定向凝固与单晶材料制备.ppt

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1、1.4定向凝固与单晶材料制备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。1.4.1定向凝固技术定向凝固涡轮叶片，寿命是普通铸造的2.5倍单晶叶片，寿命是普通铸造的5倍例如，喷气发动机高温合金叶片的制造1.Generalremarks国产涡喷-7涡轮喷气发动机及剖视图喷气发动机IllustrationoftheGE90-115Bjetengine,showingitsvariouscomponents.Figure1.(a),(b)Photog

2、raphsofahigh-pressureturbine(HPT)vaneandaHPTbladeofajetengine.(c)Schematicarrangementofthestationaryvanesrelativetotherotatingbladeswithintheengine.(d)IllustrationoftheGE90-115Bjetengine,showingitsvariouscomponents.(e)Pressureandtemperaturetrendsfromthefronttotheback

3、oftheengine.Thereareonlyfourcategoriesofmaterialsthatcanbeconsidered:refractorymetals,monolithicceramics,intermetalliccompounds,composites(naturalorsynthetic).Figure1.ImprovementinefficiencywithincreasingturbineoperatingtemperaturesandpressuresforafamilyofRolls-Royce

4、enginesdevelopedduringtheperiod1970–2000.SFCisspecificfuelconsumption.Overallpressureratioistheratioofcompressorexitpressurerelativetoambient.Temperaturesareturbineentrygastemperatures,measuredinK.Datapointsareengineoperatingconditionsduringthetest.A“civiltypetest”is

5、anengineperformanceevaluationcriterionappliedtocivilaircraftengines.AdvancesinCoatingDesignforHigh-PerformanceGasTurbines2.定向凝固技术原理与工艺凝固概念的回顾溶质分配形成溶质富集区由溶质再分配导致界面前方熔体成分及其凝固温度发生变化而引起的过冷——成分过冷成分过冷与界面距离Z成分过冷对凝固过程的影响2.16窄成分过冷的情况2.17成分过冷区逐渐加宽的情况2.19成分过冷区进一步加宽，成分过冷的极大值大于熔体

6、中非均匀形核所需过冷，从而在前方形成等轴晶的情况2.18成分过冷区足够大时形成枝晶骨架的情况凝固过程中固-液界面前沿液相中的温度梯度GL固-液界面向前推进速度，即晶体生长速度RGL/R值是控制晶体长大形态的重要判据凝固过程中的成分过冷或金属的性质（T1-T2）/DL凝固过程的工艺参数：一般单相合金晶体生长符合上式时，界面前方不存在成分过冷，界面将以平面生长方式长大。Chalmers成分过冷判据：由溶质再分配导致界面前方熔体成分及其凝固温度发生变化而引起的过冷——成分过冷金属的性质（T1-T2）/DL和工艺条件GL/R对单相合金结

7、晶特点影响的示意图单向凝固技术的重要工艺参数包括：凝固过程中固-液界面前沿液相中的温度梯度GL固-液界面向前推进速度，即晶体生长速度RGL/R值是控制晶体长大形态的重要判据在提高GL的条件下，增加R，才能获得所要求的晶体形态，细化组织，改善质量，并且，提高定向凝固铸件生产率。定向凝固技术和装置不断改进，其关键技术之一是提高固-液界面前沿液相中的温度梯度GL。目前，GL已经达到100-300℃/cm，工业生产中已达到30-80℃/cm。（1）温度梯度GL以坩埚下降定向凝固为例的温度梯度的简化模型见图。m-熔点附近熔体密度S、

8、L-晶体与熔体的导热系数GS、GL-固相和液相的温度梯度L-结晶潜热R-凝固速率（2）凝固速率R-辐射系数-斯蒂芬-玻尔兹曼系数=S/scp，热扩散率Vct-铸件拉出的临界速率其余同前热流方向侧向无温度梯度，不散热晶体生长方向定向凝固柱状晶生长示意图（