材料成型新技术-连续定向凝固技术 - 副本

1、材料成型新技术报告学生姓名：学号：学院：材料学院班级：成型093题目连续定向凝固技术2012年11月 连续定向凝固技术绪论金属的凝固，从传热学的角度是液态金属转变为固态的过程；从物理化学、金属学的观点就是结晶，即：形核和生长。形核过程对金属材料晶粒的大小起着至关重要的作用；晶体生长关系到凝固后微观组织的形态，由于组成金属材料的晶体形态与金属材料的性质有关，如何控制晶体生长已成为控制金属材料性能的重要手段。凝固组织的控制包括两方面的内容：(1)凝固组织形态的选择(2)控制凝固组织的尺寸、间距。材料的使用性能是由其组织形态来决定的。因此，包括调整成分在内，人们通过控制材料的制备过程以获得理想的组织

2、从而使材料具有所希望的使用性能，控制凝固过程己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。同时，由于定向凝固技术的出现，也为凝固理论的研究和发展提供了实验基础，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。此外，定向凝固组织非常规则，便于准确测量其形态和尺度特征。定向凝固技术是控制晶体生长、研究晶体生长行为最有效的方法，实现定向凝固的总原则为金属熔体中的热量严格的按单一方向导出，使金属或合金按柱状晶或单晶的方式生长。金属熔体在凝固过程

3、中，为了达到单一方向生长为柱状晶的目的，除满足上述总原则外，还必须满足以下两个条件：一是凝固过程中固液界面保持为平面，在界面前沿保持足够高的温度梯度，并且使此温度梯度与柱状晶生长速度的比值足够大；二是未凝固的液体有足够的过热度，避免型壁形核，防止型壁上形成的晶体脱落形成等轴晶的核心。定向凝固的发展历程定向凝固过程的理论研究的出现是在1953年，那是Charlmers及其他的同事们在定向凝固方法考察液/固界面形态演绎的基础上提出了被人们称之为定量凝固科学的里程碑的成分过冷理论。在20世纪60年代，定向凝固技术成功的应用于航空发动机涡轮叶片的制备上，大幅度提高了叶片的高温性能，使其寿命加长，从而有

4、力地推动了航空工业发展。近20年来，不仅开发了许多先进的定向凝固技术，同时对定向凝固理论也进行了丰富和发展，从Charlmers等的成分过冷理论到Mullins等的固/液界面稳定动力学理论（MS理论），人们对凝固过程有了更深刻的认识，从而又能进一步指导凝固技术的发展。新型定向凝固技术ZMLMC法为了进一步提高温度梯度，李建国等人把区域熔炼技术（zoneMelting）和液态金属冷却法（LMC）相结合发展了一种新型定向凝固技术一区域熔化液态金属冷却法，即ZMLMC法。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。据报道zMLMc最高温度梯度可达1300k/c

5、m，最大冷却速度可达50k/s。与传统定向凝固相比，枝晶组织明显得到细化。定向凝固技术的发展直接推动了凝固理论的发展和深入。从成分过冷理论到界面稳定动力学理论（MS理论），人们对凝固过程有了更深刻的认识，MS理论成功地预言了：随着生长速度的提高，固液界面形态将经历从平界面、胞晶*树枝晶*胞晶*带状组织*绝对稳定平界面的转变。对大多数合金，实现高梯度绝对稳定性的临界温度梯度在5000K/cm以上，远远超过常规的定向凝固方法包括ZMLMC方法所能达到的温度梯度。为了实现高温度梯度绝对稳定性，揭示在这种极端条件下凝固过程的规律，人们想到激光具有加热温度高，能量高度集中等特点，选用激光作加热源，在激光

6、表面熔化快速定向凝固条件下，高密度激光源辐照材料表面使表面薄层（熔层深度一般不大于0.5mm）熔化，熔融金属与未熔基体接触良好，温度梯度和冷却速度高达106数量级，当用30Ps的激光脉冲表面淬火时，晶体生长速率高达230m/s，冷却速度较区域熔化液态金属冷却法大大提高（约为三个数量级）。定向凝固技术发展的历史就是不断提高温度梯度和凝固速率的历史。连续定向凝固技术连续定向凝固技术可获得理想的柱状晶组织，它的出现标志着定向凝固技术及晶体生长技术进入了一个崭新的阶段。连续定向凝固方法大致可分为两种：OCC法:日本千叶工业大学的大野笃美教授依据“晶体游离学说”发明了OCC(OhnConiinuousc

7、astingProeess)方法；OcC方法的原理是将结晶器的温度保持在熔体的凝固温度以上，绝对避免在型壁上形核，熔体的凝固只在脱离结晶器的瞬间进行。随着铸锭不断离开结晶器，晶体的生长方向与热流方向相反。OCC方法三种形式及特点见表1。表1occ法三种形式及其特点高温度梯度法：Flemings教授依据等轴晶形成机理“成分过冷学说”发明了HGqHighTemperatureGradienteasting)方法；这种方法追求高的温度梯度，实现的方法是使金属熔体达到近似于薄膜的程度，HGC法定向凝固原理图见图1。它们共同的特点是保持固液界面为平面；固液界面前沿液相中不形核；已经凝固的固相连续离开铸型

8、；熔体的热量连续沿铸锭轴向传出。随着凝固的进行，出现晶体的竞争生长，晶粒的数量逐渐减少，残留下来的只是与热流方向平行的柱状晶。制备定向排列柱状晶组织铸锭的关键是：合金凝固时，热流方向是单向的；在固一液界面应有足够高的温度梯度，避免在凝固界面的前沿成分过冷或外来核心，使柱状晶横向生长受到限制；另外保证单向散热，绝对避免在侧面型壁形核、生长。因此，要尽量抑制液态合金的形核能力，提高液态合金的纯洁度，避免氧化、吸气形成的杂质。热型连续定向凝固原理及实验方法热型连续定向凝固技术又称大野式连续铸造，简occ(ohnoContinuousCasting),于1978年由日本千叶工业大学大野笃美教授(A.o

9、hno)发明，并于1986年首次发表。它是一项把先进的定向凝固技术与高效的连铸技术相结合的新型金属近净成型(near一net一ShaPe)技术。它通常是采用一个加热铸型和一个与之分离的冷却器代替连铸设备中的冷铸型，加热铸型使铸型内壁温度高于所铸金属的熔点以上，避免型壁形核。直接冷却铸锭，使冷却器与铸型出口之间造成一个轴向温度梯度，以形成定向凝固条件，金属液在铸锭中心先凝固，铸锭外表面层金属液在脱离铸型后的瞬间凝固，可以得到单向生成的柱状晶组织。通过各工艺参数的优化控制，使其有利于晶粒的竞争生长，则可以实现单晶连铸。热型连续定向凝固的基本原理与方法热型连续定向凝固的基本原理大野笃美在研究铸锭组织

10、的形成过程中，通过对金属熔体凝固过程的直接动态观察提出了“结晶游离论”。该理论的要点为：在型壁上形核的晶粒，由于溶质的偏析，使其根部的成长受到了抑制，这样，在稳定的凝固壳形成之前产生游离；这些游离的晶粒是铸锭中心区等轴晶的起始核心。根据此理论，大野笃美教授提出了控制铸锭组织的基本原理：如果要得到等轴晶铸锭，就要找到等轴晶生成的场所，使结晶大量地生成、游离和沉淀；如果要得到柱状晶铸锭，则要阻止晶粒从其生成场所游离，使之迅速形成稳定的凝固壳。如果将传统连铸中的冷铸型改为热铸型，则阻止了晶粒在铸型壁上的形核，可获得单向凝固的柱状晶连续铸锭。此外，由于单向凝固过程中晶粒的竞争生长机制，若条件控制适合，

11、就可以获得单晶铸锭，实现单晶的连铸生产。热型连续定向凝固技术的原理如图2所示。犢就il褥图2热型连续定向凝固与传统连铸的原理示意图热型连续定向凝固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激冷作用下凝固，并逐渐向中心生长，如图所示。因此，在最后凝固的铸锭中心容易产生气孔、缩松、缩孔及低熔点合金元素与杂质元素的偏析。同时，己凝固的固体壳层与铸型之间有较大的摩擦力。而热型连续定向凝固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。其凝固方式如图所示，凝固过程的进行是通过热流沿固相的导

12、出维持的。凝固界面通常是凸向液相的。这一凝固界面形态利于获得定向或单晶凝固组织。此外，热型连续定向凝固过程中固相不与铸型接触，固液界面是一个自由表面，在固相与铸型之间是靠合金液的界面张力维持的。因此，可获得镜面的铸锭表面。同时，由于不存在固相与铸型之间的摩擦力，铸锭可以连续抽拉，并且牵引力很小。热型连续定向凝固技术的核心是避免凝固界面附近的测向散热，维持很强的轴向热流，保证凝固界面是凸向液相的。维持这样的导热条件需要在离开凝固界面的一定位置强制冷却。可采用类似于普通连铸过程二次冷却区的喷水冷却方式，而在凝固界面附近的液相一侧进行加热。由于热型连续定向凝固法依赖于固相的导热，适合于具有大热导率的

13、铝合金及铜合金。同时，由于随着铸锭尺寸的增大，固相导热的热阻增大，维持一维散热条件变得更加困难，因而热型连续定向凝固技术对铸锭的尺寸有一定的限制，它只适用于小尺寸铸锭的连续铸造。基本热型连续定向凝固方法热型连续定向凝固技术的构想始于1978年，目的是为了连续地制造表面异常光洁的铸锭。基本热型连续定向凝固技术的连铸方法有上引法、下引法和横引法三种方法。(1)下引法下引法是最简单的一种方法，其优点是冷却均匀，凝固条件优越，凝固过程中的夹杂易上浮，不易被卷入铸锭。但该法的最大缺点是铸型出口处的压力难以控制，液体压力大，使铸型出口处和铸锭之间的液膜难于成型和保持，故易发生漏液事故。为了克服下引法的缺点

14、，将供液管设计成虹吸管式，但这种方法使得设备的制作及操作非常困难，因此，在实际实验中没有得到发展。(2)上引法上引法中，气体和夹杂在浮力的作用下，始终滞留在液一固界面处，易被卷入铸锭。同时，该法冷却装置设计复杂，尤其对热容量大、熔点高的金属，当需要用液体冷却剂冷却时，有冷却剂漏到金属液上发生爆炸的危险。但这种方法凝固界面处的液体金属压力易控制，不会发生跑火事故，有利于成形，故实际中仍有采用。水平横引法水平横引法的优点则介于前两者之间，设备简单，冷却装置易于制造和安装。但该法由于重力的作用，铸件在上下方向的尺寸受到限制，铸件中容易加入杂质，冷却上下不均匀，故适合于生产细棒材、小直径管材及薄壁板类

15、型材。水平横引法是目前研究和应用最多的，而且也是最为成功的。在水平横引法的基础上，为了适应大规模生产的需要，在80年代末期又发明了回转加热铸型法，和上面开放水平加热铸型法两种带材连铸设备，可以制备定向凝固组织和单晶带材。采用回转加热铸型设备成功制造出了宽100mm，厚3mm的单晶锌板材。但由于该设备需要加热的铸型面积很大，且凝固后的板材与铸型的分离需要一个模型块，操作与控制较困难，故又改进为上面开放水平加热铸型的带材连铸设备(ohnoStripContinuouSCasting,简称OSCC法)，在该装置上己成功地制出了宽50mm，厚2mm的铝带材。90年代初又发明了双金属连铸装置11，可以铸

16、造内外层不同金属材质的棒状、管状材料。连续定向凝固技术研究进展最初的OCC技术采用简单的下引方式，仅拉出长度50mm左右形状不规整的镜面铸锭,直到1980年,才开发出三种方法,即下引法、上引法和水平法。下引法排气排渣容易,冷却措施也容易实现,只要控制下引法的合金液不发生泄漏,这种方法所得的铸坯质量是最好的；将供液管设计成虹吸管式，可解决拉漏问题。但虹吸式方法的设备的制作及操作非常困难,所以没能发展起来；上引法不会产生拉漏现象,有利于成形,但排气、排渣与冷却水的密封困难,此法在实际实验中仍有采用；水平法的优点介于前二者之间,其设备简单,容易实现连续单向凝固,但是凝固时排气排渣较困难,它适于生产细

17、线、棒材、直径较小的管材及薄壁板类型材,该法是目前应用最多、最为成功的技术,日本和加拿大铸造界大部分是在水平连续定向凝固设备上开展OCC的研究。在水平法的基础上又发展了两种带材水平连铸方法回转带材连铸法和开放水平带材连铸法(OSC连铸法),可以制备定向凝固组织和单晶带材。采用回转带材连铸法成功制造了宽100mm、厚3mm的单晶Zn板材。由于该设备需要加热铸型面积很大,且凝固后的板材与铸型的分离需要一个模型块,操作与控制较困难,故又改进为开放水平带材连铸法,成功地制造了宽50mm,厚2mm的铝带材。在不断完善和改进连续定向凝固设备的同时,对连续定向凝固工艺特性方面也作了大量的研究工作。加拿大与韩

18、国等国家主要工作集中在定向晶体生长过程的数值模拟方面,目前对各参数的交互作用机理及控制的研究尚未见报道。Soda.H和McLean.A推导出了单晶生长的传热系数,建立了单晶生长的模型；Y.H.Wang和Y.J.Kim等人测定了熔体和结晶体中心的温度曲线,并通过采用传热方程和流函数的方法建立了晶体生长的计算模型，初步模拟了OCC法的凝固过程；J.C.Liu,J.D.Hwang、K.L.Su和LeeY-J等人也做了类似的工作。在早期的连续定向凝固技术的研究中,一般选用低熔点的非铁纯金属或共晶合金作为实验研究材料,如Sn及Sn合金,Zn及Zn合金,Bi及Bi合金等,其特点是设备制造难度小、工艺参数易

19、于控制和实现,主要为探索OCC法的工艺特性积累数据；随后的研究逐步选用具有较强应用价值、中等熔点的Al及Al合金、Au以及具有较宽凝固区间的合金作为研究对象17,并成功地制备出Sn、Mg、Bi、Al及Sn-Pb、Sn-Zn,A1-Cu等具有单向排列柱状晶组织的合金材料以及单晶型材。自OCC技术发明以来,世界各国的研究主要集中在铅、锌、铝、铜等金属合金的成型及应用方面。OCC技术的发展虽然只有三十来年的时间,但发展速度很快,在日本已经投入小批量的工业生产。在加拿大、美国和韩国等国家也都开展了这一技术的开发与应用研究。近年来,随着定向凝固连铸工艺的成熟,人们的研究逐步转向研制在电子行业具有广泛应用

20、前途的Cu及Cu合金单晶型材,并取得了一定成效,同时,更高熔点的材料如Mo,Co,不锈钢、耐磨合金、Ni基高温合金的定向凝固工艺研究也在展开。目前国外应用连续定向凝固法已成功拉制出了具有各种圆形截面及异形截面形状,如圆棒、圆管椭圆管、多边形棒、异形棒等的单晶型材；另外也可生产出有芯材料或同轴异质等复合材料。国内研究状况近年来,国内研究连续定向凝固的工作者在以往OCC技术的基础上,对其设备进行了不断的完善和改进,开发了几种新的连续定向凝固方法。如上海大学毛协民等人采用的超高温度梯度连续定向凝固；北京科技大学常国威等人开发的电渣感应连续定向凝固；西北工业大学凝固技术国家重点实验室开展的单晶连铸技术

21、方面的研究工作等；大连理工大学、广东工业大学、甘肃工业大学以及我国台湾等地区也对这一技术展开了研究。上海大学毛协民等人研究自生复合Cu-Cr合金电车线的制备技术时,考虑到普通OCC法存在的液相温度梯度较低的缺陷,在工业生产无氧铜杆的上引法技术中引入了超高温度梯度技术,研制了上引式高温度梯度连续定向凝固装置。并在此基础上开展亚快速定向凝固连续铸造理论与技术研究,以及研制单晶铜线和自生复合铜电车线的连续制备技术。北京科技大学常国威等人研制了一种不同于其它定向凝固连铸方法的技术电渣感应连续定向凝固技术,该方法引入电渣重熔技术以提高铸型的加热温度和熔体的净化能力，金属液最高加热温度可达1700并研究了

22、QA19-4合金及近共晶铸铁的定向凝固连铸工艺,同时,对黑色金属的连续铸造也进行了大量探索,已可以成形具有连续单向柱状晶组织的不锈钢和铸铁制品。北京科技大学谢建新、王自东在此基础上又提出了将连续定向凝固技术和低温强加工技术相结合，在材料的凝固成形与固态加工处理过程中积极发展、强化组织异向性，制备无成分偏析、高性能金属材料的新方法，即采用连续定向凝固方法制备具有轴向连续柱状晶组织的坯料，然后在低于再结晶温度下进行大变形量的塑性加工与热处理，最终得到具有连续纤维状晶粒组织（纤维直径为几个至十几个（m级）的线状材料。这种组织的材料由于不存在垂直于长度方向的晶界（横向晶界），具有优良的物理与力学性能：

23、电导率高，信号保真性能好，强度与伸长率大幅度提高，加工性能好。目前已成功研制出25卩m超细Al-Si丝和19.7卩m超细无氧铜丝，为了提高材料的纯净度，王自东等人又将真空熔炼和连续定向凝固相结合，成功研制出了16mm铜单晶和铝单晶以及39mmX1.8mm铜管，OCC技术的进一步发展形成了单晶连铸技术，该技术可以消除所有晶界，使金属材料的性能得到进一步提高。在OCC工艺中，通过优化工艺参数，控制固液界面形态及凝固金属的热流场分布，促进竞争生长，即可逐步由一个晶粒控制整个铸锭，从而实现单晶连铸。单晶连铸技术的理论依据是晶体生长过程中的竞争原则，既优先生长方向与热流方向相一致，处于最有利条件的晶体将

24、优先生长，逐步淘汰其余的晶体。单晶晶体生长的淘汰机制如下所述：连续定向凝固开始时，晶体竞相生长，首先在引晶棒表面形成等轴晶组织；随着过程的继续，在等轴晶的基底上形成定向凝固的多晶组织；然后经历逐渐淘汰过程，直至形成单晶组织。由于热铸型和冷却水的作用，在固液界面前形成定向凝固的条件，同时由于加热铸型的温度高于金属的熔点,避免了型壁上的形核,固液界面呈凸向金属熔体的形状。晶体的竞相生长是由控制固液界面的形状来达到的,当固液界面为凸形时,其晶体竞相生长过程,由于晶体生长受到固液界面前沿温度分布的影响,杂晶生长（箭头所示方向）受到基体的限制,不能长大,逐渐被淘汰,因此,凸形的固液界面有利于晶体生长过程的淘汰,能够实现单晶连铸；反之,当固液界面为凹向凝固金属的形状时,其晶体竞相生长过程,固液界面前沿的温度分布与凸形界面相反,所示的杂晶生长（箭头所示方向）不受基体的限制,反而基体的生长受到杂晶的限制,从而生长出定向凝固的柱状晶杆坯。为一种单晶连铸设备结构示意图。单晶连铸技术在国内研究较多,西北工业大学凝固技术国家重点实验室自1994年开始选用铝合金材料为对象进行单晶连铸技术方面的研究,研制了一台小型水平式单晶连铸设备,建立了水平连铸时决定单晶形成的两大因素液面高度和固液界面位置的静力学模型,完成了原理性工艺试验