞品一次问距 选择的历史相关性及容许范围的发现。1 ，是近年来凝固理论研究的重大进展之 ，它导致在凝固界流行了十多年的定向凝固理论退出历史舞台，并成为以非平 衡自组织理论为指导的新的定向凝固理论的实验基础。但关于枝晶胞晶一次间 距选择历史相关性及容许范围的实验目前都是在低温梯度( 3 0 0k c m ) 和低凝固 速率( 5 0 0 “m s ) 下进行的。理论迫切需要在更高的温度梯度和凝固速率范围内 的定向凝固实验规律，特别是凝固体系在靠近绝对稳定性速度时的凝固行为。在 过去的理论和实验研究中，关注的是凝固速率而忽视温度梯度的影响。近年来对 m s 理论界面稳定性条件所做的进一步分析表明，m s 理论还隐含着另一种绝对稳定 性现象，即当温度梯度g 超过一临界值g a 时，温度梯度的稳定化效应会完全克服 溶质扩散的不稳定化效应，这时无论凝固速度如何，界面总是稳定的，这种绝对 稳定性称为高梯度绝对稳定性。“。由于没有明确的理论判据以及实验技术的限制， 在过去兰1 多年中，高梯度绝对稳定性被不适当地忽视了。最近，我们采用数学 分析与数值计算相结合的方法，给出了高梯度绝对稳定性临界条件的简明的表达 式c 对大多数合金，实现高梯度绝对稳定性的临界温度梯度在5 0 0 0 k c m 以上，远 远超过常规的定向凝固方法包括z m l m c 方法所能达到的温度梯度。因此，寻求新 的实验方法实现高梯度绝对稳定性，揭示在这种极端条件下凝固过程的新现象和 新规律，并在此基础上对陔新现象予以更加准确的理论描述，成为当前急需进行 的具有重大理论意义的研究工作。 2 3 存在的问题及展望 虽然初步的实验结果表明深过冷定向凝固技术、电磁约束成形定向凝固技术以 及激光超高温度梯度快速定向凝固技术具有广阔的应用前景，但是目目u 尚存在一 些问题需要解决。 上海大学硕十学位论文 如何在深过冷状态下保证完整的定向凝固组织的获得? 如何获得多元合金的 深过冷? 目前，深过冷的研究还局限于纯金属或简单的二元台金。如何获得由多 元工程合金的制备具有一定外形的零件是关系到该技术能否实用化的主要问题。 电磁约束成形定向凝固技术是一项涉及电磁流体力学、冶金、凝固阻及自动 控制等多学科的技术，各种工艺参数如电磁压力、加热密度、抽拉速度的选择将 决定铸件的表观质量和性能，目前还处于研究阶段。激光超高温度梯度快速定向 凝固技术存在的主要问题是：如何控制热流的方向使固液界面的生长方向与激光 束的扫描方向一致，实现传统意义上的定向凝固目前该工作正在进行之中。 纵观定向凝固技术发展的历史就是温度梯度和凝固速度不断提高的历史。随 着实验技术的改进和人们的努力，新一代的定向凝固技术必将为新材料的制各和 新加工技术的开发提供广阔的前景，也必将使凝固理论得到完善和发展。 传统的定向凝固技术，其固液界面前沿的温度梯度均不大，分析萁原因，主 要是凝固界面与液相中最高温度面距离太远，固液界面并不处于最佳位置，因此 所获温度梯度不大。虽然区域熔化液态金属冷却法，即z m l m c 法，通过改变加 热和冷却方式，以实现强制加热和冷却的各种有机结合，可以在固液界面上获得 较高的温度梯度。同时大幅度提高了所允许的凝固速度，因此冷却速度得到提高， 达到了亚快速凝固水平。但许多文献表明在高温度梯度下，熔体中存在着强烈的 对流。晶体生长中热对流的作用之一是加强固液界面的传质，也就是溅小溶质边 界的厚度。另外一个作用是产生热梯度。这两个作用都有利于柱状晶的生长与纠 化，但热对流还有一个重要的作用是温度的波动，当温度波动达到固液界面处，将 会导致不稳定的界面运动。如果波动的振幅增大，则平均生长速度会降低，而界 面移动前会出现周期性重熔现象，使柱状晶界成非平直状态，从而影响材料的使 用性能。义有许多文献表明陋3 6 ”j ，磁场可以抑制热对流，如在晶体生长期阿施 加磁场抑制熔体无规则热对流的流动，使熔体在磁场作用下，流体单元受到洛伦兹 力的作用，使得这种无规则的热对流运动受到阻碍以至完全被抑制，从而有效地抑 制熔体中固液界面处的温度波动所造成的微观生长速度的起伏，能有效地提高晶 体内在质量，同时均衡强磁场又能够影响晶体的长大过程和约束晶体的排列方向 1 3 8 j , 从而改变了凝固过程中晶体的生长特性、界面形态、晶体排列及溶质分布等， 全面地影口向着材料的凝固过程。开发研制在强磁场下的液态金属冷却定向凝固装 上海大学硕十学位论文 置，将可为人们提供一个研究在强磁场下生长特性、界面特性等规律的有效试验 手段。 上海大学硕士学位论文 第3 章定向凝固装置设计的构思 该装簧的设计思路是使强静磁场与l m c 定向凝固装置相结合，通过超强磁场 来改变凝固组织的生长特性。以取得对其规律性认识。这里的静强磁场是大能量， 无接触性，稳定的定向场，对于体系中含有铁磁性或具有磁各相异性的弱磁性晶体 的凝固过程，有可能利用强磁场控制此类晶体的生长方向，大小和速率，从而控 制体系的凝固过程，获得平行于磁场方向纤维组织。用恒定磁场抑制对流，使实际 的生长速度增大，从而使得纤维间距 减小。生长速度越高，磁场对熔体的作用就 越强因而对纤维组织间距的影响就越明显。磁场强度越大，磁场对熔体中的对流 的抑制能力更强，实际的生长速度更大，纤维组织的间距也就更小。另一方面，磁 场对对流的抑制，使得固液界面前沿的溶质输运只能以纯扩散的方式进行，因而 其长大能力减小，故其纤维直径也减小。因而在强磁场下凝固，组织分布更加均 匀。可以看到，开始研制强磁场下定向凝固装置不仅可以用来生产高性能磁性材 料，并对于制备单晶，自生复合材料的组织改进也具有现实意义。 为了实现开展在强磁场下定向凝固过程的研究目标，浚凝固装罱的设计应遵 循以下几条思路： 1 ) 为了丌展各种合金系的定向凝固特性研究，陔定向凝固装置必须具备足够的 加热能力，使包括铁基合金在内的合金均能熔化。一般来讲装置的最低温度不 应低于l5 5 0 ； 2 ) 为能提供磁场对凝固过程影响规律的研究手段，应选用尽可能强的可调节磁 场，本装嚣选用了场强0 1 4 t 连续可调的磁场作为磁场。 3 ) 同样，作为定向凝固场的工艺参数：g l ( 温度梯度) 、r ( 生长速率) 成能 在尽可能大范围内连续可调，控制精度要高并应在整个试验过程中保持恒定。 4 ) 为了实现对定向凝固时，液固界面特性的考察研究，装置应具备液淬固定液 固界丽的功能。 5 ) 该装置应能解决在试验过程中试样与装置中零部件的氧化及污染等问题，试 验应在真空或保护气氛中进行，并应有相应的安全、防爆等措施。 我们的试验装置就是在这样的思路下，漫计、制造完成的。 占查盔堂堡：兰堡堡塞 第4 章装置的设计原理 4 1 磁场下的凝固特性 把熔化金属置于直流磁场中，由于自然对流、凝固收缩等原因使熔化金属内 部产生流动时，处于直流磁场中的流动金属液体必将产生感应电流，其作用原理 如图1 所示。 在处于x 方向的直流磁束b x 作用下，若 有z 向流速为v z 的金属液流，则在y 方向 产生感应电流j y ，浚感应电流及作用该系统 的磁束b x ，使其感应生成体积力f x 图1 磁场与液体金属相互作用原理图 式中 f x = - - o p - o v z h x( 4 - 1 ) o 一电导率q 。1 m ； - t o - - 导磁率，h 1 i l v z 流体运动速度，m s h x 一磁场强度，t m h 根据左手定则，该体积力的方向与流速v z 反向，其大小与流速成正比。 由此可知，直流磁束有抑制熔融金属中磁束方向以外的流动作用，这种抑制作用 将促进柱状晶的发展，形成革晶生长的有利条件l 捌。 另一方面，磁性是物质的基本属性之一，不管顺磁物还是抗磁物质在凝固过 程中，将会最大可能地来减少其磁各向异性能e 。f 4 0 ) 其磁各向异性能可以表达为 e o e c o s 2 0 _ 一ve c o s 2 0 ( 4 2 ) v 是微粒的体积，e 是微粒的磁各向异性能 1 e 2 t t o a z v h ，( 4 3 ) n 是两个不同晶体学方向上磁化率的差值，0 是磁场方向h 。与最大磁化率方向 的夹角。晶体受到的磁矩r 4 l j ： r = 一等= 幽i n 2 t 9 ( 4 4 ) d e i 。 如果晶体能够自由移动，它的最大磁化率将趋向于磁场平行的方向，在凝固的初 始阶段，假使熔体中结晶析出一些自由移动的晶核，如果这些粒子的磁各向异性 上海火学硕十学位论文 能足够大的话，外磁场将促使晶体沿外磁场方向取向生长【_ 1 2 】。这将有利于制备磁 化率较大的磁性材料。 4 2 单向热流温度场的建立 定向凝固装置将炉体用隔热挡板分为加热区、绝热区和冷却区。试样以某 一恒定速度由加热区被逐渐拉入冷却区中。在加热段和冷却段，试样与周围环境 进行强烈的侧向热交换。而在绝热段试样侧壁与环境无热交换，试样内部只沿轴 向进行热传递。在加热区和冷