金属的单向凝固课件.ppt

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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1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27.1.1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3(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6

2、0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。4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RmL——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5GL/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

3、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。6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

4、变化一致。7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）。(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8Ⅱ.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

5、。97.1.2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)10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11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

6、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12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13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14表7.1三种定向凝固方法的主要冶金工艺

7、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)85~888~121.2~1.6157.2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167.2.2方法(1)正常

8、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。17＊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，