《凝固新技术》PPT课件.pptx
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1、第八章第八章 凝固新技术凝固新技术一、定向凝固1 1、定向凝固定义、概述、定向凝固定义、概述2 2、定向凝固原理、定向凝固原理3 3、定向凝固、定向凝固工艺工艺4 4、定向凝固的应用、定向凝固的应用3 在在凝凝固固过过程程中中采采用用强强制制手手段段,在在凝凝固固金金属属和和未未凝凝固固熔熔体体中中建建立立起起特特定定方方向向的的温温度度梯梯度度,从从而而使使熔熔体体沿沿着着与与热热流流相相反反的的方方向向凝凝固固,获获得得具有特定具有特定取定向取定向柱状晶柱状晶柱状晶柱状晶或或单晶单晶单晶单晶的的技术技术。是是2020世纪世纪6060年代发展起来的技术。年代发展起来的技术。1 1、定向凝固定
2、义、定向凝固定义定向凝固概述为什么要获取为什么要获取“具有特定取定向具有特定取定向柱状晶或单晶柱状晶或单晶”?1 1、柱状晶柱状晶 在在航航空空发发动动机机中中,定定向向结结晶晶叶叶片片消消除除了了对对空空洞洞和和裂裂纹纹敏敏感感的的横横向向晶晶界界,使使全全部部晶晶界界平平行行于于应应力力轴轴方方向向,从从而改善了合金的使用性能而改善了合金的使用性能。单单晶晶叶叶片片消消除除了了全全部部晶晶界界,不不必必加加入入晶晶界界强强化化元元素素,使使合合金金的的初初熔熔温温度度相相对对升升高高,从从而而提提高高了了合合金金的的高高温强度,并进一步改善了合金的综合性能。温强度,并进一步改善了合金的综合
3、性能。定向凝固技术用于制造发动机叶片定向凝固涡轮叶片,寿命是普通铸造的定向凝固涡轮叶片,寿命是普通铸造的2.5倍倍单晶叶片,寿命是普通铸造的单晶叶片,寿命是普通铸造的5倍倍 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高1030oC,涡轮进口温度提高2060oC,从而提高发动机的推力和可靠性,并延长使用寿命。进口温度提高50度,推力提高10%。2 2、单晶、单晶 在在单单晶晶硅硅中中掺掺入入微微量量的的
4、第第AA族族元元素素,形形成成P P型型半半导导体体,掺掺入入微微量量的的第第VAVA族族元元素素,形形成成N N型型。单单晶晶硅硅主主要要用用于于制制作作半半导导体体元件如元件如 芯片、太阳能电池板。芯片、太阳能电池板。直拉法单晶硅生长技术图 2 光学晶体CaF2 (左1:220150mm).在紫外、可见光和红外波段都有很高的透过率,机械性能好。制作红外光学系统中的光学棱镜、透镜和窗口等光学元件。氟化钙单晶氟化钙单晶金属单晶具有特殊的力学物理性能金属单晶具有特殊的力学物理性能112 2、定向凝固原理定向凝固原理 如何实现定向凝固?如何实现定向凝固?成分过冷”条件和判据 “成分过冷成分过冷”的
5、形成条件分的形成条件分析析 (K01 情况下情况下):界面前沿形成溶质富集层界面前沿形成溶质富集层 液相线温度液相线温度TL(x)随随x增大上升增大上升 当当GL(界面前沿液相的实际温度梯度)(界面前沿液相的实际温度梯度)小于液相线的斜率时,即小于液相线的斜率时,即:出现出现“成分过冷成分过冷”。“成分过冷成分过冷”的判据的判据 式中:式中:GL为液固界面前沿液相温度梯度(为液固界面前沿液相温度梯度(K/mm);R为为界面生长速度(界面生长速度(mm/s););mL为液相线斜率;为液相线斜率;C0为合为合金平均成分;金平均成分;k0为平衡溶质分配系数;为平衡溶质分配系数;DL为液相中溶质为液相
6、中溶质扩散扩散系数。系数。由判据由判据 可见,下列条可见,下列条件件有助于抑制有助于抑制“成分过冷成分过冷”:液相中液相中温度梯度大(温度梯度大(G L大)大);晶体生长晶体生长速度慢,速度慢,R小;小;m L小,小,即陡的液相线斜率;即陡的液相线斜率;原始成分原始成分浓度小,浓度小,C 0 小;小;液相中溶质扩散系数液相中溶质扩散系数 D L 高;高;K 01 时,时,K 0大;大;K 01 时,时,K 0 小小工艺因素工艺因素合金本身合金本身的因素的因素 合金固溶体凝固时的晶体生长形态合金固溶体凝固时的晶体生长形态 a)不同的成分过冷情况不同的成分过冷情况 b)无成分过冷无成分过冷 平面晶
7、平面晶 C)窄成分过冷区间窄成分过冷区间 胞状晶胞状晶 d)成分过冷区间较宽成分过冷区间较宽 柱状树枝晶柱状树枝晶 e)宽成分过冷宽成分过冷 内部内部等等轴晶轴晶成分过冷对晶体生长方式影响模型无成分过冷时的无成分过冷时的平面生长平面生长平面生长的条件:平面生长的条件:界面界面前方无成分过冷时平面前方无成分过冷时平面生长生长a a)局部不稳定界面)局部不稳定界面 b b)最终稳定界面)最终稳定界面定向凝固定向凝固技术的重要工艺参数包括:技术的重要工艺参数包括:凝固过程中固凝固过程中固-液界面前沿液相中的温度梯度液界面前沿液相中的温度梯度G GL L固固-液界面向前推进速度,即晶体生长速度液界面向
8、前推进速度,即晶体生长速度R RG 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 在在提高提高G GL L的条件下,增加的条件下,增加R R,才能获得所要求的晶体形态,细化组,才能获得所要求的晶体形态,细化组织,改善质量,并且,提高定向凝固铸件生产率。织,改善质量,并且,提高定向凝固铸件生产率。定向凝固技术和装置不断改进,定向凝固技术和装置不断改进,其关键技术之一是提其关键技术之一是提高固高固-液界面前沿液相中的温度梯度液界面前沿液相中的温度梯度G GL L。目前,目前,G GL L已经达到已经达到100-300/cm100-300/cm,工业生产中已达到,工业
9、生产中已达到30-80/cm30-80/cm。热流方向热流方向侧向无温度梯度,不侧向无温度梯度,不散热散热晶体生晶体生长方向长方向定向凝固柱状晶生长示意图定向凝固柱状晶生长示意图(3 3)单向凝固技术工艺)单向凝固技术工艺形成定向凝固的柱晶组织需要两个基本条件:形成定向凝固的柱晶组织需要两个基本条件:热流向单一方向流动并垂直于生长中的固热流向单一方向流动并垂直于生长中的固-液界面液界面晶体生长的前方的熔体中没有稳定的结晶核心晶体生长的前方的熔体中没有稳定的结晶核心因此,工艺上必须避免侧向散热。因此,工艺上必须避免侧向散热。3、定向凝固工艺传统定向凝固技术新型定向凝固技术发热铸型法功率降低法快速
10、凝固法液态金属冷却法区域熔化液态金属冷却法激光超高温度梯度快速定向凝固电磁约束成形定向凝固技术深过冷定向凝固技术侧向约束下的定向凝固技术对流下的定向凝固技术重力场作用下的定向凝固技术3.1 传统定向凝固工艺 发热剂法(EP)功率降低法(PD)快速凝固法 (HRS)液态金属冷却法(LMC)发热剂法1 1发热剂法发热剂法(EP(EP法法)原理:原理:将型壳置于绝热耐火材料箱中,底部安放水冷结晶器。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,建立了自下而上的凝固条件。特点:特点:工艺简单、成本低。适用:适用:小型的定向凝固实验与生产。发热剂法(炉外法)发热剂法(炉外法)n最原始的方法
11、。n缺点:缺点:无法调节凝固速率和温度梯度,只能制备小的只能制备小的柱状晶铸件,这种方法多用柱状晶铸件,这种方法多用于磁钢生产。于磁钢生产。功率降低法(PD法)工艺流程:把熔融的金属液置于保温炉,保温炉是分段加热的,其底部采用水冷激冷板。自上而下逐段关闭加热器,金属则自下而上逐渐凝固。功率降低法特点:特点:GL、R值不能人为控制。金属熔体内的温度梯度,随凝固距离增大而不断减小,柱状晶在高度上粗化严重;设备复杂;适合:适合:高度120mm以下定向凝固铸件。3.3.快速凝固法(快速凝固法(H HR RS S法)法)Erickson于1971年提出。原理如图所示。与与P PD D法的主要区别:法的主
12、要区别:铸型加热器始终加热,在凝固时,铸铸型加热器始终加热,在凝固时,铸件与加热器之间产生件与加热器之间产生相对移动相对移动。底部使用辐射挡板和水冷套。底部使用辐射挡板和水冷套。在挡板附近产生较大的温度梯度。热量主要通过已凝固部分及冷却底盘由冷却水带走。特点:特点:局部冷却速度增大,有利于细化组织,从下到上获得均匀柱状晶,提高力学性能。n HRS法示意图1保温盖;2一感应圈;3一玻璃布;4一保温层;5一石墨套;6一模壳;7一挡板;8一冷却圈;9一结晶器 国内小型航空叶片工业生产中普遍应用的是高速凝固法(HRS)定向凝固工艺。随铸型尺寸增加,定向凝固中的温度梯度显著降低,较易出现斑点、等轴晶等铸
13、造缺陷,同时在高温下合金与模壳、陶瓷型芯容易发生反应。此外,由于凝固速率慢,铸件偏析严重,热处理困难。因此HRS法生产重型燃机用大尺寸叶片时,成品率低,效率低,成本高。4 4液态金属冷却法液态金属冷却法(L(LM MC C法法)1974年出现的一种新的单向凝固方法;工艺过程与H.R.S 法基本相同,主要区别:主要区别:在于冷却介质为低在于冷却介质为低熔点的液态金属。熔点的液态金属。当合金液浇入型壳后,按选择的速度将壳型拉出炉体,模壳直接浸入金属浴中冷却。金属浴的水平面保持在凝固的固一液界面近处,并使其保持在一定温度范围内。散热大大增强。n LMC法示意图 1一真空室 2一熔炼坩埚3一烧杯 4一
14、炉子的热区 5一挡板 6一模壳 7一锡浴加热器 8一冷热罩 9一锡浴搅拌器液态金属作为冷却剂应满足以下要求液态金属作为冷却剂应满足以下要求:1)熔点低,有良好的热学性能。2)不溶于合金中。3)在高真空条件下蒸气压低,可在真空条件下使用。4)价格便宜。目前使用的金属浴有:目前使用的金属浴有:锡液、镓铟合金、镓铟锡合金等。镓、铟价格过于昂贵,在工业生产中难以采用。至今锡液应用得较多,其熔点232,沸点 2267 ,有理想的热学性能,只是锡对高温合金是有害元素,操作不善使锡污染了合金,将会严重恶化其性能。缺点:缺点:设备复杂,制备零件尺寸有限。金属所 LMC法制备的发动机叶片金属所研制的大型“高温度
15、梯度液态金属冷却”(LMC)定向凝固设备 实验室用LMC定向凝固设备沈阳可以生产323.2 新型定向凝固技术超高温度梯度定向凝固(ZMLMC)电磁约束成形定向凝固(DSEMS)激光超高温梯度快速凝固技术(LRM)连续定向凝固技术(OCC法)33超高温度梯度定向凝固(ZMLMC)加热和冷却是定向凝固过程的两个基本环节,对固液界面前沿温度梯度具有决定性的影响。西北工业大学李建国等人通过改变加热方式,在液态金属冷却法(LMC法)的基础上发展的一种新型定向凝固技术区域熔化液态金属冷却法,即ZMLMC法。34 这种方法将区域熔炼与液态金属冷却相结合,利用感应加热机中队了凝固洁面前沿液相进行加热,从而有效
16、地提高了固液前沿的温度梯度。西北工业大些研制的ZMLMC定向凝固装置,其最高温度梯度可达1300K/cm,最大冷却速度可达50K/s。凝固速度可在61000um/s内调节。351.试样 2.感应圈 3.隔热板 4.冷却水 5.液态金属 6.拉锭机构 7.熔区 8.坩埚超高温度梯度定向凝固装置图36电磁约束成形定向凝固(DSEMS)在ZMLMC法基础上,将电磁约束成型技术与定向凝固技术相结合而产生的一种新型定向凝固技术。利用电磁感应加热熔化感应器内的金属材料,并利用在金属熔体部分产生的电磁压力来约束已熔化的金属熔体成形,获得特定形状铸件的无坩埚熔炼、无铸型、无污染定向凝固成形。由于电磁约束成形定
17、向凝固取消了粗厚、导热性能查的陶瓷模壳、实现无接触铸造,使冷却介质可以直接作用于金属铸件上,可获得更大的温度梯度,用于生产无(少)偏析、组织超细化、无污染的高纯难熔金属及合金,具有广阔的应用前景。37激光超高温梯度快速凝固技术(LRM)在激光表面快速熔凝时,凝固界面的温度梯度可高达5104K/cm,凝固速度高达数米每秒。但一般的激光表面熔凝过程并不是定向凝固,因为熔池内部局部温度梯度和凝固速度是不断变化的,且两者都不能独立控制;同时,凝固组织是从集体外延生长的,界面上不同位置生长方向也不相同。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
18、度梯度。根据合金凝固特性选择适当的激光激光工艺参数以获得胞晶组织,现在激光超高温度梯度快速定向凝固还处于探索性试验阶段。38连续定向凝固技术(OCC法)连续定向凝固的思想首先是由日本的大野笃美提出的。上世纪60年代末,大野笃美在研究Chalmers提出的等轴晶“结晶游离”理论时,证实了等轴晶的形成不是熔液整体过冷(Constitutional Supercooling)引起,而是主要由铸型表面形核,分离、带入溶液内部,枝晶断裂或重熔引起的。因而控制凝固组织结构的关键是控制铸型表面的形核过程。大野笃美把Bridgeman定向凝固法控制晶粒生长的思想应用到连续铸造技术上,提出了一种最新的铸造工艺热
19、型连续法(简称OCC法),即连续定向凝固技术。定向柱晶铸件的主要缺陷:定向柱晶铸件的主要缺陷:柱晶方向发散柱晶方向发散在铸件上出现不利取向的晶粒或等轴晶在铸件上出现不利取向的晶粒或等轴晶“雀斑雀斑”严重恶化定向铸件的性能。严重恶化定向铸件的性能。“雀斑雀斑”的形成与凝固前沿液的形成与凝固前沿液-固共存的两相区(固共存的两相区(“糊状区糊状区”)内熔体的流动有关。)内熔体的流动有关。防止办法防止办法严格控制热流方向沿平行于零件主应力轴方向流动严格控制热流方向沿平行于零件主应力轴方向流动选择合适的生长速度和温度梯度选择合适的生长速度和温度梯度生长速度和温度梯度对生长速度和温度梯度对“雀斑雀斑”形成
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