金属的单向凝固ppt课件.ppt
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1、第七章单向凝固技术Unidirectional Solidification Technology 讲授者:张 鸿 北京科技大学材料学院1 1 单向凝固概述及工艺 单晶生长 柱状晶的生长 自生复合材料主要内容2 27.1.1 单向凝固概述(1)定义:单向凝固技术是在铸型中建立特定方向的温度梯度,使熔体合金沿着与热流相反的方向,按照要求的结晶取向进行凝固的铸造工艺。7.1 单向凝固概述及工艺7 单向凝固技术3 3(2)起源:1925年,布里奇曼首先使用定向凝固方法制备铋单晶。后来斯托克巴杰(1936、1949)进一步发展了定向凝固技术。20世纪60年代,用于高温合金的生产,如涡轮叶片。其抗热冲击
2、性能、疲劳寿命、蠕变抗力和中温塑性等性能优良,从而提高叶片的使用寿命及使用温度。该技术可用于制备单晶、柱状晶和自生复合材料。4 4 固液界面前沿液相中的温度梯度GL 固液界面向前推进速度生长速率RmL二元合金系相图中液相线斜率;C0 合金溶质含量;k 溶质分配系数;DL 熔液中溶质扩散系数“成分过冷判据”方程:(1).工艺参数对凝固的影响(3)工艺参数5 5GL/R控制晶体长大形态的重要判据对简单固溶体合金,(1)式是得到平界面生长的定向凝固组织的必要条件。随GL/R的减少,凝固组织形态的变化为:平面状胞状枝状等轴晶保证获得高质量定向组织的基本条件是:保持界面前沿的高温度梯度。6 6图7.1
3、凝固速率R对DD8单晶镍基合金固液界面形态的影响a)R=1.42m/s,b)R=2.08m/s,c)R=2.17m/s,d)R=2.94m/s,e)R=12.6m/s,f)R=110.2m/s 随着凝固速率的增大,平界面(见图1a)失稳,并逐渐向胞状(见图1b、c),胞状枝晶(见图1d),粗状晶(见图1e)及细枝晶(见图1f)转化,与组成过冷理论所预言是变化一致。7 7 在提高GL的条件下,增加R,才能获得要求的晶体形态。以极小R的来维持高的GL/R比值在生产中是不可取的(因其导致枝晶粗大、显微疏松增加以及效率低下)。(2)GS,GL固液相中的温度梯度;s,L 晶体和熔体的热导率;L 生长单位
4、质量的晶体所放出的结晶潜热;R 生长速率;m 熔点附近熔体的密度8 8.获得高温度梯度的措施:提高凝固界面前沿处溶液的温度。如采用两区加热器。强化已凝固相内的散热,提高凝固界面固相侧温度梯度。改善高温加热区与低温冷却区的隔热。控制凝固界面在隔热挡板附近。9 97.1.2 单向凝固工艺方法 发热剂法 功率降低法(PD法)快速凝固法(HRS法)液态金属冷却法(LMC法)10 10图7.2 发热剂法装置图1-起始段 2-隔热层 3-光学测温架 4-浇口杯5-浇道 6-发热剂 7-零件 8-水冷铜底座 无法调节温度梯度和凝固速率,只能用于制备小柱状晶铸件(1)发热剂法11 11图7.3 功率降低法装置
5、图1-叶片根部 2-叶身 3-叶冠 4-浇道 5-浇口杯 6-模盖7-精铸模壳 8-热电偶 9-轴套 10-碳毡 11-石墨感受器 12-Al2O3管 13-感应圈 14-Al2O3管泥封 15-模壳缘盘 16-螺栓 17-轴 18冷却水管 19-铜座分两段加热,铸件在凝固过程中不移动(2)功率降低法12 12图7.4 高速凝固法装置图1-拉模室 2-模室 3-熔室 4-坩埚和原材料 5-水冷感应圈6-石墨电阻加热器 7-模壳 8-水冷底座和杆 铸型始终加热;铸件凝固时移动;热区底部使用辐射挡板和水冷套。比PD法局部冷速增大,组织细化。(3)高速凝固法13 13图7.5 液态金属冷却法装置图1
6、液态Sn 2模壳 3浸入机构 4真空室 5坩埚 6炉高温区 7挡板 8加热线圈温度梯度较高,但设备复杂,操作麻烦,故在工业尚未广泛应用。(4)液态金属冷却法14 14表7.1 三种定向凝固方法的主要冶金工艺项目项目 PDPD法法HRSHRS法法LMCLMC法法温度梯度温度梯度(/cm)/cm)771111262630307373103103生长速率生长速率(cm/h)(cm/h)8812122323272753536161粥状区高粥状区高(cm)(cm)101015153.85.63.85.61.52.51.52.5冷却速率冷却速率(/h)/h)909070070047004700局部凝固时间
7、局部凝固时间(min)(min)858885888128121.21.61.21.615 157.2 单晶生长首先形成单晶核,可引入籽晶或自发形核;而后,首先形成单晶核,可引入籽晶或自发形核;而后,在晶核和熔体界面上长出单晶。在晶核和熔体界面上长出单晶。单晶体从液相中生长出来,按其成分和晶体特征,单晶体从液相中生长出来,按其成分和晶体特征,可分为三种:可分为三种: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不同第二相或出现共晶的晶体晶体和熔体成分不同第二相或出现共晶的晶体7.2.1 特点16 16 7.2.2 方法(1)正常凝固法坩埚移动或炉体移动单向凝固法坩埚移动或炉体移动单向凝固法选
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