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西安交通大学城市学院毕业设计题目：低温液态金属冷却（LMC）结晶器结构设计院（系）机械系专业机械设计制造及其自动化班级机械702姓名王生智学号07040073导师黄太文2011年04月01日摘要：定向凝固技术是研究凝固理论、制备定向或单晶材料的重要手段。其中液态金属冷却（LMC）高温度梯度定向凝固技术可以改善凝固组织、提高力学性能，是定向凝固技术的学术前沿。LMC技术的关键首先是专用设备，由于性能先进的定向凝固设备融合了我国机械制造行业非标设计的很多极端条件，因此备受关注。其中LMC结晶器是定向凝固设备中重要的组件。本题目就是根据真空定向凝固设备的需求，设计一套简单的包括循环水系统、搅拌机械、液面控制机构的双层结晶器。关键词：定向凝固技术、单晶材料、LMC技术、一、一、绪论1.1毕业设计题目背景、研究意义及国内外相关研究情况。快速凝固的研究开始于20世纪50年代末60年代初，是在比常规工艺过程快得多的冷却速度或大得多的过冷度下，合金以极快的凝固速率由液态转变为固态的过程。1960年美国加州理工学院的PDuwez等采用一种独特的熔体急冷技术，第一次使液态合金在大于107K/s的冷却速度下凝固。他们的发现，在世界的物理冶金和材料学工作者面前展开了一个新的广阔的研究领域。在快速凝固条件下，凝固过程的一些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的假设不再适应，成为凝固过程研究的一个特殊领域低温液态金属冷却（LMC）结晶器结构设计定向凝固技术是研究凝固理论、制备定向或单晶材料的重要手段。其中液态金属冷却（LMC）高温度梯度定向凝固技术可以改善凝固组织、提高力学性能，是定向凝固技术的学术前沿。LMC技术的关键首先是专用设备，由于性能先进的定向凝固设备融合了我国机械制造行业非标设计的很多极端条件，因此备受关注。其中LMC结晶器是定向凝固设备中重要的组件。材料的使用性能是由其组织形态来决定的。因此．包括成分调整在内，人们通过控制材料的制备过程以获得理想的组织从而使材料具有所希望的使用性能，控制凝固过程已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，目前已广泛地应用于半导体材料、磁性材料以及自身复合材料的生产。同时，由于定向凝固技术的出现既定向凝固技术是使金属或合金由熔体中定向生长晶体的一种工艺方法，用于制备单晶、柱状晶和定向共晶铸件，是20世纪60年代发展起来的技术.为凝固理论的研究和发展提供了实验基础(由于理论处理过程的简单化)，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。单晶在生长过程中绝对要避免固—液界面不稳定而生出晶胞或柱晶。故而固—液界面前沿不允许有温度过冷或成分过冷。固液界面前沿的熔体应处于过热状态，结晶过程的潜热只能通过生长着的晶体导出。定向凝固满足上述热传输的要求，只要恰当的控制固—液界面前沿熔体的温度和速率，是可以得到高质量的单晶体的。作为机械工程与自动化专业的大学生，在学习专业基础知识和专业知识基础上，了解非标设备的设计、制造、工艺对于掌握专业知识、提高专业技能具有重要意义。然而传统的I-IRS技术主要通过铸件把热传导到水冷盘进行冷却，随着铸件的拉出，其传热效果很快降低。这是因为大多数高温合金的导热能力低，铸件的散热主要依靠真空中型壳向水冷环的辐射散热，由此导致凝固前沿的温度梯度逐渐降低而无法实现定向凝固。LMC技术由于零件始终浸在液态金属中，冷却效果比较稳定，适合制备大尺寸燃气轮机叶片，由此促进液态金属冷却定向凝固技术及其设备的发展。工业燃气轮机叶片主要生产厂商美国通用电器(GE)和德国西门子联合起来发展工业L^设备和工艺。德国Erlangen—Nuremberg大学用sn作为冷却介质来研究LMCI艺。DoncastersPrecisionCasting(DPC)和西门子KWU于1994年启了“涡轮叶片的先进铸造工艺”的6年计划阁。Erlangen大学安装了当时最大容量为38的LMC设备。对工艺参数如柔性辐射挡板和液态金属池的液体流动都进行了系统的研究，确定了最佳的工艺参数，且生产出了大尺寸定向和单晶的叶片。所用的设备为当时世界上最大的LMC设备，其容量超过100kg，锡液的重量达到了18000kgt。在美国，密西根大学和GE公司也开展了同样的工作。对不同的冷却介质，锡和铝进行了比较，同时也进行了工艺参数对显微组织和缺陷形成影响的研究。国内中科院金属所也研制了LMC定向凝固设备，其熔炼重量达到15kg，制备试样长度达到了2801Tim[6]。可见，目前国外液态金属冷却定向凝固技术的发展主要是用于制备大尺寸工业燃气轮机叶片，而国内同类设备尚在研制中，更没有应用于工业生产。目前已有定向凝固设备的结构和性能与国外还存在较大的差距，单晶叶片制备成功率比较低。为了对涡轮叶片以及用于工业燃气轮机的大尺寸叶片进行研究，根据以往的研究基础，借鉴国内外的技术和经验，研制了一台液态金属冷却定向凝固设备。尤其是设计这种比较简单、但包含多种结构和功能的系统，特别能锻炼自身分析问题、解决实际问题的能力。因此通过本毕业设计的实践，可以培养自己的综合专业素养、提高就业能力。1.2定向凝固技术的应用及凝固理论的研究进展。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前景，也必将使凝固理论得到完善和发展。固液界面液相区内形成成分过冷条件主要有两方面：一．是由于一是由于溶质在固相和液相中的固溶度不同，即溶质原子在液相中固溶度大，在固相中固溶度小，当单向合金冷却凝固时，溶质原子被排挤到液相中去，在固液界面液相一侧堆积着溶质原子，形成溶质原子的富集层。随着离开固液界面距离增大，溶质质量分数逐渐降低。二．是在凝固过程中，由于外界冷却作用，在固液界面固相一侧不同位置上的实际温度不同，外界冷却能力强，实际温度低；相反实际温度高。如果在固液界面液相一侧，溶液中的实际温度低于平衡时液相线温度，出现过冷现象溶质在固相和液相中的固溶度不同，即溶质原子在液相中固溶度大，在固相中固溶度小，当单向合金冷却凝固时，溶质原子被排挤到液相中去，在固液界面液相一侧堆积着溶质原子，形成溶质原子的富集层。随着离开固液界面距离增大，溶质质量分数逐渐降低。二是在凝固过程中，由于外界冷却作用，在固液界面固相一侧不同位置上的实际温度不同，外界冷却能力强，实际温度低；相反实际温度高。如果在固液界面液相一侧，溶液中的实际温度低于平衡时液相线温度，出现过冷现象定向凝固技术的工业应用，既用定向凝固方法，得到单方向生长的柱状晶，甚至单品，不产生横向晶界，较大地提高了材料的单向力学性能，因此定向凝固技术已成为富有生命力的工业生产手段，应用也日益广泛。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。既包括：1)大多数铸造合金的过热温度都不高，大大低于液态结构无序化温度，合金或金属由结晶状态向熔体状态的转变不会引起近程有序结构的重构；（2）多元合金熔体在较长时间内保持近程有序结构，熔体中有序原子集团结构单元的尺寸和数量影响结晶动力学和铸件的性质；（3）与固相的同素异构转变类似，液态金属也存在有晶型结构的转变；（4）熔体中的弥散质点（或原子集团）是炉料金属组织信息的遗传因子（或载体），合金遗传性的倾向大小取决于合金基体与合金组元之间的物理-化学作用特点；（5）当合金中存在活性变质元素时，会形成具有不同稳定程度的金属间化合物形式的原子集团，从而改变遗传效果一．传统的定向凝固技术有1炉外结晶法(发热铸型法)。谓的炉外结晶法就是将熔化好的金属液浇入一侧壁绝热，底部冷却，顶部覆盖发热剂的铸型中，在金属液和已凝固金属中建立起一个自上而下的温度梯度，使铸件自上而下进行凝固，实现单向凝固。这种方法由于所能获得的温度梯度不大，并且很难控制，致使凝固组织粗大，铸件性能差，因此，该法不适于大型、优质铸件的生产。但其工艺简单、成本低，可用于制造小批量零件。2炉内结晶法。内结晶法指凝固是在保温炉内完成具体工艺方法有：1）功率降低法(PD法)：保温炉的加热器分成几组，保温炉是分段加热的。当熔融的金属液置于保温炉内后，在从底部对铸件冷却的同时，自下而上顺序关闭加热器，金属则自下而上逐渐凝固，从而在铸件中实现定向凝固。通过选择合适的加热器件，可以获得较大的冷却速度，但是在凝固过程中温度梯度是逐渐减小的，致使所能允许获得的柱状晶区较短，且组织也不够理想。加之设备相对复杂，且能耗大，限制了该方法的应用。2）速凝固法(HRS)：为了改善功率降低法在加热器关闭后，冷却速度慢的缺点，在Bridgman晶体生长技术的基础上发展成了一种新的定向凝固技术，即快速凝固法。该方法的特点是铸件以一定的速度从炉中移出或炉子移离铸件，采用空冷的方式，而且炉子保持加热状态。这种方法由于避免了炉膛的影响，且利用空气冷却，因而获得了较高的温度梯度和冷却速度，所获得的柱状晶间距较长，组织细密挺直，且较均匀，使铸件的性能得以提高，在生产中有一定的应用。3）液态金属冷却法(LMC法)：为了获得更高的温度梯度和生长速度，在HRS法的基础上，采用液态金属冷却以增大冷却效果。该方法是Giamei等于1976年提出的，其原理见图3。将抽拉出的铸件部分浸入具有高导热系数的、高沸点、低熔点、热容量大的液态金属中，形成了一种新的定向凝固技术，即液态金属冷却法。模壳直接进入液态金属冷却，散热增强，冷却剂与模壳迅速达到热平衡，得到很大的温度梯度。这种方法提高了铸件的冷却速度和固液界面的温度梯度，而且在较大的生长速度范围内可使界面前沿的温度梯度保持稳定，结晶在相对稳态下进行，能得到比较长的单向柱晶。常用的液态金属有Ga—In合金和Ga—In—Sn合金，以及sn液和Al液，前二者熔点低，但价格昂贵，因此只适于在实验室条件下使用。sn液熔点稍高(232℃)，但由于价格相对比较便宜，冷却效果也比较好，因而适于工业应用。该法已被美国、前苏联等国用于航空发动机叶片的生产（4）发热剂法发热剂法是定向凝固技术发展的起始阶段，是最原始的一种。是将铸型预热到一定温度后迅速放到激冷板上并立即进行浇注，冒口上方覆盖发热剂，激冷板下方喷水冷却，从而在金属液和已凝固金属中建立起一个自下而上的温度梯度，实现定向凝固。也有采用发热铸型的，铸型不预热，而是将发热材料填充在铸型壁四周，底部采用喷水冷却。这种方法由于所能获得的温度梯度不大，并且很难控制，致使凝固组织粗大，铸件性能差，因此该法不适于大型、优质逐渐的生产。但其工艺简单、成本低，可用于制造小批量零件。二．新型定向凝固技术1．ZMLMC法通过改变加