特殊凝固技术—杨雪

1、特殊凝固技术特殊凝固技术一、快速凝固技术一、快速凝固技术二、定向凝固技术二、定向凝固技术三、其他特殊凝固技术三、其他特殊凝固技术特殊凝固技术特殊凝固技术是指除了人们对传统是指除了人们对传统铸锭和铸件凝固过程进行优化控制，铸锭和铸件凝固过程进行优化控制，使铸锭和铸件的质量得到提高外，还使铸锭和铸件的质量得到提高外，还表现为各种全新的凝固技术的形成，表现为各种全新的凝固技术的形成，如快速凝固、定向凝固、半固态铸造、如快速凝固、定向凝固、半固态铸造、连续铸造等。连续铸造等。前 言q快速凝固1960年开始出现q快速凝固是一项新型材料制备技术，既是一种生产手段,又是一种探索新材料的研究方法，受到了普遍的

2、重视q对现有牌号合金，可以显著地改善其组织结构，充分挖掘其性能潜力，也可以研制在常规铸造条件下无法得到的、具有优异性能的新型材料q近二、三十年来，不但开拓了一个崭新的学术领域，而且向市场提供了具有特殊性能的新材料一、快速凝固凝固与快速凝固特点是：特点是：较常规凝固快得多的冷却速度和大得多的过冷度。较常规凝固快得多的冷却速度和大得多的过冷度。 快快速凝固的定义速凝固的定义快速凝固快速凝固采用急冷技术或深度过冷技术获得很高的采用急冷技术或深度过冷技术获得很高的凝固前沿推进速率的凝固过程（以极快的凝固速度凝固前沿推进速率的凝固过程（以极快的凝固速度由液态转变为固态由液态转变为固态），），从而获得了传

3、统铸件或铸锭从而获得了传统铸件或铸锭冷却条件下所不能获得的成分、相结构或显微结构。冷却条件下所不能获得的成分、相结构或显微结构。l工业冷却速率范围10-310/s（大铸锭10-2/s ，中、小等的1 /s） 冷冷却速率与产品特征的关系却速率与产品特征的关系l薄型铸锭102/s，普通气体雾化粉末103/s ，水雾化粉末104/s l快速凝固冷速可能需更高（如基体表面淬冷法106/s ，甚至更高） 快快凝对性能的影响凝对性能的影响1. 提高强度提高强度 IN100合金：合金：工艺工艺断裂强度断裂强度/MPa 屈服强度屈服强度/MPa延伸率延伸率/%普通铸态普通铸态9829148雾化粉末法雾化粉末法

4、1676120216 快凝铝合金：快凝铝合金： 强度、塑性提高，替代钛合金，轻、价低；加锂，更轻，强度更高。强度、塑性提高，替代钛合金，轻、价低；加锂，更轻，强度更高。 快凝非晶化：快凝非晶化： 非晶非晶Fe78Mo2B20断裂强度可达断裂强度可达2747MPa；非晶；非晶Fe80B20断裂强度也达断裂强度也达2541MPa；非晶；非晶Ti50Be40Zr10断裂强度为断裂强度为1648MPa，而密度只有，而密度只有4.1g/cm3 。 提高疲劳强度： 快冷2024-3Li铝合金在107周下的疲劳强度为290MPa，较普通工艺生产的高约100MPa。 表面激光处理也能显著提高热、冷抗疲劳性能。

5、 原因：消除晶界粗大第二相、产生弯曲组织、晶粒大大细化。2. 提高塑性 Fe-5Si-3Al合金： 延伸率从1%提高至6.4%。 超塑性： 雾化法生产的IN100合金，延伸率可达1500%。一次压成型新工艺 Al-6.7Mg-1.6Li：具有超塑性的变形速率 10-4s-1至10-2s-1。3. 提高耐磨性 快速凝固提高硬度，进而提高耐磨性。4. 提高耐蚀性 成分均匀、组织精细。5. 提高磁性能 非晶材料是理想的软磁材料。 6. 提高催化性能 活化、比表面积大大提高。 快速凝固技术基本原理及分类（一）快速凝固技术的分类（一）快速凝固技术的分类（二）快速凝固技术的基本原理（二）快速凝固技术的基本

6、原理（三（三）典型的急冷凝）典型的急冷凝固技固技术方法术方法快快速速凝凝固固技技术术急急冷冷凝凝固固技技术术大大过过冷冷技技术术在细小熔滴中达到的凝固过冷度的（熔滴弥散）方法：在细小熔滴中达到的凝固过冷度的（熔滴弥散）方法： 乳化法、熔滴乳化法、熔滴基底法、落管法等基底法、落管法等在较大体积熔体中获得大凝固过冷度的（熔滴弥散）方法：在较大体积熔体中获得大凝固过冷度的（熔滴弥散）方法： 玻璃体包裹法、嵌入熔体法（二相区法）、电磁悬浮熔体法玻璃体包裹法、嵌入熔体法（二相区法）、电磁悬浮熔体法不同学者对快速凝固方法作了不同的分类，不同学者对快速凝固方法作了不同的分类， Jones(1982)Jone

7、s(1982)根据熔体分离与冷却方式不同而分成三类：根据熔体分离与冷却方式不同而分成三类： （i i） 熔体急冷前破碎成液滴的喷射方法熔体急冷前破碎成液滴的喷射方法雾化技术；雾化技术； （iiii） 熔体急冷时保持其连续性的急冷方法熔体急冷时保持其连续性的急冷方法模冷技术；模冷技术； （iiiiii）在相对很厚的材料表面熔化有限深度的金属并凝固的表面方法）在相对很厚的材料表面熔化有限深度的金属并凝固的表面方法（材料即为冷却器）（材料即为冷却器）表面熔化与沉积技术。表面熔化与沉积技术。 SavageSavage和和FroesFroes（19841984）根据熔体液流是否雾化成滴而分成两类：）根据

8、熔体液流是否雾化成滴而分成两类：雾化法和非雾化法雾化法和非雾化法（一）快速凝固技术的分类 （a）定向凝固）定向凝固 (b)体积凝固体积凝固 图图1-1 两种典型的凝固方式两种典型的凝固方式q1-自液相导人凝固界面的热流密度；自液相导人凝固界面的热流密度；q2-自凝固界面导人固相的热流密；自凝固界面导人固相的热流密； Q-铸件向铸型散热热量铸件向铸型散热热量 （二）快（二）快速凝固技术的基本原理速凝固技术的基本原理 热流密度热流密度q q1 1和和q q2 2与结晶潜热释放率之间满足与结晶潜热释放率之间满足热平衡方程热平衡方程: :213qqq（1-1） 根据傅里叶导热定律知根据傅里叶导热定律知

9、1LTLqG（1-2） 2STSqG（1-3）3ssqhv （1-4） Q Q1 1，Q Q2 2，Q Q3 3可如下求出可如下求出 式中，式中，A A为铸型与铸件的界面面积；为铸型与铸件的界面面积； q q为界面热为界面热流流密度；密度；V VC C为冷却速度，为冷却速度， 为负值；为负值；V VSVSV为体积为体积凝凝固速度，固速度， ；V V为铸件体积；为铸件体积； h h为结晶为结晶潜潜热；热；S S、L L、 分别为固相密度、液相密度及平分别为固相密度、液相密度及平均密度；均密度；C CS S、C CL L分别为固相、液相的质量热容；分别为固相、液相的质量热容； 分别为固相体积分数和

10、液相体积分数。分别为固相体积分数和液相体积分数。 1QqA (1-7) 2()CSSSLL LQvVCC3SVQv Vh (1-8)(1-9) /CvdT d/SVSvddSL、 近似取近似取 , , , 并且已并且已知知 ，则由式（，则由式（1-61-6）至式）至式 （1-91-9）可）可得出得出: :SLSLCCC1SL+()SVCqvhcvM (1-10)/SSTSSvGh（1-11） ()/SSkiSvTTh（1-12）式中， 为铸件模数。对凝固层内的温度分布作线性相似得 式中， 为凝固层厚度；TK 为液固界面温度；Ti为铸件与铸型界面温度。/MVA急冷凝固技术急冷凝固技术（Rapid

11、ly Quenching Technology, RQT）欲获高的冷速，需满足两个基本条件欲获高的冷速，需满足两个基本条件减少单位时间内金属凝固时产生的熔化潜热减少单位时间内金属凝固时产生的熔化潜热必须有能带走热的冷却介质，提高凝固过程中传热速率必须有能带走热的冷却介质，提高凝固过程中传热速率而冷却速度取决于对流、辐射、传导等的导热速率而冷却速度取决于对流、辐射、传导等的导热速率在理想冷却过程中在理想冷却过程中 ， dT/dtdT/dt=10=104 4z z 式中式中dT/dtdT/dt凝固速度，凝固速度，z z截面厚度截面厚度故熔化金属必须被分散，至少一维方向上足够小，具有大故熔化金属必须

12、被分散，至少一维方向上足够小，具有大比表面积，而且最大程度地增加熔体与冷却介质之间的接触，比表面积，而且最大程度地增加熔体与冷却介质之间的接触，以减小热阻，利于散热以减小热阻，利于散热急冷凝固技术中获得高冷速的基本原则急冷凝固技术中获得高冷速的基本原则设法减少同一时刻凝固的熔体体积设法减少同一时刻凝固的熔体体积设法增大熔体散热表面积与体积之比设法增大熔体散热表面积与体积之比设法减少熔体与热传导性能好的冷却介质的设法减少熔体与热传导性能好的冷却介质的界面热阻界面热阻尽可能主要以传导方式散热尽可能主要以传导方式散热急冷凝固三急冷凝固三种基本途径种基本途径 用用高速气流打击金属液体，或在离心力的作用

13、下使之雾化高速气流打击金属液体，或在离心力的作用下使之雾化成十分细小成十分细小 的的液滴，最后凝固成粉末。液滴，最后凝固成粉末。 把把液态金属喷到急冷板或转动的滚轮上，凝固成很薄的金液态金属喷到急冷板或转动的滚轮上，凝固成很薄的金属箔或丝。属箔或丝。 用激光或高能电子束熔化极薄一层金属表层，整块金属基用激光或高能电子束熔化极薄一层金属表层，整块金属基体起到体起到自身冷却剂的作用。自身冷却剂的作用。 实现大过冷技术的途径： 消除金属熔体内部形核媒质 分离熔体为熔滴； 消除容器壁的形核媒质 金属熔体与容器壁分离。 当熔滴很小、数量很多时，每个熔滴中的形核媒质数目非常少，从而产生接近均匀形核的条件。

14、 1、气体雾化法、气体雾化法过程：两束或多束气体射流介质传递过程：两束或多束气体射流介质传递动能，将金属液流破碎，细小的液滴在动能，将金属液流破碎，细小的液滴在飞行中通过对流或辐射散热凝固成粉飞行中通过对流或辐射散热凝固成粉 流流体雾化体雾化（Fluid AtomizationFluid Atomization）工艺参数：射流距离、射流压力、喷工艺参数：射流距离、射流压力、喷嘴结构、气体和金属流速和质量流率、嘴结构、气体和金属流速和质量流率、金属过热度、气液交汇角、金属表面张金属过热度、气液交汇角、金属表面张力和金属融化温度范围力和金属融化温度范围应用：高合金钢、铝合金、超合金、应用：高合金钢

15、、铝合金、超合金、钛合金等（活泼金属粉末采用惰性气体钛合金等（活泼金属粉末采用惰性气体雾化）雾化）粉末多成球形。凝固冷速取决于颗粒粉末多成球形。凝固冷速取决于颗粒尺寸和雾化介质的类型，通常，尺寸愈尺寸和雾化介质的类型，通常，尺寸愈小，气体愈轻，冷速愈高小，气体愈轻，冷速愈高（三（三）典型的急冷凝固技术方法）典型的急冷凝固技术方法2、水雾化法（、水雾化法（Water Atomization）以水射流代替气体射流外，以水射流代替气体射流外，其余与气体雾化相似其余与气体雾化相似 颗粒多呈不规则形，但冷速颗粒多呈不规则形，但冷速可达可达10102 2-10-104 4K/sK/s 已被大规模应用于工具

16、钢、已被大规模应用于工具钢、低合金钢、铜、锡、铁粉等等低合金钢、铜、锡、铁粉等等（水雾化钢和超合金（水雾化钢和超合金, ,活泼元活泼元素易氧化，素易氧化，O%1000ppmO%1000ppm，而，而气体雾化，气体雾化，O%100ppmO%100ppm）有时，）有时，也可以油代水，以降也可以油代水，以降O%O% 离离心雾化技术心雾化技术l液态金属在高速旋转的容器（盘、杯、坩埚、平板或凹板）的边缘上破碎、雾化液态金属在高速旋转的容器（盘、杯、坩埚、平板或凹板）的边缘上破碎、雾化的技术。液态金属从坩埚或从熔化的母合金棒端浇注到旋转器上，在离心力的作用的技术。液态金属从坩埚或从熔化的母合金棒端浇注到旋

17、转器上，在离心力的作用下，熔融金属被甩向容器边缘雾化，喷射出金属雾滴，雾滴在飞行过程中球化并凝下，熔融金属被甩向容器边缘雾化，喷射出金属雾滴，雾滴在飞行过程中球化并凝固。整个过程（熔化、雾化、凝固）在惰性气体环境中完成固。整个过程（熔化、雾化、凝固）在惰性气体环境中完成1、快速凝固雾化法、快速凝固雾化法l液流自坩埚底浇至高速旋转的水冷液流自坩埚底浇至高速旋转的水冷水平盘，液态金属被机械打碎、雾化，水平盘，液态金属被机械打碎、雾化，从旋转盘边缘甩出，液滴在飞行过程从旋转盘边缘甩出，液滴在飞行过程中凝固中凝固 旋转离心雾化的一种，又称旋转离心雾化的一种，又称l可加氦气流喷吹，加速冷却，（水可加氦气

18、流喷吹，加速冷却，（水流等亦然），也防氧化。也有人已螺流等亦然），也防氧化。也有人已螺旋桨代平盘旋桨代平盘 l粉末多呈球形，尺寸约粉末多呈球形，尺寸约20-80m20-80m，冷速冷速10104 4-10-106 6K/sK/s l已用于制备镍、铝、钛和超合金粉已用于制备镍、铝、钛和超合金粉 2、离心雾化法、离心雾化法l静止电极和带电旋转坩静止电极和带电旋转坩埚之间产生电弧，熔化金埚之间产生电弧，熔化金属属 l在离心力作用下，熔融在离心力作用下，熔融金属被甩出坩埚边缘雾化，金属被甩出坩埚边缘雾化，并喷射出金属液态颗粒并喷射出金属液态颗粒 3、旋转电极雾化法旋转电极雾化法l欲被雾化的棒料快速旋转

19、，同时棒料一欲被雾化的棒料快速旋转，同时棒料一端被一个非自耗钨电极产生的电弧熔化，端被一个非自耗钨电极产生的电弧熔化，融化的金属从旋棒上甩出，在与惰性气融化的金属从旋棒上甩出，在与惰性气体室室壁碰撞之前凝固，成粉体室室壁碰撞之前凝固，成粉 l粉末多呈球形，表面质量好，尺寸大，粉末多呈球形，表面质量好，尺寸大，大于大于200m200m，冷速，冷速1010 l已用于雾化活泼的金属，如高纯、低氧已用于雾化活泼的金属，如高纯、低氧的、等金属的、等金属及其合金，以及和的超合金。及其合金，以及和的超合金。易出现钨污染，可用钛阴极或等离子体易出现钨污染，可用钛阴极或等离子体弧、激光、电子束来熔化棒料弧、激光

20、、电子束来熔化棒料 1.双双轧轧辊法辊法 利用两个反向高速旋转辊轮将利用两个反向高速旋转辊轮将金属液流雾化。经过双辊时需金属液流雾化。经过双辊时需防凝固（用碳涂层包裹两辊），防凝固（用碳涂层包裹两辊），液态金属从辊下方排出，形成液态金属从辊下方排出，形成涡凹，并以液滴形式甩出，并涡凹，并以液滴形式甩出，并迅速落入水浴，凝固迅速落入水浴，凝固 将熔体液流在两个反向旋转的导热轧辊之间轧制，熔体液流垂直下落在将熔体液流在两个反向旋转的导热轧辊之间轧制，熔体液流垂直下落在两辊之间，可制备两辊之间，可制备mm的薄片，冷速达的薄片，冷速达。精控工。精控工艺参数，可制备非常长的薄带艺参数，可制备非常长的薄带

21、液体急冷发液体急冷发冷速达冷速达，可制备金属薄片、箔以及不规可制备金属薄片、箔以及不规则或球形颗粒。效率低则或球形颗粒。效率低 2、平面流铸造法（平面流铸造法（Planar Flow Casting）急冷块熔体自旋法的一急冷块熔体自旋法的一种，但将圆嘴改成矩形嘴，种，但将圆嘴改成矩形嘴，可制备更宽且均匀横截面可制备更宽且均匀横截面的薄带的薄带 熔融金属从一个非常接熔融金属从一个非常接近旋转急冷基底的槽形喷近旋转急冷基底的槽形喷嘴中流出。熔体熔池被喷嘴中流出。熔体熔池被喷嘴和基底约束成稳定的矩嘴和基底约束成稳定的矩形。流体基本上靠压力控形。流体基本上靠压力控制，它也取决于基底表面制，它也取决于基

22、底表面速度、喷嘴宽度（平行于速度、喷嘴宽度（平行于薄带运动方向）和喷嘴与薄带运动方向）和喷嘴与基底之间的缝隙基底之间的缝隙 束流表层急冷法束流表层急冷法 采用激光、电子束、粒子束进行表面层快速熔凝。采用激光、电子束、粒子束进行表面层快速熔凝。只只改变组织，不改变成分改变组织，不改变成分 表面上釉，表面非晶化表面上釉，表面非晶化即即改变成分，又改变组织改变成分，又改变组织 表面合金化、表面喷涂后激光快速熔凝、离子注入后快速熔凝表面合金化、表面喷涂后激光快速熔凝、离子注入后快速熔凝。l激光表面处理方法的基本原理如图激光表面处理方法的基本原理如图 l激光束将高密度能量施于金属表面有限激光束将高密度能

23、量施于金属表面有限的区域上，该区表面快速熔化（根据处理的区域上，该区表面快速熔化（根据处理工艺要求，熔化层厚度可从几十微米到上工艺要求，熔化层厚度可从几十微米到上千微米不等），然后熔化微区快速凝固，千微米不等），然后熔化微区快速凝固，（固态）冷却（固态）冷却 l过程是一个快速熔过程是一个快速熔化化快快速凝固的程序速凝固的程序 二、定向凝固二、定向凝固3030定向凝固定向凝固可使材料凝固组织按特定方向排列可使材料凝固组织按特定方向排列, 获得定向及单获得定向及单晶组织结构晶组织结构, 从而大大改善材料的力学和物理性能。定向凝从而大大改善材料的力学和物理性能。定向凝固共晶复合材料是一种自生纤维增强

24、的金属基复合材料。固共晶复合材料是一种自生纤维增强的金属基复合材料。 定向凝固技术定向凝固技术最初是在高温合金的研制中建立和完善起来最初是在高温合金的研制中建立和完善起来的的, 在用于燃汽涡轮发动机叶片的生产中在用于燃汽涡轮发动机叶片的生产中, 所获得的具有柱所获得的具有柱状乃至单晶组织的材料，具有优良的抗热冲击性能、较长状乃至单晶组织的材料，具有优良的抗热冲击性能、较长的疲劳寿命、较高的蠕变抗力和中温塑性的疲劳寿命、较高的蠕变抗力和中温塑性, 成为当时震动冶成为当时震动冶金界和工业界的重大成果之一。该技术已逐渐推广到半导金界和工业界的重大成果之一。该技术已逐渐推广到半导体材料、磁性材料、复合

25、材料等的研制中。因此体材料、磁性材料、复合材料等的研制中。因此, 定向凝固定向凝固技术自其诞生以来得到了迅速发展。技术自其诞生以来得到了迅速发展。 定向凝固是在凝固过程中采用强制手段，在凝固金属和未凝固熔体中建立起特定方向的温度梯度，从而使熔体沿着与热流相反的方向凝固，获得具有特定取向柱状晶的技术。 定向凝固技术是在高温合金的研制中建立和完善起来的。该技术最初用来消除结晶过程中生成的横向晶界，甚至消除所有晶界，从而提高材料的高温性能和单向力学性能。 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，可以分别研究它们对凝固过程的影响。这既促进了凝固理论的发展，也激发了不同定向凝

26、固技术的出现。传统的定向凝固技术主有：传统的定向凝固技术主有： 1.1.炉外结晶法炉外结晶法( (发热铸型法发热铸型法) ) 2. 2. 炉内结晶法炉内结晶法1 1 功率降低法功率降低法(PD(PD法法)2 )2 快速快速凝固法凝固法(HRS)3 (HRS)3 液态金属冷却法液态金属冷却法(LMC(LMC法法)。 然而传统定向凝固技术存在着它的不足之处，然而传统定向凝固技术存在着它的不足之处，不论是炉外法，还是炉内法，也不论是功率降不论是炉外法，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，其冷却却速

27、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。严重的枝晶偏析，限制了材料性能的提高。 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。在此基础上形成了一些新型定向凝固的方法： 1 超高梯度定向凝固技术(ZMLMC)； 2深过冷定向凝固 ； 3电磁约束成形定向凝

28、固技术 ； 4激光超高温度梯度快速定向凝固 ； 又叫发热剂法，是定向凝固工艺中最原始的一种。 基本原理：将铸型预热至一定温度后，迅速放到激冷板上并进行浇铸，激冷板上喷水冷却，从而在金属液和已凝固金属中建立一个自下而上的温度梯度，实现单向凝固。也有采用发热铸型的，铸型不预热，而是将发热材料充在铸型壁四周，底部采用喷水冷却。缺点：温度梯度不缺点：温度梯度不大而且很难控制，大而且很难控制，不适合大型、优质不适合大型、优质件的生产件的生产 优点：工艺简单、优点：工艺简单、生产成本低生产成本低 工艺流程：把熔融的金属液置于保温炉，保温炉是分段加热的，其底部采用水冷激冷板。自上而下逐段关闭加热器，金属则自

29、下而上逐渐凝固。缺点：设备较复缺点：设备较复杂，能耗消耗比杂，能耗消耗比较大，温度梯度较大，温度梯度小小优点：温度梯度优点：温度梯度容易难控制容易难控制 装置和功率降低法相似，多了拉锭机构，可使模壳按一定速度向下移动， 改善了功率降低法温度梯度在凝固过程中逐渐减小的缺点；另外，在热区底部使用辐射挡板和水冷套，挡板附近产生较大的温度梯度冷却速，局部度增大，有利于细化组织，提高力学性能。 避免了炉膛的影响且利用空气冷却，因而获得的柱状间距变小，组织较均匀，提高了铸件的性能 靠辐射换热来冷却的，获得的温度梯度和冷却速度都很有限。 以液态金属代替水，作为模壳的冷却介质，模壳直接浸入液态金属冷却剂中，散

30、热大大加强，以至在感应器底部迅速发生热平衡，造成很高的GTL，几乎不依赖浸入速度。影响因素：1冷却剂的温度 2 模壳传热性、厚度和形状 3 挡板位置 4 熔液温度 5液态金属冷却剂的选择条件： 6 有低的蒸气压，可在真空中使用 7 熔点低，热容量大，热导率高 8 不溶解在合金中 9 价格便宜 液态金属冷却法采用低熔点合金冷却，成本高，可能使铸件产生低熔点金属脆性。 流态床冷却法以悬浮在惰性气体中的稳定陶瓷粉末作为冷却介质。 激冷能力下降，温 度 梯 度 要 略小于液态金属冷却 法。v制造压型制造压型压制熔模压制熔模： 将糊状易熔模料压入压型来制造熔模。如果有复杂内腔，将糊状易熔模料压入压型来制

31、造熔模。如果有复杂内腔，制模前还需将陶瓷型芯放入压型的型腔，制成带有型芯的制模前还需将陶瓷型芯放入压型的型腔，制成带有型芯的熔模。熔模。组焊模组组焊模组： 熔模铸件一般比较小，常常把几个熔模焊在一个预先做熔模铸件一般比较小，常常把几个熔模焊在一个预先做好的蜡制的浇口棒模样上来构成熔模组。好的蜡制的浇口棒模样上来构成熔模组。压型压型用于压制熔模的型。一般用钢或铝合金等材料。用于压制熔模的型。一般用钢或铝合金等材料。 ZMLMC法是采用区域熔化和液态金属冷却相结合的方法。它利用感应加热,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。由于冷却速率明显提高,导致凝固组织细化,

32、大幅度提高了合金的力学性能 装有试样的坩埚装在高频线圈中循环过热，使异质核心通过蒸发与分解去除；或通过净化剂的吸附消除和钝化异质核心，获得深过冷的合金熔体。 再将坩埚的底部激冷，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， 残余的金属液向已有的枝晶骨架上凝固，最终获得了定向凝固组织。 在形核就处于深过冷时，一旦形核，生长速率很快，基本上不受外界散热条件的影响。所以金属体积对深过冷定向凝固的影响不大，凝固速度快，且免除复杂的抽拉装置。 电磁约束成形定向凝固技术是利用电磁感应加热金属材料,并利用在金属熔体表层部分产生的电磁压力来约束已熔化的金属熔体成形。同时,冷却介质与铸件表面有直接接

33、触,增强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。它是提高金属材料产品性能和成材率的重要方向之一。电磁成形是一种先进的材料成形加工技术,应用该技术,不仅可以实现金属的无坩锅熔化,而且还可以达到无铸型成形的效果,避免了材料在冶炼和成形中的污染。该技术是一项涉及电磁流体力学、冶金、凝固以及自动控制等学科的技术,各种工艺参数如电磁压力、加热密度、抽拉速度的选择将决定铸件的表观质量和性能。电磁约束成形定向凝固工艺将成为一种很有竞争力的定向凝固技术,但还需研究解决靠近固液界面处熔体的侧向是否有横向传热等问题。 定向凝固方法,由于受加热方法的限制,温度梯度不可能再有

34、很大提高,要使温度梯度产生新的飞跃,必须寻求新的热源或加热方式。激光具有能量高度集中的特性,这使它具备了在作为定向凝固热源时可能获得比现有定向凝固方法高得多的温度梯度的可能性。 利用激光表面熔凝技术实现超高温度梯度快速定向凝固的关键在于:在激光熔池内获得与激光扫描方向一致的温度梯度;根据合金凝固特性选择适当的工艺参数以获得胞晶组织。利用激光快速熔凝方法可以实现与Bridgman法相似的超高温度梯度快速定向凝固,其温度梯度可高达106K/m,速度可高达24mm/s,冷却速度较区熔液态金属冷却法大大提高(约为三个数量级)。 定向凝固方法,由于受加热方法的限制,温度梯度不可能再有很大提高,要使温度梯

35、度产生新的飞跃,必须寻求新的热源或加热方式。激光具有能量高度集中的特性,这使它具备了在作为定向凝固热源时可能获得比现有定向凝固方法高得多的温度梯度的可能性。 利用激光表面熔凝技术实现超高温度梯度快速定向凝固的关键在于:在激光熔池内获得与激光扫描方向一致的温度梯度;根据合金凝固特性选择适当的工艺参数以获得胞晶组织。利用激光快速熔凝方法可以实现与Bridgman法相似的超高温度梯度快速定向凝固,其温度梯度可高达106K/m,速度可高达24mm/s,冷却速度较区熔液态金属冷却法大大提高(约为三个数量级)。 (a) 定向凝固组织(b) 普通铸造组织 目前，定向凝固技术的最主要应用是生产具有均匀柱状晶组

36、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，它使叶片的高温强度、抗蠕变和持久性能、热疲劳性能得到大幅度提高。对于磁性材料，应用定向凝固技术，可使柱状晶排列方向与磁化方向一致，大大改善了材料的磁性能。定向凝固技术也是制备单晶的有效方法。定向凝固技术还广泛用于自生复合材料的生产制造，用定向凝固方法得到的自生复合材料消除了其它复合材料制备过程中增强相与基体间界面的影响，使复合材料的性能大大提高。(a) 超细无氧铜丝（19.7mm） (b)超细Al-Si丝（25mm） 定向凝固和低温强加工技术相结合制备产品 这种组织的材料由于不存在垂直于长度方向的横向晶界，因此具

37、有优良的物理与力学性能：电导率高，信号保真性能好，强度与延伸率大幅度提高，加工性能好。 （a）17mm纯铜杆 (b) 5mmAl-1%Si合金杆 采用连续定向凝固技术成功制备了具有连续柱状晶组织的17mm纯铜杆，其相对电导率可达103%；采用该技术成功制备了具有连续柱状晶组织的5mmAl-1%Si 合金杆，所制取的合金杆表面光亮、组织致密、且具有优异塑性，晶体取向为。 (a) 391.8mm铜管 (b) 16mm单晶铜棒 取向（100） 真空熔炼和连续定向凝固相结合制备产品 利用此技术 生产工序大大地减少，生产成本和能源消耗大幅度降低，并且可充分发挥铜管坯的定向凝固组织及冷加工性能的优势，提高管坯的加工效率和成材率，管坯表面质量和性能稳定。 临床上对长骨损伤的修复中, 人们希望找到一