第八章 凝固新技术—定向凝固

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（LMΒιβλιοθήκη 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
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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。 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。
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？
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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
C) 窄成分过冷区间
平面晶
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
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
深 过 冷 定 向 凝 固 技 术
电 磁 约 束 成 形 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
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。 是20世纪60年代发展起来的技术。
• 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
发 热 铸 型 法
功 率 降 低 法
快 速 凝 固 法
x 0
'
C% CS*
CL*
CL(X')
b)
C0
界面
X'
T T1实 际
T2实际
TL ( x' ) Tm mLC0 1 e K0
TL(X') 1 K c)0

R x' DL
出现“成分过冷” 。
成分过 区 冷

界面
Ti
X'
•
“成分过冷”的判据
G L mL C0 (1 K 0 ) ＜ R DL K0
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。
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。
• 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。
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。
• 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。
•
•
晶体生长速度慢，R小；
m L小，即陡的液相线斜率；
工艺因素
•
•
原始成分浓度小，C 0 小；
液相中溶质扩散系数 D L 高；
合金本身 的因素
•
K 0＜1 时，K 0大；K 0＞1 时，K 0 小
无成分过冷时的平面生长 平面生长的条件：
GL
mC 0 1 K 0 R DL K0
T1
dTL(x)/dx x=0 GL TL(x)
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。
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）；
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) ：
TM
mL
a)
TS
CL*=C0/k0 CS=C0
C%
→ 界面前沿形成溶质富集层 → 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 '
GS T2
Δ TK
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
(a) 局部不稳定界面
S
L
(b) 最终稳定界面
定向凝固技术的重要工艺参数包括：
• 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
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过冷容提中的定向凝固是 由1981年B-Lux等首先提出的。 西北工业大学采用玻璃净化和 过热相结合的净化方法，获得 合金熔体的热力学深过冷，并 利用过冷度的遗传性，将熔体 深过冷与定向凝固相结合，使 熔体在固液界面前沿相中温度
深过冷定向凝固实验过程的实验原理图
梯度GL﹤0的条件下凝固。他 们称之为深过冷定向凝固 （SDS），整个实验过程的原 理简图如图左所示。
• 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。 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。 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。
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。
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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。
• 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。
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．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。