定向凝固技术的研究进展

《定向凝固技术的研究进展》由会员上传分享，免费在线阅读，更多相关内容在工程资料-天天文库。

1、定向凝固技术的研究进展定向凝固过程中温度梯度和凝固速率这两个凝固参数能够独立变化，成为凝固理论研究的重耍手段。传统的定向凝固技术炉外结晶法发热铸型法EP法）所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，在金属液和己凝固金属中建立起一个自上而下的温度梯度，使铸件口上而下进行凝固，实现单向凝固。这种方法由于所能获得的温度梯度不大，并口很难控制，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。炉内结品法炉内结晶法指凝固是在保温炉内完成，具体工艺

2、方法有：功率降低法（PD法）将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吋，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，但是在凝固过程屮温度梯度是逐渐减小的，致使所能允许获得的柱状品区较短，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。快速凝固法（HRS法）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

3、方法的特点是铸件以一定的速度从炉屮移出或炉子移离铸件，采用空冷的方式，而且炉了保持加热状态。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，使铸件的性能得以捉高，在生产屮冇一定的应用。液态金属冷却法(LMC法)HRS法是市辐射换热来冷却的，所能获得的温度梯度和冷却速度都很有限。为了获得更高的温度梯度和生长速度。在HRS法的基础上，将抽拉出的铸件部分浸入具冇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LMC法。这种方法提高了铸

4、件的冷却速度和固液界面的温度梯度，而11在较人的生长速度范围内可使界面询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，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°C),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。传统定向凝固技术存在的问题不论是炉外法，还是炉内法，也不论是功率降低法，还是快速凝固法，它们的主要缺点是冷却速度太慢，即使是液态金属冷却法，其冷

5、却速度仍不够高，这样产生的一个弊端就是使得凝固组织冇充分的时间长大、粗化，以致产生严重的枝晶偏析，限制了材料性能的提高。造成冷却速度慢的主要原因是凝同界面与液相屮最高温度面距离太远，固液界面并不处于最佳位置，因此所获得的温度梯度不大，这样为了保证界而前液相屮没冇稳定的结品核心的形成，所能允许的最大凝固速度就有限。为了进一步细化材料的组织结构，减轻甚至消除元素的微观偏析，有效地提高材料的性能，就需捉高凝固过程的冷却速率。在定向凝固技术屮，冷却速率的提高，可以通过提高凝同过程屮同液界面的温度梯度和生长速率来实现。因而如何采用新工艺、新方法去实现

6、高温度梯度和大生长速率的定向凝固，是当今众多研究者追求的目标。2新型定向凝間技术新型的定向凝固技术区域熔化液态金属冷却法（ZMLMC法）区域熔化液态金屈冷却法将区域熔化与液态金屈冷却相结合，利用感应加热集屮对凝固界面前沿液相进行强制加热，使金属局部熔化过热，产生的熔化区很窄，从而将液固界面位置下压，同时使液相中的最高温度尽量靠近凝固界而，启动抽拉装置，不断地向下抽拉熔化的试样进入液态合金中冷却，从而有效地提高了間/液界面前沿的温度梯度oZMLMC定向凝間装置最高温度梯度可达1300K/cm,最大冷却速度可达50K/s,凝固速率可在61000

7、pm/s内调节。目前这方而的研究还都处于试验阶段，耍进一步广泛应用，还冇待于进一步的努力和改进。高温度梯度定向凝同技术在现代凝同理论特别是高性能材料制备中已经发挥了重要作用。深过冷定向凝固（DUDS法）过冷熔体中的定向凝固法是将盛有金属液的站竭置于一激冷基座上，在金属液被动力学过冷的同时，金属液内建立起一个自下而上的温度梯度，冷却过程屮温度最低的底部先形核，晶体自下而上生长，形成定向排列的树枝品骨架，其间是残余的金属液。在随后的冷却过程中，这些金属液依靠向外界散热而在已冇的枝晶骨架上凝固。该法大大降低了设备要求，热量散失快,铸件生产率高，铸

8、件组织结构细小，微观成分偏析程度低，各种力学性能大幅提高。谢发勤等人采用深过冷定向凝固方法制备的Cu-Ni合金定向凝固样件，其一次枝晶间距比LMC法获得的组织还要细。目前，深过冷