液态金属在特殊条件下凝固及成形.pptx

2024/3/26 周二1/48第九章第九章 液态金属在特殊液态金属在特殊条件下的凝固及成形条件下的凝固及成形（2 2）2024/3/26 周二2/48主要内容主要内容n第三节第三节 超重力凝固超重力凝固 n第四节第四节 定向（单向）定向（单向）凝固凝固2024/3/26 周二3/48第三节第三节 超重力凝固超重力凝固 n n只要物体的加速度与重力加速度的比值超只要物体的加速度与重力加速度的比值超过过 1，就可以认为该物体处于，就可以认为该物体处于超重力超重力状态。状态。n n达到超重力条件时，能改变固液界面前沿达到超重力条件时，能改变固液界面前沿的对流，并且可以获得组织均匀、性能良的对流，并且可以获得组织均匀、性能良好的晶体。好的晶体。2024/3/26 周二4/48一、超重力场的获得及产生原理一、超重力场的获得及产生原理 n n在实现超重力的手段中，应用最多的是在实现超重力的手段中，应用最多的是离离心机心机。n n该方法投资省、试验参数便于控制和测试。该方法投资省、试验参数便于控制和测试。2024/3/26 周二5/48n n理论分析表明，理论分析表明，理论分析表明，理论分析表明，“g g”越大，两相接触过程的动力越大，两相接触过程的动力越大，两相接触过程的动力越大，两相接触过程的动力因素即因素即因素即因素即浮力因子浮力因子浮力因子浮力因子 （g g）越大，）越大，）越大，）越大，流体相对滑动速流体相对滑动速流体相对滑动速流体相对滑动速度也越大度也越大度也越大度也越大。n n巨大的剪切应力克服了表面张力，可使液体伸展巨大的剪切应力克服了表面张力，可使液体伸展巨大的剪切应力克服了表面张力，可使液体伸展巨大的剪切应力克服了表面张力，可使液体伸展出巨大的相际接触界面，从而极大地出巨大的相际接触界面，从而极大地出巨大的相际接触界面，从而极大地出巨大的相际接触界面，从而极大地强化了传质强化了传质强化了传质强化了传质过程过程过程过程，这一结论导致了超重力的诞生。，这一结论导致了超重力的诞生。，这一结论导致了超重力的诞生。，这一结论导致了超重力的诞生。n n显然，由于显然，由于显然，由于显然，由于 （g g）的大幅度提高，不仅质量传）的大幅度提高，不仅质量传）的大幅度提高，不仅质量传）的大幅度提高，不仅质量传递，而且递，而且递，而且递，而且动量、热量传递以及与传递相关的过程动量、热量传递以及与传递相关的过程动量、热量传递以及与传递相关的过程动量、热量传递以及与传递相关的过程也都会得到强化也都会得到强化也都会得到强化也都会得到强化。n n超重力技术被认为是超重力技术被认为是超重力技术被认为是超重力技术被认为是强化传递强化传递强化传递强化传递的一项突破性技术。的一项突破性技术。的一项突破性技术。的一项突破性技术。2024/3/26 周二6/48二、超重力下熔体的结晶二、超重力下熔体的结晶 n n在超重力状态下，熔体中在超重力状态下，熔体中在超重力状态下，熔体中在超重力状态下，熔体中浮力对流强度得到加强浮力对流强度得到加强浮力对流强度得到加强浮力对流强度得到加强，液流状态随对流强度发生变化。液流状态随对流强度发生变化。液流状态随对流强度发生变化。液流状态随对流强度发生变化。n n反映在反映在反映在反映在温度的波动温度的波动温度的波动温度的波动上，层流温度起伏平缓，而上，层流温度起伏平缓，而上，层流温度起伏平缓，而上，层流温度起伏平缓，而紊紊紊紊流温度波动剧烈流温度波动剧烈流温度波动剧烈流温度波动剧烈。n n温度的波动会造成生长界面的热扰动，从而带来温度的波动会造成生长界面的热扰动，从而带来温度的波动会造成生长界面的热扰动，从而带来温度的波动会造成生长界面的热扰动，从而带来成分的波动成分的波动成分的波动成分的波动。n n随着重力水平的提高，熔体的流态随着重力水平的提高，熔体的流态随着重力水平的提高，熔体的流态随着重力水平的提高，熔体的流态由层流转化为由层流转化为由层流转化为由层流转化为紊流紊流紊流紊流，加速度达一定水平时，熔体又由紊流转化，加速度达一定水平时，熔体又由紊流转化，加速度达一定水平时，熔体又由紊流转化，加速度达一定水平时，熔体又由紊流转化为层流，即所谓为层流，即所谓为层流，即所谓为层流，即所谓重新层流化重新层流化重新层流化重新层流化。n n这是一种高速层流状态，极大地提高凝固界面的这是一种高速层流状态，极大地提高凝固界面的这是一种高速层流状态，极大地提高凝固界面的这是一种高速层流状态，极大地提高凝固界面的热稳定性，为制备无偏析晶体创造了条件。热稳定性，为制备无偏析晶体创造了条件。热稳定性，为制备无偏析晶体创造了条件。热稳定性，为制备无偏析晶体创造了条件。2024/3/26 周二7/48n n重力下的凝固会产生重力下的凝固会产生重力下的凝固会产生重力下的凝固会产生生长条纹缺陷生长条纹缺陷生长条纹缺陷生长条纹缺陷，这是一种微，这是一种微，这是一种微，这是一种微观不均匀性。观不均匀性。观不均匀性。观不均匀性。n n生长条纹是重力驱动的对流造成的。生长条纹是重力驱动的对流造成的。生长条纹是重力驱动的对流造成的。生长条纹是重力驱动的对流造成的。n n在在在在超重力超重力超重力超重力条件下，可条件下，可条件下，可条件下，可消除这种生长条纹消除这种生长条纹消除这种生长条纹消除这种生长条纹。n n在超重力下，对流流动的增强也能在超重力下，对流流动的增强也能在超重力下，对流流动的增强也能在超重力下，对流流动的增强也能稳定晶体生长稳定晶体生长稳定晶体生长稳定晶体生长的固液界面的固液界面的固液界面的固液界面。n n增加离心加速度，增强对流传输，从而增大在生增加离心加速度，增强对流传输，从而增大在生增加离心加速度，增强对流传输，从而增大在生增加离心加速度，增强对流传输，从而增大在生长界面的温度梯度，达到稳定固液界面的作用。长界面的温度梯度，达到稳定固液界面的作用。长界面的温度梯度，达到稳定固液界面的作用。长界面的温度梯度，达到稳定固液界面的作用。2024/3/26 周二8/48n n前苏联科学院空间研究院研究认为：前苏联科学院空间研究院研究认为：前苏联科学院空间研究院研究认为：前苏联科学院空间研究院研究认为：超重力引起超重力引起超重力引起超重力引起的对流对大量形核有利，也使生长方向更有序的对流对大量形核有利，也使生长方向更有序的对流对大量形核有利，也使生长方向更有序的对流对大量形核有利，也使生长方向更有序。n n重力降低，使枝间金属液的对流强度减小，结果重力降低，使枝间金属液的对流强度减小，结果重力降低，使枝间金属液的对流强度减小，结果重力降低，使枝间金属液的对流强度减小，结果使浓度梯度增大，造成在低重力阶段较大的枝晶使浓度梯度增大，造成在低重力阶段较大的枝晶使浓度梯度增大，造成在低重力阶段较大的枝晶使浓度梯度增大，造成在低重力阶段较大的枝晶间距。间距。间距。间距。n n相反，相反，相反，相反，在超重力阶段浓度梯度小，粗化的驱动力在超重力阶段浓度梯度小，粗化的驱动力在超重力阶段浓度梯度小，粗化的驱动力在超重力阶段浓度梯度小，粗化的驱动力也变小，枝晶粗化速率减慢也变小，枝晶粗化速率减慢也变小，枝晶粗化速率减慢也变小，枝晶粗化速率减慢。2024/3/26 周二9/48n n由于浮力的大小与重力系数成正比，形核功与重由于浮力的大小与重力系数成正比，形核功与重由于浮力的大小与重力系数成正比，形核功与重由于浮力的大小与重力系数成正比，形核功与重力系数成反比，因此超重力处理金属液，可以提力系数成反比，因此超重力处理金属液，可以提力系数成反比，因此超重力处理金属液，可以提力系数成反比，因此超重力处理金属液，可以提高金属的高金属的高金属的高金属的洁净度洁净度洁净度洁净度。n n以铝熔体为例，经以铝熔体为例，经以铝熔体为例，经以铝熔体为例，经400g400g超重力处理并凝固，大粒超重力处理并凝固，大粒超重力处理并凝固，大粒超重力处理并凝固，大粒径不溶性夹杂物径不溶性夹杂物径不溶性夹杂物径不溶性夹杂物AlAl2 2OO3 3显著减少，可溶性杂质元素显著减少，可溶性杂质元素显著减少，可溶性杂质元素显著减少，可溶性杂质元素FeFe，SiSi向晶界富集。向晶界富集。向晶界富集。向晶界富集。2024/3/26 周二10/48第四节第四节 定向定向（单向）（单向）凝固凝固 n n 定向凝固又称定向结晶定向凝固又称定向结晶，是使金属或合金，是使金属或合金由熔体中定向生长晶体的一种工艺方法。由熔体中定向生长晶体的一种工艺方法。2024/3/26 周二11/48n n必要条件：必要条件：必要条件：必要条件：GL0 n n必须在固必须在固必须在固必须在固液界面前沿建立必要的温度梯度；液界面前沿建立必要的温度梯度；液界面前沿建立必要的温度梯度；液界面前沿建立必要的温度梯度；n n温度梯度大小直接影响晶体生长速率和晶体质量。温度梯度大小直接影响晶体生长速率和晶体质量。温度梯度大小直接影响晶体生长速率和晶体质量。温度梯度大小直接影响晶体生长速率和晶体质量。2024/3/26 周二12/48坩埚下降单向凝固法生长装置和温度分布坩埚下降单向凝固法生长装置和温度分布坩埚下降单向凝固法生长装置和温度分布坩埚下降单向凝固法生长装置和温度分布a a）装置示意图）装置示意图）装置示意图）装置示意图 b b）温度分布图）温度分布图）温度分布图）温度分布图 2024/3/26 周二13/48一、定向凝固工艺一、定向凝固工艺 n n定向凝固技术的工艺参数主要有：固液界面前沿定向凝固技术的工艺参数主要有：固液界面前沿定向凝固技术的工艺参数主要有：固液界面前沿定向凝固技术的工艺参数主要有：固液界面前沿液相中的温度梯度液相中的温度梯度液相中的温度梯度液相中的温度梯度G GL L和固和固和固和固液界面向前推进的速液界面向前推进的速液界面向前推进的速液界面向前推进的速度（即晶体生长速率）度（即晶体生长速率）度（即晶体生长速率）度（即晶体生长速率）R R。n nG GL L/R R值是控制晶体长大形态的重要判据。值是控制晶体长大形态的重要判据。值是控制晶体长大形态的重要判据。值是控制晶体长大形态的重要判据。n n在提高在提高在提高在提高G GL L的条件下增加的条件下增加的条件下增加的条件下增加R R，才能获得所要求的晶，才能获得所要求的晶，才能获得所要求的晶，才能获得所要求的晶体形态，细化组织，改善质量，提高生产率。体形态，细化组织，改善质量，提高生产率。体形态，细化组织，改善质量，提高生产率。体形态，细化组织，改善质量，提高生产率。2024/3/26 周二14/48定向凝固方法定向凝固方法n n（1）发热剂法）发热剂法 n n将型壳置于绝热耐火材料箱中，底部安放将型壳置于绝热耐火材料箱中，底部安放水冷结晶器。水冷结晶器。n n型壳中浇入金属液后，在型壳上部盖以发型壳中浇入金属液后，在型壳上部盖以发热剂，使金属液处于高温，建立自下而上热剂，使金属液处于高温，建立自下而上的凝固条件。的凝固条件。n n由于无法调节凝固速率和温度梯度，因此由于无法调节凝固速率和温度梯度，因此该法只能制备小的柱状晶铸件。该法只能制备小的柱状晶铸件。2024/3/26 周二15/48n n（2）功率降低法功率降低法功率降低法功率降低法 （P.DP.DP.DP.D法）法）法）法）n n铸型加热感应圈分两段，铸型加热感应圈分两段，铸型加热感应圈分两段，铸型加热感应圈分两段，铸件在凝固过程中不移动。铸件在凝固过程中不移动。铸件在凝固过程中不移动。铸件在凝固过程中不移动。n n当型壳被预热到一定过热当型壳被预热到一定过热当型壳被预热到一定过热当型壳被预热到一定过热度时，向型壳内浇入过热度时，向型壳内浇入过热度时，向型壳内浇入过热度时，向型壳内浇入过热合金液，切断下部电源，合金液，切断下部电源，合金液，切断下部电源，合金液，切断下部电源，上部继续加热。上部继续加热。上部继续加热。上部继续加热。n nG GL L随着凝固距离的增大而随着凝固距离的增大而随着凝固距离的增大而随着凝固距离的增大而不断减小。不断减小。不断减小。不断减小。G GL L和和和和R R都不能都不能都不能都不能人为地控制。人为地控制。人为地控制。人为地控制。2024/3/26 周二16/48n n采用采用功率降低法功率降低法时，定向凝固的铸件在凝时，定向凝固的铸件在凝固时所释放的热量，只靠水冷结晶器导出；固时所释放的热量，只靠水冷结晶器导出；n n随着凝固界面的推移，结晶器的冷却效果随着凝固界面的推移，结晶器的冷却效果越来越小，温度梯度也逐渐减小，因而凝越来越小，温度梯度也逐渐减小，因而凝固速率不断减缓。固速率不断减缓。n n快速凝固法，凝固速率实际上取决于铸型快速凝固法，凝固速率实际上取决于铸型或炉体的移动速率。通常将固或炉体的移动速率。通常将固液界面稳液界面稳定在辐射板附近，使之达到一定的定在辐射板附近，使之达到一定的GL/R值，值，保证晶体稳定生长。保证晶体稳定生长。2024/3/26 周二17/48n n利用这种方法，可使铸件在拉出初期，热利用这种方法，可使铸件在拉出初期，热量主要靠传导传热，通过结晶器导出。量主要靠传导传热，通过结晶器导出。n n随着铸件不断拉出，铸件向周围辐射传热随着铸件不断拉出，铸件向周围辐射传热逐渐增加。显然，采用快速凝固法时，逐渐增加。显然，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受到铸件拉出速度、热辐射条件和铸件径向尺寸的影响。向尺寸的影响。n n在稳定态生长条件下，铸件拉出的临界速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，率主要受到铸件辐射传热的特性的影响，在小于临界拉出速率时，凝固速率在小于临界拉出速率时，凝固速率R与拉出与拉出速率速率v基本一致，固基本一致，固液界面稳定在辐射挡液界面稳定在辐射挡板附近。板附近。2024/3/26 周二18/48n n（3 3）快速凝固法（）快速凝固法（）快速凝固法（）快速凝固法（H.R.SH.R.S法）法）法）法）n n与功率降低法的主要区别是与功率降低法的主要区别是与功率降低法的主要区别是与功率降低法的主要区别是铸型加热器始终加热，在凝铸型加热器始终加热，在凝铸型加热器始终加热，在凝铸型加热器始终加热，在凝固时铸件与加热器之间产生固时铸件与加热器之间产生固时铸件与加热器之间产生固时铸件与加热器之间产生相对移动。相对移动。相对移动。相对移动。n n另外，在热区底部使用辐射另外，在热区底部使用辐射另外，在热区底部使用辐射另外，在热区底部使用辐射档板和水冷套。在档板附近档板和水冷套。在档板附近档板和水冷套。在档板附近档板和水冷套。在档板附近产生较大的温度梯度产生较大的温度梯度产生较大的温度梯度产生较大的温度梯度G GL L和和和和G GS S。n n与功率降低法相比，该法可与功率降低法相比，该法可与功率降低法相比，该法可与功率降低法相比，该法可大大缩小凝固前沿两相区，大大缩小凝固前沿两相区，大大缩小凝固前沿两相区，大大缩小凝固前沿两相区，局部冷却速度增大，有利于局部冷却速度增大，有利于局部冷却速度增大，有利于局部冷却速度增大，有利于细化组织，提高机械性能。细化组织，提高机械性能。细化组织，提高机械性能。细化组织，提高机械性能。2024/3/26 周二19/48n n（4 4）液态金属冷却法）液态金属冷却法）液态金属冷却法）液态金属冷却法 n n该法工艺过程与快速凝固法基本相同。该法工艺过程与快速凝固法基本相同。该法工艺过程与快速凝固法基本相同。该法工艺过程与快速凝固法基本相同。n n当合金液浇入型壳后，按选择的速度将型壳拉出炉体，浸当合金液浇入型壳后，按选择的速度将型壳拉出炉体，浸当合金液浇入型壳后，按选择的速度将型壳拉出炉体，浸当合金液浇入型壳后，按选择的速度将型壳拉出炉体，浸入金属浴，金属浴的水平面保持在凝固的固入金属浴，金属浴的水平面保持在凝固的固入金属浴，金属浴的水平面保持在凝固的固入金属浴，金属浴的水平面保持在凝固的固液界面近处，液界面近处，液界面近处，液界面近处，并使其保持在一定温度范围内。并使其保持在一定温度范围内。并使其保持在一定温度范围内。并使其保持在一定温度范围内。n n液态金属冷却剂应满足以下要求：液态金属冷却剂应满足以下要求：液态金属冷却剂应满足以下要求：液态金属冷却剂应满足以下要求：n n1)1)熔点低，有良好的热学性能。熔点低，有良好的热学性能。熔点低，有良好的热学性能。熔点低，有良好的热学性能。n n2)2)不溶于合金中。不溶于合金中。不溶于合金中。不溶于合金中。n n3)3)蒸气压低，可在高真空条件下使用。蒸气压低，可在高真空条件下使用。蒸气压低，可在高真空条件下使用。蒸气压低，可在高真空条件下使用。n n4)4)价格便宜。价格便宜。价格便宜。价格便宜。n n目前，使用的金属浴有：锡液、镓铟合金、镓铟锡合金等。目前，使用的金属浴有：锡液、镓铟合金、镓铟锡合金等。目前，使用的金属浴有：锡液、镓铟合金、镓铟锡合金等。目前，使用的金属浴有：锡液、镓铟合金、镓铟锡合金等。嫁、铟价格过于昂贵，难以采用，锡液应用较多。但锡为嫁、铟价格过于昂贵，难以采用，锡液应用较多。但锡为嫁、铟价格过于昂贵，难以采用，锡液应用较多。但锡为嫁、铟价格过于昂贵，难以采用，锡液应用较多。但锡为高温合金的有害元素，如操作不善使锡污染了合金，会严高温合金的有害元素，如操作不善使锡污染了合金，会严高温合金的有害元素，如操作不善使锡污染了合金，会严高温合金的有害元素，如操作不善使锡污染了合金，会严重恶化合金性能。重恶化合金性能。重恶化合金性能。重恶化合金性能。2024/3/26 周二20/48n n通过增大通过增大通过增大通过增大G GS S来增强固相的散热强度，这是实际应来增强固相的散热强度，这是实际应来增强固相的散热强度，这是实际应来增强固相的散热强度，这是实际应用中获得大的用中获得大的用中获得大的用中获得大的G GL L的重要途径。同时，也会使凝固的重要途径。同时，也会使凝固的重要途径。同时，也会使凝固的重要途径。同时，也会使凝固速率速率速率速率R R增大。增大。增大。增大。n n因此，常用提高固因此，常用提高固因此，常用提高固因此，常用提高固液界面前沿熔体的温度来达液界面前沿熔体的温度来达液界面前沿熔体的温度来达液界面前沿熔体的温度来达到提高到提高到提高到提高G GL L的目的。的目的。的目的。的目的。R为凝固速率，为凝固速率，L为结晶潜热，为结晶潜热，m为熔体的密度为熔体的密度，S、L分别是晶体和熔体的导热系数；分别是晶体和熔体的导热系数；GS为固相温度梯度为固相温度梯度。n n对于对于坩埚下降定向凝固法坩埚下降定向凝固法来说，其温度梯来说，其温度梯度可表示为：度可表示为：2024/3/26 周二21/48n n但并不是温度梯度但并不是温度梯度GL越大越好，特别是制越大越好，特别是制备单晶时，熔体温度过高，会导致液相剧备单晶时，熔体温度过高，会导致液相剧烈地挥发、分解和受到污染，从而影响晶烈地挥发、分解和受到污染，从而影响晶体的质量。体的质量。n n固相温度梯度固相温度梯度GS过大，会使生长着的晶体过大，会使生长着的晶体产生大的内应力，甚至使晶体开裂。产生大的内应力，甚至使晶体开裂。2024/3/26 周二22/48二、定向凝固技术的应用二、定向凝固技术的应用 n n定向凝固技术常用于制备定向凝固技术常用于制备定向凝固技术常用于制备定向凝固技术常用于制备柱状晶和单晶柱状晶和单晶柱状晶和单晶柱状晶和单晶。n n合金在定向凝固过程中，由于晶粒的竞争生长，形成了平合金在定向凝固过程中，由于晶粒的竞争生长，形成了平合金在定向凝固过程中，由于晶粒的竞争生长，形成了平合金在定向凝固过程中，由于晶粒的竞争生长，形成了平行于抽拉方向的结构。行于抽拉方向的结构。行于抽拉方向的结构。行于抽拉方向的结构。n n最初产生的晶体，其取向呈任意分布。其中具有平行于凝最初产生的晶体，其取向呈任意分布。其中具有平行于凝最初产生的晶体，其取向呈任意分布。其中具有平行于凝最初产生的晶体，其取向呈任意分布。其中具有平行于凝固方向的晶体凝固较快，而其它取向的晶体，最后都消失固方向的晶体凝固较快，而其它取向的晶体，最后都消失固方向的晶体凝固较快，而其它取向的晶体，最后都消失固方向的晶体凝固较快，而其它取向的晶体，最后都消失了。了。了。了。n n因此，存在一个凝固的初始阶段，在这个阶段柱晶密度大，因此，存在一个凝固的初始阶段，在这个阶段柱晶密度大，因此，存在一个凝固的初始阶段，在这个阶段柱晶密度大，因此，存在一个凝固的初始阶段，在这个阶段柱晶密度大，随着晶体的生长，柱晶密度趋于稳定。随着晶体的生长，柱晶密度趋于稳定。随着晶体的生长，柱晶密度趋于稳定。随着晶体的生长，柱晶密度趋于稳定。n n因此，任何定向凝固铸件都有必要设置可以切去的结晶起因此，任何定向凝固铸件都有必要设置可以切去的结晶起因此，任何定向凝固铸件都有必要设置可以切去的结晶起因此，任何定向凝固铸件都有必要设置可以切去的结晶起始区，以便在零件本体开始凝固前就建立起所需的晶体取始区，以便在零件本体开始凝固前就建立起所需的晶体取始区，以便在零件本体开始凝固前就建立起所需的晶体取始区，以便在零件本体开始凝固前就建立起所需的晶体取向结构。向结构。向结构。向结构。n n若在铸型中设置一段缩颈过道（晶粒选择器），在铸件上若在铸型中设置一段缩颈过道（晶粒选择器），在铸件上若在铸型中设置一段缩颈过道（晶粒选择器），在铸件上若在铸型中设置一段缩颈过道（晶粒选择器），在铸件上部选择一个单晶体，就可以制得单晶零件，如涡轮叶片等。部选择一个单晶体，就可以制得单晶零件，如涡轮叶片等。部选择一个单晶体，就可以制得单晶零件，如涡轮叶片等。部选择一个单晶体，就可以制得单晶零件，如涡轮叶片等。2024/3/26 周二23/48定向凝固晶粒组织沿长度方向的变定向凝固晶粒组织沿长度方向的变化示意图化示意图 2024/3/26 周二24/48（一）柱状晶的生长（一）柱状晶的生长 n n柱状晶包括柱状树枝晶和胞状柱晶。柱状晶包括柱状树枝晶和胞状柱晶。n n通常采用定向凝固工艺，使晶体有控制地通常采用定向凝固工艺，使晶体有控制地向着与热流方向相反的方向生长，减少偏向着与热流方向相反的方向生长，减少偏析、疏松等，形成取向平行于主应力轴的析、疏松等，形成取向平行于主应力轴的晶粒，基本上消除了垂直应力轴的横向晶晶粒，基本上消除了垂直应力轴的横向晶界，使合金的高温强度、蠕变和热疲劳性界，使合金的高温强度、蠕变和热疲劳性能有大幅度的改善。能有大幅度的改善。2024/3/26 周二25/48n n获得定向凝固柱状晶的基本条件是合金凝固时获得定向凝固柱状晶的基本条件是合金凝固时获得定向凝固柱状晶的基本条件是合金凝固时获得定向凝固柱状晶的基本条件是合金凝固时热热热热流方向必须是定向的流方向必须是定向的流方向必须是定向的流方向必须是定向的。n n在固在固在固在固液界面前沿应有液界面前沿应有液界面前沿应有液界面前沿应有足够高的温度梯度足够高的温度梯度足够高的温度梯度足够高的温度梯度，避免，避免，避免，避免在凝固界面的前沿出现成分过冷或外来核心，使在凝固界面的前沿出现成分过冷或外来核心，使在凝固界面的前沿出现成分过冷或外来核心，使在凝固界面的前沿出现成分过冷或外来核心，使柱晶横向生长受到限制。柱晶横向生长受到限制。柱晶横向生长受到限制。柱晶横向生长受到限制。n n另外，还应该另外，还应该另外，还应该另外，还应该保证定向散热保证定向散热保证定向散热保证定向散热，绝对避免侧面型壁，绝对避免侧面型壁，绝对避免侧面型壁，绝对避免侧面型壁生核长大，长出横向新晶体。生核长大，长出横向新晶体。生核长大，长出横向新晶体。生核长大，长出横向新晶体。n n因此，要因此，要因此，要因此，要尽量抑制液态合金的形核能力尽量抑制液态合金的形核能力尽量抑制液态合金的形核能力尽量抑制液态合金的形核能力。n n提高液态合金的提高液态合金的提高液态合金的提高液态合金的纯洁度，减少氧化、吸气形成的纯洁度，减少氧化、吸气形成的纯洁度，减少氧化、吸气形成的纯洁度，减少氧化、吸气形成的杂质杂质杂质杂质的污染是用来抑制形核能力的有效措施。的污染是用来抑制形核能力的有效措施。的污染是用来抑制形核能力的有效措施。的污染是用来抑制形核能力的有效措施。n n另外，还可以通过另外，还可以通过另外，还可以通过另外，还可以通过添加适当的元素或添加物，使添加适当的元素或添加物，使添加适当的元素或添加物，使添加适当的元素或添加物，使形核剂失效形核剂失效形核剂失效形核剂失效。2024/3/26 周二26/48n n GL/R值决定着合金凝固时组织的形貌，值决定着合金凝固时组织的形貌，GL/R 值又影响着各组成相的尺寸大小。值又影响着各组成相的尺寸大小。n n由于由于GL在很大程度上受到设备条件的限制，在很大程度上受到设备条件的限制，因此，凝固速度因此，凝固速度R就成为控制柱晶组织的主就成为控制柱晶组织的主要参数。要参数。2024/3/26 周二27/48（二）单晶生长（二）单晶生长 n n定向凝固是制备单晶体的最有效的方法。定向凝固是制备单晶体的最有效的方法。定向凝固是制备单晶体的最有效的方法。定向凝固是制备单晶体的最有效的方法。n n单晶在生长过程中要绝对避免固单晶在生长过程中要绝对避免固单晶在生长过程中要绝对避免固单晶在生长过程中要绝对避免固液界面不稳定液界面不稳定液界面不稳定液界面不稳定而长出胞晶或柱晶，因而而长出胞晶或柱晶，因而而长出胞晶或柱晶，因而而长出胞晶或柱晶，因而固固固固液界面前沿不允许液界面前沿不允许液界面前沿不允许液界面前沿不允许有热过冷和成分过冷有热过冷和成分过冷有热过冷和成分过冷有热过冷和成分过冷。n n固固固固液界面前沿的熔体应处于液界面前沿的熔体应处于液界面前沿的熔体应处于液界面前沿的熔体应处于过热状态过热状态过热状态过热状态，结晶潜，结晶潜，结晶潜，结晶潜热只能通过生长着的晶体导出。热只能通过生长着的晶体导出。热只能通过生长着的晶体导出。热只能通过生长着的晶体导出。n n定向凝固时，满足上述热传输的要求，只要恰当定向凝固时，满足上述热传输的要求，只要恰当定向凝固时，满足上述热传输的要求，只要恰当定向凝固时，满足上述热传输的要求，只要恰当控制固控制固控制固控制固液界面前沿熔体的液界面前沿熔体的液界面前沿熔体的液界面前沿熔体的温度和晶体生长速率温度和晶体生长速率温度和晶体生长速率温度和晶体生长速率，就可以得到高质量的单晶体。就可以得到高质量的单晶体。就可以得到高质量的单晶体。就可以得到高质量的单晶体。2024/3/26 周二28/48n n为了得到高质量的单晶体，首先要在金属熔体中为了得到高质量的单晶体，首先要在金属熔体中为了得到高质量的单晶体，首先要在金属熔体中为了得到高质量的单晶体，首先要在金属熔体中形成一个形成一个形成一个形成一个单晶核单晶核单晶核单晶核，而后在晶核和熔体界面上不断，而后在晶核和熔体界面上不断，而后在晶核和熔体界面上不断，而后在晶核和熔体界面上不断生长出单晶体。生长出单晶体。生长出单晶体。生长出单晶体。n n6060年代初，美国普拉特年代初，美国普拉特年代初，美国普拉特年代初，美国普拉特 惠特尼公司用定向凝固高惠特尼公司用定向凝固高惠特尼公司用定向凝固高惠特尼公司用定向凝固高温合金制造航空发动机单晶涡轮叶片。温合金制造航空发动机单晶涡轮叶片。温合金制造航空发动机单晶涡轮叶片。温合金制造航空发动机单晶涡轮叶片。n n与定向柱晶相比，在使用温度、抗热疲劳强度、与定向柱晶相比，在使用温度、抗热疲劳强度、与定向柱晶相比，在使用温度、抗热疲劳强度、与定向柱晶相比，在使用温度、抗热疲劳强度、蠕变强度和抗热腐蚀性等方面都具有更好的性能。蠕变强度和抗热腐蚀性等方面都具有更好的性能。蠕变强度和抗热腐蚀性等方面都具有更好的性能。蠕变强度和抗热腐蚀性等方面都具有更好的性能。2024/3/26 周二29/481单晶生长的特点单晶生长的特点 n n单晶体是从液相中生长出来的，按成分和晶体特单晶体是从液相中生长出来的，按成分和晶体特单晶体是从液相中生长出来的，按成分和晶体特单晶体是从液相中生长出来的，按成分和晶体特征，可以分为三种：征，可以分为三种：征，可以分为三种：征，可以分为三种：n n（1 1）晶体和熔体成分相同晶体和熔体成分相同晶体和熔体成分相同晶体和熔体成分相同。纯元素和化合物属于。纯元素和化合物属于。纯元素和化合物属于。纯元素和化合物属于这一种。这一种。这一种。这一种。n n（2 2）晶体和熔体成分不同晶体和熔体成分不同晶体和熔体成分不同晶体和熔体成分不同。为改善单晶材料的电。为改善单晶材料的电。为改善单晶材料的电。为改善单晶材料的电学性质，通常在单晶中掺入一定浓度的学性质，通常在单晶中掺入一定浓度的学性质，通常在单晶中掺入一定浓度的学性质，通常在单晶中掺入一定浓度的杂质杂质杂质杂质。这。这。这。这类材料要得到均匀成分的单晶困难较大，在固类材料要得到均匀成分的单晶困难较大，在固类材料要得到均匀成分的单晶困难较大，在固类材料要得到均匀成分的单晶困难较大，在固液界面上会出现溶质再分配。因此熔体中溶质的液界面上会出现溶质再分配。因此熔体中溶质的液界面上会出现溶质再分配。因此熔体中溶质的液界面上会出现溶质再分配。因此熔体中溶质的扩散和对流对晶体中杂质的分布有重要作用。扩散和对流对晶体中杂质的分布有重要作用。扩散和对流对晶体中杂质的分布有重要作用。扩散和对流对晶体中杂质的分布有重要作用。2024/3/26 周二30/48n n（3 3）有第二相或出现共晶的晶体。）有第二相或出现共晶的晶体。）有第二相或出现共晶的晶体。）有第二相或出现共晶的晶体。n n高温合金的铸造单晶组织不仅含有大量基体相和高温合金的铸造单晶组织不仅含有大量基体相和高温合金的铸造单晶组织不仅含有大量基体相和高温合金的铸造单晶组织不仅含有大量基体相和沉淀析出的强化相，还有共晶析出于枝晶干间。沉淀析出的强化相，还有共晶析出于枝晶干间。沉淀析出的强化相，还有共晶析出于枝晶干间。沉淀析出的强化相，还有共晶析出于枝晶干间。n n整个零件由一个晶粒组成，晶粒内有若干柱状枝整个零件由一个晶粒组成，晶粒内有若干柱状枝整个零件由一个晶粒组成，晶粒内有若干柱状枝整个零件由一个晶粒组成，晶粒内有若干柱状枝晶，枝晶是晶，枝晶是晶，枝晶是晶，枝晶是“十十十十”字形花瓣状，枝晶干均匀，二字形花瓣状，枝晶干均匀，二字形花瓣状，枝晶干均匀，二字形花瓣状，枝晶干均匀，二次枝晶干互相平行，具有相同的取向。次枝晶干互相平行，具有相同的取向。次枝晶干互相平行，具有相同的取向。次枝晶干互相平行，具有相同的取向。n n纵截面上是互相平行排列的一次枝干，这些枝干纵截面上是互相平行排列的一次枝干，这些枝干纵截面上是互相平行排列的一次枝干，这些枝干纵截面上是互相平行排列的一次枝干，这些枝干同属一个晶体，不存在晶界。同属一个晶体，不存在晶界。同属一个晶体，不存在晶界。同属一个晶体，不存在晶界。n n严格说，这是一种严格说，这是一种严格说，这是一种严格说，这是一种“准单晶准单晶准单晶准单晶”组织，与晶体学上组织，与晶体学上组织，与晶体学上组织，与晶体学上严格的单晶是不同的。严格的单晶是不同的。严格的单晶是不同的。严格的单晶是不同的。n n由于是柱晶单晶，在凝固过程中会产生成分偏析、由于是柱晶单晶，在凝固过程中会产生成分偏析、由于是柱晶单晶，在凝固过程中会产生成分偏析、由于是柱晶单晶，在凝固过程中会产生成分偏析、显微疏松及柱晶间小角度取向差等，不同程度地显微疏松及柱晶间小角度取向差等，不同程度地显微疏松及柱晶间小角度取向差等，不同程度地显微疏松及柱晶间小角度取向差等，不同程度地损害晶体的完整性，但是单晶体内的缺陷比多晶损害晶体的完整性，但是单晶体内的缺陷比多晶损害晶体的完整性，但是单晶体内的缺陷比多晶损害晶体的完整性，但是单晶体内的缺陷比多晶粒柱状晶界对力学性能的影响小得多。粒柱状晶界对力学性能的影响小得多。粒柱状晶界对力学性能的影响小得多。粒柱状晶界对力学性能的影响小得多。2024/3/26 周二31/482单晶生长的方法单晶生长的方法 n n根据熔区的特点，单晶生长的方法可以分根据熔区的特点，单晶生长的方法可以分为为正常凝固法正常凝固法和和区熔法区熔法。n n正常凝固法制备单晶，最常用的有正常凝固法制备单晶，最常用的有坩埚移坩埚移动、炉体移动及晶体提拉动、炉体移动及晶体提拉等定向凝固方法。等定向凝固方法。2024/3/26 周二32/48n n坩埚移动或炉体移动定向凝固法坩埚移动或炉体移动定向凝固法坩埚移动或炉体移动定向凝固法坩埚移动或炉体移动定向凝固法的凝固过程都是的凝固过程都是的凝固过程都是的凝固过程都是由坩埚的一端开始，坩埚可以垂直放置在炉内，由坩埚的一端开始，坩埚可以垂直放置在炉内，由坩埚的一端开始，坩埚可以垂直放置在炉内，由坩埚的一端开始，坩埚可以垂直放置在炉内，熔体自下而上凝固或自上而下凝固，也可以水平熔体自下而上凝固或自上而下凝固，也可以水平熔体自下而上凝固或自上而下凝固，也可以水平熔体自下而上凝固或自上而下凝固，也可以水平放置。放置。放置。放置。n n最常用的是将尖底坩埚垂直沿炉体逐渐下降，单最常用的是将尖底坩埚垂直沿炉体逐渐下降，单最常用的是将尖底坩埚垂直沿炉体逐渐下降，单最常用的是将尖底坩埚垂直沿炉体逐渐下降，单晶体从尖底部位缓慢向上生长；晶体从尖底部位缓慢向上生长；晶体从尖底部位缓慢向上生长；晶体从尖底部位缓慢向上生长；n n也可以将也可以将也可以将也可以将“籽晶籽晶籽晶籽晶”放在坩埚底部，当坩埚向下移放在坩埚底部，当坩埚向下移放在坩埚底部，当坩埚向下移放在坩埚底部，当坩埚向下移动时，动时，动时，动时，“籽晶籽晶籽晶籽晶”处开始结晶，随着固处开始结晶，随着固处开始结晶，随着固处开始结晶，随着固液界面移液界面移液界面移液界面移动，单晶不断长大。动，单晶不断长大。动，单晶不断长大。动，单晶不断长大。n n缺点：缺点：缺点：缺点：晶体和坩埚壁接触，容易产生应力或寄生晶体和坩埚壁接触，容易产生应力或寄生晶体和坩埚壁接触，容易产生应力或寄生晶体和坩埚壁接触，容易产生应力或寄生成核，因此，在生产高完整性的单晶时，很少采成核，因此，在生产高完整性的单晶时，很少采成核，因此，在生产高完整性的单晶时，很少采成核，因此，在生产高完整性的单晶时，很少采用。用。用。用。2024/3/26 周二33/48坩埚移动单向凝固示意图坩埚移动单向凝固示意图坩埚移动单向凝固示意图坩埚移动单向凝固示意图 a a）垂直式）垂直式）垂直式）垂直式 b b）水平式）水平式）水平式）水平式2024/3/26 周二34/48自生粒晶法生产单晶叶片自生粒晶法生产单晶叶片自生粒晶法生产单晶叶片自生粒晶法生产单晶叶片1-1-铸件铸件铸件铸件 2-2-选晶段选晶段选晶段选晶段 3-3-起始段起始段起始段起始段 2024/3/26 周二35/48选晶段示意图选晶段示意图选晶段示意图选晶段示意图通过通过x、y、z三个方向选晶，从而确保一个柱晶顺利进入铸件三个方向选晶，从而确保一个柱晶顺利进入铸件 2024/3/26 周二36/48 定向凝固装置的工作过程大致为：定向凝固装置的工作过程大致为：定向凝固装置的工作过程大致为：定向凝固装置的工作过程大致为：材料在顶部的熔化室中熔化然后材料在顶部的熔化室中熔化然后材料在顶部的熔化室中熔化然后材料在顶部的熔化室中熔化然后浇注到模型中，模型在一端急冷，浇注到模型中，模型在一端急冷，浇注到模型中，模型在一端急冷，浇注到模型中，模型在一端急冷，可控拉伸装置保证了金属在模具可控拉伸装置保证了金属在模具可控拉伸装置保证了金属在模具可控拉伸装置保证了金属在模具中的定向凝固。中的定向凝固。中的定向凝固。中的定向凝固。定向凝固的单晶叶片是通过对多定向凝固的单晶叶片是通过对多定向凝固的单晶叶片是通过对多定向凝固的单晶叶片是通过对多晶的螺旋选择生长凝固而成的。晶的