凝固科学基础：6-5凝固组织控制

1、6 凝固组织及其控制凝固组织及其控制6 凝固组织及其控制凝固组织及其控制6.1晶粒组织晶粒组织6.2铸态宏观组织铸态宏观组织6.3影响晶粒结构因素影响晶粒结构因素6.4非晶态固体、准晶、纳米晶、微晶非晶态固体、准晶、纳米晶、微晶6.5凝固组织控制凝固组织控制 6.6熔焊金属的凝固熔焊金属的凝固 柱状晶与等轴晶的选择柱状晶与等轴晶的选择 熔体处理：孕育（变质）剂熔体处理：孕育（变质）剂 扰动：振动与电磁搅拌扰动：振动与电磁搅拌 定向凝固定向凝固-单向柱状晶和单晶铸件单向柱状晶和单晶铸件 从熔体生长晶体从熔体生长晶体 快速凝固快速凝固6.5 凝固组织控制凝固组织控制6.5.1 柱状晶与等轴晶的选择

2、柱状晶与等轴晶的选择 一般地说，一般地说，细晶粒组织有较好的力学性能细晶粒组织有较好的力学性能 抗拉强度、耐疲劳强度和弹性模量，抗拉强度、耐疲劳强度和弹性模量， 可锻性和耐磨性能，可锻性和耐磨性能， 杂质微观缺陷相对均匀，杂质微观缺陷相对均匀， 利于降低凝固过程的热裂倾向等。利于降低凝固过程的热裂倾向等。 柱状晶组织柱状晶组织 在柱状晶交界处有在柱状晶交界处有一个杂质和溶质宏观偏析区域。一个杂质和溶质宏观偏析区域。 这个区域材料性能差，是裂这个区域材料性能差，是裂纹源，锻压后常常也难以消除。纹源，锻压后常常也难以消除。是应避免的组织。是应避免的组织。 具有柱状晶和等轴晶的混合组织具有同样缺点具

3、有柱状晶和等轴晶的混合组织具有同样缺点 对于连铸坯对于连铸坯，断面内断面内柱状晶与等轴晶的比例是柱状晶与等轴晶的比例是重要质量指标重要质量指标。比较高的等轴晶比例能够减轻。比较高的等轴晶比例能够减轻中心区的溶质富集和内部枝状晶的裂纹。中心区的溶质富集和内部枝状晶的裂纹。 例如：连铸不锈钢坯，柱状晶交接区使轧制后形成碳化物富集例如：连铸不锈钢坯，柱状晶交接区使轧制后形成碳化物富集的多波纹形沟槽条带。含的多波纹形沟槽条带。含17%Cr的连铸不锈钢坯要求柱状晶不多于的连铸不锈钢坯要求柱状晶不多于断面积的断面积的70%，越低越好。，越低越好。增加晶核机制：增加晶核机制：1) 加入细化晶粒的合金元素加入

4、细化晶粒的合金元素。例如例如: 钢钢 V, Ti 形成形成TiN, TiC, VN, VC 高熔点质点；高熔点质点； 铜铜 - Fe质点质点; 铝铝 Ti形形TiAl3 ;Al-Si过共晶合金中加过共晶合金中加P，形成磷化，形成磷化铝，细化初生铝，细化初生Si2)孕育处理孕育处理 (inoculation)- 炉前添加细化炉前添加细化(孕育孕育)剂剂 是生产高强度铸铁最常用的方法，处理后称为是生产高强度铸铁最常用的方法，处理后称为孕育孕育铸铁；铸铁； 用用75%Si硅铁硅铁, 促使生核，使共晶团细化。促使生核，使共晶团细化。 p205案例案例6.15孕育铸铁孕育铸铁6.5.2 熔体处理：孕育（

5、变质）剂熔体处理：孕育（变质）剂-控制获得细等轴晶组织控制获得细等轴晶组织孕育铸铁孕育铸铁 p205案例案例6.15 孕育剂常用含孕育剂常用含75%Si的硅铁（含一定量铝和钙的工业的硅铁（含一定量铝和钙的工业合金），加入量为合金），加入量为0.20.7%。引入其他一些元素到孕。引入其他一些元素到孕育剂中，能提高孕育效果育剂中，能提高孕育效果 大量的结晶核，较大的过冷度，使共晶团细化大量的结晶核，较大的过冷度，使共晶团细化灰铸铁共晶团组织，铸态，硫酸铜灰铸铁共晶团组织，铸态，硫酸铜-盐酸水溶液浸蚀，白色为共晶团界面。盐酸水溶液浸蚀，白色为共晶团界面。a）不加孕育处理，数量约）不加孕育处理，数量约

6、130个个/cm2；b）加孕育处理，数量约）加孕育处理，数量约1040个个/cm2 变质剂变质剂：熔点低，：熔点低，K1，溶解度很小；称，溶解度很小；称表表面活性元素面活性元素、正吸附作用正吸附作用，降低液体金属表面，降低液体金属表面张力；炉前加入。张力；炉前加入。 凝固前沿浓度富集，阻碍、抑制和改变晶体生凝固前沿浓度富集，阻碍、抑制和改变晶体生长；长； 例：铝硅共晶合金加例：铝硅共晶合金加1.5-3%钠盐（钠盐（Bi、Sb、Sr、S、Y、Li、Pb等）细化硅片等）细化硅片; p206案例案例6.16 Al-Si合金变质处理合金变质处理 例：例： Ni-Cr钢附加钢附加0.03-0.1%B;

7、阻碍晶体长大机制：阻碍晶体长大机制： 方法：方法：电磁搅拌、机械搅拌、铸型振动、超声电磁搅拌、机械搅拌、铸型振动、超声处理等；处理等； 基本原理：加强液体金属运动，破碎枝晶，增基本原理：加强液体金属运动，破碎枝晶，增加晶核。加晶核。6.5.3 扰动扰动：振动与：振动与电磁搅拌电磁搅拌-细化晶粒，消除柱状晶细化晶粒，消除柱状晶P207-208 案例案例6.17：超声波超声波振动振动Sn-Sb合金组织合金组织 案例案例6.18：脉冲强磁场脉冲强磁场处理铝熔体处理铝熔体 案例案例6.19：高压脉冲强电流高压脉冲强电流处理铝熔体处理铝熔体超级合金燃气轮机超级合金燃气轮机整体铸造径向导风轮轮毂晶粒细化整

8、体铸造径向导风轮轮毂晶粒细化 上上- 常规方法铸造，常规方法铸造，中心部分是粗大的柱中心部分是粗大的柱状和不规则晶体状和不规则晶体 下下- 改进工艺后，中改进工艺后，中心部分是细等轴晶，心部分是细等轴晶，改善了耐疲劳寿命改善了耐疲劳寿命在真空条件下，在凝固过程施加搅拌以达到晶粒细化在真空条件下，在凝固过程施加搅拌以达到晶粒细化和通过热等静压工艺提高致密度。和通过热等静压工艺提高致密度。电磁搅拌（电磁搅拌（EMS） 基本原理基本原理:利用线圈产生利用线圈产生交变的电磁感应交变的电磁感应，对，对凝固过程实施适当搅拌，使液相产生交变的、凝固过程实施适当搅拌，使液相产生交变的、强有力的旋转等各种形式的

9、强有力的旋转等各种形式的强制对流运动强制对流运动。 电磁搅拌技术在连续铸造钢坯生产中获得广泛电磁搅拌技术在连续铸造钢坯生产中获得广泛应用应用.-增加等轴晶比例，减少偏析增加等轴晶比例，减少偏析。EMS对连铸奥氏体不锈钢方坯宏观组织对连铸奥氏体不锈钢方坯宏观组织的影响的影响连续铸钢机中电磁搅拌连续铸钢机中电磁搅拌 p210案例案例6.17a）结晶器电磁搅拌结晶器电磁搅拌，b）二冷区板坯电磁搅拌二冷区板坯电磁搅拌1- 浇注管，浇注管，2- 结晶器铜管，结晶器铜管，3- 水冷套，水冷套，4- 结晶器结晶器EMS装置，装置，5- 凝固凝固坯壳，坯壳，6- 未凝液芯，未凝液芯，7-支撑辊，支撑辊，8-装

10、有装有EMS装置的支撑辊，装置的支撑辊，9-二冷水二冷水喷嘴，喷嘴，10-结晶器结晶器 柱状晶晶体是沿热流相反方向定向生长的产物。柱状晶晶体是沿热流相反方向定向生长的产物。 单向凝固技术单向凝固技术，控制单向散热和液相内保持正温，控制单向散热和液相内保持正温度梯度，阻止液相区形成新的晶体，可以获得度梯度，阻止液相区形成新的晶体，可以获得单单向柱状晶铸件向柱状晶铸件。 经过多次的择优生长后，可以获得只有一个以枝经过多次的择优生长后，可以获得只有一个以枝状方式生长的单晶粒组织，称为状方式生长的单晶粒组织，称为单晶铸件单晶铸件。6.5.4单向柱状晶与单晶铸件：单单向柱状晶与单晶铸件：单(定定)向凝固

11、向凝固(unidirectional solidification） 单向散热，正温度梯度；单向散热，正温度梯度； 避免液体内形成晶核，如：避免液体内形成晶核，如：净化和过热净化和过热减少流动和搅拌减少流动和搅拌 单向柱状晶生长单向柱状晶生长燃气轮机精密铸造叶片燃气轮机精密铸造叶片p211案例案例6.21单向柱状晶单向柱状晶两种两种工作原理工作原理：1、分段通电和控制感应分段通电和控制感应线圈功率，建立起所要求线圈功率，建立起所要求的温度场和轴向温度梯度。的温度场和轴向温度梯度。热量通过底部由冷却水导热量通过底部由冷却水导出。出。-功率降低法功率降低法2、也可设置铸型拉出机也可设置铸型拉出机构

12、，使铸型以要求的速度构，使铸型以要求的速度向下移动，准确控制向下移动，准确控制G/R。-HRS法（法（high-rate solidification process）。 晶体晶体具有强各向异性，制备具有强各向异性，制备具有特定取向的多具有特定取向的多晶或单晶材料晶或单晶材料，可以获得优良，可以获得优良磁学和电学性能磁学和电学性能。 P212-214 案例案例6.22 制备制备具有特定取向的具有特定取向的TbDyFe合金合金 -稀土稀土巨磁致巨磁致伸缩合金伸缩合金 案例案例6.23 连铸单晶连铸单晶铜铜线材线材-消除晶界消除晶界，提高导电性，提高导电性 案例案例6.24 多晶多晶硅单向凝固硅单

13、向凝固铸锭铸锭-用于用于太阳能光伏技术太阳能光伏技术，晶界垂直于器件的表面晶界垂直于器件的表面，减少晶界对电学性能影响，减少晶界对电学性能影响Al-Si共晶合金的单向凝固的研究共晶合金的单向凝固的研究p214案例案例6.25共共晶晶合金合金，单向凝固单向凝固，两相两相都单向生长，都单向生长，构构成一种类似复合材料成一种类似复合材料的的结构结构。很多很多共晶和共晶型合共晶和共晶型合金金，都可以形成这种，都可以形成这种原位复合材料原位复合材料。如如：Pb-Sn， Al-Al3Ni， Al-Al2Cu， InSb-NiSb， Nb-Nb2C， NixAly-Cr，等，等，单向凝固的单向凝固的Al-S

14、i共晶合金，共晶合金，凝固速度凝固速度R=0.28m/s，温度梯度温度梯度=20K/mm，单晶铸件单晶铸件20 柱状晶、螺旋选择器及生长的单晶 等轴晶、柱状晶和单晶的发动机叶片比较 小结：铸态组织和优化控制小结：铸态组织和优化控制 铸态组织铸态组织:等轴晶和柱状晶，枝状生长，偏析和缺陷等轴晶和柱状晶，枝状生长，偏析和缺陷 细等轴晶组织获得细等轴晶组织获得: + 生长生长 成核成核 减少减少G/R,促进内生生长促进内生生长成核剂，孕育剂成核剂，孕育剂加强液体流动，打碎枝晶加强液体流动，打碎枝晶变质剂：阻碍，抑制和变质剂：阻碍，抑制和改变晶体生长改变晶体生长 单向凝固获单向柱状晶和单晶组织单向凝固

15、获单向柱状晶和单晶组织: 单向散热，正温度梯度；择优生长；避免液体内单向散热，正温度梯度；择优生长；避免液体内形成晶核。形成晶核。6.5.5 从熔体生长晶体从熔体生长晶体 从熔体人工从熔体人工生长单晶体生长单晶体，为为激光晶体、半导体激光晶体、半导体器件等提供晶体材料的重要途径之一器件等提供晶体材料的重要途径之一。现在现在使用的两个使用的两个方法方法： Czochralski方法方法（“提拉法提拉法”或“拉单晶拉单晶”） Bridgemam方法方法 都有悠久都有悠久的历史的历史，不断改进，不断改进，应用至今。，应用至今。 只只讨论其技术讨论其技术原理原理。a）原理图，）原理图，b）使用金属丝代

16、替籽晶示意图）使用金属丝代替籽晶示意图1-提升夹头，提升夹头，2-籽晶，籽晶，3-生长的单晶，生长的单晶，4-熔体，熔体，5-坩埚，坩埚，6-加热体，加热体，7-凝固前沿，凝固前沿，8-缩颈区，缩颈区，9-自发形核的多晶体区，自发形核的多晶体区，10-金属丝金属丝于于1917年公布，年公布，以发明者命名。以发明者命名。常被称为常被称为“提拉提拉法法”或或“拉单拉单晶晶”。此方法成为生产此方法成为生产低位错密度单晶低位错密度单晶硅和锗的主要方硅和锗的主要方法。法。Czochralski方法方法技术原理技术原理原理图原理图Bridgemam方法方法原理原理此法公布于此法公布于1925年，年，以发明

17、者命名。以发明者命名。基本原理基本原理：在相对在相对固定的温度梯度内，固定的温度梯度内，运动的熔体单向凝运动的熔体单向凝固。固。 Bridgemam法生法生长的光学晶体长的光学晶体a-CaF2，b-CaF2，c-BaF2，d-MgF2在生产光学用碱及碱土卤化物晶体中广泛使在生产光学用碱及碱土卤化物晶体中广泛使用。如，萤石（用。如，萤石（CaF2，熔点，熔点1392，生长速，生长速度度10mm/h），），LiF等。等。也可以生长金、铜、镍、锂单晶，稀土磁致也可以生长金、铜、镍、锂单晶，稀土磁致伸缩材料（直径伸缩材料（直径70250mm）和硅单晶（直）和硅单晶（直径径450mm）6.5.6 快速凝

18、固快速凝固（Ultra-Rapid Solidification）特点：特点： 高速凝固高速凝固：冷却速度：冷却速度104 - 106 C /s; （铸件冷速：（铸件冷速：10-3 - 10 C/s）; 温度均匀温度均匀：试样尺寸通常小于：试样尺寸通常小于50 m, 内部热阻内部热阻可忽略可忽略, 界面是散热控制环节界面是散热控制环节; 忽略扩散忽略扩散：成分均匀无偏析：成分均匀无偏析, 获得获得微晶、非晶微晶、非晶态金属态金属（试样可达（试样可达20mm量级）量级） ；合金浓度可合金浓度可以高于常规值；以高于常规值； 液态金属雾化液态金属雾化 熔体甩出法熔体甩出法 激光表面重熔处理激光表面重熔处理 深过冷法深过冷法等等利用快速凝固原理的材料加工方法利用快速凝固原理的材料加工方法液态金属雾化液态金属雾化 已经实现工程化。已经实现工程化。 估算冷却速度为估算冷却速度为