凝固作业-西工大

1、一、凝固过程中有哪几类重要的传输过程？它们是如何影响凝固过程的？如何有效控制这些过程？答:凝固过程中包括热量传输、质量传输和动量传输；凝固过程的传热符合传热的普遍规律，包括传导、对流及辐射三种基本传热方式，但同时也具有自身的一些特点。首先它是一个有热源的传热过程。金属凝固时释放潜热，可以看成是一个热源释放的热，且这个热源位置在不断地移动。其次，在金属凝固时存在着两个界面，即固液界面和金属-铸型间界面，在这些界面上，会发生极为复杂的传热现象。质量传输包括扩散传质、对流传质、相间传质。若溶质再分配过程不能充分完成，扩散不均匀，则产生成分偏析，金属凝固结束后，各处成分不完全相同。动量传输即为液态金属

2、的流动，包括动量对流和自然对流。当对流达到紊流程度时，会冲刷枝晶壁造成晶粒繁殖，促使等轴晶的发展，特别是溶质浓度较高的合金容易借助流动形成等轴晶。二、试述等轴晶的形核机理，给出主要的晶粒细化方法和相应的工艺过程？答:等轴晶形核的机理有：1、型壁上形核按照大野笃美的机理游离；2、固液两相区的枝晶被熔断并被液流带入液相区；3、自由表面凝固形成“晶雨”；游离晶的形成:液态金属在铸型型壁的激冷作用下发生了两种变化1、在型壁上形成晶核；2、液态金属因冷却收缩而发生流动。生长中的晶核在液流作用下从型壁脱落进入液相区。枝晶熔断：枝晶生长过程中由于根部溶质的富集产生“缩颈”并熔断、脱落；在没有强制对流的条件下

3、，大量被熔断枝晶的形成与漂移均与侧向生长的两相区中枝晶的流动密切相关；表面凝固和“晶雨”的形成:表面凝固取决于熔体的凝固温度与环境之差。表面凝固必须具备的形核条件与内生生核相似，需较大的过冷度。当合金温度与环境温度之差较大时，表面获得所需要的过冷度而发生形核长大。液相的流动和表面的扰动会使表面形成的晶核下落形成”晶雨”。晶粒细化的方法：1、添加晶粒细化剂，即向液态金属中引入大量形核能力很强的易帜晶核，达到细化晶粒的目的；2、添加阻止生长剂以降低晶核的长大速度，使形核数量相对提高，获得细小的等轴组织；3、采用机械搅拌、电磁搅拌、铸型振动等力学方法，使枝晶折断、破碎，使晶粒数量增多，尺寸减小；4、

4、提高冷却速度使液态金属获得大过冷度，增加形核速率；5、去除液相中的异质晶核，抑制低过冷度下的形核，使合金获得很大过冷度，并在大过冷度下突然大量形核，获得细小等轴组织。三、凝固偏析大体分为宏观偏析和微观偏析，它们是如何形成的？如何控制和减少凝固偏析？答：微观偏析是枝晶凝固的必然产物。假定凝固过程中的固相扩散可以忽略，则凝固过程的任何时刻液固界面附近固相一侧的成分被保留在最终的凝固组织中形成枝晶形式的等浓度面。因此等浓度面可以标记凝固界面的进程。并且，影响微观偏析的只要因素有：1）凝固速率R=dsd,随局部凝固时间的增大，非平衡相的析出量减小，即偏析减轻。2）合金元素的固相扩散系数。合金元素的固相

5、扩散系数越大，凝固过程的扩散越充分，该元素的偏析也就越轻。3）合金元素的液相扩散系数，液相扩散系数越大，液相中的合金元素能够在枝晶间充分扩散。宏观偏析：平界面定向凝固过程中偏析的形成是由扩散过程决定的。在无液相流动的条件下，随着凝固速率的加快，凝固界面前液相中溶质富集区内溶质分布向稳态的逼近速度加快。因而，快速凝固有利于缩小偏析区。并且枝晶凝固组织中的偏析分布不仅与扩散过程相关，也受液相流动过程的控制。由于溶质的再分配，枝晶间液相中的溶质质量分数不同于平均溶质质量分数。这些液体的流动将导致溶质质量分数在宏观尺度上的不均匀，形成宏观偏析。因此通过控制凝固速度和液相流动过程可以控制宏观偏析。四、详

6、述固液界面形态选择的成分过冷理论和绝对稳定理论的基本内容。请给出相关理论推导及重要推论？答：成分过冷理论：当一种合金冷却下来，由于溶质在固相和液相中的分配因数不同，溶质原子随着凝固的进行，被排挤到液相中去。在固液界面液相一侧堆积着溶质原子，随着离开固液界面距离的增大，溶质质量分数逐渐降低。在固液界面的一侧液相中的溶质原子浓度梯度应为:dldxx=0=-RDLL*(1-k)式中 R生长速率； L液相溶质质量分数；L*温度T*下的平衡溶质质量分数；DL溶质液相扩散系数；k溶质分配因数。当界面处于平衡时， (dTLdx)x=0=ml(dLdx)x=0式中 TL合金液的液相线温度；mL合金系的液相线斜

7、率。如果没有过冷界面液相中的实际温度梯度GTL应等于或大于(dTLdx)x=0， GTL(dTLdx)x=0或 GTLR-mLS*(1-k)kDL再稳态对流条件下，S*等于C0，即上式变为： GTLR-mLC0(1-k)kDL绝对稳定理论：Mullins和Sekerka鉴于成分过冷理论存在的不足，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新理论。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。其界面温度为， TL*=TS*=Tm+T=Tm-Tmk式中 TL*界面液相温度；TS*界面固相温度；Tm平面凝固界面的熔点；Gibbs-Thomson数

8、；k曲率，曲面凹向液相时为正。绝对稳定理论推导界面失稳公式为， DL2mLGCR2kTm式中 GC溶质质量分数梯度；根据绝对稳定理论，可概括总结以下几点：1） 快速凝固时，界面张力总是起到稳定固液界面的作用；2） 快速凝固时，溶质原子总是起到破坏固液界面稳定的作用；3） 平衡溶质分配因数越小，对绝对稳定区的平面凝固条件要比成分过冷区的越苛刻；4） 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子在液相中的扩散速率，使在固液界面的局部平衡不起作用，就会发生完全的溶质截留。五、什么是定向凝固？请给出实现高梯度定向凝固的基本原理和主要方法？答：定向凝固：又称定

9、向结晶，是使金属或合金在熔体中定向生长晶体的一种工艺方法。定向凝固技术是在铸型中建立特定方向的温度梯度，使熔融合金沿着热流相反方向，按要求的结晶取向进行凝固铸造的工艺。它能大幅度地提高高温合金综合性能。铸件中形成定向凝固的柱状晶组织需要两个基本条件，首先热流向单一方向流动并垂直于生长中的固液界面；其次是晶体生长的前方熔体中没有稳定的结晶核心。定向凝固的工艺方法主要有1)发热剂法；将型壳置于绝热耐火材料箱中，底部安放水冷结晶器，型壳中浇入金属液后，在型壳上部盖以发热剂，使金属处于高温，建立自上而下的凝固条件。2）功率降低法；铸型加热感应线圈分两段，铸型在凝固过程中不移动。当型壳被预热到一定过热度

10、时，向型壳内浇入过热合金液，切断下部电源，上部继续加热。3)快速凝固法；与功率降低法相比，主要区别在于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。4）液态金属冷却法；此工艺过程与快速凝固法基本相同，当合金液浇入型壳后，按选择的速度将型壳拉出炉体，浸入金属浴。5）液态床冷却法；6）区域熔化液态金属冷却法； 六、什么是高温合金？请简述高温合金的发展历程，给出单晶高温合金熔体生长技术的基本原理和工艺方法？答：高温合金是指能够在600以上高温，承受较大复杂应力，并具有表面稳定性的高合金化铁基或镍基、钴基奥氏体金属材料。高温、较大应力、表面稳定性和高合金化铁基或镍基、钴基奥氏体是不可缺一的

11、四大要素。50多年来我国高温合金的发展可以分为三个阶段:第一阶段,从1956年至20世纪70年代初是我国高温合金的创业和起始阶段.在苏联专家的指导下炼出的第一炉高温合金GH3030(3H435),拉开了我国研制和生产的序幕.1960年后,当时的国际形势要求我国必须独立自主地研制和生产主要歼击机发动机WP一5,WP一6,WP一7和WP一8等所需的各种高温合金材料,为此,必须建立和完善我国高温合金的生产基地和研究基地,配备相应的生产、检测设备和科研仪器设备.本阶段的主要成果是仿制前苏联高温合金为主体的合金系列,GH4033,GH4037,GH4O49,GH2036,GH303O,GH3039,GH

12、3044,K401,K403和K406等,。第二阶段,从20世纪70年代中至90年代中期,是我国高温合金的提高阶段.随着试制和生产一些仿欧美型号的航空发动机,引进了一系列欧美体系的合金,特别是在WS一9,WZ一6和WZ一8等发动机所需高温合金材料的研制中,全面引进欧美技术,按国外的技术标准进行研制和生产,对材料的纯洁度、均匀性和综合性能提出了比过去更高的要求.为此,增添了一批新的生产工艺设备,如大型真空冶炼设备、快锻机、精锻机等以及先进检测设备,进一步改进了生产工艺,在生产中建立了质量管理系统和更严格的质量管理程序,按照国外的规范加强质量控制和质量检测工作.第三阶段,从20世纪90年代中至今,

13、是我国高温合金的新发展阶段.本阶段的特点是应用和开发出一批新工艺,研制和生产了一系列高性能高档次的新合金.随着新型先进航空发动机的设计、研制和生产,要求研制和发展高性能的新材料,为此,建立和完善了旋转电极制粉工艺粉末高温合金生产线,研制了粉末涡轮盘材料FGH4095和FGH4096;采用机械合金化工艺技术,研制了氧化物弥散强化高温合金MGH4754和FGH2756;研制了第一代、第二代单晶高温合金DD402,DD408,DD406等,新型定向凝固柱晶合金Z4125,DZ4125L,DZ6O4M,DZ417G,低膨胀系数合金GH29O7,GH29Og以及耐热腐蚀、可锻可铸的高Cr合金GH4648

14、等.单晶高温合金熔体生长技术的基本原理和工艺方法：可以分为正常凝固法和区熔法。1) 正常凝固法中最常用的有坩埚移动、炉体移动及晶体提拉等定向凝固方法。a)坩埚移动或炉体移动单向凝固法基本原理和工艺方法：都是由坩埚的一端开始，坩埚可以垂直放置在炉内，熔体自下而上凝固或自上而下凝固，也可以水平放置。最常用的是将尖底坩埚垂直沿炉体逐渐下降，单晶体从尖底部位缓慢向上生长；也可以将籽晶放在坩埚底部，当坩埚向下移动时，籽晶处开始结晶，随着固液界面移动，单晶不断长大。这类方法的主要缺点是晶体和坩埚壁接触，容易产生应力或寄生成核，因此，在生产高完整性的单晶时，很少采用。b)晶体提拉法基本原理和工艺方法：它能在

15、较短的时间里生长出大而无位错的晶体。将欲生长的材料放在坩埚里熔化，然后将籽晶插入熔体中，在适当的温度下，籽晶既不熔掉，也不长大；然后，缓慢向上提拉和转动晶杆。旋转一方面是为了获得好的晶体热对称性，另一方面也搅拌熔体。用这种方法生长高质量的晶体，要求提拉和旋转速度平稳，熔体温度控制精确。单晶体的直径取决于熔体温度和拉速；减少功率和降低拉速，晶体直径增加，反之直径减小。2）区熔法包括水平区熔法和悬浮区熔法，其原理是区域熔炼，使多晶体从一端开始铸件熔化，使整个晶体成分逐渐均匀，通过多次区熔，晶体纯度提高。a)水平区熔法工艺方法：将材料置于水平舟内，通过加热器加热，首先在舟端放置的籽晶和多晶材料间产生

16、熔区，然后以一定的速度移动熔区，使熔区从一端移至另一端，使多晶材料变成单晶体。 b)悬浮区熔法工艺方法：方法与水平区熔法类似，可以看做垂直区熔法，都是移动熔区，使多晶材料变成单晶体。七、试述快速凝固的基本原理、特征和主要技术手段？答：快速凝固的基本原理：由液相到固相的相变过程进行得非常快，从而获得普通铸件和铸锭无法获得的成分、相结构和显微结构的过程就叫做快速凝固。在快速凝固条件下，凝固过程的各种传输现象可能被抑制，凝固偏离平衡，经典凝固理论中的许多平衡条件假设不再适应。一般可通过激冷法和深过冷法实现。其中激冷法师通过提高铸型的导热能力，增大热流的导出速率可使凝固界面快速推进，实现快速凝固；深过

17、冷法是通过抑制凝固过程中的形核，使合金液获得很大的过冷度，从而凝固过程释放的潜热被过冷熔体吸收，可大大减少凝固过程需要导出的热量，获得很大的凝固速率。快速凝固的特征：1、偏析形成倾向减小。2、非平衡相的形成；在快速凝固条件下，平衡相的析出可能被抑制，析出非平衡的亚稳定相。3、细化凝固组织；大的冷却速度不仅可细化枝晶，而且由于形核速率的增大而使晶粒细化。4、微观凝固组织的变化；随着合金类型与成分的变化，相同成分的合金在不同冷却速率下可获得完全不同的组织。5、非晶态的形成；当冷却速率极高时，结晶过程被完全抑制，获得非晶态的固体。快速凝固的技术手段：1、粉末材料快速凝固制备技术：1) 液态合金液滴的

18、形成与凝固；将液态金属分散成液滴，使散热的比表面积增大，冷却速率提高，实现快速凝固，可获得具有快速凝固组织的粉末材料。2）流体雾化法。3）离心雾化法；采用一定的工艺方法使合金液旋转，并在离心力的作用下以液滴的形式被高速抛出。液滴与环境气体摩擦，在切应力作用下进一步破碎，并快速凝固形成粉末。2、低维材料的快速凝固：1）金属碎片的快速凝固；最初是在液态金属下落过程中，采用高速气流加速，打在基板上而被快速冷却，实现快速凝固。2）金属带的快速凝固；包括单辊法、双辊法、溢流法、甩出法。3）线材的快速凝固；包括玻璃涂敷溶液纺绩法、合金液流注入液体冷却液法、旋转水纺绩法和传送带法。3、体材料的快速凝固：1)

19、液态金属深过冷法；采取一定的措施抑制合金液中固相的形核，从而达到很大的过冷度，使合金液中的大量热量在凝固之前被排出，凝固过程中需要导出的热流大大减小。包括熔融玻璃净化法和悬浮熔炼法。2）喷射沉积法；合金液经过喷射雾化以后形成高速飞行的液滴。这些液滴在完成凝固之前沉积在激冷的基板上快速凝固。通过连续沉积可获得大尺寸的快速凝固制件。八、请分别给出普通钢锭连铸技术和O.C.C技术的原理图，详细论述它们各自的工艺过程和技术特点？答：普通钢锭连铸技术和O.C.C技术的原理图：O.C.C连铸技术与传统连铸工艺的区别在于其铸型是加热的，而不是冷却的。传统的连铸过程铸型同时起到结晶器的作用，合金液首先在铸型的

20、激冷作用下凝固，并逐渐向中心生长，如图1(b)所示。而O.C.C连铸过程中铸型温度高于合金液的凝固温度。铸型只能约束合金液的形状，而不会在表面发生金属的凝固，其凝固方式如图1（a）所示。与钢锭浇注相比，连铸过程有以下特点：1）连铸坯凝固实质上是动态传热过程。分为结晶器、二冷和辐射三个传热区，铸坯边运行，边放热，边凝固形成很长的液相区。2）连铸坯凝固实质上是沿液相穴在凝固温度区间把液体转变为固体的加工过程。3）连铸坯运行过程中坯壳所承受的外力作用，对铸坯裂纹的形成有决定性影响。4）连铸坯是分阶段凝固的。5）已凝固坯壳在连铸机运行过程中接受喷水冷却，同时液芯热量又传给坯壳，因此可把凝固坯壳看成经历“形变热处理”的过程。O.C.C技术的特点有：1）满足定向凝固的条件，可以得到完全单方向凝固的无限长柱状晶组织。2）由于O.C.C法固相与铸型之间