铸造金属凝固原理 第10章.ppt

第10章 定向凝固技术 Unidirectional Solidificationn定义：定向凝固又称定向结晶，是在凝固过程中采用强制手段，在凝固金属和未凝固熔体中建立起特定方向的温度梯度，从而使熔体沿着与热流相反的方向凝固，获得具有特定取向柱状晶或单晶的技术n目的：获得柱状晶、单晶或自生复合材料n几个概念的区别顺序凝固逐层凝固定向凝固n满足的条件凝固开始形成稳定的凝固壳，以阻止型壁游离激冷；固液界面前沿不存在形核和游离现象n工艺措施严格的单向散热；足够大的GL/v；使成分过冷限制在较小范围；减小熔体的异质形核能力；避免液态金属的对流、搅拌，防止游离，最好自下而上10.1定向凝固工艺1定向凝固工艺参数主要工艺参数：GL、v液相温度梯度GL重要性：形态、速度、质量 分析：在提高GL的条件下提高vGL和GS成正比，增大GS是获得大GL的重要途径；大GS有利于提高GL，也会提高v，故常提高固液界面前沿熔体的温度；GL过大，熔体温度过高导致挥发、分解和污染，GS过大导致导致内应力、开裂凝固速率n分析采用快速凝固法时，GL受到铸件拉出速度、热辐射条件和铸件径向尺寸的影响在稳定态生长条件下，铸件拉出的临界速率主要受到铸件辐射传热的特性的影响，其关系式如下：设上式中GL=0为临界条件，则2定向凝固的工艺方法发热剂法n工艺：n加热铸型放置水冷板浇注。

n特点：n无法调节凝固速度v和GLn应用：n制备小的柱状晶铸件，多用于磁钢功率降低法（PD）n工艺型壳预热浇注下部水冷切断下部电源、上部继续加热n特点GL随凝固距离增大不断减小；GL、v不能人为控制散热条件差，柱状晶区短高（快）速凝固法（HRS）n与PD的区别铸型加热器始终加热；铸件与加热器相对运动；底部用辐射挡板和水冷套产生较大的GL、GSn优势大大缩小界面前沿两相区；局部冷速增大，有利于细化晶粒；避免炉膛影响，利用空气冷却液态金属冷却法（LMC）在HRS基础上发展；原理将浇入金属后的型壳浸入高导热系数的低熔点金属浴中按选择速度将铸型拉出炉体优势提高了铸件的冷却速度和固液界面的温度梯度冷却金属应满足的条件10.2 单晶生长1单晶的生长特点n形核:引入籽晶、自发形核n固液界面不允许有温度过冷和成分过冷；n界面前熔体过热，潜热通过生长的晶体导出n三种单晶体 晶体和熔体的成分相同；晶体和熔体成分不同；有第二相或出现共晶的晶体2单晶的生长方法正常凝固法：坩埚或炉体移动、晶体提拉区熔法：水平区熔、悬浮区熔1）坩埚移动法n原理：坩埚衡速移动，与凝固速度相同n方式：垂直、水平（适用低熔点）n缺陷：晶体和坩埚壁接触，易产生应力和寄生成核。

n应用示例：异型高温合金叶片自生籽晶法表面细等轴晶起始段柱状晶进入选晶段柱状单晶进入铸件起始段选晶段单晶叶片起始段：晶粒生长分三个阶段：急冷等轴晶，择优竞争、稳定高度：整个起始段的高度要保证第三阶段高度足以使90以上的001柱晶取向偏离度小于10o，通常大于25 mm影响因素：合金溶质浓度加大，柱状晶倾向减小，起始段高度相应地增加选晶段的形状与尺寸：起始段柱状晶生长的延伸，进入选晶段的柱状晶通过多次接近直角拐弯，淘汰了一批柱状晶，最后仅允许一个柱状晶晶粒长入铸件本体2）晶体提拉法或丘克拉斯基技术（Czochralski）n原理：熔化插入籽晶缓慢上提并转动晶杆单晶生长单晶体的直径取决于熔体温度和拉速度n优点方便观察；自由表面生长，减少应力、防止寄生晶；可较快生长，低位错密度，完整；可控制晶体直径n晶体的质量控制单晶体中的缺陷：空位、置换或间隙杂质原子、位错、小角度晶界、孪生、生长层、气泡、胞状组织、包裹物、裂隙等影响因素：界面的形状受晶体中、熔体中以及固-液界面前沿的温度梯度和温度分布的稳定性影响单晶提拉速率受到材料性质和生长参数的约束 导热系数高的晶体材料，可以来用较大的生长速率，对同一材料，掺杂后在较大的生长速率下将会出现成分过冷，从而破坏了单晶生长的条件。

欲增大生长速率，主要依靠提高固-液界面前沿的温度来实现但是，高的温度梯度值意味着晶体与生长环境之间有较强的热量传输，即晶体中将有较大的温度梯度，甚至出现弯曲的等温面，这将会引起大的热应力和较高的位错密度，可能会使晶体开裂晶体转动：搅拌熔体、增加温度场的径向对称性、有利于熔体中溶质混合均匀、控制固-液界面的形状由于晶体转动，削弱了自然对流，在界面上出现了向上运动的液流，使等温面向上推移，界面形状出现了相应的变化对界面稳定性的影响将因转动速度、晶体直径、熔体粘度、熔池深度等参数而改变熔体自然对流倾向于使界面凸向熔体，而晶体旋转产生的强制对流则倾向于使界面凹进晶体，在强制对流足以压倒自然对流时，凸界面将变为平界面不仅提高转速可以使界面拉平，而且增大晶体半径也可以拉平界面减小轴向温度梯度 晶体不转动时晶体转动时原材料的纯度是获得高完整性单晶的重要前提，生长环境也可能污染熔体，如果杂质的溶质分配系数小，杂质将富集于界面，一旦其浓度达到过饱和状态，杂质将在界面上成核、长大，并以包裹物形式进入晶体，这些包裹物不仅是光散射的中心，而且也会诱发位错生长环境中的气体作为杂质，溶解在熔体中，会形成气泡降低晶体的提拉速率，有助于消除这类包裹物。

另外，杂质的存在也会增加界面不稳定性掺杂的单晶，当晶体生长时，熔体的温度若出现温度起伏，将引起晶体的生长速率的起伏，由于不同生长速率影响到有效溶质分配系数KE，于是在晶体中将产生溶质浓度起伏，这样，在晶体生长过程中容易出现轴向，甚至径向成分不均匀性，这种宏观缺陷称为生长层（条纹）产生生长层的原因还可能由于熔体中不稳定对流引起溶质边界层 瞬时变化，和生长速率一样会影响KE值生长层的存在破坏了晶体各种物理性能均匀性，因此必须采取工艺手段抑制生长层的产生，温度波动造成的瞬时生长速率的起伏还会使晶体中产生位错n柱状晶：n包括柱状树枝晶和胞状晶减少偏析疏松,基本消除横向晶界,改善合金高温性能、磁性能n获得n采用定向凝固工艺，使晶体有控制地向着与热流方向相反的方向生长使晶体取向为特定位向，并且大部分柱状晶贯穿整个铸件10.3 柱状晶的生长1生长条件和特点 生长条件n热流方向定向；n足够高的GL/v，避免成分过冷和外来晶核、抑制液态合金的形核能力；限制侧壁横向形核n措施：净化合金液外，还可以通过添加适当的元素或添加物，使形核剂失效生长特点n择优生长n形貌及控制：取向分散度：柱晶生长方向与轴向之间的夹角；枝晶臂间距和晶粒大小。

控制参数GL/v、拉出速度在柱状晶生长过程中，只有在高的GL/v值条件下，柱状晶的实际生长方向和柱状晶的理论生长方向才越接近，否则，晶体生长会偏离轴向排列方向当晶体生长速度与铸型拉出速度一致时，铸型中横向热辐射造成的热损失不致形成大的横向温度梯度，该条件下形成的柱状晶取向偏离度最小如果铸型移出速度太快，促使柱状晶生长不稳定，铸件底部柱状晶晶粒比较细，而上部柱状晶数量少而发散，甚至会出现横向柱状晶随着晶粒和枝晶臂间距变小，力学性能提高采用功率降低法时，晶粒直径与距激冷板距离的关系如图10.15所示，枝晶臂间距与至激冷板距离的关系如图10.16所示2柱状晶的力学性能n单晶、柱状晶、等轴晶Mar-M200的力学性能10.4 连续定向凝固技术n大野笃美的OCC连续铸造法n与一般的连续铸造的根本区别 n利用加热铸型型壁的高温以阻止晶核在型壁处形成这样，通过端部散热使溶液在铸锭心部先凝固，而表层在脱离铸型的一瞬间才凝固，从而获得具有定向凝固组织的连续铸锭1OCC连续定向凝固技术的原理与特点n区别：铸型、组织、固液界面n技术核心：避免凝固界面附近的侧向散热，维持很强的轴向热流，保证凝固界面是凸向液相的。

n局限：高导热率合金、小尺寸n技术特点：满足定向凝固的条件，柱状晶和单晶；摩擦力小，复杂截面、近净形连续生产；不产生气孔、夹渣、缩松、缩孔等缺陷；塑性加工性能好，抗腐蚀及抗疲劳性能均得到大幅度改善2OCC连铸工艺方法n三种主要工艺 下引式上引式水平式n两种带材水平连铸 工艺3OCC连铸的凝固过程与质量控制nOCC连铸过程传热条件的分析 n凝固界面的控制理想的凝固方式是在铸锭的凝固界面与铸型之间保持一个很小的液相区，凝固界面凸向液相，最好伸人铸型，这样凝固是在自由界面条件下进行的，从而获得平滑而光亮的铸锭表面同时中间的固相对外层的液相具有支撑作用此外，凸出的凝固界面利于晶粒淘汰，生长单晶铸锭n凝固组织的形成过程 。