金属的单向凝固

1第七章单向凝固技术UnidirectionalSolidificationTechnology讲授者：张鸿北京科技大学材料学院2单向凝固概述及工艺单晶生长柱状晶的生长自生复合材料主要内容37.1.1单向凝固概述(1)定义:单向凝固技术是在铸型中建立特定方向的温度梯度,使熔体合金沿着与热流相反的方向,按照要求的结晶取向进行凝固的铸造工艺。7.1单向凝固概述及工艺7单向凝固技术4(2)起源：1925年,布里奇曼首先使用定向凝固方法制备铋单晶。后来斯托克巴杰（1936、1949）进一步发展了定向凝固技术。20世纪60年代，用于高温合金的生产，如涡轮叶片。其抗热冲击性能、疲劳寿命、蠕变抗力和中温塑性等性能优良，从而提高叶片的使用寿命及使用温度。该技术可用于制备单晶、柱状晶和自生复合材料。5固液界面前沿液相中的温度梯度GL固液界面向前推进速度——生长速率RkDk-1Cm-RGL0LL)(mL——二元合金系相图中液相线斜率；C0——合金溶质含量；k——溶质分配系数；DL——熔液中溶质扩散系数＊“成分过冷判据”方程:(1)Ⅰ.工艺参数对凝固的影响(3)工艺参数6GL/R——控制晶体长大形态的重要判据对简单固溶体合金，(1)式是得到平界面生长的定向凝固组织的必要条件。随GL/R的减少，凝固组织形态的变化为：平面状→胞状→枝状→等轴晶＊保证获得高质量定向组织的基本条件是：保持界面前沿的高温度梯度。7图7.1凝固速率R对DD8单晶镍基合金固液界面形态的影响a)R=1.42μm/s,b)R=2.08μm/s,c)R=2.17μm/s,d)R=2.94μm/s,e)R=12.6μm/s,f)R=110.2μm/s随着凝固速率的增大，平界面（见图1a）失稳，并逐渐向胞状（见图1b、c），胞状枝晶（见图1d），粗状晶（见图1e）及细枝晶（见图1f）转化，与组成过冷理论所预言是变化一致。8在提高GL的条件下，增加R，才能获得要求的晶体形态。以极小R的来维持高的GL/R比值在生产中是不可取的（因其导致枝晶粗大、显微疏松增加以及效率低下）。LmLSSLLR-GG(2)GS，GL——固液相中的温度梯度；λs，λL——晶体和熔体的热导率；L——生长单位质量的晶体所放出的结晶潜热；R——生长速率；ρm——熔点附近熔体的密度9Ⅱ.获得高温度梯度的措施：①提高凝固界面前沿处溶液的温度。如采用两区加热器。②强化已凝固相内的散热，提高凝固界面固相侧温度梯度。③改善高温加热区与低温冷却区的隔热。④控制凝固界面在隔热挡板附近。107.1.2单向凝固工艺方法发热剂法功率降低法(PD法)快速凝固法(HRS法)液态金属冷却法(LMC法)11图7.2发热剂法装置图1-起始段2-隔热层3-光学测温架4-浇口杯5-浇道6-发热剂7-零件8-水冷铜底座无法调节温度梯度和凝固速率，只能用于制备小柱状晶铸件(1)发热剂法12图7.3功率降低法装置图1-叶片根部2-叶身3-叶冠4-浇道5-浇口杯6-模盖7-精铸模壳8-热电偶9-轴套10-碳毡11-石墨感受器12-Al2O3管13-感应圈14-Al2O3管泥封15-模壳缘盘16-螺栓17-轴18冷却水管19-铜座分两段加热，铸件在凝固过程中不移动(2)功率降低法13图7.4高速凝固法装置图1-拉模室2-模室3-熔室4-坩埚和原材料5-水冷感应圈6-石墨电阻加热器7-模壳8-水冷底座和杆铸型始终加热；铸件凝固时移动；热区底部使用辐射挡板和水冷套。比PD法局部冷速增大，组织细化。(3)高速凝固法14图7.5液态金属冷却法装置图1液态Sn2模壳3浸入机构4真空室5坩埚6炉高温区7挡板8加热线圈温度梯度较高，但设备复杂，操作麻烦，故在工业尚未广泛应用。(4)液态金属冷却法15表7.1三种定向凝固方法的主要冶金工艺项目PD法HRS法LMC法温度梯度(℃/cm)7～1126～3073～103生长速率(cm/h)8～1223～2753～61粥状区高(cm)10～153.8~5.61.5~2.5冷却速率(℃/h)907004700局部凝固时间(min)85~888~121.2~1.6167.2单晶生长首先形成单晶核，可引入籽晶或自发形核；而后，在晶核和熔体界面上长出单晶。单晶体从液相中生长出来，按其成分和晶体特征，可分为三种：晶体和熔体成分相同晶体和熔体成分不同第二相或出现共晶的晶体7.2.1特点177.2.2方法(1)正常凝固法①坩埚移动或炉体移动单向凝固法＊选晶法原理：合金熔液在具有狭窄截面及变方向的选晶器内通过，结晶生长时，淘汰多数晶粒，只允许少数甚至一个晶粒长出。经过多次变换截面及方向，最后只有一个晶粒长入型腔并逐渐充满整个铸型，从而得到只有一个晶粒的单晶铸件。18＊籽晶法：将与铸件合金有相同成分和组织的籽晶安放在模壳最底部与水冷铜板接触，并使其成为合金与水冷铜板接触的唯一部分。具有一定过热的熔融合金浇入模壳，使籽晶部分地熔化以避免造成非自发形核。然后随模壳由炉内向外抽出冷却，合金溶液就从残余的籽晶部分外延生长、凝固成三维取向与籽晶相同的单晶体。19②晶体提拉法及单晶质量控制＊晶体提拉法先将材料放在坩埚中熔化，再将籽晶插入熔体中，控制合适的温度，使籽晶既不熔掉，也不长大；然后缓慢向上提拉和转动晶杆，从而得到单晶体。＊单晶质量控制单晶提拉速率温度梯度原材料纯度籽晶质量20(2)区熔法①水平区熔法：用加热器对置于水平舟内的材料进行加热，使在舟端放置的籽晶和多晶材料间产生熔区，然后以一定速度移动熔区，使熔区从一端移至另一端，使多晶材料变为单晶体。②悬浮区熔法：用加热器（射频、电阻等）加热垂直放置的多晶材料，依靠表面张力的作用支持熔区，从而制备单晶体。217.3柱状晶的生长(1)形成定向生长的柱晶组织的两个基本条件：①热流向单一方向流动并垂直于生长中的固液界面；②晶体生长前方的熔体中没有稳定的结晶核心。柱状晶包括柱状树枝晶和胞状柱晶7.3.1柱状晶生长条件22为此，需要：有足够高的温度梯度，避免侧向散热；此外，避免在凝固界面前沿出现成分过冷或外来核心，使柱晶横向生长受限制，抑制液态合金的形核能力。措施：提高液态合金的纯洁度，减少氧化、吸气形成的杂质的污染；添加适当元素或添加物，使形核剂失效。23晶体取向测试方法宏观织构分析：X射线衍射微观织构分析：EBSD方法＊取向分散度或发散度：柱状晶生长过程中，晶体生长方向偏离轴向的程度。可用柱状晶生长方向和轴向之间的夹角表示。(2)衡量柱状晶组织的标志＊枝晶臂间距和晶粒大小247.3.2柱状晶的力学性能单晶高温合金具有良好的持久寿命、低的蠕变速度、好的热疲劳性能、较高的抗氧化、抗热腐蚀性能。相同成分铸件，性能方面，单晶组织优于柱状晶组织的，而柱状晶组织则优于普通铸造组织的。257.4自生复合材料对共晶系的要求：1.共晶系中一相为高强相。2.基体具有较高的断裂韧性，以固溶体为宜。3.在单向凝固时能够获得定向排列的规则组织，即可以呈棒状（纤维状）或片层状组织。26●连续定向凝固技术（1）OCC法的原理OCC法的技术与传统连铸技术的区别在于其铸型是加热的，而不是冷却的，如图6所示。传统的连铸过程，金属或合金液首先在铸型的急冷作用下凝固，并逐渐向中心生长。而OCC法连铸过程中铸型温度高于金属或合金液的凝固温度。铸型只能约束金属或合金液的形状，而不会在其表面发生金属的凝固。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。27图7.6传统连铸与OCC法原理对比示意图金属熔体冷却水缩孔冷却水铸型铸坯单向凝固铸坯感应线圈加热铸型固液界面）传统连铸原理）法原理冷却距离28(a)连续定向凝固(b)普通铸造图7.7连续定向凝固与普通铸造杆坯组织示意图[100][001]29（2）OCC法的特点1）铸型出口端与冷却区有悬殊的温差和高的温度梯度，型内金属液的热流主要沿拉铸方向单向传输，满足定向凝固的条件，可以得到完全单方向凝固的无限长柱状组织。对其工艺进行优化控制使其有利于晶粒的淘汰生长，则可实现单晶的连续铸造。2）OCC法固相与铸型之间始终有液相隔离，摩擦力小，所需牵引力也小，利于进行任意复杂形状截面型材的连铸；同时，铸锭表面的自由凝固使其呈镜面状态。因此，OCC法是一种近终形连铸生产的技术，30可用于那些通过塑性加工难于成型的硬脆合金及金属间化合物等线材、板材及复杂管材的连铸。3）凝固过程中固液界面始终凸向液相，凝固过程析出的气体及夹杂进入液相。因此，气孔、夹渣等缺陷较少；同时，铸锭中心先于表面凝固，不存在铸锭中心补缩困难问题。因而可得到无缩孔、缩松等缺陷，铸锭组织是致密的。4）铸锭中缺陷少，组织致密，消除了横向晶界，因此，塑性加工性能好，是生产超细、超薄精细产品的理想坯料。同时抗腐蚀及抗疲劳性能均得到大幅度改善，导电性能优异，是生产高保真电缆的优质材料。31图7.8四种O·C·C连铸方法的基本原理a）简单下引法b）虹吸管下引式c）上引式d）水平引锭式1-合金掖2-热铸型3-电加热器4-冷却水5-铸锭6-冷却水喷嘴7-牵引轮8-导向装置32图7.9真空熔炼与氩气保护下连续定向凝固实验装置33图7.10连续定向凝固铜杆34图3超细铜丝图7.11超细铜丝35谢谢！