快速凝固技术论文(2)
快速凝固技术论文
快速凝固技术论文篇二
定向凝固技术的发展概况
摘要：简要回顾了传统定向凝固技术及其存在的问题，介绍了几种新近发展起来的新型定向凝固技术，并指出了定向凝固技术今后的发展方向。
关键词：定向凝固;电磁约束;深过冷;单晶连铸;激光超高温度梯度;特种定向凝固
学习啦在线学习网 所谓定向凝固[1]，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的技术。该技术较好地控制了凝固组织的晶粒取向，消除了横向晶界，大大提高了材料的纵向力学性能。
1.传统定向凝固技术的发展过程
传统的定向凝固技术经历了由发热铸型法(EP法)、功率降低法(PD法)、快速凝固法(HRS法)、液态金属凝固法(LMC法)、流态床冷却法(FBQ法)等的发展过程。
这些方法所获得的冷却速度都是很有限的。首先是冷却速度太慢，使得凝固组织有充分的时间长大、粗化，以致产生严重的枝晶偏析，限制了材料性能的提高;其次，是凝固界面与液相中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，这样为了保证界面前液相中没有稳定的结晶核心的形成，所能允许的最大凝固速度就有限。为了更进一步提高材料的各项使用性能和综合性能，有必要对传统定向凝固技术进行改造。在充分吸收其他凝固技术如快速凝固等优点基础上出现了许多新型的定向凝固技术。
学习啦在线学习网 2.新型定向凝固技术
2.1电磁约束成形定向凝固法(DSEMS法)[2]
其原理是利用电磁感应加热使合金熔融，然后用在金属熔体表层部分产生的电磁压力来约束已熔化的金属熔体成形，同时,由于冷却介质与铸件表面有的直接接触, 铸件固相的冷却能力得到增强,使得固液界面附近熔体内可以产生很高的温度梯度,使凝固组织超细化。但该技术涉及电磁流体力学、冶金、凝固以及自动控制等多学科领域，目前还处于研究阶段。
2.2深过冷定向凝固(DUDS法)
过冷熔体中的定向凝固首先由B.Lux 等在1981年提出，其基本原理是将装有试样的坩埚装在一个高频线圈中循环加热，通过蒸发与分解或加入净化剂去除、吸附和钝异质核心，从而获得深过冷的合金熔体;然后再将坩埚的底部激冷，让合金熔体底部先形核，晶体自下而上生长，形成定向排列的树枝晶骨架， 残余的金属液向已有的枝晶骨架上凝固，最终获得了定向凝固组织。深过冷熔体凝固速度很快，凝固时间很短，可大幅度提高生产效率，改善组织和性能。
2.3单晶连铸技术[3]
单晶连铸技术，即O.C.C法。其基本原理是：将结晶器的温度保持在熔体的凝固温度以上，绝对避免熔体在型壁上形核，熔体的凝固只在脱离结晶器的瞬间进行。随着铸锭不断离开结晶器， 晶体的生长方向沿热流的反方向进行。O.C.C法可以得到完全单方向凝固的无限长柱状组织;铸件气孔、夹渣等缺陷较少;组织致密，消除了横向晶界。
2.4激光超高温度梯度快速定向凝固法(LRM法)[4]
利用激光表面熔凝技术实现超高温度梯度快速定向凝固。其关键在于：在激光熔池内获得与激光扫描方向一致的温度梯度;根据合金凝固特性选择适当的工艺参数以获得胞晶组织。激光能量高度集中的特性，使,其温度梯度可高达106K/m,速度可高达24mm/s,冷却速度，较区熔液态金属冷却法大大提高(约为三个数量级)。
2.5特种定向凝固技术[5]
2.5.1侧向约束下的定向凝固
学习啦在线学习网 侧向约束下的定向凝固考虑到沿凝固方向，制品的截面形状与大小发生变化时对凝固过程和组织的影响。以施加侧向约束使试样截面突然减小，模拟叶片的变截面时得到的单晶镍基高温合金凝固组织为例。随着试样截面的突然减小，合金凝固组织由发达的粗枝状很快转化为细的胞状。随着凝固的继续进行，胞晶间距逐渐增加，之后胞晶间距趋于恒定，凝固进入新的稳态。最后当试样截面由小突然增大时，凝固状态也由胞状很快转化为粗枝状。对存在截面变化的实际单晶合金铸件，在生产过程中不应采用恒定的铸型抽拉速度，而应在其整个凝固过程中适时调节抽拉速度及其他冷却条件，以获得组织和成分均匀的单晶合金铸件。
2.5.2对流下的定向凝固
学习啦在线学习网 对流下的定向凝固主要利用加速坩埚旋转技术装置(ACRT)。在加速旋转过程中液相强迫对流，由于极大的改变热质传输过程而引起了界面形貌的显著变化。在一般定向凝固条件下，合金组织中枝晶发达，糊状区宽度变大。ACRT状态下的糊状凝固区宽度较静态下的要小得多。对Al-Si共晶合金，在定向凝固开始时就让坩埚旋转，则强烈的对流导致Si相得断裂。Si碎片可进一步破碎并生长，最后形成块状Si共晶组织。施加坩埚的变速旋转，则Si相在坩埚加速旋转阶段变得更加规则。只有当坩埚旋转方式与定向凝固参数合理配合时，才能获得理想的定向组织。在通常情况下，提高GTL/υ的值，当GTL过高时，Si相虽然定向生长，但粗化现象明显。
2.5.3二维定向凝固
学习啦在线学习网 二维定向凝固(bi-directional solidification)的概念是J.Brigme于20世纪80年代初提出来的，主要用于制备高性能叶片和圆盘件。对圆盘件而言，二维定向凝固的主要原理是控制热流方向，使得金属由边缘向中心定向生长，最后获得具有径向柱状晶(宏观)和枝晶轴(微观)组织的材料。目前利用这种方法已制备出铝合金样件和高温镍基合金的样件。
学习啦在线学习网 2.6存在的问题及展望
虽然定向凝固技术能获得小偏析甚至无偏析的超细化的组织等，具有广阔的应用前景，但仍有一些问题要解决。
学习啦在线学习网 第一，激光超高温度梯度定向凝固技术的凝固组织是从基体外延生长的，界面上不同位置的生长方向也不相同，在对凝固组织进行定量分析时造成困难。
第二，深过冷还需解决在不同过冷度条件下，过冷熔体激发形核后晶体的生长方式和组织形成规律; 确定适用于形成枝晶阵列微观组织的试验条件和工艺因素。
第三，快速定向凝固技术只适合于制备一维或二维小尺度材料，在应用上受到一定限制。如何解决大体积深过冷熔体激发快速定向凝固技术，利用该技术获得具有一定外形的零件。
综上述说，合理调节温度梯度和过冷度是定向凝固发展的一个方向。另外，采取不同控制措施以获得细小的定向组织，便成为新一代定向凝固技术发展的又一方向。在今后较长一段时间内，材料加工技术的研究将倾向于：性能设计与工艺设计的一体化和材料设计、制备、成型与加工处理的全过程中队材料组织性能和形状尺寸进行精确控制等方面。
参考文献
学习啦在线学习网 [1]谢建新等.材料加工新技术与新工艺[M].冶金工业出版社.2004.3:61
[2]李金山.钢的电磁约束成型定向凝固研究.西北工业大学[博士论文].1998.
学习啦在线学习网 [3]范新会.魏朋义.李建国等.单晶连铸技术原理及试验研究[J].中国有色金属学报.1996.6(4):106
[4]李雯霞等.定向凝固技术现状与展望[J].中国铸造装备与技术.2009.2:9~13
学习啦在线学习网 [5]谢建新等.材料加工新技术与新工艺[M].冶金工业出版社.2004.3:86~91.
学习啦在线学习网 作者简介：陈冬丽(1981——)，女，汉族，四川攀枝花，助教，主要研究方向为金属材料方向。
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