第四章 现代金属凝固技术

第四章现代金属凝固技术第一节定向凝固技术定向凝固技术的控制基础

间歇式定向凝固工艺

连续式定向凝固技术

定向凝固技术的应用

4.54.24.34.4

4.1定向凝固技术的发展史及原理4.1.1定向凝固技术的发展史定向凝固过程的理论研究的出现是在1953年，Charlmers及其他的同事们在定向凝固方法考察夜/固界面形态演绎的基础上提出了成分过冷理论，这个理论被人们称之为定量凝固科学的里程碑。在20世纪60年代，定向凝固技术成功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，从而有力的推动了航空工业的发展。近年来，不仅开发了许多先进的定向凝固技术，同时对定向凝固技术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），人们对凝固技术有了更深刻的认识，从而又能进一步指导凝固技术的发展。随着其他专业新理论的出现和日趋成熟及实验技术的不断改进，新的凝固技术也将被不断创造出来。定向凝固技术必将成为新材料的制备和新加工技术的开发提供广阔的前景，也必将使凝固理论得到完善和发展。

4.1.2定向凝固技术的基本定义定向凝固：在凝固过程中采用强制手段，在凝固金属和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。定向凝固技术的工艺参数：

1.凝固过程中固液界面前沿液相中的温度梯度GL

。2.固液界面向前推进的速度R。3.GL/R值是控制晶体长大形态的重要判据。4.1.3定向凝固理论

定向凝固技术实验的发展推动了凝固理论的发展和深入。Charmers,Tiller等人在研究中发现在合金中液固界面卡前言由于溶质富集将会产生“成分过冷”导致平衡界面失稳而形成胞晶核枝晶。并且首次提出了成分过冷理论。成分过冷理论纯金属的凝固过程在正的温度梯度下，固液界面前沿体几乎没有过冷，固液界面以平面方式向前推进，即晶体以平面方式向前生长在负的温度梯度下，界面前方的液体强烈过冷，晶体以树枝晶方式生长。

成分过冷理论能成功的判断低速生长条件下，无偏析特征的平面凝固，避免胞晶或枝晶的生长。

20世纪50年代Charmers,Tiller等人首次提出了单晶二元合金成分理论。

成分过冷必须具备两个条件：第一，固液界面前沿溶质的富集而引起成分在分配。第二，固液界面前方液相的实际温度分布，或温度分布梯度必须达到一定的值。4.2定向凝固技术的控制基础4.2.1大体积金属的传统凝固组织1.细等轴晶区特点：（1）金属晶粒在各个方向上的尺寸近乎相等。（2）晶粒排列紊乱，晶粒细小。（3）区域窄小，约为毫米级。

原因:模壁或结晶器激冷导致了大量的晶核产生。

2.柱状晶区特点：（1）金属晶粒在长度方向的尺寸比横向的尺寸大得多。（2）晶粒的排列方向平行于热流方向。原因:定向传热造成的凝固产物。3.粗等轴晶区的特点：（1）晶粒在各个方向上的尺寸几乎相等。（2）晶粒排列紊乱，晶粒粗大。（3）晶区位于铸锭或连铸方坯的中部。（4）晶区有疏松、缩孔和偏析。原因：柱状晶区的小晶粒游离到心部，或从心部直接析出新的晶核，而此时的铸锭或连铸方坯心部的冷却缓慢，热流方向不明显，这些晶粒在各个方向的长大速度相当，而且得到了较充分的长大。铸锭或连铸方坯的凝固组织示意图4.2.2定向凝固技术的控制1控制金属结晶传热的热流方向和传热的热流强度2设法提高定向凝固的固液界面附近液相中的温度梯度GL

4.2.3金属凝固技术的发展方向12获得全部为细小等轴晶。获得全部柱状晶。4.3.1间歇式定向凝固特点及种类

特点：（1）定向凝固试样，坯料或铸件的制取长度有限。（2）制备效率低。

种类：（1）发热剂法定向凝固工艺。（2）功率降低法定向凝固工艺。（3）高速凝固法定向凝固工艺。（4）液态金属冷却法定向凝固工艺。

4.3间歇式定向凝固工艺4.3.2发热剂法定向凝固工艺优点：工艺方法简单，成本低廉。缺点：（1）单向传热不易维持，无法保证产品的重复性。

（2）液相金属中的温度梯度GL很低。（3）金属凝固一旦开始，便无法再控制金属的凝固过程。主要应用：生产早期的小型燃气发动机高温合金叶片零件。

4.3.3功率降低法定向凝固工艺优点：工艺简单，铸件的生产陈本低。缺点：（1）液态合金中的温度梯度GL较低。（2）高温合金叶片的长度受到限制，且柱状晶之间的平行度较差。（3）热传导能力随着离激冷铜座距离的增加而明显降低。主要应用：可以生产出较好柱状晶的高温合金燃气发动机叶片铸件。但不适合高质量或大型叶片的生产，一般只适用于120mm以下的不太重要的叶片铸件。4.3.4高速凝固法定向凝固工艺热量散失的方面：（1）已凝固的铸锭或铸件部分向水冷铜座传导散热。（2）已凝固铸锭或铸件部分的辐射散热。将传导散热和辐射散热用相应的等效热交换系数hc0和hra来表示，则散热的热流密度可表示为：式中：hco~传导换热的等效热交换系数；

hra~辐射换热的等效热交换系数；

T~已凝固铸锭或铸件部分的温度；

T0~冷却铜座的温度。试验表明：冷却开始时，hco>>hra,以铸锭或铸件部分向水冷铜座传导散热为主。冷却到一定程度时，hco=hra，这时以辐射散热为主。高速凝固法定向工艺的热量散失原理经过分析和推到，控制稳态凝固条件下的液相温度梯度的因素如下式所示：式中：λL、λs~液相和固相的热导率；GL、Gs~液相和固相的温度梯度；ΔHm~合金的结晶潜热；

ps~合金的固相密度；R~凝固速度。增大GL的途径：（1）加强固相的传热强度，即提高GS，可以提高GL。（2）提高合金液相的温度，可以直接提高GL，但加热温度也不可过高，以免精铸模壳的高温强度下降或合金与精铸模壳的高温反应。（3）增加辐射挡板，有效地将高温区和低温区分开，可以提高合金的液相温度梯度GL。优点：（1）与功率降低法定向凝固工艺比较，高速凝固法定向凝固工艺具有较大的液相温度梯度GL，改善了柱状晶的质量，在300mm的高度内可以获得完全的柱状晶组织；（2）由于局部凝固时间和糊状区变小，铸件的显微组织致密、偏析减小，改善了合金组织；（3）凝固速度比较快，约比功率降低法定向凝固工艺的凝固速度快2~3倍，生长速度R可以达到300mm/h。4.3.5液态金属冷却法定向凝固工艺优点：（1）液态金属冷却法的液相温度梯度GL和凝固速度R都很大；（2）局部凝固时间和糊状区进一步变小，因此，定向凝固铸件的显微组织比较理想。（如下图所示）。

4.3.5流态床冷却法定向凝固工艺4.3.6区域熔化液态金属冷却法定向凝固工艺4.3.7对流下的定向凝固工艺4.3.8深过冷法定向凝固工艺桐谷和人4.3.9电渣熔化法定向凝固工艺优点：（1）合金的熔化区域比较窄，熔化后的合金经过熔渣处理的清洗，合金更加纯净；（2）采用绝热铸型，靠向下传导散热造成单向流热，获得柱状晶组织；（3）适合各种合金的定向凝固，定向凝固的铸锭比较便宜。4.4连续式定向凝固工艺4.4.1HTG连续定向凝固工艺连续式定向凝固工艺的优点：试样长度长；制备效率高，生产成本低；适用于某些特殊单晶线材，自生复合材料，复杂形状的金属管材等的制备。工艺关键技术：通过减薄被加热的合金液，这层合金液略高于固液界面，然后集中热源充分加热这层合金液，同时强化已凝固部分的冷却，可获得很高的液相温度梯度GL。工艺优缺点：该工艺可以半连续制备定向凝固材料，制备效率高，但不能制备复杂结构的定向凝固铸件。

4.4.2OCC连续定向凝固工艺技术特点：（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的柱状晶组织；对连铸工艺进行优化控制，形成有利于晶粒的淘汰生长，则可以实现单晶连铸。（2）由于不在铸型中凝固，铸型的形状可以任意复杂。（3）由于连铸坯不与铸型接触，不存在摩擦力，牵引力很小，因此，可以连续牵引，而且还可以获得镜面的铸坯表面。（4）由于是定向凝固，而且固液界面始终凸向液相，凝固工程中析出的气体及排出的夹杂物进入液相，不易卷入连铸坯；铸坯中心先于表层凝固，铸坯中心不会出现缩松和缩孔缺陷，铸坯比较致密。（5）由于铸坯致密，缺陷少，并且消除了横向晶界，因此，铸坯的塑性加工性能良好，是生产超细，超薄精细产品的理想材料。（6）由于OCC连续铸造过程依赖于固相铸坯的导热，适用于连续铸造导热率较大的金属或合金。（7）随着铸坯尺寸的增大，固相铸坯的导热能力下降，维持一维散热的条件更加困难，所以，OCC连续铸造工艺适合于小尺寸铸坯的连续铸造。（8）在OCC连续铸造过程中，因为铸型与固液界面之间的缝隙要靠合金液的表面张力来锁住，所以，固液界面位置的控制要求极为严格，较难保证。如果连铸坯与结晶器之间的间距过大，合金液就会溢出，导致拉漏事故。（9）在OCC连续铸造过程中，液相温度梯度GL较低，因此，定向凝固组织不是很理想。4.4.3下引法OCC连续定向凝固工艺优点：有利于避免气体和夹杂物的卷入，容易实现均匀冷却，可以获得高质量的连铸坯，对铸坯尺寸也无限制。缺点：装置设计困难；铸型出口处的压力不易控制，凝固界面与铸型之间的缝隙要控制的很小，很精确，否则容易拉漏。4.4.4虹吸管下引法OCC连续定向凝固工艺

将OCC下引法进行适当改良，如右图所示，保证了定向凝固时的固液界面与合金液的实际表面处于同一个水平面，减小了合金液的压头，易于控制连铸过程，还可以减轻拉漏造成的危害。

4.4.5上引法OCC连续定向凝固工艺优点：不存在合金液泄露的危险，铸造温度容易控制，对铸坯尺寸无限制；如果拉断了铸坯，重新引锭比较容易缺点：铸坯中容易卷入气体和夹杂物，连铸坯质量可能存在意想不到的问题，而且采用水冷的方法很难实施，存在冷却水漏入合金液的危险。4.4.5水平引法OCC连续定向凝固工艺优点：装置设计较为简单，铸型温度容易控制，连铸运行较为平稳。缺点：对铸型尺寸有限制，气体和夹杂物容易卷入，铸坯上，下两侧的冷却速度不均匀。4.5定向凝固技术的应用

目前，定向凝固技术主要应用于高温合金，磁性材料，单晶生长，自生复合材料的定向制备等方面，在类单晶金属间化合物，形状记忆合金领域也有广泛的应用前景。1.凝固理论研究（1）研究凝固界面形态及存在的条件，即平面生长，胞状生长，枝晶生长等；（