（材料加工工程专业论文）熔体过热处理对alcu合金熔体结构和定向凝固组织、性能的影响.pdf

江苏大学硕士学位毕业论文 摘要 本文在大量试验的基础上建立了a 1 c u 合金熔体结构物理模型，研究了熔体 过热处理对a 1 c u 合金熔体结构的影响；在温度梯度、抽拉速率一定的条件下， 研究了熔体过热处理( 熔体过熟温度t 。、熔体过热时间t s 和低温保持时间t h ) 对 a 1 4 7 c u 合金定向凝固组织形态及一次枝晶间距的影响：在电子万能试验机上 测出经不同过热处理后定向凝固试样的应力一应变曲线；用扫描电镜分析了 a 1 4 7 c u 合金定向凝固试样拉伸后的断口形貌；用x r d 分析了不同熔体过热 处理定向凝固的晶体取向：探讨了熔体过热处理影响最终组织、性能及晶体取向 的内在机制，以期能够丰富凝固理论、指导生产实践。 研究结果表明：a i c u 合金过热熔体不可逆微观不均匀区主要包括不可逆类 固型原子团簇、可逆类固型原子团簇、可逆类液型原子团簇和短程序：a 1 c u 合 金熔体过热处理会使熔体结构状态发生不可逆变化，使熔体的结构敏感物性参数 如粘滞系数t 1 和溶质扩散系数d l 出现滞后效应表现出滞回现象，并使形核过冷 度t 增加；熔体过热处理对a 1 4 7 c u 合金定向凝固组织及力学性能有显著影 响，经过9 5 0 和1 0 5 0 过热处理的一次枝晶间距九l 比在7 5 0 。c 无过热直接定 向凝固的减小了3 0 以上ia 1 4 7 c u 合金非定向凝固试样失效形式为脆性断 裂，而经不同熔体过热处理后a 1 4 7 c u 合金定向凝固试样失效形式则表现为韧 性断裂，定向凝固试样力学性能比非定向凝固的要好，强度提高了近6 0 ，延 伸率提高了近一倍；通过熔体过热处理的a i 4 7 c u 合金定向凝固试样，其富 c u 相明显减少，韧窝数量显著增加；a i 4 7 c u 合金枝晶沿择优方向 生长， 而且随着熔体过热温度的提高，( 1 0 0 ) 晶面衍射强度减弱，表明晶面取向产生分 支现象；熔体过热处理之所以对a 1 - 4 7 c u 合金定向凝固组织、力学性能及晶 体取向有显著影响，是因为熔体过热处理改变了熔体的结构状态，液态金属结构 的改变直接影响了最终的组织、性能及晶体取向。 关键词：熔体过热处理，定向凝固，a l - 4 7 c u 合金，一次枝晶间距 力学性能，晶体取向。微观不均匀区 a b s t r a c t f i r s t l y ，t h ep h y s i c a lm o d e l so fa l c ub a s e da l l o ym e l t sw e r ep u tf o r w a r dt h r o u g h m a n ye x p e r i m e n t s ，a n d t h e nt h ep a p e rs t u d i e dt h ei n f l u e n c eo fm e l ts u p e r h e a t t r e a t m e n to na i c ua l l o ym e l t u n d e rt h ec o n s t a n tg i v e nc o n d i t i o n so ft e c h n o l o g i c a l p a r a m e t e r s ，a s t h e r m a lg r a d i e n t ，w i t h d r a wv e l o c i t y , e t c ；t h ei n f l u e n c eo fm e l t s u p e r h e a tt r e a t m e n t ( i n c l u d i n gs u p e r h e a t i n gt e m p e r a t u r et s ，s u p e r h e a t i n gt i m et s ，a n d l o wt e m p e r a t u r eh o l d i n gt i m et oo nt h es 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 ea n dt h ep r i m a r y d e n d r i t ea r r ns p a c i n go fd i r e c t i o n a l l ys o l i d i f i e da 1 4 7 c ua l l o yw a ss t u d i e d t h e s t r e s s s t r a i nc u r v e so fd i r e c t i o n a l l ys o l i d i f i e ds p e c i m e n sa f t e rd i f f e r e n ts u p e r h e a t t r e a t m e n tw e r e m e a s u r e db ye l e c t r o n i cu n i v e r s a lm a t e r i a lt e s t e r , t h e i rf r a c t u r e m o r p h o l o g yw a sa n a l y z e db ys e m a n dt h e i rc r y s t a lo r i e n t a t i o nw a sa n a l y z e db yx r d w ed i s c u s s e dt h ei n n e rm e c h a n i s mo ft h ei n f l u e n c eo fm e l ts u p e r h e a tt r e a t m e n t0 n s o l i d i f i c a t i o n s t r u c t u r e ，p r o p e n y a n d c r y s t a l o r i e n t a t i o ni no r d e rt oe n r i c h s o l i d i f i c a t i o nt h e o r ya n di n s t r u c tp r a c t i c e t h er e s u l ts h o w st h a tt h eh e t e r o g e n e o u sp h e n o m e n o no fi r r e v e r s i b l es o l i d - l i k e c l u s t e r s ，r e v e r s i b l es o l i d l i k ec l u s t e r s ，r e v e r s i b l el i q u i d - l i k e c l u s t e r sa n ds h o r t p r o c e d u r em a yb ep r e s e n ts i m u l t a n e o u s l yi nt h ea 1 一c ua l l o ym e l t s t h es u p e r h e a t t r e a t m e n to fa i - c ua l l o yc a r tm a k em e l tc o n f i g u r a t i o ns t a t ec h a n g ei r r e v e r s i b l y , t h e s e n s i t i v em a t e r i a lp r o p e r t yp a r a m e t e rs u c ha sv i s c o u sc o e f f i c i e n tqa n ds o l u t e d i f f u s i o nc o e f f i c i e n td ls h o w sh y s t e r e s i se f f e c ta n dc r y s t a l l i z a t i o nu a d e r c o o l i n ga t d e c r e a s e s t h em e l ts u p e r h e a tt r e a t m e n tc a ni n f l u e n c et h ed i r e c t i o n a l l ys o l i d i f i e d s t r u c t u r ea n dm e c h a n i c a lp r o p e g yo b v i o u s l y ，t h ep r i m a r yd e n d r i t e 卸蕊s p a c i n g 九1o f t h es a m p l et r e a t e db ys u p e r h e a tt e m p e r a t u r e9 5 0 a n d1 0 5 0 d e c r e a s e sb ym o r e 3 0 t h a nt h a to f t h es a m p l et r e a t e db ys u p e r h e a tt e m p e r a t u r e7 5 0 t h ei n a c t i v a t i o n f o r mo f a l - 4 7 c ua l l o ys a m p l et h a ti sn o td i r e c t i o n a ls o l i d i f i c a t i o ni sb r i t t l ef r a c t i o n w h i l et h a to fd i r e e t i o n a l l ys o l i d i f i e da l 4 7 c ua l l o ys a m p l et r e a t e db yd i f f e r e n t s u p e r h e a tt r e a t m e n t i s t o u g hf r a c t u r e t h em e c h a n i c sp r o p e r t yo fd i r e c t i o n a l l y s o l i d i f i e ds a m p l ei sb e r e rt h a nt h a to fn o n ed i r e c t i o n a l l ys o l i d i f i e ds a m p l e , t h e s t r e n g t ho f t h ef o r m e ri n c r e a s e sb y6 0 a n dt h ee l o n g a t i o ni n c r e a s e sb yn e a r l y1 0 0 t h ed i r e c t i o n a l l ys o l i d i f i e da 1 4 7 c ua l l o ys a m p l ea f t e rt r e a t e db ys u p e r h e a t t r e a t m e n t ，i t sc u r i c hp h a s ed e c r e a s e so b v i o u s l ya n di t sd i m p l en u m b e ri n c r e a s e s i l 江苏大学硕士学位毕业论文 o b v i o u s l y , t h ed e n d r i t e so fa i 一4 7 c ua l l o yg r o wa l o n gw i t hp r e f e r r e do r i e n t a t i o n t h ed i f f r a c t i o ni n t e n s i o no fc r y s t a lf a c e ( 1 0 0 ) l o w e r sw i t ht h ei n c r e a s eo f s u p e r h e a tt e m p e r a t u r e ，w h i c hs h o w st h a tt h eb r a n c h e so ft h ec r y s t a lf a c eo r i e n t a t i o n h a p p e n t h er e a s o nw h ys u p e r h e a tt r e a t m e n t c a ni n f l u e n c et h em i c r o s t r u c t u r e ， m e c h a n i c sp r o p e r t ya n dc r y s t a lo r i e n t a t i o no b v i o u s l yi st h a ts u p e r h e a tt r e a t m e n t c h a n g e st h em e l ts t r u c t u r es t a t ea n dt h ec h a n g eo ft h el i q u i dm e t a ls t r u c t u r ei s r e s p o n s et ot h ei n f l u e n c e k e yw o r d s ：m e l ts u p e r h e a tt r e a t m e n t ，d i r e c t i o n a ls o l i d i f i c a t i o n ， a l 4 7 c ua l l o y , t h ep r i m a 叮d e n d r i t ea n t is p a c i n g ， t h em e c h a n i c a l p r o p e r t y , c r y s t a lo r i e n t a t i o n ， m i c r oh e t e r o g e n e o u sr e g i o n i i i 学位论文版权使用授权书 本学位论文作者完全了解学校有关保留、使用学位论文的规定，同意学位保留并向国家 有芙部门或机构送交论文的复印件和电子版，允许论文被查阅和借阅。本人授权江苏大学可 以将本学位论文的全部内容或部分内容编入有关数据库进行检索，可以采用影印、缩印或扫 描等复制手段保存和汇编本学位论文。 保 本学位论文属丁 密口在年解密后适用本授权书。 不但窜 学位论文作者签名：小吮记指导教师签名：司乃1 暂 、口1 巧i 年月7 日川年白月7 日 本人郑重声明：所呈交的学位论文，是本人在导师的指导下， 独立进行研究工作所取得的成果。除文中已经注明引用的内容以 外，本论文不包含任何其他个人或集体已经发表或撰写过的作品 成果。对本文的研究做出重要贡献的个人和集体，均已在文中以 明确方式标明。本人完全意识到本声明的法律结果由本人承担。 学位论文作者签名：羽嚷灰 日期：砷r 年月7 日 江苏大学硕士学位毕业论文 第一章绪论 定向凝固技术是伴随着高温合金的发展而逐步发展起来的。该技术最初用来 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】。由于定向凝 固技术能得到一些具有特殊组织取向和优异性能的材料，因而自它诞生以来得到 了迅速发展1 2 】，目前已广泛地应用于半导体材料、磁性材料以及自身复合材料的 生产。同时，由于定向凝固技术的出现，也为凝固理论的研究和发展提供了实验 基础( 由于理论处理过程的简单化) ，因为在定向凝固过程中温度梯度和凝固速 率这两个重要的凝固参数能够独立变化，从而可以分别研究它们对凝固过程的影 响。此外，定向凝固组织非常规则，便于准确测量其形态和尺度特征。近些年来， 随着定向凝固技术的发展，定向凝固的试验研究也不断深入i 引。 液态金属的结构和品质对金属材料的组织、性能和质量有着直接和重要的影 响。金属或合金的液态结构不仅与金属的种类和合金的成分有关，而且也与熔体 的温度以及熔体的热历史有关1 4 。因此，国内外都十分重视对液态金属结构和性 质的研究。随着凝固技术和团簇物理学的发展，人们越来越关注熔体结构对最终 凝固组织的影响，对凝固过程的研究逐步延伸到凝固开始前的液态金属结构对凝 固组织的影响。 1 1 定向凝固概述 1 1 1 定向凝固的理论基础 固液界面稳定性是一个十分重要的问题。成分过冷理论能成功地判定无偏析 特征的平面凝固的条件，避免胞晶或枝晶的生成。随着快速凝固的发展，又提出 了绝对稳定理论，同样能成功地判定快速凝固时平面凝固的条件。 c h a l m e r s 、t i l l e r i s , 6 】等人在研究中发现在合金中液固界面前沿由于溶质富集 将会产生“成分过冷”导致平界面失稳而形成胞晶和枝晶，首次提出了著名的“成 分过冷”判据： c ，“， m l c ，o ( k 。o - 1 ) ( 1 1 ) v七。仇 、 式中，g l 为液固界面前沿液相温度梯度，v 是界面生长速度，m l 、c o 、k o 和d l 江苏大学硕士学位毕业论文 分别为液相线斜率、合金平均成分、平衡溶质分配系数和液相中溶质扩散系数。 据此可以得到平界面稳定生长的i 临界速度 玩：gldl(1-2) ，。0 式中，a t o = m c c o ( k o - 1 ) k o 。a t o 是合金平衡结晶温度间隔。 成分过冷理论提供了判断液固界面稳定性的第一个简明而适用的判据，对平 界面稳定性，甚至胞晶和枝晶形态稳定性都能够很好地做出定性地解释。但是这 一判据本身还有一些矛盾，如：成分过冷理论把平衡热力学应用到非平衡动力学 过程中，必然带有很大的近似性；在固液界面上引入局部的曲率变化要增加系统 的自由能，这一点在成分过冷理论中被忽略了；成分过冷理论没有说明界面形态 的改变机制；快速凝固新领域的出现，发现上述理论已不能适用。 m u l l i n s 和s e k e r k a 7 _ 1 1 鉴于成分过冷理论存在不足，提出一个考虑了溶质浓 度场和温度场、固液界面能以及界面动力学的绝对稳定理论。在运算时，假定固 液界面处于平衡，表面能为各向同性、无对流，在平的固液界面上有干扰。 推导出界面温度为 巧= 巧= 死+ a t = 一甜茁 ( 1 - 3 ) 式中，巧为界面液相温度，巧为界面固相温度，n 是平面凝固界面的熔点，r 是g i b b s - t h o m s o n 数，r 为曲率( 曲面凹向液面时为正) 。 绝对稳定理论推导出界面失稳公式为 氅s t f ( 1 - 4 ) v k o 式中，g 。是溶质质量分数梯度。 根据绝对稳定理论，可概括总结出下列几点【1 2 1 ： 快速凝固时，界面张力总是起到稳定固液界面的作用；快速凝固时， 溶质原子总是起到破坏固液界面稳定的作用；平衡溶质分配系数越小，对绝 对稳定区的平衡凝固条件要比成分过冷区的越苛刻；快速凝固时，宏观的扩 散边界层变得很小，大约只有几个原子层，固液界面前进的速率超过溶质原予在 液相中的扩散速率，使在固液界面的局部不平衡不起作用，就会发生完全的溶质 截留。 2 江苏夫学硕士学位毕业论文 绝对稳定理论虽然已能应付快速凝固时的平衡凝固条件，但尚在不断完善 中。如这个理论只适合稀溶液，即低溶质质量分数的情况，并且忽略了凝固速率 对溶质分配系数的影响。 1 1 2 定向凝固时的枝晶生长 枝晶结构在合金的凝固过程中经常可以看到。人们十分重视在凝固过程中伴 随着显微偏析出现的技晶结构，因为在大量工程材料中普遍有这些凝固特征，而 且这些凝固特征在很大程度上影响材料的机械性能。在过去的四十余年中，许多 冶金学家、物理学家及数学家研究了凝固界面形态问题，有些研究成果被用来预 测固液界面处稳定生长的条件及表征微观结构，特别是一次枝晶间距九l 、二次枝 晶间距h 、枝晶尖端半径r 及固液两相区长度d 等，这些都是凝固参数的函数。 定向凝固试验中，在晶粒边界平界面变得不稳定，然后整个界面周期性地变 化。当界面速率增加，就会出现胞状晶结构，而随后将演化成枝晶结构。在稳定 的凝固条件下，枝晶前沿的微观结构特征参数如一次枝晶间距、枝晶尖端半径及 固液两相区长度达到一个稳定的值，而二次枝晶将粗大。但是，最先生长的几个 二次枝晶，最初的二次枝晶间距沁是具有代表性的。这样我们用四个稳定的微 观结构参数丸l 、沁、r 及d 来表征枝晶结构。 1 1 2 i 定向凝固一次棱晶间距模型 一次枝晶间距是影响合金组织中溶质、中间相、共晶相或杂质分布的重要凝 固组织参数，研究其形成机制以及和凝固条件的依赖关系，有利于对合金凝固组 织实施准确预测和控制，因此对提高合金性能具有十分重要的意义。已有很多研 究者在不同的假设条件下建立了自己的一次枝晶间距模型。h u n t 、k u r z 和f i s h e r 、 t f i v e d i 以及h u n t 和l u 等提出了h 是v 、g 和c o 函数的理论模型。h u n t 模型【1 3 】 是利用b o w e r 等提出的理论，允许相邻枝晶间在扩散领域相互作用建立起来 的。凝固参数( 包括g 、v 、c o ) 与一次枝晶间距九1 的关系取决于最小过冷度。 其模型如下： 九1 = 2 8 3 m ( k - 1 ) d r o2 5 c 0 0 2 5 v - 0 2 5 g 旬5 ( 1 - 5 ) 这里m 是液相线斜率，k 是溶质分配系数，d 是溶质液相扩散系数以及r 是 g i b b s t h o m s o n 数。 3 江苏大学硕士学位毕业论文 另一个一次枝晶间距九1 关于g 、v 、c o 函数的理论模型是由k u r z 和f i s h e r 建立起来的1 1 5 1 。k u r z 和f i s h e r 假设胞晶或枝晶的形状类似于椭圆形，而且利用 临界稳定性原理分离枝晶和胞晶。他们简化最终结果为两个范围：一个低速率即 v v 。s k ，这里v 。出是平界面失稳的临界速率。对于 v v 。k ，他们得到： 丸1 = 4 3 m ( k 1 ) d r 爬】0 2 5 c 0 0 2 5 v - 0 2 5 g 0 5 ( 1 - 6 ) 还有另一个理论模型是由t r i v e d i 建立起来的【m 1 。t r i v e d i 模型是对h u n t 模 型的修正以及运用了临界稳定性原理。t r i v e d i 模型指出： 九i = 2 8 3 i n ( k i ) d f l o 2 5 c o o 2 5 v - 0 2 5 g o 5 ( 1 - 7 ) 这里l 是常数，它取决于调和扰动。这些理论模型! 在高速率下，九i 十分接近，只 是常数不同而已。 最近h u n t 和l u 【1 刀通过数值计算，分析了列胞状、枝晶的稳态及非稳态扩散 场，依据枝晶或胞晶闻的扩散流方向，提出了一次枝晶间距分布范围下限的数值 模型： 九= o 0 7 7 9 8 v ( a - 07 5 ( v7 g ) 07 5 g m 6 0 2 8 ( 1 - 8 ) 这里，九7 = 九i a t o ( i k ) ，g = g f k ( a t o ) 2 ，v = v f k ( d a t o ) ，a t o = m c o ( k 一1 ) k 以及a = 1 1 3 1 0 1 5 5 5 1 0 9 g 一0 0 0 7 5 8 9 0 0 9 9 p 。 1 1 2 2 定向凝固一次枝晶间距的测量 一次枝晶间距九l 值在试样横截面部分( 垂直于生长方向) 的测量如图1 - 1 ( a ) ( d ) 所示，这比在试样纵截面部分( 平行于生长方向) 的测量如图1 1 ( e ) ( f ) 所示要精确的多。测量横截面上一次技晶间距有两种不同的方法。第 一种是三角形法【1 8 】。连接= 5 n g - - 次枝晶的中心得到三角形其三角形的边长即 是h ( 如图l - l a 所示) 。这种方法要在每个试样上至少测量5 0 4 0 0 个九。的值。 第二种方法是面积计算法 1 9 1 。在一个面积为a 的区域内有一次技晶的数目为n ， 用x = k ( a n ) 来计算间距，k 是常数，它只和横断面一次枝晶的排列有关。图 1 _ 2 所示，四方形排列时k = i ，六角形排列时k = i 。0 7 5 ，完全无序排列时k = 0 5 t2 0 1 。 4 江苏大学硕士学位毕业论文 租0 ，l o 图1 - 1 一次枝晶间距测量示意图 c a ) 。( b ) 三角形法；( c ) 。( d ) 面积法；( e ) 。( f ) 纵截面法 f i g i - i s c h e m a t i cr e p r e s e n t a t i o no f t h em e a s u r e m e n to f t h ep r i m a r ya r ms p a c i n g s ( a ) ，( b ) t r i a n g l em e t h o d ；( c ) ，( d ) a r e ac o u n t i n gm e t h o d ；( e ) ，( 0i n t e r c e p tm e t h o d 图1 - 2 三种不同方式的树枝晶排列的示意图 f i g 1 2 s c h e m a t i cr e p r e s e n t a t i o no f t h r e ed i f f e r e n ta r r a yo f t h ed e n d r i t ea r m 1 1 2 3 定向凝固时枝晶生长的研究现状 由于定向凝固材料的性能在很大程度上取决于一次枝晶间距等特征长度，近 年来，许多学者对定向凝固枝晶生长进行了大量研究： 对于确定的凝固参数，稳态一次枝晶间距存在一个较宽的容许范围，它不仅 取决于凝固系统当前的状态参数，而且与系统所经历的路径显著相关。林鑫【2 1 等采用a 1 4 5 c u 单晶进行台阶变速定向凝固试验。结果表明，对于一定的凝固 系统当前状态，一次枝晶间距有一个可以稳定生长的容许范围，其上、下限即为 丸1 。和九l 。m 不同试验所得到的一次枝晶间距的稳定分布只能处于这个容许范 围之内，一旦枝晶间距超出了容许范围，枝晶列将发生失稳，产生新枝晶或枝晶 的淹没淘汰：对于稳定一次枝晶间距的具体取值，则是由凝固控制参数及其所经 历的路径和各种随机扰动因素变化的历史共同决定，平均一次枝晶间距对凝固速 江苏大学硕士学位毕业论文 度变化的经历十分敏感，平均一次枝晶间距显著与历史相关。 何国等【2 2 】在固液界面微单元热量平衡分析的基础上，建立了晶体取向对一次 枝晶间距影响的理论模型。该模型表明，一维择优晶体取向与宏观定向凝固方向 偏离越远，一次枝晶间距越小。对d d s 单晶高温合金凝固组织尺度的实验研究 结果表明，晶体取向对一次枝晶间距的影响趋势和理论模型相吻合，其影响程度 和固液界面温度梯度及定向凝固速率有关。模型及实验都表明，提高固液界面温 度梯度和定向凝固速率，晶体取向对一次枝晶间距的影响程度减弱。 熔体过热处理对定向凝固组织也有显著影响。文献1 研究了熔体处理温度对 镍基单晶高温合金凝固组织的影响，试验结果表明，随着熔体处理温度的增加， 合金的凝固组织从粗枝晶向细枝晶转变，一次枝晶间距逐渐减小，并在1 7 0 0 发生突然减小，说明合金的临界温度在1 7 0 0 左右；枝晶干、枝晶间y i 的尺寸 均减小，形状更规则，并且枝晶干、枝晶间t r 尺寸差别减小，枝晶偏析比趋近于 1 。这主要是由于熔体处理温度改变熔体结构的结果。随着熔体温度的升高，合 金熔体结构因子曲线的主峰高度和对称性降低；次峰变得平滑。说明合金熔体随 着过熟温度的增加，熔体中的原子集团和各种结合键被破坏，熔体变得更加均匀， 有序度降低。 1 1 3 定向凝固技术及其研究现状 根据成分过冷理论，要使合金定向凝固得到平面凝固组织，主要取决于合金 的性质和工艺参数的选择。前者包括溶质质量、液相线斜率和溶质在液相中的扩 散系数，后者包括温度梯度和凝固速率。如果被研究的合金成分已定，则靠工艺 参数的选择来控制凝固组织，其中固液界面液相一侧的温度梯度又是最关键的， 所以人们都致力于提高温度梯度。可以说，定向凝固技术的发展历史是不断提高 设各温度梯度的历史。大的温度梯度一方面可以得到理想的合金组织和性能，另 方面又可以允许加快凝固速率，提高设备利用率。 发热剂法( e p 法) 【2 4 】 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，项部覆 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下而上的温度梯度， 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、 6 江苏大学硕士学位毕业论文 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。 功率降低法( p d 法) 【2 5 】 这种方法的工艺过程如下：铸型加热感应圈分两段，铸件在凝固过程中不移 动，其底部采用水冷激冷板。当型壳被预热到一定过热温度时，向型壳内浇入过 热合金液，切断下部电源，上部继续加热，金属自下而上逐渐凝固。通过选择合 适的加热器件可以获得较大的冷却速度。但由于其散热条件无明显的改善，因此 其组织仍不是很理想，所获得的柱状晶区较短。与发热剂法相比，功率降低法虽 然在控制单向热流及所获得组织方面有所改善，但其设备比较复杂，而且耗能较 大，故应用不是很广泛。 快速凝固法( h r s 法) 1 2 日 快速凝固法与功率降低法的主要区别是：铸型加热器始终加热，在凝固时， 铸件与加热器之间产生相对移动。另外，在热区底部使用辐射挡板和水冷套。在 挡板附近产生较大的温度梯度。这种方法可以大大缩小凝固前沿两相区，局部冷 却速度增大，有利于细化组织，提高力学性能。这种方法由于避免了炉膛的影响 且利用空气冷却，因而所获得的柱状晶间距变小，组织较均匀，提高了铸件的性 能，在生产中有一定的应用。 液态金属冷却法( l m c 法) r 2 7 1 1 9 7 4 年出现了一种新的定向凝固方法一液态金属冷却法。液态金属冷却法 是目前工业应用较理想的一种定向凝固技术。这种方法的工艺过程与快速凝固法 基本相同。由于液态金属与己凝固界面之间换热系数很大，因此这种方法提高了 铸件冷却速度和凝固过程中的温度梯度，而且在较大的生长速度范围内可使界面 前沿温度梯度保持稳定，结晶在相对稳定的温度梯度下进行，得到比较长的单向 柱晶。 以上四种方法都是传统的定向凝固方法，其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沿液相中 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。 江苏大学硕士学位毕业论文 为了迸一步细化材料的组织结构，减轻甚至消除元素的微观偏析，有效地提 高材料的性能，就需提高凝固过程的冷却速率。在定向凝固技术中，冷却速率的 提高，可以通过提高凝固过程中固液界面的温度梯度和生长速率来实现。因而如 何采用新工艺、新方法去实现高温度梯度和大生长速率的定向凝固，是当今众多 研究者追求的目标。 区域熔化液态金属冷却法( z ml m c 法) 【2 3 】 李建国等通过改变加热方式，在l m c 法的基础上发展了一种新型定向凝固 技术一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 。采用该装置在n i c u 、a 1 c u 合 金系的工作，发现了高速枝胞转变现象，据此提出了高速枝胞转变的时空模型。 深过冷定向凝固法( d u d s 法) 【2 9 】 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，晶体自下而 上生长，形成定向排列的树枝晶骨架，其问是残余的金属液。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，最终获得了定向凝 固组织。 电磁约束成形定向凝固技术( d s e m s 法1 1 3 0 】 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 丽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己熔化的金属熔体成 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。 此外，还有电子束浮区熔炼法( e b f z m 法) 和激光超高温度梯度快速定向 凝固等方法。 江苏大学硕士学位毕业论文 114 定向凝固试验及其研究现状 电场作用下的定向凝固 直流电场应用于金属凝固是一种新兴的控制凝固组织、细化晶粒的有效手 段，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口1 ：电场能提高 s n - 5 b i 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 1 - c u 共 晶合金的片间距p ”。常国威等人【3 3 】以c u - a i 合金为材料，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。 强制对流条件下的定向凝固 熔体流动是控制合金组织的一种重要手段。熔体流动促进了温度场和浓度场 的均匀化，加快固液界面附近的热扩散，从而减小液相中的成分过冷，有利于抑 制高次枝晶的生长。同时，液相流动的存在，枝晶端部会受到不同程度的冲刷， 造成枝晶两侧浓度场的不对称，枝晶迎流侧的浓度较高，而背流侧的浓度较低， 因此枝晶将发生偏转。对a j 趣5 c u 合金，如果液体流动速度足够高，则会出现 二次分枝与主轴竞相生长的态势，使柱状晶转变为穗状晶【”。在流动熔体中凝固 的合金，液流对晶粒的反复冲刷使晶粒折断、蝣离，这些游离的晶粒可作为形核 基底，细化晶粒口”。对于晶粒形貌为枝晶的合金，折断的枝晶游离到界面前沿， 成为新的主干，弥散于基体之中，因而可细化枝晶，降低一次枝晶间距【。在定 向凝固过程中施加电磁搅拌作用，电磁力的存在促使液相作强迫流动，固液界面 会受到冲刷作用，这势必改变合金的凝固组织。对a i s i 、p b s n 、f e c 合金的研究 证实了这一点”3 ”，在试样外侧观察到分别有s i 、s n 和石墨的富集层且富集 层晶粒非常粗大。f e c s i 台金在交变磁场下定向凝固也出现了分层生长现象 “。 在定向凝固条件下让坩埚匀速转动( 即离心定向凝固) ，也可获得分层生长的组 织。 变速生长下的定向凝固 共晶合金的定向凝固不仅是制各自生复合材料的一项技术，而且是研究共晶 合金凝固行为的重要试验手段。定向凝固共晶片，棒间距是表征共晶合金在特定 凝固条件下一个重要的组织特征参数。为此，人们研究了不同共晶合金在不同定 凝固条件下一个重要的组织特征参数。为此，人们研究了不同共晶合金在不同定 9 江苏大学硕士学位毕业论文 向凝固参数下的组织形态和片棒间距，但这些研究和理论大都是在恒定生长速 度下进行的。对于在变速生长条件下片间距对生长速度的响应规律和片间距的变 化机理却并不十分清楚，而这是共晶复合材料实际制备中的重要影响因素。对共 晶合金的研究表明，在阶跃增速的情况下，相间距的调节以分叉和分枝的方式实 现，而阶跃减速的生长条件下通过终结合并机制实现 4 0 43 1 。在小变速比情况下， m n s b s b 共晶相间距的选择基本为渐变式的对称逆过程，而大变速比下是非对称 的【4 0 1 。在等变速生长过程中，共晶间距对生长速度响应关系与具体非稳态生长过 程有关，对等加速和等减速生长这一响应是不对称的【4 l 】。文献的研究还证实h 2 】， 尽管共晶间距对生长速度的响应特征与具体路径有关，但共晶稳态生长位置是唯 一的。对a 1 c u 亚共晶合金的研究发现m l ，无论生长速度是通过阶跃方式还是缓 慢方式变化，定向生长胞晶向树枝晶的转变都经历了定的胞晶形态扰动之后再 快速失稳。扰动时间长短和失稳后的树枝晶形貌取决于生长速度的变化快慢。 熔体热历史对定向凝固界面形态稳定性的影响 文献【4 5 】研究了经熔体过热处理后在温度梯度、抽拉速率等工艺参数相同的条 件下，熔体热历史对s b 4 6 b i 定向凝固界面形态的影响。当定向凝固温度t o = 6 9 0 抽拉速率v o = 1 6 5 a m j 一，随着过热温度t 。的提高，s b 4 6 b i 定向 凝固界面形态由胞状( t s = 6 9 0 ) 一平界面( t ；= 7 5 0 ) 一浅胞( l = 8 0 0 ) 一深胞( t ：= 9 0 0 * ( 2 ) 一树枝状( t s = 1 0 0 0 c ) 演化。研究结果表明，除了液固 界面前沿温度梯度和抽拉速率以外，熔体热历史对定向凝固界面也具有显著影 响。 对于具有代表性的试验合金a 1 c u 合金，熔体过热处理对其定向凝固界面稳 定性也有显著影响1 4 6 “7 】。在定向凝固温度t o = 7 0 0 。c ，抽拉速率v o = 0 4 a ms - i 不变的条件下，a 1 4 6 5 c u 合金在t 。= 7 0 0 9 5 0 c 范围内做定向凝固试验。如图 1 - 3 所示，在7 0 0 c 无过熟直接定向的界面形态为胞状，随着过热温度的提高， 界面形态由胞( t s = 7 0 0 c ) - - - ，浅胞( t s = 7 5 0 ) 一平( 1 8 5 0 c ) 转变，但当过热温度继 续增加时，界面稳定性又呈下降趋势，平界面重新开始失稳( t s = 9 5 0 c ) 。 1 0 江苏大学硕士学位毕业论文 图1 - 3a i 4 6 5 c u 合金熔体过热温度l 对单向凝固界面形态的影响 ( a ) 胞界面，l = 7 0 0 ( 2 ；( b ) 浅胞界面，l = 7 5 0 c ： ( c ) 平界面。t 。= 8 5 0 ( 2 ：( d ) 平界面( 略微失稳) ，t 。= 9 5 0 。c f i g 1 - 3 i n f l u e n c eo f t h ea 1 4 6 5 c ua l l o ym e l th e a th i s t o r yo bt h es o l i d l i q u i di n t e r f a c e m o r p h o l o g y ( a ) c e l l u l a r ，t s = 7 0 0 ( 2 ；( b ) s h a l l o wc e l l ，t s = 7 5 0 c ； ( c ) p l a n a r , t s = 8 5 0 ( 2 ；( d ) c e l l u l a r ，n e a rp l a n a r , t s = 9 5 0 。c 陈光等人又研究了熔体过热历史对n i 基高温合金定向凝固界面形态的影响 【4 8 】。n i 基高温合金d d 3 在t o = 1 4 0 0 c ，v o = 0 9 “m 5 ，过热时间t s = 3 0 m i n ， 定向凝固温度静置时间t h = 2 0 m i n 等条件不变的情况下，过热温度t 。在1 4 0 0 1 7 0 0 范围内定向凝固界面形态的变化为：在1 4 0 0 无过热直接定向的界面形 态为平界面，随着t s 的提高，界面形态由平( t s _ 1 4 0 0 c ) - - * 浅胞状( t s = 1 5 0 0 ， 1 6 0 0 ) 一胞状界面( t 严1 7 0 0 c ) 演化。显然，随着熔体r 的提高，n i 基高温合金 定向凝固界面稳定性降低。d d 3 合金在t o = 1 4 0 0 c ，v 0 - - - - 0 9 一m s ，t s = 1 6 0 0 c ， t h = 2 0 m i n 等条件不变的情况下，过热时间t s 在3 0 1 2 0 r a i n 范围内定向凝固界面 形态的变化为：随着乜的延长，界面形态由浅胞状如= 3 0 ，6 0 m i n ) 一胞状 ( = 9 0 m t a ) - 树枝状界面( = 1 2 0 m i n ) 演化，与t 。对定向凝固界面形态影响的演化 规律一致。n i 基合金在t o = 1 4 0 0 ( 2 ，v o = o 9 p s - i ，t s = 1 6 0 0 c ，t s = 1 2 0 m i n 等条件不变的情况下，经2 0 1 5 0 m i n 不同的t h 后开始抽拉的定向凝固界面形态 江苏大学硕士学位毕业论文 演化为：随着t h 的延长，界面形态由树枝状( t h _ 2 0 m i n ) 一胞状( t h = 6 0 m i n ) 一浅胞状 ( t h = 9 0 m i n ) - - - - 平界面( t h = 1 2 0 面n ) 演化，与t s 和t s 对定向凝固界面形态影响的演化 规律恰好相反。 耿兴国等1 4 9 】研究表明，熔体过热处理影响定向凝固界面形态及其稳定性的根 本原因在于熔体结构状