第八章-凝固新技术—定向凝固

发功快液 热率速态 铸降凝金 型低固属 法法法冷
却 法
区激深电侧对重
域光过磁向流力
熔超冷约约下场
化高定束束的作
液温向成下定用
态度凝形的向下
金梯固定定凝的
属度技向向固定
冷快术凝凝技向
却速
固固术凝
法定
技技
固
向
术术
技
凝
术
固
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）
入微量的第VA族元素，形成N型。单晶硅主要用于制作半导体 元件如 芯片、太阳能电池板。
氟化钙单晶 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。
图 2 光学晶体CaF2 (左1:φ220×150mm).
金属单晶具有特殊的力学物理性能
2、 定向凝固原理 —如何实现定向凝固？
（3）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：
• 热流向单一方向流动并垂直于生长中的固-液界面 • 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。
晶体生 长方向
侧向无温度梯度，不 散热
热流方向 定向凝固柱状晶生长示意图
3、 定向凝固工艺
传统定向凝固技术
新型定向凝固技术
• 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：L.M.C法设备复杂，操作麻烦，因此在工业上未广泛 应用。
TL
(
x'
)
T (X') TmL mLC0
1
1
cK)0 K0
e
R DL
x
'
成 分 过冷 区
Ti
X'
• “成分过冷”的判据
G L ＜ mL C0 (1 K 0 )
R
DL
K0
式中：GL为液固界面前沿液相温度梯度（K/mm）； R为界面生长速度（mm/s）；mL为液相线斜率；C0为合 金平均成分；k0为平衡溶质分配系数；DL为液相中溶质 扩散系数。
3、她衣衫飘动，身法轻盈
，出步甚小，但顷刻间便到了离两人 四五丈 处，只 见她清 丽秀雅 ，容色 极美， 约
莫十七八岁年纪。 4、我的同桌叫尹倩影。她有一双水 灵灵的 大眼睛 ，浓密 的
眉毛，再配上一个樱桃小嘴和一个马 尾辫， 那可成 了一个 小“美女 ”啦。 只是她 的
牙齿不好看，还有两只小虎牙，所以 就露出 两个小 酒窝来 掩饰。
• 3.快速凝固法（ H．R．S法）
• Erickson于1971年提出。原理如图所示。
• 与P．D法的主要区别：铸型加热器始终加热，在凝固时，铸 件与加热器之间产生相对移动。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：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。
合金本身 的因素
无成分过冷时的平面生长
平面生长的条件：
GL
R
mC 0 DL
1 K0 K0
dTL(x)/dx x=0 GL T1
TL(x)
GS T2
ΔTK
S
L (a) 局部不稳定界面
界面前方无成分过冷时平面
生长
a）局部不稳定界面 b）最终稳定界面
S
L (b) 最终稳定界面
定向凝固技术的重要工艺参数包括：
→ 液相线温度TL(x‘)随x’增大上升
→ 当GL（界面前沿液相的实际温度梯度）小 于液相线的斜率时，即:
GL
TL ( x ' )
x '
x' 0
出现“成分过冷” 。
T M
T
S C =C S0
C*
C% L C*
S
m
a)
L
C *=C /k
L
00
C (X') L
C%
b)
C 0
界面
界面
X'
T
T实 1
际
T 实际 2
怎么看都是个美女，可是她与众不同 ，十分 特殊。
7、鬓珠作衬，乃具双目如
星复作月，脂窗粉塌能鉴人。略有妖 意，未 见媚态 ，妩然 一段风 姿，谈 笑间， 唯
少
• 定向凝固涡轮叶片，寿命是普通铸造的2.5倍 • 单晶叶片，寿命是普通铸造的5倍
等轴晶、定向柱状晶、单晶叶片
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。
由判据
G L ＜ mL C0 (1 K 0 )
R
DL
K0
可见，下列条件有助于抑制
“成分过冷”：
• 液相中温度梯度大（G L大）； • 晶体生长速度慢，R小；
工艺因素
• m L小，即陡的液相线斜率； • 原始成分浓度小，C 0 小； • 液相中溶质扩散系数 D L 高； • K 0＜1 时，K 0大；K 0＞1 时，K 0 小
是20世纪60年代发展起来的技术。
3
定向凝固概述
为什么要获取“具有特定取定向柱状晶或单晶”？
1、柱状晶 在航空发动机中，定向结晶叶片消除了对空洞
和裂纹敏感的横向晶界，使全部晶界平行于应 力轴方向，从而改善了合金的使用性能。
单晶叶片消除了全部晶界，不必加入晶界强 化元素，使合金的初熔温度相对升高，从而提 高了合金的高温强度，并进一步改善了合金的 综合性能。
3.2 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） ➢深过冷定向凝固 ➢激光超高温梯度快速凝固技术（LRM） ➢连续定向凝固技术（OCC法）
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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。
第八章 凝固新技术
一、 定向凝固
• 1、定向凝固定义、概述 • 2、定向凝固原理 • 3、定向凝固工艺 • 4、定向凝固的应用
1、定向凝固定义
在凝固过程中采用强制手段，在凝固金属 和未凝固熔体中建立起特定方向的温度梯度， 从而使熔体沿着与热流相反的方向凝固，获得 具有特定取定向柱状晶或单晶的技术。
由于电磁约束成形定向凝固取消了粗厚、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。
36
深过冷定向凝固
ZMLMC法的一个显著特点是通过提高温度梯度，扩大 所允许的抽拉速率，从而达到亚快速凝固水平，实现组织 超细化。但是单纯采用强制加热的方法增大温度梯度来提 高凝固速率，人不能获得很大的冷却速率，因为此时要求 散发的热量更多了，一般来说采用这样的技术很难实现快 速凝固。
10
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
b) 无成分过冷
平面晶
C) 窄成分过冷区间 胞状晶
d) 成分过冷区间较宽 柱状树枝晶
e) 宽成分过冷
内部等轴晶
成分过冷对晶体生长方式影响模型
成分过冷”条件和判据
• “成分过冷”的形成条件分析
（K0＜1 情况下) ：
→ 界面前沿形成溶质富集层
金属所 LMC法制备的发动机叶片
金属所研制的大型“高温度梯度液态金属冷 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
液态金属冷却法
影响因素： 冷却剂的温度 模壳传热性、厚度和形状 挡板位置 熔液温度
液态金属冷却剂的选择条件： 有低的蒸气压，可在真空中使用 熔点低，热容量大，热导率高
H．R．S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 铸造缺陷，同时在高温下合金与模壳、陶 瓷型芯容易发生反应。
5、那女孩有
一双晶亮的眸子，明净清澈，灿若繁 星，不 知她想 到了什 么，对 着自己 兴奋的 一
笑，眼睛弯的像月牙儿一样，仿佛那 灵韵也 溢了出 来。一 颦一笑 之间， 高贵的 神
色自然流露，让人不得不惊叹于她清 雅灵秀 的光芒 。
6、她，高高的个子，一
条马尾辫在身后，一双不大的眼睛闪 着智慧 的光芒 ；她， 白白净 净，眉 清目秀 ，
大冷却速度可达50K/s。凝固速度可在6~1000um/s内调节。 但是，这种方法单纯采用强制加热来提高温度梯度，
从而提高了凝固速度，仍不能获得很大的冷却速度，因 为需要散发掉的热量相对而言更多了，故冷却速率提高 有限，一般很难达到快速凝固，目前这方便面的研究还 都处于实验室规模，要进一步广泛运用，还有待遇进一 步的努力和改进。
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10～30oC，涡轮进口温度提高 20～60oC，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、单晶 在单晶硅中掺入微量的第ЩA族元素，形成P型半导体，掺
L．M．C法示意图 •1一真空室 2一熔炼坩埚 •3一烧杯 4一炉子的热区 •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： • 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。
发热剂法
• 1．发热剂法(EP法)
• 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：工艺简单、成本低。 • 适用：小型的定向凝固实验与生产。
发热剂法（炉外法）
最原始的方法。 缺点：无法调节凝固速率和 温度梯度，只能制备小的柱 状晶铸件，这种方法多用于 磁钢生产。
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1.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
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电磁约束成形定向凝固（DSEMS）
在ZMLMC法基础上，凝固剂属国家重点实验室提出并 探索研究了近十年的电磁约束成形定向凝固技术。该技 术是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。
• 凝固过程中固-液界面前沿液相中的温度梯度GL • 固-液界面向前推进速度，即晶体生长速度R • GL/R值是控制晶体长大形态的重要判据
在提高GL的条件下，增加R，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。
定向凝固技术和装置不断改进，其关键技术之一是提高 固-液界面前沿液相中的温度梯度GL。目前， GL已经达到 100-300℃/cm，工业生产中已达到30-80℃/cm。
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： • 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：高度120mm以下定向 凝固铸件。
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。
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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
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．液态金属冷却法(L．M．C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：在于冷却介质为低
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。
定向凝固技术用于制造发动机叶片
1、魔鬼般惹火的身材，一头大波浪形金 黄卷发 发出耀 眼的光 芒，修 长的大 腿
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穿着一条鹅黄色的超短迷你裙，显出 身材的 完美绝 伦。
2、染成暗红、长度未
至肩膀的短发，随风轻柔的飘着，与 她那可 爱俏丽 、带点 婴儿肥 的椭圆 脸蛋， 把
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