第五章 结晶组织的形成及控制

第五章结晶组织的形成及控制§1铸件宏观凝固组织的特征及形成机理§2铸件宏观结晶组织的控制§3熔池凝固及焊缝金属组织材料科学与工程学院CollegeofMaterialsScience&EngineeringPage1导入案例目前国内小型航空叶片工业生产中普遍应用的是高速凝固法(HRS)定向凝固工艺。随铸型尺寸增加，定向凝固中的温度梯度显著降低，较易出现斑点、等轴晶等铸造缺陷，同时在高温下合金与模壳、陶瓷型芯容易发生反应。2010年中国科学院金属研究所依托大中型LMC设备，突破了一系列关键技术，包括低熔点合金污染的控制、隔热层装置选材及配置、大型铸件稳定悬臂拉伸系统、大型LMC设备半连续工作、高强防裂型壳等，成功制备出了长度为430mm的大型定向结晶铸件和叶片样件。材料科学与工程学院CollegeofMaterialsScience&EngineeringPage2铸件的宏观组织通常由激冷晶区、柱状晶区和内部等轴晶区所组成。§1铸件宏观凝固组织的特征及形成机理材料科学与工程学院CollegeofMaterialsScience&EngineeringPage3现下图所示的四种情况：只有柱状晶（图a）；表面细等轴晶加柱状晶（图b）；三个晶区都有（图c）；只有等轴晶（图d）。甚至由激冷区和柱状区所组成。即使是具有三个晶区的宏观组织，其各个晶区所占的比例因凝固条件不同往往也是不一样的，这造成铸件宏观组织多样化。柱状晶（图a）表面细等轴晶加柱状晶（图b）等轴晶（图d）1）铸件宏观凝固组织的特征材料科学与工程学院CollegeofMaterialsScience&EngineeringPage4一、表面细晶区的形成表面细晶区中的晶粒通常是无方向性的细等轴晶。根据传统理论，当液态金属浇入温度较低的铸型中时，型壁附近熔体由于受到强烈的激冷作用，产生很大的过冷度而大量非均质生核。这些晶核在过冷熔体中也采用枝晶方式生长，由于其结晶潜热即可从型壁导出，也可以向过冷熔体中散失，从而形成了无方向性的细等轴晶组织。2）铸件宏观凝固组织的形成机理材料科学与工程学院CollegeofMaterialsScience&EngineeringPage5二、柱状晶区的形成对于纯金属，其凝固前沿基本上呈平面生长，故其择优生长并不明显，凝固前沿以平面生长的方式逆着热流方向向内伸展而成为柱状晶组织。对于合金，当溶质元素在固-液界面前沿富集而逐渐增多时，柱状晶区的亚组织能呈现出从平面生长、胞状生长直到树枝状生长等各个阶段的结构形态。2）铸件宏观凝固组织的形成机理材料科学与工程学院CollegeofMaterialsScience&EngineeringPage6由于固-液界面处单向的散热条件（垂直于界面方向），处于凝固界面前沿的晶粒在垂直于型壁的单向热流作用下，便转而以枝晶状单向延伸生长，由于各枝晶主干方向各不相同，那些主干取向与热流方向平行的枝晶，较之取向不利的相邻枝晶生长更为迅速，它们优先向内伸展并抑制相邻枝晶的生长，在逐渐淘汰取向不利的晶体过程中发展成柱状晶组织，这个相互竞争淘汰的晶体生长过程称为晶体的择优生长。2）铸件宏观凝固组织的形成机理材料科学与工程学院CollegeofMaterialsScience&EngineeringPage7三、内部等轴晶区的形成内部等轴晶区的形成是由于熔体内部晶核自由生长的结果。（一）、过冷熔体非自发生核理论（二）、激冷形成的晶核卷入理论等轴晶体即便在浇注过程中没有来得及形成，那么浇注完毕凝固的开始阶段，在型壁处形成的晶体，由于其密度或大于母液或小于母液也会产生对流，依靠对流可将型壁处产生的晶体脱落且游离到铸件的内部。2）铸件宏观凝固组织的形成机理材料科学与工程学院CollegeofMaterialsScience&EngineeringPage8产生这种对流的示意图。此外，型壁处和铸件心部的液体温度差造成的热温对流也使晶体由型壁处向内部熔体游离。2）铸件宏观凝固组织的形成机理材料科学与工程学院CollegeofMaterialsScience&EngineeringPage9对那些溶质偏析严重而易于产生较细脖颈的晶体来说，在某些区域可能发生脖颈根部的熔断而使一个晶体分离成几个晶体，使游离晶数量增加，即晶体发生增殖。2）铸件宏观凝固组织的形成机理材料科学与工程学院CollegeofMaterialsScience&EngineeringPage10（三）、枝晶熔断及结晶理论Jackson等人提出，生长着的柱状枝晶在凝固界面前方的熔断、游离和增值导致了内部等轴晶晶核的形成，称为“枝晶熔断”理论。（四）、“结晶雨”游离理论液面冷却产生的晶粒下雨似地沉积到柱状晶区前方的液体中，下落过程中也发生熔断和增殖，是铸锭凝固时内部等轴晶晶核的主要来源，称为“结晶雨”理论。2）铸件宏观凝固组织的形成机理材料科学与工程学院CollegeofMaterialsScience&EngineeringPage11一、铸件结晶组织对铸件性能的影响铸件的结晶组织对铸件的性能具有直接影响。但影响程度不同，表面细晶粒区由于比较薄，对铸件的性能影响较小，柱状晶区和等轴晶区的宽度及两者的比例、晶粒的大小才是决定铸件性能的主要因素。柱状晶是晶体择优生长形成的细长晶体，比较粗大，晶界面积较小，柱状晶体排列位向一致。内部等轴晶区的等轴晶粒之间位向各不相同，晶界面积大，而且偏析元素、非金属夹杂物和气体的分布比较分散，等轴枝晶彼此嵌合，结合比较牢固，性能比较均匀，即所谓各向同性。§2铸件宏观结晶组织的控制材料科学与工程学院CollegeofMaterialsScience&EngineeringPage12二、铸件宏观组织的控制途径和措施铸件中三个晶区的形成是相互联系、彼此制约的。从本质上说，晶区的形成和转变乃是过冷熔体独立生核的能力和各种形式晶粒游离、增殖或重熔的程度这两个基本条件综合作用的结果，铸件中各晶区的相对大小和晶粒的粗细就是由这个结果所决定的。通常在技术上采取如下几方面的措施：§2铸件宏观结晶组织的控制材料科学与工程学院CollegeofMaterialsScience&EngineeringPage131.向熔体中加入强形核剂控制金属和合金铸态组织重要方法之一是控制形核。在实际铸件生产中应用的主要方法是向液态金属中添加形核剂或称孕育剂，进行孕育处理。加入形核剂的目的是强化非均质形核。根据形核质点的作用过程，形核剂主要有以下几类：•直接作为外加晶核的形核剂•能形成较高熔点稳定化合物的形核剂•通过在液相中微区富集使结晶相提前弥散析出形成的形核剂•含强成分过冷元素的形核剂§2铸件宏观结晶组织的控制材料科学与工程学院CollegeofMaterialsScience&EngineeringPage142.控制浇注工艺和增大铸件冷却速度（一）采用较低的浇注温度大量试验及生产实践表明，降低浇注温度是减少柱状晶、获得细等轴晶的有效措施之一，尤其是对于高锰钢那样导热性较差的合金而言，其效果更为显著。较低的浇注温度一方面有利于从型壁上脱离的晶粒、枝晶熔断产生的晶粒以及自由表面产生的晶粒雨更多地残存下来，减少被重新熔化的数量；另一方面，由于熔体的过热度小，易于产生较多的游离晶粒。这两个方面均对等轴晶的形成和细化有利。但是浇注温度不能过低、否则会由于液态金属流动性的降低而产生浇不足或冷隔、夹杂等缺陷。因此，应通过试验来确定合适的浇注温度。§2铸件宏观结晶组织的控制材料科学与工程学院CollegeofMaterialsScience&EngineeringPage15（二）采用合适的浇注工艺根据第一节所述的激冷游离晶理论，等轴晶的晶核来源于浇注期间和凝固初期的激冷游离晶。而游离晶体的产生与液态金属的流动密切相关。因此，凡是能够增加液流对型壁的冲刷和促进液态金属内部产生对流的浇注工艺均能扩大并细化等轴晶区。§2铸件宏观结晶组织的控制材料科学与工程学院CollegeofMaterialsScience&EngineeringPage16（三）铸型性质和铸件结构•铸型激冷能力的影响铸型激冷能力对凝固组织的影响与铸件壁厚和液态金属的导热性有关。对于薄壁铸件而言，激冷可以使整个断面同时产生较大的过冷。铸型蓄热系数越大，整个熔体的生核能力越强，因此这时采用金属型铸造比采用砂型铸造更易获得细等轴晶的断面组织。§2铸件宏观结晶组织的控制材料科学与工程学院CollegeofMaterialsScience&EngineeringPage17（三）铸型性质和铸件结构•液态金属与铸型表面的润湿角试验表明，液态金属与铸型表面的润湿性好，即润湿角小，在铸型表面易于形成稳定的凝固壳层，有利于柱状晶的形成与生长。反之，则有利于等轴晶的形成与细化。•铸型表面的粗糙度大野笃美还做了表面粗糙度对柱状晶尺寸和铸锭纵剖面等轴晶面积率的影响。结果表明，随着表面粗糙度的提高，柱状晶尺寸减少，等轴晶面积率提高。§2铸件宏观结晶组织的控制材料科学与工程学院CollegeofMaterialsScience&EngineeringPage18动力学细化方法主要是采用机械力或电磁力引起固相和液相的相对运动，导致枝晶的破碎或与铸型分离，在液相中形成大量结晶核心，达到细化晶粒的效果。常用的动力学细化方法如下：1．铸型振动2．超声波振动3．液相搅拌4．流变铸造§2铸件宏观结晶组织的控制材料科学与工程学院CollegeofMaterialsScience&EngineeringPage19熔焊条件下的液态金属凝固过程与第三章和第四章所阐述的一般液态金属凝固过程在本质上没有区别，都是晶核生成和晶核长大的过程。然而，由于焊接熔池凝固条件的特殊性，其凝固过程还存在着自己的一些特征。§3熔池凝固及焊缝金属组织材料科学与工程学院CollegeofMaterialsScience&EngineeringPage201.焊接熔池的特征1）.熔池金属的体积小，冷却速度快；2）.熔池金属中不同区域温差很大、中心部位过热温度最高因加热与冷却速度很快，熔池中心和边缘存在较大的温度梯度；3）.凝固过程是一个动态过程，如图5-9所示，处于热源移动方向前端（abc）的母材不断熔化，熔池后部的液态金属降温凝固；4）.液态金属对流激烈熔池中存在电弧的机械力、气流吹力、电磁力，以及液态金属中密度差，使熔池金属产生强烈的搅拌和对流。§3熔池凝固及焊缝金属组织材料科学与工程学院CollegeofMaterialsScience&EngineeringPage212.熔池凝固的特点1.联生结晶从熔池边界未熔母材晶粒表面非自发形核，以柱状晶的形态向焊缝中心生长，这种结晶特征称为联生结晶(也称外延生长)。2.晶体成长的选择性与弯曲柱状晶。3.熔池凝固组织形态的多样性。§3熔池凝固及焊缝金属组织材料科学与工程学院CollegeofMaterialsScience&EngineeringPage223.焊缝金属凝固组织的形态在焊接凝固过程中，凝固组织的形态具有柱状晶及其多种亚结构，通常有平面晶、胞状晶、胞状树枝晶和树枝晶以及等轴晶等多种形态。•柱状晶1）平面晶（又称平滑晶）2）胞状晶3）胞状树枝晶4）树枝状晶（柱状枝晶）§3熔池凝固及焊缝金属组织材料科学与工程学院CollegeofMaterialsScience&EngineeringPage23§3熔池凝固及焊缝金属组织a）b）平面结晶形态a）成分过冷条件b）结晶形态材料科学与工程学院CollegeofMaterialsScience&EngineeringPage24§3熔池凝固及焊缝金属组织Cr25Ni35AlTi合金TIG焊时胞状晶Cr25Ni35AlTi合金TIG焊时胞状树枝晶Cr25Ni35AlTi合金TIG焊时树枝晶材料科学与工程学院CollegeofMaterialsScience&EngineeringPage25§3熔池凝固及焊缝金属组织•等轴晶等轴状结晶形态•焊缝各部位结晶形态的变化材料科学与工程学院C