定向凝固技术与理论的进展

1、定向凝固技术定向凝固技术 哈尔滨工业大学材料科学与工程学院 主要内容主要内容 定向凝固技术的应用 定向凝固技术的研究历程 定向凝固技术的新进展 定向凝固技术的比较和分析 定向凝固理论研究的进展 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，控制凝固过程已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 地应用于高温合金、 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

2、 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 定向凝固技术的应用定向凝固技术的应用 消除横向晶界 控制晶体生长方向 控制第二相的形状、大小和分布 凝固理论研究的有力工具 传统的定向凝固技术 6 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，其中固液界界 面液相

3、一侧的温度梯度是最关键，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备温度梯度的历史，大 的温度梯度可以得到理想的合金组织和性能，又可以允许加快凝固速 率，提高设备利用率。 7 p 保证金属单向散热，绝对避免在侧面型壁生核及长出新晶体 p 减小成分过冷 提高浇注温度 提高铸型温度 加热固-液界面前沿的液体 p 减小金属液体的生核能力 提高液体的纯洁性 减少氧化 吸氧或夹杂 （一）发热剂法（一）发热剂法 定向凝固技术研究历程定向凝固技术研究历程 发热剂 金属熔体 固液界面 结晶器 铸锭 水冷铜盘 冷却水 9 发热剂法是定向凝固中最原始的一种方法， 为了造成一个温度梯度

4、，零件模壳放在一个水 冷铜底座上，并在顶部加发热剂。 成本低，但无法保证重复性，难以生产高 质量的发动机高温合金叶片。 （二）功率降低法（二）功率降低法 加热器 受热体 陶瓷模 金属液 水冷铜底 冷却水 11 加热时上下两部分感应圈全部通电，在模壳内建立起所需要的温度场，然 后浇入过热的合金溶液。 下部感应圈停电，调节输入上部感应圈的功率，使之产生一个轴向温度梯 度。 这种工艺可达到的温度梯度最小，在10oC/cm左右，制出的合金叶片长度 受到限制，并且柱状晶之间的平行度差 （三）快速凝固法（三）快速凝固法 13 多出一个拉锭机构，用移动模壳加强散热条件 浇入合金后达到热稳定及开始在冷却底座表

5、面生成一薄层固态金属，然后模壳以 预定速度经过感应器底部的辐射挡板从加热器中移出。 前段凝固阶段，热量散失是通过水冷底座的对流传热为主，离开结晶器一定距离 后，转为以辐射为主。 14 挡板的作用 模壳移动时辐射热的损失降至最小，使加热器内维持相对均匀的温度场 使感应圈到铸件凝固部分表面的辐射热保持最小，从而加强了传热 与功率降低法相比 p有较大的温度梯度，能改善柱状晶质量和补缩条件，在约300mm高度 内可全是柱状晶 p 由于局部凝固时间和糊状区都变小，使显微组织致密，减小偏析，从 而改善了合金组织 p 提高凝固速率2-3倍，R达到300mm/h 优点： v 高的冷却速率 v 对于大模组具有相

6、同高的冷却速度 v 快速加工 缺点： v 有限的坚固性 v 原始成本高 16 液态金属的选择 p 有低的蒸汽压，可在真空下使用 p 熔点低，热容量大，导热率高 p 不溶解于合金中 p 价格便宜 冷却介质的温度 模壳的传热性、厚度形 状 挡板的位置 熔液温度 （五）流态床冷却（五）流态床冷却 法法 流态化的150号 ZrO2粉作为冷却 介质，冷却介质 温度100-120oC. 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

7、化，以致产生严重的枝晶偏析，限制了材料性能的提高 19 传统定向凝固技术存在的问题 造成冷却速度慢的主要原因： 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。 20 为了进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。

8、 定向凝固技术发展展望 温度梯度进一步提高 适合于不同材料的定向凝固技术 与其他技术结合形成复合技术 22 分析法定向凝固过程 凝固界面并不在最佳位置 凝固界面远离挡板 凝固液相中的最高温度远离液固界面 在距冷却金属面极近的特定位置加热 液态金属冷却法液态金属冷却法 （一）区域重熔（一）区域重熔 高梯度和超高梯度定向凝固方面高梯度和超高梯度定向凝固方面 试样 熔区 加热体 隔热板 陶瓷管 冷却剂 水浴器 抽拉杆 GTL=1270K/cm （二）激光超高温度梯度快速定向凝固 （三）气冷快速定向凝固 高冷却效率 快速加工 容易控制柔性的 原始成本低 对于任何定向凝固铸件 容易改进提高 不同定向凝固

9、技术的不同定向凝固技术的G/R/TG/R/T比较比较 特殊材料的定向凝固技术特殊材料的定向凝固技术 （一）电磁约束成形定向凝固 （二）软接触电磁约束成形定向凝固（二）软接触电磁约束成形定向凝固 1 固态料棒固态料棒 2 磁模磁模 3 绝热层绝热层 4 上加热线圈上加热线圈 5 保温层保温层 6 约束成形熔体约束成形熔体 7 下加热成形线圈下加热成形线圈 8 磁化套磁化套 9 凝固的金属凝固的金属 10 水冷铜盘水冷铜盘 光加热悬浮区熔定向凝固光加热悬浮区熔定向凝固 三、冷坩埚软接触定向凝固三、冷坩埚软接触定向凝固 Al2O3单晶定向凝固技术示意图 定向凝固理论研究的发展趋势 从单相合金和共晶合

10、金向偏晶合金和包晶合金转移 从二元向多元合金发展 对流对凝固过程影响的定量描述 从低温度梯度向高温度梯度发展 实现相与组织的主动控制 定向凝固过程中晶体择优取向与生长方向的关系 定向凝固的模型化与数值模拟 谢 谢 ！ 主要内容主要内容 定向凝固技术的应用 定向凝固技术的研究历程 定向凝固技术的新进展 定向凝固技术的比较和分析 定向凝固理论研究的进展 传统的定向凝固技术 37 p 保证金属单向散热，绝对避免在侧面型壁生核及长出新晶体 p 减小成分过冷 提高浇注温度 提高铸型温度 加热固-液界面前沿的液体 p 减小金属液体的生核能力 提高液体的纯洁性 减少氧化 吸氧或夹杂 38 p 保证金属单向散热，绝对避免在侧面型壁生核及长出新晶体 p 减小成分过冷 提