（材料学专业论文）电磁场对镍基高温合金k403定向凝固组织的影响研究.pdf

摘要 里巴 巴 巴 巴 里巴 一里里里里里里口曰.口里里里里里里里里里旦组旦旦困旦旦旦.组旦典 摘要 为了减少材料在熔化成形过程中的污染以及改善材料的组织和性能， 材料研 究工作者提出在材料加工过程中引入电磁场的办法。 随着研究的深入， 逐渐开发 出了电磁悬浮熔炼技术、 冷柑祸感应熔炼技术、 电磁铸造以及磁悬浮熔体处理技 术等多种电磁加工技术并付诸应用。 但是， 到目 前为止， 关于电磁场对金属定向 凝固过程中组织的作用规律和性能的影响规律的研究并不多见。 本文选取镍基高 温合金k 4 0 3 为实验材料， 在不同强度的电 磁场下进行了高温合金的定向凝固试 验， 研究了不同电磁场下定向 凝固样件凝固组织和凝固特性的差异， 揭示了电 磁 场作用对高温合金组织及性能的影响规律。本文主要研究内容及结论如下: 研究了电 磁场对合金定向凝固组织的影响，结果表明，电磁场的作用会使 柱状晶的生长方向 发生改变， 迎着流动一侧倾斜; 电磁场的搅拌作用使柱状晶的 晶 粒 细 化; 随 着 磁场强 度 增加， 合 金 显 微 组织 一次 枝晶 间 距入 减小， 二次 枝 晶 臂 变细， 二次枝晶的生长明显受到抑制; 随着电磁场作用的增强， 碳化物的形态也 逐渐由块状转向片状、汉字体状。 研究了电 磁场对固 液界面y 相溶质分配系数k ; 的 影响， 结果表明， 无论 合 金 元 素i 的 溶 质 平 衡 分配 系数k o ,， 大 于 还是 小 于1 ， 电 磁 场的 作 用都 使衬 趋 近 于t o 本文还研究了电 磁场对厂相析出的影响。随着电 磁场增强， 微观组织中厂相颗 粒数量增多， 而且y i 相面积百 分含量增加，y相颗粒平均尺寸增大。 关键词:电磁场高温合金定向凝固 凝固 特性溶质分配系数 西北工业大学工学硕 卜 学位论文 abs tract t o p r e v e n t e n v i r o n m e n t b e in g p o l l u t e d d u r i n g t h e p r o c e s s o f p r o c e s s o f m a te r i a l m a c h i n i n g a n d f o r m i n g p r o c e s s i n g , m a t e r ia l r e s e a r c h e r s b r o u g h t f o r w a r d t h e i d e a o f i n t r o d u c i n g m a g n e t i c f i l e d i n t h e m a t e r i a l m a c h i n i n g p r o c e s s . a s w o r k b e e n d o n e c o n f i n i n g t o g o a n d d e e p i n t o s u c h r e s e a r c h e s , v a r i o u s k i n d s o f e mc s ( e l e c t r o m a g n s h a p i n g ) t e c h n o l o g i e s s u c h c o l d c r u c i b l e i n d u c t i o n me l t i n g p r o c e s s a s e ml ( e l e c t r o m a g n e t i c l e v i t a t i o n )， e mc ( e l e c t r o m a g n e t i c c a s t in g ) a n d m s m p ( m a g n e t i c s u s p e n s i o n m e l t i n g p r o c e s s ) h a s b e e n g r a d u a l l y e x p l o i t e d a n d p u t in t o a p p l i a n c e . h o w e v e r , t h e r e a r e s t i l l l i tt l e r e p o rt s u p o n t h e r e s e a r c h c o n c e r n in g t h e e l e c t r o m a g n e t i c f i e ld s i n f l u e n c e o n s o l i d i f ie d s t r u c t u r e a n d p e r f o r m a n c e c o u r s e o f m e t a l s o l i d i fi c a t i o n p r o c e s s k 4 0 3 t e s t s a m p l e , t h e t h e s i s c a r r i e d n o w . c h o o s i n g n i c k e l b a s e d e x p e r i m e n t s o f d u r i n g t h e s u p e r - a l l o y d i r e c t i o n a l s o l i d i f i c a t i o n a n d i n v e s t i g a t e d s a m p l e s u n d e r e l e c t r o m a g n e t i c t h e i n fl u e n c e l a w o f e l e c t r c o v e r s t r u c t u r e t h e t h e s i s f i n a l l y u n v e i l e d m a g n e t i c f i e l d e ff e c t o n s u p e r - a l l o y s t r u c t u r e a n d p e r f o rm a n c e . t h e m a i n r e s e a r c h c o n t e n t s a n d r e s u l t s a r e p r e s e n t e d a s f o l l o w i n g . t h e i n fl u e n c e o f e l e c t r o m a g n e t i c f i e l d o n s u p e r - a ll o y d i r e c t i o n a l s o l i d i f i c a t i o n p r o c e s s i s r e s e a r c h e d ; r e s u l t s o f t h e i n fl u e n c e a re l i s t e d b e l o w . e l e c t r o m a g n e t i c f o r c e c h a n g e s t h e g r o w t h d ir e c t i o n o f c o l u m n a r c ry s t a l s w h i c h i n c l i n e t o t h e fl o w d i r e c t i o n ; e l e c t r o m a g n e t i c s t i r r i n g f o r c e w o u l d r e f i n e c ry s t a l g r a in s o f c o l u m n a r c ry s t a l s , a t t h e s a m e t i m e c ry s t a l g r a i n s d i s t r i b u t e u n i f o r m ly a n d t h i n i n t h e w h o l e c a s t i n g . w i t h t h e i n c r e a s e o f e l e c t r o m a g n e t i c f i e l d in t e n s i t y , t h e p r i m a ry in t e r d e n d r i t i c s p a c i n g入 d e c r e a s e s ; s e c o n d d e n d r i t e a r m d i m i n i s h ; g r o w t h o f s e c o n d d e n d r i t e c r y s t a l s h a s b e e n o v e r w h e l m i n g l y r e s t r a i n e d ; c a r b i d e m o r p h o l o g y h a s t r a n s f o rme d b l o c k s h a p e i n t o s h e e t a n d c h i n e s e c h a r a c t e r s t y l e . t h e e ff e c t o f e l e c t r o m a g n e t i c f i e l d o n g a m m a p h a s e c o e f f i c ie n t o f s o lu t e d is trib u t io n a t s o l id - liq u id in te r f a c e k , i s r e s e a r c h e d . t h e r e s u l t s h o w s t h a t 1 1 abs t r ac t e l e c t r o m a g n e t i c f ie l d e f f e c t a p p r o x im a t e s k ; t o 1 n o t m e n t i o n h o w m u c h t h e b a l a n c e d c o e ff ic i e n t o f s o l u te d is t r i b u t io n k o ,; i s , b i g g e r o r s m a l l e r t h a n 1 . t h e i n fl u e n c e o f e l e c t r o m a g n e t i c f i e l d o n y p h a s e p r e c i p i t a t i o n i s a l s o s t u d i e d . r e s e a r c h r e s u l t s s h o w t h a t w i t h t h e i n c r e a s e o f e l e c t r o m a g n e t i c f i e l d i n t e n s it y , t h e a m o u n t o f y p h a s e a n d m e a n s i z e o f尸p h a s e p a r t i c l e s i n c r e a s e , y p h a s e a r e a r a t i o i n c r e a s e a n d m e a n s i z e o f y p h a s e p a r t i c l e i n c r e a s e k e y w o r d s : e l e c t r o m a g n e t i c f i e l d ; s u p e r a l l o y ; d i r e c t i o n a l s o l i d i f i c a t i o n ; s o l i d i f i c a t i o n c h a r a c t e r i s t i c s ; c o e ffi c i e n t o f s o l u t e d i s t r i b u t i o n i i i 第 1 章 文献综述 第 1 章 文献综述 ， . ， 前言 材料是制造业的基础，从某种意义上说，经济的发展取决于材料及其制备 过程。在新的世纪里，能源、材料和环境之间的联系不再被忽略，可持续发展 已 成为关键的问 题。 近 1 0年来， 材料电 磁加_ ( 简称 e p m , e l e c t r o m a g n e t ic p r o c e s s i n g o f m a t e r ia l s ) 己 成为 材料 科 学和 材 料制 备 领域重 要的 研究方向 ， 它己 从 开始的改进传统的工艺过程发展成为开发新材料、新工艺的重要源泉 1 1 随着高科技及相应产业对先进金属材料的需求日 益迫切，大量的先进材料 如n i , t i , n b , z : 及其合金广泛应用于航空、 航天、能源、交通及化工等产业。 据n a s a z 统 计， 到本 世 纪初 航空 航 天 未 来 发 动机 用材 仅n i 与t i 及其 合 金即占 全部材料用量的 7 0 %。利用电磁加工技术直接由液体成形坯件和构件可能是实 现上述要求的重要途径。 ， . 2 电磁场在材料加工中的应用 1 . 2 . 1 电磁悬浮熔炼技术 电 磁 悬浮 3 1 ( e l e c t r o m a g n e t i c l e v i t a t i o n ， 简 称e m l ) 技 术是 利 用 通入 线圈 的交变电流以及金属熔体的感应电流在空间产生电磁力将金属悬浮在空间，与 周围无任何接触的条件下进行感应加热熔化、 过热熔炼等， 其原理如图 1 - 1所 不 。 利用高 频电 磁场对金属进行悬浮是 m u c k 1 9 2 3年提出的 4 1 ， 首次的 实 验是 o k r e s s 等人1 9 5 2 年完 成5 1 。 随 后陆 续出 现了 许多 种线圈 装置 6 -8 1 ， 以 便能 悬 浮起 更多的金属。 1 9 6 4 年r o n y 首次比 较全面地总结了e m l 技术的研究成果， 给出 了 详尽的理论分析和一整套实用的数据图 表9 1 电磁悬浮熔炼技术综合运用了电磁场对负载材料的加热升温功能和悬浮功 能，即以电磁压力抵消负载所受重力，使负载在失重状态下被加热熔化，其基 第 1 章 文献综述 第 1 章 文献综述 ， . ， 前言 材料是制造业的基础，从某种意义上说，经济的发展取决于材料及其制备 过程。在新的世纪里，能源、材料和环境之间的联系不再被忽略，可持续发展 已 成为关键的问 题。 近 1 0年来， 材料电 磁加_ ( 简称 e p m , e l e c t r o m a g n e t ic p r o c e s s i n g o f m a t e r ia l s ) 己 成为 材料 科 学和 材 料制 备 领域重 要的 研究方向 ， 它己 从 开始的改进传统的工艺过程发展成为开发新材料、新工艺的重要源泉 1 1 随着高科技及相应产业对先进金属材料的需求日 益迫切，大量的先进材料 如n i , t i , n b , z : 及其合金广泛应用于航空、 航天、能源、交通及化工等产业。 据n a s a z 统 计， 到本 世 纪初 航空 航 天 未 来 发 动机 用材 仅n i 与t i 及其 合 金即占 全部材料用量的 7 0 %。利用电磁加工技术直接由液体成形坯件和构件可能是实 现上述要求的重要途径。 ， . 2 电磁场在材料加工中的应用 1 . 2 . 1 电磁悬浮熔炼技术 电 磁 悬浮 3 1 ( e l e c t r o m a g n e t i c l e v i t a t i o n ， 简 称e m l ) 技 术是 利 用 通入 线圈 的交变电流以及金属熔体的感应电流在空间产生电磁力将金属悬浮在空间，与 周围无任何接触的条件下进行感应加热熔化、 过热熔炼等， 其原理如图 1 - 1所 不 。 利用高 频电 磁场对金属进行悬浮是 m u c k 1 9 2 3年提出的 4 1 ， 首次的 实 验是 o k r e s s 等人1 9 5 2 年完 成5 1 。 随 后陆 续出 现了 许多 种线圈 装置 6 -8 1 ， 以 便能 悬 浮起 更多的金属。 1 9 6 4 年r o n y 首次比 较全面地总结了e m l 技术的研究成果， 给出 了 详尽的理论分析和一整套实用的数据图 表9 1 电磁悬浮熔炼技术综合运用了电磁场对负载材料的加热升温功能和悬浮功 能，即以电磁压力抵消负载所受重力，使负载在失重状态下被加热熔化，其基 西北工业大学工学硕士学位论文 本原理可表述为: f , l w二 ( 1 一 1 ) q t = - 3 g ( x x b o ) b l 2 p p , 3 rrr h ( x x b幻 / (7 d ( 1 一 2 ) x = r l 8 二 r 忡f 1 1 / 2 ( 1 - 3 ) 其中 度， 凡为电 磁悬浮力 q : 为负 载吸收功率，w为负载重量，b 为 磁感应强 r 为 负 载 半 径， g (x ) 为 悬 浮 力 !a x is o r 函 数 ， h ( x ) 为 加 热 函 数，f 为 电 磁 场 频率， n 。 为 空间 导 磁 率。 显 而 易见， 电 磁悬浮力的大小与电磁场 的强度和梯度有关， ， 而加热则主要 依赖于电磁场的强度。 值得注意的 是， ( 1 - 1 ) 式所表示的电磁悬浮力 具有旋转力的形式。 更进一步的研 究可以看到，随着频率f 的增大， 妞 网 以汤 d 比m e k n x l e v i 以目m 目 七 。 图1 - 1电磁悬浮原理示意图 f i g - 1 - 1 p r i n c i n l e o f f ml 集 肤 深 度s 减小 ， 悬 浮 力 函 数g ( x ) 很 快 地 趋 近 于1 后 基本 保 持 稳定 ， 加 热 函 数 h (x ) 则 不 断 增 大。 这 也 就 是 说 ， 提 高电 磁 场的 频 率 对 加 热 熔 化 非 常 有 有 利 ， 但 当频率到一定程度后，频率对悬浮力的影响并不明显。因此，稳定的悬浮要求 适当的频率和较高的电磁场强度和梯度，快速加热熔化则希望采用较高的频率 和适度的电 磁场强度， 这就是双频电 磁悬浮熔炼的 基本原理 t o 川。 e m l 技术的主要优点是无污染、 熔体均匀、 加热熔化速度快以及表面气液 相平衡速度快等。它可用于制备高纯、高活性、放射性和高熔点材料。它还能 用于制备某些极易偏析的合金或亚稳合金， 包括一些在应用上有很大潜力的高 温超导合金3 1 。 采用此技术可以在地面模拟太空条件， 进行各种微重力研究 1 2 , 1 3 测量物质的一些热物性参数，如测量表面张力、比热、粘度等。电磁悬浮熔炼 技术的另一重要用途是净化液态金属以获得大的过冷度，采用氮气、氢气等冷 却， 在深过冷的基础上进行快速冷却，凝固后制成微晶、纳米晶、准晶或非晶 第 1 章 文献综述 态 金 属 14 10 与冷增蜗熔炼技术相比， e m l技术存在熔炼量小 ( 以克计算) 、电 效率低、 技术复杂、 操作困难以 及温度控制难等致命缺点。因此， e ml 技术的发展远远 落后于冷柑锅技术的发展， 长时间停留在实验室和理论研究阶段， 直到8 0 年代 末期h e r l a c h 和l o h o f e : 等人开展了双频电磁悬浮熔炼技术的研究， 才为电磁悬 浮 技术 注 入了 新的 活 力 1 1,1 5 ,1 6 1 。 双 频 和多 频电 磁 悬浮 技术 是电 磁悬 浮技 术的 一 次 重 大改 进， 也 是 该技 术发 展的 延 续。 据 文 献 10 1j r 道， 利用双频电 磁悬 浮 技术己 能稳定悬浮重量达1 k g 的铝块，克服了单频电 磁悬浮技术悬浮重量有限 ( 仅几 十克) 、 温度控制较难等一系列缺点， 但同时也使电磁悬浮技术更加复杂， 带来 了 其它一些问 题。目 前双、多频电磁悬浮技术中加热功率和悬浮力的 计算以及 悬 浮 稳定 性 方面的 研究已 取得了 很大 进展p s ,1 6 1 1 . 2 . 2 冷增塌感应熔炼技术 早在7 0 年代就出 现了 利用水冷增祸熔炼活性金属的凝壳熔炼技术， 水冷柑 竭与金属熔体之间存在一层由金属熔体重凝而形成的凝壳，相当于用所熔炼金 属制成增塌内衬，柑锅内表面与金属熔体的成分相同，从而避免了陶瓷增锅对 金属熔体产生污染。水冷增竭熔炼技术可采用不同的加热方式 1 7 1如自 耗电极 电 弧、非自 耗电极电弧、等离子弧以 及感应加热等。自 耗电极电弧炉对电极的 质量、耗材的要求很高;电子束及等离子弧熔炼炉需要较大功率的电源，成本 较高，此外由于熔池较浅，只有增大熔池表面积才能增大熔池容量，相应地增 加了 合金元素的烧损， 不利于成分控制。由 此产生了感应加热水冷柑蜗熔炼技 术 ( c o l d c ru c ib le i n d u c t i o n m e lt in g p r o c e s s ) . 冷 增 锅 感 应 熔 炼 技 术 起 源 于 感 应 渣 熔 炼 技 术 1 8 1 ( i n d u c t o s la g m e l tin g ) ， 主要 用于钦废料熔炼回收。为了减少熔渣给凝固 金属带来的污染，开发了 无渣分瓣 水 冷 铜增锅 感应熔炼技 术。 起 初， 此 技术被 称为感 应壳熔炼技术( i n d u c t i o n s k u l l m e l t in g ) ， 主要是因为 熔炼过 程的 开 始阶段炉底存在凝壳， 后来进一 步发 展为没 有凝壳和熔渣的现代形式的冷柑祸感应熔炼技术 ( c o l d c ru c i b l e i n d u c t i o n m e l t i n g ) 。 最初的实践表明， 当 采用导电 增竭熔炼金属时，由于集肤效应， 柑锅 本身发热， 产生的热量绝大部分被冷却水带走。 美国b mi 研究所将铜增锅开缝 第 1 章 文献综述 态 金 属 14 10 与冷增蜗熔炼技术相比， e m l技术存在熔炼量小 ( 以克计算) 、电 效率低、 技术复杂、 操作困难以 及温度控制难等致命缺点。因此， e ml 技术的发展远远 落后于冷柑锅技术的发展， 长时间停留在实验室和理论研究阶段， 直到8 0 年代 末期h e r l a c h 和l o h o f e : 等人开展了双频电磁悬浮熔炼技术的研究， 才为电磁悬 浮 技术 注 入了 新的 活 力 1 1,1 5 ,1 6 1 。 双 频 和多 频电 磁 悬浮 技术 是电 磁悬 浮技 术的 一 次 重 大改 进， 也 是 该技 术发 展的 延 续。 据 文 献 10 1j r 道， 利用双频电 磁悬 浮 技术己 能稳定悬浮重量达1 k g 的铝块，克服了单频电 磁悬浮技术悬浮重量有限 ( 仅几 十克) 、 温度控制较难等一系列缺点， 但同时也使电磁悬浮技术更加复杂， 带来 了 其它一些问 题。目 前双、多频电磁悬浮技术中加热功率和悬浮力的 计算以及 悬 浮 稳定 性 方面的 研究已 取得了 很大 进展p s ,1 6 1 1 . 2 . 2 冷增塌感应熔炼技术 早在7 0 年代就出 现了 利用水冷增祸熔炼活性金属的凝壳熔炼技术， 水冷柑 竭与金属熔体之间存在一层由金属熔体重凝而形成的凝壳，相当于用所熔炼金 属制成增塌内衬，柑锅内表面与金属熔体的成分相同，从而避免了陶瓷增锅对 金属熔体产生污染。水冷增竭熔炼技术可采用不同的加热方式 1 7 1如自 耗电极 电 弧、非自 耗电极电弧、等离子弧以 及感应加热等。自 耗电极电弧炉对电极的 质量、耗材的要求很高;电子束及等离子弧熔炼炉需要较大功率的电源，成本 较高，此外由于熔池较浅，只有增大熔池表面积才能增大熔池容量，相应地增 加了 合金元素的烧损， 不利于成分控制。由 此产生了感应加热水冷柑蜗熔炼技 术 ( c o l d c ru c ib le i n d u c t i o n m e lt in g p r o c e s s ) . 冷 增 锅 感 应 熔 炼 技 术 起 源 于 感 应 渣 熔 炼 技 术 1 8 1 ( i n d u c t o s la g m e l tin g ) ， 主要 用于钦废料熔炼回收。为了减少熔渣给凝固 金属带来的污染，开发了 无渣分瓣 水 冷 铜增锅 感应熔炼技 术。 起 初， 此 技术被 称为感 应壳熔炼技术( i n d u c t i o n s k u l l m e l t in g ) ， 主要是因为 熔炼过 程的 开 始阶段炉底存在凝壳， 后来进一 步发 展为没 有凝壳和熔渣的现代形式的冷柑祸感应熔炼技术 ( c o l d c ru c i b l e i n d u c t i o n m e l t i n g ) 。 最初的实践表明， 当 采用导电 增竭熔炼金属时，由于集肤效应， 柑锅 本身发热， 产生的热量绝大部分被冷却水带走。 美国b mi 研究所将铜增锅开缝 西北工业大学工学硕士学位论文 以 切断感应电流回路，测量不同频率下增锅磁场的衰减情况表明，不开缝的增 锅内磁场衰减殆尽，开缝后磁场衰减很少，功率主要消耗在熔炼金属上，从而 大大提高了电效率 1 9 .2 2 1 图 1 - 2为两种冷增锅结构的示意图，冷堪竭由数个弧形块或管线组成，各 块间彼此绝缘不构成回路，每一块都产生感应电 流。由于在相邻两管的邻近截 面上，电流方向相反彼此之间建立的磁场方向相同，使管间的磁场增强，因而 冷增祸每一缝隙都是强磁场，并由于环状效应所致在柑祸内形成强化磁场，促 进金属的熔化并施加电 磁搅拌，提高了熔体温度和成分的均匀性。与此同时， 柑祸内 磁场与炉料中感应电流相互作用，产生电磁压力垂直指向金属熔体将熔 体 推离 柑祸壁。 冷柑塌的电 磁感应 熔炼有以 下几 个方面的 特点 1 8 1 : ( 1 ) 在无 图1 - 2感应加热水冷增祸结构示意图 f i g . 1 - 2 t a b l e m a t i c s k e t c h o f c o l d c ru c i b l e i n d u c t i o n m e l t i n g 柑祸污染环境下对材料进行熔炼和处理;( 2 ) 熔体在感应加热过程中 被电 磁搅 拌，提高了金属熔体温度和成分的均匀性;( 3 )增锅不受熔炼金属熔点和活泼 性的影响，增竭寿命长。 邓康等对水冷增祸悬浮熔炼过程电磁场的数值分析进行了较为系统的研究 12 3 -2 7 1 ， 研究的内 容主要是针对水冷增祸悬浮熔炼过程的电 磁场计算及优化问题， 给出准三维计算模型及其修改的藕合电流算法，并对水冷增锅结构、电 源频率 和熔体电物性等对增祸空间内电磁场强度与分布的影响进行了分析。该研究为 水冷增塌结构的优化设计提供了依据。 冷柑祸技术特别适用于熔炼活泼金属、难熔金属、高纯金属以 及放射性材 料等 1 8 1 。 但冷增锅 技术仍然 存在 着自 身 难以 克 服的 缺点， 如设备一次 性 投资大、 电效率低、 约束成形的形状简单等， 在一定程度上限制了其大规模的工业应用。 第 1 章 文献综述 1 . 2 . 3 磁悬浮熔体处理技术 磁悬浮熔体处理技术 ( m a g n e t i c s u s p e n s i o n m e l t i n g p r o c e s s ，简称m s m p ) 是将固 态金属无污染 熔化后浇注成零件的 技术， 它是 美国 a l a b a m a 大学n a g y 等人在开展电磁感应熔炼技术的基础上， 借鉴冷增祸熔炼技术而发明的。 图1 - 3 是 该 技术的 实 验装 置和电 磁 成形 原 理示 意图 12 8 .3 0 1 。 从图中 可看出， 该 技术 主 要 是利用移动感应器中通入的交变电流将冷却支架上的固态金属无接触从上至下 加热熔化，并利用感应器内 磁场和液态金属感应出的涡流之间相互作用产生的 电 磁压力， 使熔化的液态金属在无接触条件下保持一定的形状，同时由于电磁 搅拌力的作用使金属熔体中的 气体和夹杂物上浮，净化熔体，当固态金属全部 熔化后，底漏浇注到下部真空室的成形模壳中，达到成形零件的目 的。 牙 indaclw 仁 卜 il l 日 i xk ( b ) 原理示意图 ( a )装置示意图 图1 - 3磁悬浮熔体处理技术的原理及实验装置示意图 f i g . 1 - 3 t h e p r i n c i p l e o f ms m p a n d a p p a r a t u s u s e d f o r ms mp m s m p 技术由于采用直接感应加热， 热效率能达到5 0 %左右， 远远高于冷 柑 祸技 术 ( 5 % - 1 0 %) 12 8 1 。 从原 理 上 看， 磁 悬 浮 熔体处 理 技术的 关 键 就是 如何 控制电磁力稳定地将熔化的金属约束住，并实现温度的控制，使液态金属有一 定的过热度。 在磁悬浮熔体处理技术中，固态金属的半悬浮熔化可减轻污染， 凝固成形在真空中进行，适用于高熔点、活泼性特种合金。成形时采用模壳可 实现复杂构件的精确成形。 但ms mp 技术的最终成形仍然在模壳中形成，类似 于精密铸造，仍需制备模壳的全套工艺及相应材料，工艺复杂;凝固过程中熔 西北工业大学工学硕士学位论文 体与模壳长时间接触，仍可能存在界面反应，没有完全消除模壳材料对熔体的 污染。同时，凝固速率与组织较难控制。 1 . 2 . 4电 磁连续铸造技术 电 磁 铸 造 ( e l e c t r o m a g n e t ic c as t in g , 简称e m c ) 装 置和 原理 示意 图 2 3 如 图 1 - 4 和图1 - 5 所示。当感应器中通入交变电流，在感应器内产生交变电磁场，交 流盘2节流阀 3 浮标漏斗 4屏蔽罩 5液态金属柱6冷却水环 7感应器 8调距螺栓 9盖板1 0铸锭1 1底模 图i - 4电 磁铸造装置示意图 f 谊 . 1 - 4 a p p a r a t u s u s e d f o r e l e c t r o m a g n e t i c c a s t i n g 1 屏蔽罩 2感应电 流 3熔融流体 4感应器 5线圈电 流 6磁感应线 7 铸锭 8电 磁力 图1 - 5电磁铸造原理图 f i g . 1 - 5 p r in c i p l e o f e l e c t r o m a g n e t i c c a s t i n g 变磁场与金属熔体内的感应电流相互作用形成指向 熔体内部的电磁压力，当电 磁压力与熔体的静压力平衡后，金属熔体获得稳定的截面形状。在感应器下方 西北工业大学工学硕士学位论文 体与模壳长时间接触，仍可能存在界面反应，没有完全消除模壳材料对熔体的 污染。同时，凝固速率与组织较难控制。 1 . 2 . 4电 磁连续铸造技术 电 磁 铸 造 ( e l e c t r o m a g n e t ic c as t in g , 简称e m c ) 装 置和 原理 示意 图 2 3 如 图 1 - 4 和图1 - 5 所示。当感应器中通入交变电流，在感应器内产生交变电磁场，交 流盘2节流阀 3 浮标漏斗 4屏蔽罩 5液态金属柱6冷却水环 7感应器 8调距螺栓 9盖板1 0铸锭1 1底模 图i - 4电 磁铸造装置示意图 f 谊 . 1 - 4 a p p a r a t u s u s e d f o r e l e c t r o m a g n e t i c c a s t i n g 1 屏蔽罩 2感应电 流 3熔融流体 4感应器 5线圈电 流 6磁感应线 7 铸锭 8电 磁力 图1 - 5电磁铸造原理图 f i g . 1 - 5 p r in c i p l e o f e l e c t r o m a g n e t i c c a s t i n g 变磁场与金属熔体内的感应电流相互作用形成指向 熔体内部的电磁压力，当电 磁压力与熔体的静压力平衡后，金属熔体获得稳定的截面形状。在感应器下方 第 1 章 文献综述 喷水冷却， 液态金属与感应器无任何接触， 金属熔体保持自由 表面状态下凝固， 底模向下移动，从上方不断注入铝液，保持液柱高度不变，就可连续铸造出表 面光滑的铸锭。在电磁连续铸造中由 于金属熔体是在自由表面状态下凝固，而 且冷却介质直接作用于金属表面产生强烈的冷却效果，加上金属液的冲刷作用 使铸锭组织发生很大变化， 铸锭表面质量显著提高。因此电 磁连续铸造铸锭表 现出优异的后续加工性能和良 好的使用性能，为此电磁连续铸造研究已经成为 当今国内外焦点。 电 磁铸造技术是2 0 世纪六十年代由 原苏联g e t s e l e v z . n . 发明的 【3 1,3 2 1 ， 并于 1 9 6 9 年 在美国申 请了 专 利 3 3 1 。 早期 的电 磁 铸 造 技术 用于 铸造圆 锭， 后 来主 要 侧 重 于电 磁 铸造 扁锭技 术的 研 究 3 4 1 。 后来 美国 、 瑞士、日 本等国 将 该技 术陆 续 应 用于铝及其合金等铸锭的连续铸造。电磁铸造法不仅生产规模逐年扩大，而且 计算 机 在线 控 制的多 锭 ( 5 - 7 锭) 铸 造 技术己 逐 步 成 熟 3 5 .3 fi 国外在成功地开发了 各种截面、各种尺寸、各类品种铝合金电磁铸造的同 时， 在更广泛的范围内 进一步发展电 磁铸造技术，主要表现在如下几个方面: ( 1 ) 开发生产异型截面坯件的电磁铸造技术。 美国o l in 公司发明了 一种生产 透 平机 叶片 的电 磁 铸造 法 3 1 0 ( 2 ) 除 铝 外， 铜、 镁、 锌、 秘、 锡等 3 8 1都 成了e m c 的 试验和研究对象， 并取得了 不同 程度的进展。 美国o l in公司已 于1 9 8 2 年成 功 地 应 用电 磁铸 造技 术 制 造了 商 用规 格的 铜 合 金 扁 锭 3 9 1 。日 本 和 法国 在实 验室 开 展 批 量 试生 产 小型 钢坯的电 磁 连铸 4 0 1 . ( 3 ) 水 平电 磁 铸造 技术的 开 发。 浅井 滋生等首先开发了 用静磁场通以 直流电 的 水平电 磁铸造4 1 1 ，可 铸造小口 径圆锭 ( l o m m 以下)以及薄板。( 4 )电磁铸造铸锭凝固组织的研究。p ri t c h e tt对电 磁铸造铸锭结晶组织进行了研究，表明电磁搅拌对细化晶粒、减少偏析有利 4 2 - 4 5 1 ; 控制搅拌的不均匀性，强化铸锭中心的搅拌，抑制表面流动是获得光滑 表 面又细化组织的 关键4 6 ,4 7 ,4 8 ) 。 ( 5 ) 在e m c 理论 研究方面也取得了 许多 重 要成 果， 这对指导电 磁铸造技术的发展起着重要的作用。1 9 8 3 年由多布兹特库姆主 编的 电 磁结晶 器中 的 连 续 铸 造 2 3 】一 书， 不 仅 详 细论 述了 连铸 各 种铸 锭的 电磁 场基本理论，而且对电磁铸造的工艺参数、铸锭的结构和性能以及装备等也进 行了详细的分析。日 本的浅井兹生对电磁感应电流的基本公式、电磁感应电流 的分析、电磁力对凝固组织影响和高频磁场控制熔融金属的形状等方面均进行 西北工业大学工学硕士学位论文 了 较深 入的 阐述【4 9 。 美国 的 舍克 里以 及 迈耶、 艾卡 达、 维韦斯、 里考等人对电 磁铸造过程中的电 磁场、 流场的 数值解析、 实验模拟进行了多方面的 研究5 0 ,1 1 电 磁铸造法与传统的带有结晶器的铸造法 ( d c 法) 相比，具有三个主要特 点5 2 . 5 5 : ( 1 )由 于金属熔体不与铸模接触， 铸件表面质量好，不需要进行去皮 加工 成材率高 ( d c法切除量达 1 5 % - 2 0 % ) ; ( 2 )未凝固的金属液受到一定程 度的电 磁搅拌且冷却强度大， 故晶 粒细小， 成份偏析小， 所得材料力学性能好; ( 3 ) 铸速可增大1 0 % -3 0 % ，生产效率高。 但由于电磁铸造中熔化是在单独的熔化炉中完成，材料熔炼过程仍然存在 污染，整个成形过程在非真空条件下进行，而且熔体在凝固成形过程中 温度和 组织均难于调节，因此能熔化、 成形的合金种类有限，无法用于许多高熔点、 高活性特种合金的无污染熔化和成形。 1 . 3 定向凝固技术 对于作为航空发动机叶片材料 一高温合金来说， 不仅要求具有其具有一定 的高温强度和良 好的塑性， 而且要求其具有其它良 好的力学性能( 如疲劳性能) ， 而要达到这些目的，通常采用定向 凝固工艺。 单向 凝固柱状晶铸件与用于普通 铸造方法的得到的铸件相比，前者可减少偏析、疏松等，而且形成了 取向平行 于主应力轴的晶粒，基本上消除了 垂直应力轴的横向晶界， 使高温合金的高温 强度、蠕变和持久特性、 热疲劳性能有大幅度的改善，使航空发动机叶片的力 学性能有了新的飞跃。 定向 凝固技术又称单向 凝固技术可用于模拟合金的凝固过程， 研究凝固界 面形态、凝固组织、制备定向自 生复合材料和单晶，同时也是制备高质量航空 发动机和单晶叶片及其某些功能 材料十分有效的技术手段 5 6 ,5 7 定向凝固技术的重要工艺参数: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 o g i/ r值是控制晶 体长大 形态的重要判据。 在提高g l 的条件下增加r ， 才能获得所要求的晶体形态、 细 化组织，改善质量，并且提高定向凝固铸件的生产率。定向凝固技术和装置不 断改进， 其中技术关键之一是致力于提高固液界面前沿的温度梯度g l 。 其发展 大致经历了如下四个阶段:功率降低法、高速凝固法、液态金属冷却法、区域 西北工业大学工学硕士学位论文 了 较深 入的 阐述【4 9 。 美国 的 舍克 里以 及 迈耶、 艾卡 达、 维韦斯、 里考等人对电 磁铸造过程中的电 磁场、 流场的 数值解析、 实验模拟进行了多方面的 研究5 0 ,1 1 电 磁铸造法与传统的带有结晶器的铸造法 ( d c 法) 相比，具有三个主要特 点5 2 . 5 5 : ( 1 )由 于金属熔体不与铸模接触， 铸件表面质量好，不需要进行去皮 加工 成材率高 ( d c法切除量达 1 5 % - 2 0 % ) ; ( 2 )未凝固的金属液受到一定程 度的电 磁搅拌且冷却强度大， 故晶 粒细小， 成份偏析小， 所得材料力学性能好; ( 3 ) 铸速可增大1 0 % -3 0 % ，生产效率高。 但由于电磁铸造中熔化是在单独的熔化炉中完成，材料熔炼过程仍然存在 污染，整个成形过程在非真空条件下进行，而且熔体在凝固成形过程中 温度和 组织均难于调节，因此能熔化、 成形的合金种类有限，无法用于许多高熔点、 高活性特种合金的无污染熔化和成形。 1 . 3 定向凝固技术 对于作为航空发动机叶片材料 一高温合金来说， 不仅要求具有其具有一定 的高温强度和良 好的塑性， 而且要求其具有其它良 好的力学性能( 如疲劳性能) ， 而要达到这些目的，通常采用定向 凝固工艺。 单向 凝固柱状晶铸件与用于普通 铸造方法的得到的铸件相比，前者可减少偏析、疏松等，而且形成了 取向平行 于主应力轴的晶粒，基本上消除了 垂直应力轴的横向晶界， 使高温合金的高温 强度、蠕变和持久特性、 热疲劳性能有大幅度的改善，使航空发动机叶片的力 学性能有了新的飞跃。 定向 凝固技术又称单向 凝固技术可用于模拟合金的凝固过程， 研究凝固界 面形态、凝固组织、制备定向自 生复合材料和单晶，同时也是制备高质量航空 发动机和单晶叶片及其某些功能 材料十分有效的技术手段 5 6 ,5 7 定向凝固技术的重要工艺参数: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 o g i/ r值是控制晶 体长大 形态的重要判据。 在提高g l 的条件下增加r ， 才能获得所要求的晶体形态、 细 化组织，改善质量，并且提高定向凝固铸件的生产率。定向凝固技术和装置不 断改进， 其中技术关键之一是致力于提高固液界面前沿的温度梯度g l 。 其发展 大致经历了如下四个阶段:功率降低法、高速凝固法、液态金属冷却法、区域 第 1 章 文献综述 熔化一 液态金属冷却法。 1 . 3 . 1 功率降低法 图1 - 6 为功率降低法 ( p o w e r d o w n ，简称p d )定向 凝固装置示意图 5 8 1 。把 一个开底的模壳放在水冷底盘上，石墨感应发热器放在分为上下两部分的感应 器内，加热时上下两部分感应器全通电，在模壳内建立起所要求的温度场，然 后注入过热的合金液。 此时下部感应器停电， 通过调节输入上部感应器的功率， 使之产生一个轴向 温度梯度。在功率降 低法中，热量主要通过已 凝固部分及冷 却底盘由冷却水带走。由于其散热条件无明显改善， 因此其组织仍不是很理想， 所获得的柱状晶区较短，并且柱状晶之间的平行度差，甚至产生放射形凝固组 织。合金的微观组织在不同部位差异较大。这种工艺的温度梯度最小，在 1 0 k c m 左 右 ， 故 应 用 不 是 很 广 泛 5 9 ,6 0 ,6 9 1 1 . 3 . 2 高速凝固法 高 速 凝固 法( h i g h r a p id s o l o d i f ic a t io n , 简 称h r s ) 16 1 装 置示 意图 如图1 - 7 示。高