连续定向凝固技术研究

连续定向凝固技术研究摘要针对日趋活跃的金属定向凝固技术,阐述定向凝固技术的基本原理,以及其特点。

简要说明了金属定向凝固技术的应用。

介绍了目前金属定向凝固技术在国内外的发展状况,存在的问题及未来的前景。

关键词金属；定向凝固；基本原理；技术特点；应用Continuous Unidirectional Solidification TechnologyZuojinrongAMM, University of Science and Technology Beijing, Beijing 100083, ChinaABSTRACT Directional solidification technology of metal has become ncreasingly act ive.Its basic principle and characteristics are descri bed.Its applications are also overviewed .The development state at home and abroad , problems and future prospects of directional solidification are summ arized.KEY WORDS Metal；directional solidification ；basic principle ；technicalcharacteristic ；application 绪论：金属的凝固，从传热学的角度是液态金属转变为固态的过程；从物理化学、金属学的观点就是结晶，即：形核和生长。

形核过程对金属材料晶粒的大小起着至关重要的作用；晶体生长关系到凝固后微观组织的形态，由于组成金属材料的晶体形态与金属材料的性质有关，如何控制晶体生长已成为控制金属材料性能的重要手段。

凝固组织的控制包括两方面的内容：(l)凝固组织形态的选择(2)控制凝固组织的尺寸、间距。

材料的使用性能是由其组织形态来决定的。

因此，包括调整成分在内，人们通过控制材料的制备过程以获得理想的组织从而使材料具有所希望的使用性能，控制凝固过程己成为提高传统材料的性能和开发新材料的重要途径。

定向凝固技术由于能得到一些具有特殊取向的组织和优异性能的材料，因而自它诞生以来得到了迅速的发展。

同时，由于定向凝固技术的出现，也为凝固理论的研究和发展提供了实验基础，因为在定向凝固过程中温度梯度和凝固速率这两个重要的凝固参数能够独立变化，从而可以分别研究它们对凝固过程的影响。

此外，定向凝固组织非常规则，便于准确测量其形态和尺度特征。

定向凝固技术是控制晶体生长、研究晶体生长行为最有效的方法，实现定向凝固的总原则为金属熔体中的热量严格的按单一方向导出，使金属或合金按柱状晶或单晶的方式生长。

金属熔体在凝固过程中，为了达到单一方向生长为柱状晶的目的，除满足上述总原则外，还必须满足以下两个条件：一是凝固过程中固液界面保持为平面，在界面前沿保持足够高的温度梯度，并且使此温度梯度与柱状晶生长速度的比值足够大；二是未凝固的液体有足够的过热度，避免型壁形核，防止型壁上形成的晶体脱落形成等轴晶的核心。

1. 传统的定向凝固技术1.1 发热剂法(EP法)这是最原始的定向凝固方法，金属熔体内的温度梯度小，单向传热不易保证，凝固一旦开始就无法对凝固过程进行控制。

其具体工艺为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，使铸件自上而下进行凝固，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。

图1发热剂法定向凝固示意图1.2. 功率降低法(PD法)功率降低法发展于加世纪60年代，其原理如图2所示。

保温炉分段加热，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。

通过选择合适加热器件，可以获得较大的冷却速度，这种方法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，柱状晶在高度上的粗化比较严重，组织不够理想。

加之设备相对复杂不易控制，能耗大，限制了该方法的应用。

图2功率降低法定向凝固原理1.3 快速凝固法(HRS)HRS法，即“Hi ghRatesolidificatfon’’，又称铸型移动法，如图3所示。

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。

由于加热与冷却装置之间用隔热板隔开，固液界面始终靠近冷却区，使固液界面前沿金属熔体冷却强度保持不变。

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。

图3快速定向凝固法（HRS）示意图1.4 液态金属冷却法(LMc法)HRS法是利用辐射换热来冷却的，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状晶。

液态金属冷却法(Liquld metal cooling）采用液态金属作为冷却介质，其冷却效果远远大于其他冷却介质，月前，常用的金属浴有：锡液、嫁锢合金、稼锢锡合金等。

稼、锢熔点低，价格昂贵，因此只适于在实验室使用。

Sn液熔点稍高(232o C)，但价格相对便宜，冷却效果也比较好，因而适于工业应用。

LMC法设备复杂，操作麻烦，在工业上未广泛应用[1]。

美国、前苏联等国应用该工艺制造航空发动机叶片。

图4液态金属冷却法示意图传统的定向凝固技术在结晶器抽拉速度不变的情况下，温度梯度在是变化的。

在单晶的生长过程中，热量的传递主要通过两种方式：传导和辐射来完成。

在凝固初期，即在起始端部分，热量主要以热传导方式传递，由于距水冷结晶器较近，传导路径较短，温度梯度较大。

随着凝固的进行，传导路径增大，热传导的作用逐渐减弱，温度梯度也随之降低。

随着凝固的进一步进行，热传导所起的作用越来越小，而辐射散热面积增大，壳型表面辐射散热逐渐占据主导地位，但辐射散热能力较热传导作用低，故总的散热能力减弱，导致温度梯度降低。

糊状区宽度随着凝固的进行逐渐增大，这与温度梯度逐渐减小有关。

传统的定向凝固技术存在以下弊端：(l)从强制性晶体生长方式来看，冷却速度受控于固相热量的导出，冷却速度随抽拉距离及铸件长度的增加而变化，均匀冷却速度的获得必须依赖于牵引系统的计算机控制和多区加热等复杂手段。

(2)追求高的温度梯度造成生产成本的不断增加，以及获得缓慢的牵引速度而造成生产率低下[2]。

不论是功率降低法，还是快速凝固法，它们的主要缺点是温度梯度小，冷却速度太慢，由于晶体生长所需的过冷度小于形核所需的过冷度，晶粒有充分的时间长大，用上述方法制备的组织粗大，会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温度梯度不大，这样为了保证固液界面前沿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。

表1为不同定向凝固方法的主要冶金参数。

表1 DS-mar-M200高温合金在不同定向凝固方法时的主要冶金参数为了进一步细化材料的组织结构，减轻甚至消除微观偏析，有效地提高材料的性能，就需要提高冷却速率。

在定向凝固技术中，冷却速率的提高，可以通过提高凝固过程中固液界面前沿的温度梯度和生长速率来实现。

因而如何采用新工艺、新方法去实现高温度梯度和大的生长速率是当今众多定向凝固技术研究者追求的目标。

2. 新型定向凝固技术2.1 ZMLMC法为了进一步提高温度梯度，李建国等人把区域熔炼技术(zoneMelting)和液态金属冷却法(LMC)相结合发展了一种新型定向凝固技术一区域熔化液态金属冷却法，即ZMLMC法。

利用感应加热集中对凝固界面前沿液相进行加热，从而有效地提高了固液界面前沿的温度梯度。

据报道zMLMc最高温度梯度可达1300k/cm，最大冷却速度可达50k/s。

与传统定向凝固相比，枝晶组织明显得到细化。

定向凝固技术的发展直接推动了凝固理论的发展和深入。

从成分过冷理论到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、胞晶*树枝晶*胞晶*带状组织*绝对稳定平界面的转变。

对大多数合金，实现高梯度绝对稳定性的临界温度梯度在5000K/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。

为了实现高温度梯度绝对稳定性，揭示在这种极端条件下凝固过程的规律，人们想到激光具有加热温度高，能量高度集中等特点，选用激光作加热源，在激光表面熔化快速定向凝固条件下，高密度激光源辐照材料表面使表面薄层(熔层深度一般不大于0.5mm)熔化，熔融金属与未熔基体接触良好，温度梯度和冷却速度高达106数量级，当用30Ps的激光脉冲表面淬火时，晶体生长速率高达230m/s [3]，冷却速度较区域熔化液态金属冷却法大大提高(约为三个数量级)。

定向凝固技术发展的历史就是不断提高温度梯度和凝固速率的历史[4]。

2.2 连续定向凝固技术连续定向凝固技术可获得理想的柱状晶组织，它的出现标志着定向凝固技术及晶体生长技术进入了一个崭新的阶段。

连续定向凝固方法大致可分为两种：(l) OCC法：日本千叶工业大学的大野笃美教授依据“晶体游离学说”发明了OCC(Ohn Coniinuous casting Proeess)方法；OcC方法的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，晶体的生长方向与热流方向相反。

OCC方法三种形式及特点见表2[5]。

表2 occ法三种形式及其特点(2)高温度梯度法：Flemings教授依据等轴晶形成机理“成分过冷学说”发明了HGqHighTemperatureGradientcasting)方法；这种方法追求高的温度梯度，实现的方法是使金属熔体达到近似于薄膜的程度，HGC法定向凝固原理图见5。