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第十章液态金属在特殊条件下的凝固及成型 1 教学内容 快速凝固 微重力凝固 超重力凝固 定向凝固 教学要求 1 理解快速凝固基本原理 了解急冷凝固技术及特点 快速凝固晶态合金的组织和性能特征 快速凝固非晶材料的性能特征 2 了解微重力环境特点及微重力条件下的凝固 3 了解超重力场的产生原理 了解超重力下熔体的结晶 4 了解定向凝固工艺方法 了解定向凝固技术的应用 重点 特殊条件下液态金属的凝固特点 2 所谓特殊条件 是指与传统的铸件 锭 凝固过程不同的条件 本章限于篇幅 只介绍快速凝固 失重条件下的凝固和定向凝固 其它一些特殊条件下的凝固 包括连续铸造 半固态成形等 本章将不涉及 3 第一节快速凝固快速凝固简介快速凝固是指采用急冷技术或深过冷技术获得很高的凝固前沿推进速率的凝固过程 通常其界面推进速率大于10mm s 包括 急冷凝固技术和大过冷凝固技术 4 快速凝固使金属材料发生一些前所未有的结构变化 1 形成溶解度比通常情况下大得多的过饱和固溶体 固溶体中合金元素的含量大大超过平衡相图上合金元素的极限溶解度 2 形成亚稳相或新的结晶相 3 形成非晶态合金 又称为金属玻璃 即固态金属中的原子没有长程有序结构只有短程有序结构 5 一急冷凝固技术急冷凝固技术核心 提高熔体的冷速要求 1 减少单位时间内金属凝固时产生的结晶潜热 2 提高凝固过程中的传热速度原理 减小同一时刻凝固的熔体体积并减少熔体体积与其散热表面积之比 并设法减小熔体与热传导性能很好的冷却介质的界面热阻主要通过传导的方式散热 6 主要方法有 1 把金属或合金熔体分散成小液滴 雾化技术 乳化技术或喷射成形技术 以使这些小液滴在凝固前达到很大的过冷度 2 使液流保持一个很小的截面 并与高效冷却 散热 器接触 熔体旋转法或薄截面连续铸造法 3 使材料的一个薄层快速熔化并与无限大散热器紧密接触 散热器通常是同一种材料或相关的材料 如电子或激光束表面脉冲 移动熔化 7 模冷技术途径 使熔体与冷漠接触并以传导的方式散热方法 枪 法 双活塞法 熔体旋转法 平面流铸造法 电子束急冷淬火法 熔体提取法及急冷模法等 8 熔体旋转法 9 优点 冷却速度较高 微观组织结构和性能比较均匀缺点 必须先粉碎技术关键 冷模提高传热速度应用 熔体旋转法 平面流铸造法及熔体提取法 10 雾化技术途径 熔体分离雾化对流方式凝固方法 双流雾化 离心雾化和机械雾化优点 成本较低便于大批量生产缺点 冷却速度不如模冷技术高 11 12 表面熔化与沉积技术途径 应用激光束 电子束或等离子束逐行扫描表面使表层熔化层深一般为10 1000um 表面熔化法示意图 13 14 三凝固组织和性能组织 1 显著扩大合金的固溶极限 2 超细颗粒 3 少偏析或无偏析 4 形成亚稳相 5 高的点缺陷密度 15 性能 自学 1 晶界强化2 改善了合金的强度延性和韧性3 位错强化4 较高的超导转变温度5 良好的磁学性能6 很好的电学性能 16 四金属玻璃的性能特征近年来随着材料研究工作的深入 块体金属玻璃的研究得到了越来越多的重视 所谓块体金属玻璃 就是指在三维方向上均具有宏观尺寸的金属玻璃 目前已经在Pd Cu La Zr Mg Ti Fe等合金体系中获得了块体金属玻璃 金属玻璃具有特殊的光泽 17 块体金属玻璃具有高强度 高硬度 高耐腐蚀性以及良好的电磁 贮能等特性 因此采用合理的方法制备块体金属玻璃具有重要的科学意义和巨大的应用价值 18 第二节微重力条件下的凝固微重力条件就是空间技术为人们提供的特殊材料加工条件之一 它与其它特殊条件的实验设施 如巨磁场 高能激光 超高真空等 相似 设备不仅复杂而且十分昂贵 研究发现 在失重条件下出现了与重力条件下完全不同的现象 如无容器条件下的形核 流体行为以及由密度梯度引起的对流等 19 凝固过程多组元液态悬浮 复合材料无对流 颗粒粗大 20 二 环境的获得落塔 落管 飞机 火箭和轨道飞行 中关村新景 110米高 落塔 21 第三节超重力凝固超重力的获得 离心机 22 结晶减少条纹缺陷 23 第四节定向凝固定向凝固 组织在一个特定的方向上生长定向凝固技术在共晶凝固 定向柱状晶生长和单晶铸造等方面都有重要的意义 对于凝固温度范围宽的合金 定向凝固通过在铸件的不同部位放置冷铁实现 这时凝固界面的温度梯度很陡 糊状凝固区域也明显减小 因此补缩得到改善 铸件完整性变好 同时铸件的机械性能也得以提高 24 主要方法 发热剂法其原理是水冷模底部采用水冷铜底座 顶部覆盖发热剂 侧壁采用隔热层绝热 浇入金属液后 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 实现定向凝固 由于所能获得的温度梯度小和沿高度不断减小 而且很难控制 因此 该法只可用于制造要求不高的零件 25 功率降低法 自下而上顺序关闭加热线圈 调节功率 使金属建立一个自下而上的温度梯度场 实现定向凝固 26 快速凝固法 27 液态金属冷却法 1 浸入机构2真空室3 坩埚4 炉管5 挡板6 加热线圈7 冷却剂8 模壳 28 常用的液态金属Ga In合金和Ga In Sn合金 以及sn液和Al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 该法已被美国 前苏联等国用于航空发动机叶片的生产 29 目前 定向凝固技术的最主要应用是生产具有均匀柱状晶和单晶组织的铸件 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 该技术使叶片的高温强度 抗蠕变和持久性能 热疲劳性能得到大幅度提高 30 一 柱状晶的生长1 温度梯度2 热流方向定向 31 二 单晶生长控制熔体温度和生长速度 不出现成分过冷和温度过冷单晶生长的方法 坩埚移动法炉体移动法和晶体提拉法 32 坩埚下降法 从熔体中生长晶体的方法 通常 坩埚在结晶炉中下降 通过温度梯度较大的区域时 熔体在坩埚中自下而上结晶为整块晶体 这个过程也可以用结晶炉沿着坩埚上升 或者坩埚和结晶炉都不动通过结晶炉缓慢降温来实现 33 晶体提拉法这是一种直接从熔体中拉出单晶的方法 熔体置柑塌中 籽晶固定于可以旋转和升降的提拉杆上 降低提拉杆 将籽晶插入熔体 调节温度使籽晶生长 提升提拉杆 使晶体一面生长 一面被慢慢地拉出来 这是从熔体中生长晶体常用的方法 用此法可以拉出多种晶体 如单晶硅 白钨矿 钇铝榴石和均匀透明的红宝石等 34 区熔法 悬浮区熔法是在20世纪50年代提出并很快被应用到晶体制备技术中 在悬浮区熔法中 使圆柱形硅棒固定于垂直方向 用高频感应线圈在氩气气氛中加热 使棒的底部和在其下部靠近的同轴固定的单晶籽晶间形成熔滴 这两个棒朝相反方向旋转 然后将在多晶棒与籽晶间只靠表面张