金属凝固原理作业.docx

定向凝固技术现状及发展

姓名：
学号：
班级：

摘要：凝固技术的发展及存在的问题，介绍几种新发展起来的定向凝固技术。以定向凝固原理为基础，对几种定向凝固技术进行简要介绍，并指出今后定向凝固的发展方向。
关键字：定向凝固；深过冷；凝固组织

ABSTRACT： The development and problems in existence of the traditional directional solidification technology, introducing to several newly developed directional solidification technology in the basis of directional solidification technology principle.

KEY WORDS： directional solidification; deep overcool; solidification structure

凝固是物质有液相转变为固相的过程，这是一种普遍的物理现象。可以说几乎一切金属制品在其生产流程中都要经历一次或多次的凝固过程。但是由传统凝固技术生产的铸件一般均由无一定结晶方向的多晶体组成。在高温疲劳和蠕变过程中，垂直于主应力的横向晶界往往是裂纹产生和扩展的主要部位，也是涡轮叶片高温工作时的薄弱环节。由于定向凝固技术可消除了横向晶界，获得生长方向与主应力方向一致的单向生长的柱状晶体，从而提高了材料抗高温蠕变和疲劳的能力。所以定向凝固技术一直被人们所重视，自1965年美国普拉特·惠特尼航空公司采用高温合金定向凝固技术以来，这项技术已经在许多国家得到应用。采用定向凝固技术可以生产具有优良的抗热冲击性能较长的疲劳寿命较好的蠕变抗力和中温塑性的薄壁空心涡轮叶片。应用这种技术能使涡轮叶片的使用温度，提涡轮进口温度都有很大提高，从而提高发动机的推力和可靠性，并延长使用寿命。
1 定向凝固技术的原理
定向凝固又称单向结晶，是使金属或合金由熔体中定向生长结晶的一种工艺方法，用于制备单晶、柱状晶和自生复合材料。
铸件定向凝固需要两个条件：首先，热流向单一方向流动并垂直于生长中的固-液界面；其次，晶体生长前方的熔液中没有稳定的结晶核心。
单向凝固技术的重要工艺参数就是凝固该过程中固液界面前沿液相中的温度梯度GL和固——液界面向前推进速度，即晶体生长速率R。GL与R的比值是控制晶体长大形态的重要依据。在提高GL的前提下，增加R，才能获得所要求的晶体形态，细化组合，改善质量，并且提高单向凝固铸件的生产效率。单向凝固技术和装置的改善，其中最重要的的关键之一就是提高固液界面前沿的温度梯度GL。如图1 所示。

图1
定向凝固铸件的组织分为柱状、单晶和定向共晶3种。由于定向凝固技术能得到一些具有特殊组织取向和优异性能的材料，因而自它诞生以来得到了迅速发展。定向凝固技术被广泛用于获得具有特殊取向的组织和优异性能的材料，应用定向凝固方法可以得到定向组织甚至单晶$明显地提高材料所需的性能，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要手段。单晶制备技术上，北京科技大学开发出一种介于HGC与OCC法之间的连续定向凝固装置，成功地进行了Al-Si、Al-Cu合金的连续定向凝固
2 定向凝固的发展
定向凝固，也就是指在凝固过程中采用强制手段，在凝固金属样未凝固熔体中建立起沿特定方向的温度梯度，从而使熔体在气壁上形核后沿着与热流相反的方向，按要求的结晶取向进行凝固的技术。这种技术最初是在高温合金的研制中建立并完善起来的。采用、发展定向凝固技术最初用来消除结晶过程中生成的横向晶界，从而提高材料的单向力学性能。还运用于燃汽涡轮发动机叶片的生产，所获得的具有柱状乃至单晶组织的材料具有优良的抗热冲击性能、较长的疲劳寿命、较高的蠕变抗力和中温塑性，因而提高了叶片的使用寿命和使用温度。
各种热流能被及时导出是定向凝固过程得以实现的关键，也是凝固过程成败的关键，获得并保持单向热流是定向凝固成功的重要保证。传统的定向凝固技术主要有发热剂法、功率降低法、快速凝固法和液态金属冷却法等。传统定向凝固技术的主要缺点是冷却速度慢。这样就使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。造成冷却速度慢的主要原因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，这样为保证界面前液相中没有稳定的结晶核心的形成，所允许的最大凝固速度就有限。
定向凝固技术除用于高温合金的研制外，还逐渐推广到半导体材料、磁性材料、复合材料等的研制中，并成为凝固理论研究的重要手段之一。热流的控制是定向凝固技术中的重要环节，获得并保持单向热流是定向凝固成功的重要保证。为进一步提高定向凝固过程中的温度梯度，从而提高凝固速度，最终提高材料的性能，在充分吸收其他凝固技术（如快速凝固）优点的基础上，出现了许多新型的定向凝固技术。定向凝固技术也经历了由炉外法、功率降低法、快速凝固法直到液态金属冷却法等的发展过程。
2.1 发热剂法（EP法）
所谓的发热剂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，在金属液和已凝固金属中建立起一个自上而下的温度梯度，使铸件自下而上进行凝固，实现单向凝固。这种方法由于所能获得的温度梯度不大，并且很难控制，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。
2.2 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时，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，但是在凝固过程中温度梯度是逐渐减小的，致使所能允许获得的柱状晶区较短，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。
2.3 高速凝固法（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。该方法的特点是铸件以一定的速度从炉中移出或炉子移离铸件，采用空冷的方式，而且炉子保持加热状态。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，使铸件的性能得以提高，在生产中有一定的应用。
2.4 液态金属冷却法（LMC法）
HRS法是由辐射换热来冷却的，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有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。这种方法提高了铸件的冷却速度和固液界面的温度梯度，而且在较大的生长速度范围内可使界面前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℃)，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。
2.5 区域熔化液态金属冷却法（ZMLMC法）
该方法采用在距液固界面极近的位置处设置感应线圈进行强制加热，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面，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。ZMLMC定向凝固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61000μm/s内调节。目前这方面的研究还都处于试验阶段，要进一步广泛应用，还有待于进一步的努力和改进。如下图所示。

图2 区域熔化液态金属冷却法
1铸锭 2冷却剂 3冷却水 4隔热板
5感应线圈 6试样 7熔区 8坩埚
2.6 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坩埚置于一激冷基座上，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，冷却过程中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晶骨架，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有的枝晶骨架上凝固。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，深过冷的研究还局限于纯金属或简单的二元合金，对复杂合金的深过冷的获得还存在着许多需要解决的问题。
2.7 电磁约束成形定向凝固技术（DSEMS）
电磁约束成形定向凝固技术是西北工业大学傅恒志等人将电磁约束成形技术和高梯度定向技术相结合而提出的新型材料制备技术。该技术利用电磁感应加热熔化感应器内的金属材料，并利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。[10]同时，冷却介质与铸件表面直接接触，增强了铸件固相的冷却能力，在固-液界面附近熔体内产生很高的温度梯度，使凝固组织超细化，可显著提高逐渐的表面质量和内在综合性能。
电磁约束成形定向凝固技术为先进材料成形加工技术的发展开辟了一个新的领域，对高熔点、易氧化及高活性特种合金的成形制备具有特别重要的意义。此技术目前还处于研究阶段。
2.8 激光超高温度梯度快速定向凝固（LRM）
杨森等人认为激光能量高度集中的特性，使它具备了在作为定向凝固热源时可能获得比现有定向凝固方法高得多的温度梯度的可能性。激光超高温度梯度快速定向凝固能够获得比常规定向凝固包括ZMLMC技术高得多的温度梯度和凝固速率。利用激光表面熔凝技术实现超高温度梯度快速定向凝固的关键在于：在激光熔池内获得与激光扫描速度方向一致的温度梯度。根据合金凝固特性选择适当的激光工艺参数，以获得包晶组织。目前激光超高温度梯度快速定向凝固还处于探索性实验阶段。如下图所示。

图3 激光超高温度梯度快速定向凝固示意图
1铜板 2试样 3激光束
4保护气 5底板 6电动机
2.9 连续定向凝固
其基本原理与OCC（热型连铸）法相似，均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，完全消除等轴晶的来源，获得了单向凝固的柱状晶连续铸锭，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，熔体的凝固方向沿热流的反方向进行，这种方法最大的特点是改变传统的连续铸造中冷却结晶器为加热结晶器，熔体的凝固不在结晶器内部进行。其特点有：
1）在铸型出口端与冷却区之间具有高的温度梯度，型内金属液的热量主要沿拉铸方向单向传输，造成有利于定向凝固的条件，可铸出长度不
受限制的单晶和柱状晶铸锭。
2）铸锭与铸型之间始终存在一层液体膜，铸锭表面在离开铸型出口一小段距离之后才自由凝固，铸锭表面光滑呈镜面状。金属液在铸型出口处凝固结壳，显著地减小铸件与型壁的磨擦磨损，可铸得表面非常光洁的复杂截面形状的薄壁型材。
3）凸出的固液界面有利于凝固过程中析出的气体及夹杂不断排向液体，不被卷人铸锭，而且不存在补缩困难的问题。因此，铸锭组织致密，无气孔、缩孔、缩松等铸造缺陷。有利于后续的冷加工，可以减少甚至消除冷加工过程中的中间退火，节省了能源，提高了生产效率。
3 向凝固理论的研究进展
定向凝固技术的另一个重要应用就是用于凝固理论的研究。定向凝固技术的发展直接推动了凝固理论的发展和深入，从Chalmers等的成分过冷理论到Mullins等的界面稳定动力学理论(MS理论)，人们对凝固过程有了更深刻的认识。MS理论成功地预言了随着生长速度的提高，固液界面形态将经历从平界面一胞晶一树枝晶一胞晶一带状组织一绝对稳定平界面的转变。枝晶／胞晶一次间距选择的历史相关性及容许范围的发现，是近年来凝固理论研究的重大进展之一，它导致在凝固界流行了十多年的定向凝固理论退出历史舞台，并成为以非平衡自组织理论为指导的新的定向凝固理论的实验基础。但关于枝晶／胞晶一次间距选择历史相关性及容许范嗣的实验目前都是在低温梯度（<300k／cm）和低凝同速率(<500um／s)下进行的。理论迫切需要在更高的温度梯度和凝固速率范围内的定向凝固实验规律，特别是凝固体系在靠近绝对稳定性速度时的凝固行为。在过去的理论和实验研究中，关注的是凝固速率而忽视温度梯度的影响。近年来对MS理论界面稳定性条件所做的进一步分析表明，MS理论还隐含着另一种绝对稳定性现象，即当温度梯度G超过一临界值G。时，温度梯度的稳定化效应会完全克服溶质扩散的不稳定化效应，这时无论凝固速度如何，界面总是稳定的，这种绝对稳定性称为高梯度绝对稳定性。由于没有明确的理论判据以及实验技术的限制，在过去三十多年中，高梯度绝对稳定性被不适当地忽视了。最近，我们采用数学分析与数值计算相结合的方法，给出了高梯度绝对稳定性临界条件的简明的表达式。对大多数合金，实现高梯度绝对稳定性的临界温度梯度在5000 K／cm以上远远超过常规的定向凝固方法包括ZMLMC方法所能达到的温度梯度。因此，寻求新的实验方法实现高梯度绝对稳定性，揭示在这种极端条件下凝同过程的新现象和新规律，并在此基础上对该新现象予以更加准确的理论描述，成为当前急需进行的具有重大理论意义的研究工作。
4 在的问题及展望
虽然初步的实验表明深过冷快速定向凝固技术具有广阔的应用前景，但是，仍然有以下几方面的问题需要解决。
首先，如何在深过冷状态下保证定向凝固组织的获得?这是该技术实现的关键。在不加外界物理场(如电场、磁场、电磁场等)控制的情况下，控制选择合适的温度场以控制热流方向，无疑是控制获得定向组织的重要措施。
其次，如何获得复杂合金的深过冷的研究大多局限于纯金属或简单二元合金，对复杂合金的深过冷的获得还存在着不少需要解决的问题。因此，大体
积复杂合金的深过冷也是一个亟待解决的问题。
第三，如何获得有实用价值的产品?大体积深过冷合金通常采用电磁悬浮熔炼法以及玻璃体净化法等获得，如何利用这些方法控制所获材料的形状以获得具有一定外形的零件也是急需解决的问题之一。为此，人们通常采用模壳铸造，但这容易导致异质形核结晶。解决这个矛盾有两个办法：①采用壳型，但要对如何在这种条件下获得熔体的深过冷做更深入的探讨和研究；②不用壳型，直接利用物理场以控制熔体结晶时的外形，从而在凝固后获得有一定形状的零件。
第四，由于凝固发生在深过冷状态，因此其中还有许多理论问题需要解决。建立较完善的快速定向凝固理论，也将使凝I司理论吏趋完善。应用定向凝固技术的目的是获得稳定的单向凝固组织，其性能又与组织的细化程度紧密相关。因此采取不同控制措施以获得细小的定向组织，便成为新～代定向凝固技术发展的方向。从最初的发热剂法，到新近提出的快速定向凝固技术，无一不是围绕着这一点进行的。随着实验技术的改进和人们的努力，新一代定向凝固技术必将更进一步为提高材料的使用性能做出贡献!
参考文献
[1] 米国发 王锦永. 定向凝固技术的基本原理及发展概况[J].金属加工,2009(1):57-59
[2] 李雯霞. 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
[3] 袁静.金属连续定向凝固技术[J].上海有色金属,2011(1):42-44
[4] 陈孝先 李秋书 范艳艳. 定向凝固对AZ31镁合金凝固组织的影响[J]. 中国铸造装备与技术.2009(2):19-20
[5] 苏彦庆，郭景哲，刘畅，等.定向凝固技术与理论研究的进展[J].特种铸造及有色合金，2006（1）.