定向凝固基础

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定向凝固技术

定向凝固技术

定向凝固技术1、定向凝固的研究状况定向凝固成形技术是伴随高温合金的发展而逐渐发展起来的,是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,以获得具有特定取向柱状晶的技术。

定向凝固技术很好的控制了凝固组织的晶粒取向,消除横向晶界,提高了材料的纵向力学性能,因而自美国普拉特·惠特尼航空公司采用高温合金定向凝固技术以来,这项技术得到广泛的应用。

1.1定向凝固理论的研究定向凝固理论的研究,主要涉及定向凝固中液-固界面形态及其稳定性,液-固界面处相变热力学、动力学,定向凝固过程晶体生长行为以及微观组织的演绎等,其中包括成分过冷理论、MS 界面稳定性、线性扰动理论、非线性扰动理论等。

从Chalmers[1]等的成分过冷理论到Mullins[2]等的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。

下面主要分析一下成分过冷理论和界面稳定性理论。

(1)成分过冷理论成分过冷理论是针对单相二元合金凝固过程界面成分的变化提出的,如对于平衡分配系数小于1的合金在冷却下来时,由于溶质在固相和液相中的分配系数不同,溶质原子随着凝固的进行,被排挤到液相中去,并形成一定的浓度梯度,与这种溶质梯度相对应的液相线温度与真实温度分布之间有不同的值,其差值大于零时,意味着该部分熔体处于过冷状态,有形成固相的可能性而影响界面的稳定性。

Chalmers等人通过分析得出了成分过冷的判据,确定了合金凝固过程中固液界面前沿的形态取决于两个参数:G L/v和G L·v,即分别为界面前沿液相温度梯度和凝固速度的商和积。

前者决定了界面形态,而后者决定了晶体的显微组织(即枝晶间距或晶粒大小)[3]。

成分过冷理论能成功的判定无偏析特征的平面凝固的条件,避免胞晶或枝晶的生成。

但是成分过冷理论只考虑了温度梯度和浓度梯度这两个具有相反效应的因素对界面稳定性的影响,忽略了非平面界面的表面张力、凝固时的结晶潜热及固相中温度梯度等的影响。

10.0 定向凝固技术

10.0 定向凝固技术
形成柱状晶的基本条件: 热流方向定向 定向散热
(பைடு நூலகம்)单晶生长
1、单晶体的特点 (1)晶体和熔体成分相同 (2)晶体和熔体成分不同 (3)有第二相或出现共晶相的晶体
2、单晶体的制备方法
坩埚移动 晶体提拉 炉体移动 制备方法 区熔法
正常凝固法
水平区熔法
悬浮区熔法
(1)正常凝固法 坩埚下降法,从熔体中生长晶体的方法。 通常,坩埚在结晶炉中下降,通过温度梯 度较大的区域时,熔体在坩埚中自下而上 结晶为整块晶体。这个过程也可以用结晶 炉沿着坩埚上升,或者坩埚和结晶炉都不 动通过结晶炉缓慢降温来实现
(三)定向凝固合金的力学行为
1、弹性各向异性 2、塑性各向异性 3、蠕变特性 4、循环形变 5、断裂
第三节 非重力凝固
失重条件(也称微重力条件)的凝固与重力 条件下完全不同,如无容器条件下的形核以 及由温度梯度(或密度梯度)引起的对流等, 使得不同成分的液体能够长时间共存,因此 可以减少沿凝固方向的成分偏析,还可以利 用微重力条件制备难混熔偏晶合金。
晶体提拉法
这是一种直接从熔体中拉出单晶的 方法。熔体置柑塌中,籽晶固定于 可以旋转和升降的提拉杆上。降低 提拉杆,将籽晶插入熔体,调节温 度使籽晶生长。提升提拉杆,使晶 体一面生长,一面被慢慢地拉出来。 这是从熔体中生长晶体常用的方法。 用此法可以拉出多种晶体,如单晶 硅、白钨矿、钇铝榴石和均匀透明 的红宝石等。
优点: 1)可观察晶体生长情况 2)晶体在自由表面处生长,减少晶体的应力, 防止寄生生核。 3)可以以较快的速度生长,晶体直径可控
(2)区熔法
水平区熔法 悬浮区熔法 悬浮区熔法是在20世纪50年代提出 并很快被应用到晶体制备技术中。 在悬浮区熔法中,使圆柱形硅棒固 定于垂直方向,用高频感应线圈在 氩气气氛中加热,使棒的底部和在 其下部靠近的同轴固定的单晶籽晶 间形成熔滴,这两个棒朝相反方向 旋转。然后将在多晶棒与籽晶间只 靠表面张力形成的熔区沿棒长逐步 向上移动,将其转换成单晶。

材料合成与制备 第5章 定向凝固技术

材料合成与制备 第5章 定向凝固技术
采用定向凝固技 术生产的高温合金 基本上消除了垂直 于应力轴的横向晶 界,并以其独特的 平行于零件主应力 轴择优生长的柱晶 组织以及其优异的 力学性能而获得长 足发展。
4、磁性材料
稀土超磁致伸缩材料RFe(R-Tb、Dy)作为一种电-磁-机械能量或信 息转换的新型功能材料,从20世纪70年代以来得到了迅速发展,它具有 很高的磁致伸缩值(1500~2000×10 )和能量密度(14000~25000J/m ),而 且还具有低频响应速度快、机电耦舍系数大等特点,故在大功率声纳换 能器、磁弹性波器件、液压阀门控制、精密加工徽定位、精度高速线性 马达、伺服系统和特殊兵器等高新技术领域展示出广阔的应用前景。对 于Tb-Dy-Fe材料,人们一直希望得到具有<111>方向择优取向的样品。 通过改变材料的定向凝固条件、控制材料的取向度、以及对材料进行热 处理消除晶界提高材料磁致伸缩性能。
(4)激光超高温梯度快速凝固
利用激光器作为热源来实现定向凝固。 激光具有能量高度集中的特性,在作为定向凝固热源时可能获得 比现有定向凝固方法高得多的温度梯度。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 描方向一致的温度梯度;根据合金凝固特性选择适当的工艺参数以获 得胞晶组织。
定向凝固过程工艺参数分别为: 合金熔融温度1450℃,温度梯度140℃/cm,牵引速度0.5-0.8 mm/min。
2、柱状晶生长
控制热流方向和温度梯度。
3、高温合金制备
定向凝固制备Fe-Cr-C过共晶原位生长复合材料
高铬铸铁是一种优良的耐磨材料,普通条件下凝固的高铬铸铁碳 化物呈网状,在实际磨损中往往会因为碳化物脆裂或折断而失效。 为此,通过定向凝固的方法,使碳化物纤维定向排列,即将Fe-C-Cr 合金制备成碳化物呈定向分布的原位生长复合材料,使高硬度的碳 化物垂直于磨面的方向定向生长,可以显著提高其性能。

铜的定向凝固实验原理

铜的定向凝固实验原理

铜的定向凝固实验原理铜的定向凝固是一种金属凝固工艺,通过控制铜合金的凝固过程,使其具有特定的晶体结构和力学性能。

定向凝固技术广泛应用于航空航天、能源、汽车和电子等高科技领域中。

定向凝固技术的原理主要包括凝固传热、束流定向、溶质重分配和相界限控制等方面。

首先,凝固传热是定向凝固的基础。

在凝固过程中,铜合金的熔化和凝固过程是同时进行的。

凝固是通过传递热量来达到的,而热量的传递方式主要有导热和对流两种。

在凝固过程中,通过合理的控制传热方式,可以影响晶体生长的速度和方向,从而控制晶体的取向。

其次,束流定向是定向凝固中的关键环节。

束流定向是指在凝固过程中通过施加外加的磁场、温度梯度或拉伸力等辅助手段,将熔融合金中的晶粒定向生长。

束流定向的方法有很多种,常用的方法有磁场定向、模具形状定向和温度梯度定向等。

这些方法可以在凝固过程中控制晶粒的取向和排列,从而获得所需的晶体结构。

第三,溶质重分配是定向凝固中的另一个关键因素。

在凝固过程中,合金中的溶质会因为凝固过程中的温度变化而发生重分配。

通常情况下,溶质倾向于富集在凝固前沿的液相区域,导致凝固后的固相区域出现不均匀分布的现象。

为了减小溶质的偏聚效应,定向凝固过程中通常采用稳态定向凝固和自辐射稳态凝固等技术。

最后,相界限控制是定向凝固中的另一个重要环节。

合金中的相界限对晶体的取向和力学性能具有重要影响。

在定向凝固中,通过调整合金的化学成分、凝固速度和温度梯度等参数,可以控制相界限的位置和形态。

这样可以使晶体取向更加均匀,并且减少晶界的数量和位错密度,提高合金的力学性能。

总的来说,铜的定向凝固是通过控制凝固传热、束流定向、溶质重分配和相界限控制等工艺参数来实现的。

利用这些技术,可以控制铜合金的晶体取向、结构和力学性能,为高科技领域中的应用提供了可靠的材料基础。

第八章 凝固新技术—定向凝固

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。
33
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
34
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
35
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?
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
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

材料合成与制备新技术》课件:第五章定向凝固

材料合成与制备新技术》课件:第五章定向凝固
金属材料领域
制备高性能合金、金属基复合材料等。
能源领域
制备核反应堆燃料元件、太阳能电池板等。
复合材料领域
制备纤维增强复合材料、梯度功能复合材料 等。
02
定向凝固的原理与特点
BIG DATA EMPOWERS TO CREATE A NEW
ERA
定向凝固的原理
定向凝固是一种通过控制热流方向,使液态金属在特定方向上凝固结晶的 技术。
ERA
定向凝固技术的定义
01
定向凝固技术是一种通过控制热 流和物质流,使金属或合金从液 态到固态在特定方向上实现单向 凝固的工艺方法。
02
在定向凝固过程中,固液界面在 特定方向上保持恒定,使晶体沿 着这个方向生长,从而获得具有 单一取向的晶体组织。
定向凝固技术的发展历程
20世纪50年代
定向凝固技术初步发展,主要应用于 高温合金的制备。
详细描述
热压定向凝固法是在高温下对熔体施加单向压力,使熔体在压力下凝固结晶。这种方法可以控制晶体的生长方向 ,获得单晶体或单向性良好的多晶体。热压定向凝固法具有较高的生产效率和较低的成本,适用于大规模生产。
快速定向凝固法
总结词
通过快速冷却技术,使熔体在极短时间内凝固,以获得定向凝固组织。
详细描述
快速定向凝固法采用快速冷却技术,使熔体在极短时间内凝固结晶。这种方法可以获得具有定向凝固 组织的材料,提高材料的力学性能和热物理性能。快速定向凝固法可以采用各种快速冷却技术,如激 光束、电子束、高压气体等。
真空定向凝固
在真空环境下进行定向凝 固,降低杂质和气体含量 ,提高材料纯度和性能。
拓展定向凝固技术的应用领域
航空航天领域
利用定向凝固技术制备高 性能轻质材料,满足航空 航天领域对材料的高要求 。

定向凝固和单晶制备技术

定向凝固和单晶制备技术


2 2.1
传统定向凝固技术
炉外法
1
优点:工艺简 单,生产成本 低。 缺点:温度梯 度不大而且很 难控制,不适 合大型件生产。
图6 炉外法原理图
2 2.2
传统定向凝固技术
1.3
(1)
20世纪20-30年代Bridgeman-Stockbarger技术奠 定了现代单晶生长和定向凝固的理论基础。
Bridgeman-Stockbarger技术又称为坩埚下降法,是 一种常见的晶体生长方法,原理:通过加热是的坩埚中 的材料被熔融,当坩埚持续下降过程中,底部的温度先 降低熔点以下,开始结晶,晶体从而不断的长大而形成。 这种方法常用于制备碱金属和碱式金属化合物以及氟化 物单晶。
1.3
成分过冷的不足之处 在于不适用于快速凝 固领域。
图3 成分过冷现象
1
定向凝固技术概述
成分过冷理论
1
1.3
成分过冷发生的必要条件 固液界面前沿溶质的富 集而引起溶质再分配 固液界面前方的也想实 际温度必须到达一定的值 才会发生成分过冷现象
1
定向凝固技术概述
界面稳定性的动力学理论
也称为绝对稳定理论、MS稳定性理论。Mullins和 Sekerka鉴于成分过冷理论的不足,提出一个考虑 1 了溶质浓度场和温度场、固液界面能以及界面动力 学的理论。研究了温度场和浓度场的干扰行为、干 扰振幅和时间的依赖关系以及它们对界面稳定性的 影响。
定向凝固技术
定向凝固技术概述
1
2
传统定向凝固技术
新型术概述
定向凝固技术的背景
随着20世纪60年代后期大量能源相关的设 1 备需求不断增加,如核电站的开发、大型 压力容器的运用,相对应的用于这些设备 的大型板类件也迅速增加,从而对这些板 件的性能要求也逐渐严格,例如疏松、偏 析、非金属夹杂等。甚至还要求有良好的 铸造性能和焊接性能,这就对传统的普通 锭生产工艺提出了挑战。 正是在这个背景下,日本与法国在70年 代末期相继提出了小高径比、高冷却强度 的定向凝固锭技术。

定向、单晶凝固基础理论和工艺讲义

定向、单晶凝固基础理论和工艺讲义

件整个技术要求、工艺方案、生产过程、过程控制和检验 内容也与等轴晶要求不同。 以下就不同之处和关键点按工序过程进行讲解。
一、蜡模车间
陶瓷型芯
为了满足铸造过程中高温合金液的冲击,因此要求型芯
要有定的高温强度;(保证陶芯不断裂) 必须满足铸造过程中陶芯在高温合金液中长期工作1h~ 4h,故高温挠度变形值小。(保证铸件内腔尺寸)
一小时,随炉冷却至200 ℃以下,出壳。 对带陶瓷型芯的模壳,预焙烧温度应小于600 ℃,模 壳出、进炉和整个搬运过程必须轻拿轻放,不得有震 动,防止陶瓷型芯断裂或损坏。
模壳清洗
对不带陶瓷型芯的模壳可直接用自来水进行清洗。 对带陶瓷型芯的模壳必须用工业酒精进行清洗。
注意:1、第一遍清洗时,应将内腔一端封堵,水或酒精 中加亚甲基蓝,灌满型腔,检查模壳外表面是否有渗 漏,保证模壳处于完好状态。 2、对可修补的模壳缺陷,一定要使用同种制壳 材料进行修补。
由于液态高温合金与型芯接触时间长,故型芯材料不能
与合金有化学或热反应(保证化学成分和铸件冶金质量)
陶芯自由端、固定端制作和铸件壁厚尺 寸的控制
陶芯自由端、固定端制作和铸件壁厚尺寸的控制
引晶端的制作(模具)

计算机模拟结果
模拟结果

模拟结果和实际相比 规律相似。
定向凝固组合形式
支撑棒
受力方向,横向断裂
去除横向晶界提高抗高温蠕变性能
研究的对象
定向凝固过程中温度梯度和凝固速率这两个凝固参数
能够独立变化,成为凝固理论研究的重要手段。
定向/单晶设备
测温机构 加料室 操作机构 操作平台 熔炼和模壳加热室 隔离阀 铸型室 升降机构 关键结构: 1;模壳加热室 2;模壳加热室和铸型 室的隔板结构

定向凝固技术及其运用

定向凝固技术及其运用

影响因素: 1冷却剂的温度
2 模壳传热性、厚度和形状 3 挡板位置 4 熔液温度 5液态金属冷却剂的选择条件: 6 有低的蒸气压,可在真空中使 用 7 熔点低,热容量大,热导率高 8 不溶解在合金中 9 价格便宜
流态床冷却法(FBQ法)
在相同条件下, 液态金属冷却法的温度梯度GTL为100~300℃/cm, 流态床冷却法的温度梯度GTL为100~200℃/cm, 两者的凝固速率和糊状区宽度相同,分别50~
ห้องสมุดไป่ตู้
深过冷定向凝固技术
➢ 过冷熔体中的定向凝固首先由B.Lux等人在1981年提 出
➢ 基本原理:将盛有金属液的坩锅置于一激冷基座上,在 金属液被动力学过冷的同时,金属液内建立起一个自下 而上的温度梯度,冷却过程中温度最低的底部先形核, 晶体自下而上生长,形成定向排列的树枝晶骨架,其间 是残余的金属液。在随后的冷却过程中,这些金属液依 靠向外界散热而向已有的枝晶骨架上凝固,最终获得了 定向凝固组织。
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 描方向一致的温度梯度;根据合金凝固特性选择适 当的工艺参数以获得胞晶组织。利用激光快速熔 凝方法可以实现与Bridgman法相似的超高温度梯 度快速定向凝固,其温度梯度可高达106K/m,速度 可高达24mm/s,冷却速度较区熔液态金属冷却法 大大提高(约为三个数量级)。
可以在保持较高力学性能的同时实现人骨所需的较大 的空孔率, 同时它具有减震性、耐磨性和化学稳定性, 这对绝大多数不具备自恢复效应的人工骨材料来说是 极为重要的。
谢谢!
所谓定向凝固,就是指在凝固过程中采用强 制手段,在凝固金属样未凝固熔体中建立起沿 特定方向的温度梯度,从而使熔体在气壁上形 核后沿着与热流相反的方向,按要求的结晶取 向进行凝固的技术。

定向凝固

定向凝固

定向凝固定向凝固是指在凝固过程中采用强制手段,在凝固金属和未凝固金属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,最终得到具有特定取向柱状晶的技术。

定向凝固是研究凝固理论和金属凝固规律的重要手段,也是制备单晶材料和微米级(或纳米级)连续纤维晶高性能结构材料和功能材料的重要方法。

自20世纪60年代以来,定向凝固技术发展很快。

由最初的发热剂法、功率降低法发展到目前广泛应用的高速凝固法、液态金属冷却法和连续定向凝固技术。

现代航空发动机的涡轮叶片和导向叶片是用铸造高温合金材料制成,这类材料晶界在高温受力条件下是较薄弱的地方,这是因为晶界处原子排列不规则,杂质较多,扩散较快,于是人们设想利用定向凝固方法制成单晶,消除所有晶界,结果性能明显提高了。

定向凝固技术广泛应用于高温合金、磁性材料、单晶生长、自生复合材料的制备等力面,并且在类单晶金属间化合物、形状记忆合金领域具有极广阔的应用前景。

制备方法:1. 发热剂法定向凝固技术的起始阶段。

基本原理:将铸型预热到一定温度后,迅速放到水冷铜底座上并立即进行浇注,顶部覆盖发热剂,侧壁采用隔热层绝热,水冷铜底座下方喷水冷却,从而在金属液和已凝固金属中建立起一个自下而上的温度梯度,实现定向凝固。

2. 功率降低法铸型加热感应圈分两段,铸件在凝固过程中不动,在底部采用水冷激冷板。

加热时上下两部分感应圈全通电,在加入熔化好的金属液前建立所要的温度场,注入过热的合金液。

然后下部感应圈断电,通过调节输入上部感应圈的功率,在液态金属中形成一个轴向温度梯度。

热量主要通过已凝固部分及底盘由冷却水带走。

由于热传导能力随着离水冷平台距离的增加而明显降低,温度梯度在凝固过程中逐渐减小,所以轴向上的柱状晶较短。

并且柱状晶之间的平行度差,合金的显微组织在不同部位差异较大,甚至产生放射状凝固组织。

3. 高速凝固法装置和功率降低法相似,多了拉锭机构,可使模壳按一定速度向下移动,改善了功率降低法温度梯度在凝固过程中逐渐减小的缺点;另外,在热区底部使用辐射挡板和水冷套,挡板附近产生较大的温度梯度,局部冷却速度增大,有利于细化组织,提高力学性能。

定向、单晶凝固基础理论和工艺讲义解析

定向、单晶凝固基础理论和工艺讲义解析

各种结晶形态
等轴晶
柱状晶
柱状晶
单晶
基本原理
铸件定向凝固需要两个条件:首先,热流向单一方向 流动并垂直于生长中的固-液界面;其次,晶体生长前 方的熔液中没有稳定的结晶核心。为此,在工艺上必 须采取措施避免侧向散热,同时在靠近固-液界面的熔 液中应造成较大的温度梯度。这是保证定向柱晶和单 晶生长挺直,取向正确的基本要素。以提高合金中的 温度梯度为出发点,定向凝固技术已由功率降低法、 快速凝固法发展到液态金属冷却法。
液态金属冷却法(LMC法)常用的金属
常用的液态金属有Ga—In合金和Ga—In—Sn合金,以 及Sn液,前二者熔点低,但价格昂贵,因此只适于在 实验室条件下使用。 Sn液熔点稍高(232℃),但由于价 格相对比较便宜,冷却效果也比较好,因而适于工业 应用。
单晶、定向凝固工艺
由于单晶、定向铸件与等轴晶铸件凝固方式的不同,故铸 件整个技术要求、工艺方案、生产过程、过程控制和检验 内容也与等轴晶要求不同。 以下就不同之处和关键点按工序过程进行讲解。
2 功率降低法(PD法)
将保温炉的加热器分成几组,保温炉是分段加热的。 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 合适的加热器件,可以获得较大的冷却速度,但是在 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,且组织也不够理想。加之设备相 对复杂,且能耗大,限制了该方法的应用。
4 液态金属冷却法(LMC法)
HRS法是由水换热来冷却的,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 较长的单向柱晶。

《定向凝固及其应用》

《定向凝固及其应用》
MS稳定性理论只适用于稀溶液,并且忽略了凝固速率对溶质分配系 数的影响。
在固液界面的形态演化中,生长速率一方面促进成分过冷效应增大 的作用, 另一方面又促进界面曲率效应强化的作用。在生长速率较低 的近平衡条件下,前者占主要地位,对固液界面的影响较大,后者虽然对 固液界面也有作用,但是更多的是促进成分过冷加剧,使界面的稳定性 降低。但两者相等时,即表明界面曲率效应的作用同成分过冷的作用 相抵消,达到了界面的绝对稳定。
定向凝固的理论基础
成分过冷理论 固液界面形态的选择
界面稳定性的动力学 理论
特征长度
定向凝固时的枝晶生长
枝晶生长
一次间距选择的历史 相关性
成分过冷理论
成分过冷理论是针对单相二元合金凝固 过程界面成分的变化提出的。
如对于溶质分配系数小于1的合金体系, 随着凝固的进行,部分溶质在界面处的 液相中富集,并形成一定的溶质梯度,与 这种溶质梯度相对应的液相线温度TL(x) 与真实温度Tq(x)分布之间有不同的值, 其差值T(x)大于零时,意味着该部分熔体 处于过冷状态,有形成固相的可能性而 影响界面的稳定性。平界面凝固的稳定 条件为无成分过冷区,即:
特征长度
有以下3个特征长度影响定向凝固的组织:
(1)溶质扩散长度
lS
D R
(2)热扩散系数
lT
T0 GTL
(3)毛细管长度
对纯金属:
lC
cL h
对合金 :
lC
T0
abc1
组织特征长度
组织特征长度 liA (lT)a(lS)b(lC )c abc1
Trivedblcai i和Kurz将各种组织特征长度收集在表 1.1中
(1)低R时,服从成分过冷理论平界面向胞状转化条件为

定向凝固和单晶制备技术

定向凝固和单晶制备技术
优点:温度梯度容 易控制 缺点:设备较为复 杂,能消耗较大, 温度梯度较小
图7 PD法原理图

2 2.3
传统定向凝固技术
快速凝固法(HRS法)
1 快速凝固法是指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 得的柱状晶间距较长,组织细密挺直,且 较均匀,使铸件的性能得以提高。
对 流 下 的 定 向 凝 固 技 术
重 力 场 作 用 下 的 定 向 凝 固 技 术
2 2.1
传统定向凝固技术
炉外法
又叫发热剂法,是定向凝固工艺中最原始的一种。 1 基本原理:将铸型预热至一定温度后,迅速放到激 冷板上并进行浇铸,激冷板上喷水冷却,从而在金 属液和已凝固金属中建立一个自下而上的温度梯度, 实现单向凝固。也有采用发热铸型的,铸型不预热, 而是将发热材料充在铸型壁四周,底部采用喷水冷 却。
镍铬合金
实例
表2-1:Mar-M200合金三种不同定向凝固工艺比较 1
2
传统定向凝固技术总结
小结
定向凝固技术从炉外法发展到炉内法,从PD法 1 LMC法其目的都是共同的,都是通过改 HRS法再到 变对凝固金属的冷却方式来提高对单向热流的控制, 从而获取更理想的定向凝固组织,尤其是LMC方法 已经被美国、俄罗斯等国家利用航空发动机的叶片。 然后,这些方法所获得的冷却速度却是有限的,从 而引发了对新型定向凝固技术的研究。
图10 区域融化液态金属冷却原理图
3
新型定向凝固技术
激光超高温度梯度快速定向凝 固
定向凝固方法,由于受加热方法的限制,温 1 度梯度不可能再有很大提高,要使温度梯度 产生新的飞跃,必须寻求新的热源或加热方 式。

定向单晶凝固基础理论和工艺讲义

定向单晶凝固基础理论和工艺讲义

定向单晶凝固基础理论和工艺讲义定向凝固是指在凝固过程中使液态金属或合金的组织结构按照一定的方向排列,以得到具有特定性能和结构的晶体。

它是一种重要的金属材料制备方法,可以较好地改善金属材料的性能和结构。

单晶凝固是定向凝固的一种特殊形式,指的是在凝固过程中只有一个晶体核心在生长,最终获得单一晶体结构的材料。

单晶凝固材料具有优异的性能,如高温力学性能、抗氧化性能等,在航空航天、能源等领域有广泛的应用。

定向凝固的基础理论主要包括凝固动力学和结构演变两个方面。

凝固动力学研究凝固过程中的物理和化学变化,如凝固速度、晶界分布等。

结构演变研究凝固过程中的晶体生长和相变等现象,以及凝固过程中的微观结构演化。

定向凝固的基础工艺主要包括一次凝固、再结晶和热处理等步骤。

一次凝固是指将液态金属或合金置于特定的凝固器中,通过合适的降温速率使其凝固,并通过控制凝固条件来实现定向生长。

再结晶是指将凝固得到的多晶材料通过再加热至临界温度以上,使其再次凝固并形成单晶结构。

热处理是指对凝固得到的单晶材料进行退火、固溶和时效等处理,以进一步改善其组织结构和性能。

定向凝固的工艺条件包括凝固速率、温度梯度、晶界能等因素。

凝固速率是指液态金属或合金冷却的速率,过快或过慢的凝固速率都会导致晶体结构不完善。

温度梯度是指凝固过程中金属或合金的温度变化率,较大的温度梯度有利于晶体的定向生长。

晶界能是指晶界处的能量大小,控制晶界能可以减小晶界的数量和强度,提高材料的强度和韧性。

定向凝固是一项复杂的工艺,需要合理设计凝固器结构、控制凝固条件和优化热处理过程等。

通过不断深入研究定向凝固的基础理论和工艺,可以获得具有特殊结构和性能的材料,为各行各业的发展提供了重要的支持和保障。

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定向凝固技术
目录
1.定向凝固的发展历史
2.定向凝固基本原理 定向凝固技术原理 定向凝固理论 定向凝固技术工艺参数 3.定向凝固技术发展 4.定向凝固技术的应用 5.定向凝固发展趋势
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1.定向凝固的发展历史
定向凝固过程的理论研究的出现是在1953年, Charlmers及其他的同事在定向凝固方法考察液/ 固界面形态演绎的基础上提出了被人们称之为定 量凝固科学的里程碑的成分过冷理论。 在20世纪60年代,定向凝固技术成功的应用于航 空发动机涡轮叶片的制备上,大幅度提高了叶片 的高温性能,使其寿命加长,从而有力地推动了 航空工业发展。
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2.定向凝固基本原理
2.1 定向凝固技术原理
2.2 定向凝固理论 2.3 定向凝固技术工艺参数
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From GE Global Research Center HIT
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2.1定向凝固技术定义
晶体生 长方向
侧向无 温度梯 度,不 散热
热流方向
定向凝固是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,以获得具有特定取向柱状晶的 技术。
电磁约束成形定向凝固装臵
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3.定向凝固技术发展
8.激光超高温度梯度快速定向凝固
在激光表面快速熔凝时,凝固界面的温度梯度可高达 5×104K/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,界面上不同位臵生长方向也不相同。 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。
成镜面的铸坯。
OCC 法将高效的连铸技术和先进的定向凝固技术相结合,综合了二者 的优点,是一种新型的近成品形状加工技术。目前国内外应用连续定向凝固
法已成功拉制出了具有各种圆形截面及异形截面形状,如圆棒、圆管、椭圆
管、多边形棒、异形棒等的单晶型材;另外也可生产出有芯材料或同轴异质 等复合材料。 最初的 OCC 技术采用简单的下引方式见下图 (a) ,仅拉出长度 50mm 左 右形状不规整的镜面铸锭,直到1980年,才发现出三种方法,即下引法、上 引法和水平法见下图(b)-(d)。
工业上使用的定向凝固技术主要冶金工艺参数
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3.定向凝固技术发展
工业上较广泛使用的 定向凝固装臵示意图
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3.定向凝固技术发展
5.区域熔化液态金属冷却法
该方法将区域熔化与液态金属 冷却相结合,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。最高温度梯度可1300K/cm, 最大冷却速度可达50K/s。
是水冷模底部采用水冷铜底座 ,顶部覆盖发热剂,侧壁采用隔热层绝热 ,浇
入金属液后,从而在金属液和已凝固金属中建立起一个自下而上的温度梯 度,实现定向凝固。 由于所能获得的温度梯度小和沿高度不断减小,而且很难 控制。但其工艺简单、成本低,可用于制造小批量零件。
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3.定向凝固技术发展
2.功率降低法
OCC法连续铸造技术与传统连续铸技术凝固过程的比较
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3.定向凝固技术发展
9.连续定向凝固技术
此外, OCC 法连铸过程中固相与铸型不接触,固液界面处于自由状态, 固相与铸型之间是靠金属液的表面张力来联系,因此,不存在固相与铸型之 间的摩擦力,可以连续拉延铸坯,并且所需的拉延力也很小,可以得到表面
随V增大: 界面形貌的演变:平界面-胞状-树枝状-胞状-平界面
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(2)MS理论
GL mL (1 k0 ) C0 R DL k0
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2.3定向凝固技术工艺参数
凝固过程中固液界面前沿液相中的温度梯度GL ;
固液界面向前推进的速度R ;
GL/R值是控制晶体长大形态的重要判据;
• • • •
感应线圈分两段,铸件在凝固 过程中不移动。 模壳预热到一定温度,向壳内
浇入过热合金,切断下部电源,
上部继续加热 GL随凝固距离的增加不断减小。
GL和R不能人为控制
PD法示意图
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3.定向凝固技术发展
3.快速凝固法 与PD法的区别:

• •
铸型加热器始终加热
凝固时,铸件与加热器之间 产生相对移动 在热区底部使用辐射挡板和 水冷套,挡板附近有较大的 GL、 GS 与PD法比,大大缩小凝固前 沿两相区,局部冷却速度增 大,有利细化组织,提高机 械性能 H.R.S法示意图
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1.定向凝固的发展历史
近20年来,不仅开发了许多先进的定向凝固技术,同时对 定向凝固理论也进行了丰富和发展,从Charlmers等的成 分过冷理论到Mullins等的固/液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,从而又能进 一步指导凝固技术的发展。 随着其他专业新理论的出现和日趋成熟及实验技术的不断 改进,新的凝固技术也将被不断创造出来。定向凝固技术 必将成为新材料的制备和新加工技术的开发提供广阔前景 ,也必将使凝固理论得到完善和发展。
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4.定向凝固技术的应用
3.高温合金制备
金 高 温 合
高温合金是现在航空燃气涡轮 .舰船燃气轮 机、地面和火箭发动机的重要金属材料,在先进 大航空发动机中,高温合金的用量占 40%—60%, 因此这种材料被喻为燃气轮的心脏。 采用定向凝固技术生产的高温合金基本 上消除了垂直于应力轴的横向晶界,并以其独特
1. 铜板2. 试样3. 激光束4. 保护气体5. 底板6. 电机 HIT
3.定向凝固技术发展
9.连续定向凝固技术
该技术是通过加热结晶器模型到金属熔点温度以上,铸型只能约束金 属液相的形状,金属不会在型壁表面凝固;同时冷却系统与结晶器分离, 在型外对逐渐进行冷却,维持很高的牵引方向的温度梯度,保证凝固界 面是凸向液相的,以获得强类的单向温度梯度,使熔体的凝固只在脱了 结晶器的瞬间进行。 随着铸锭不断离开结晶器,晶体的生长方向沿热流的反方向进 行,获得定向结晶组织,甚至单晶组织,其原理如图所示,这种方法最大 的特点是改变传统的连续凝固中冷却结晶器为加热结晶器,熔体的凝固 不在结晶器内部进行。
1. Ingot 2. Cooling agent 3. Cooling water 4. Insulation board 5. Induction coil 6. Sample 7. Melting zone 8. Crucible
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3.定向凝固技术发展
6.深过冷定向凝固
在坩埚中装有试样,装在高频悬浮熔 炼线圈中循环过热使异质核心通过蒸发 与分解方式去除,或装有净化剂,通过净 化剂的吸附作用消除和钝化合金的异质 核心。以此获得深过冷的合金熔体。再 将坩埚的底部激冷,金属液内建立起一个 自下而上的温度梯度,冷却过程中温度最 低的底部先形核,晶体自下而上生长,形 成定向排列的树枝晶骨架。 深过冷与一般的定向凝固技术相比, 可以免除复杂的抽拉装置,另外,凝固速 度快,时间短,可大幅度提高生产效率。 1.激发源2.熔体3. 净化剂4.感
凝固过程中的成分过冷或金属的性质(T1-T2) /DL.
m C0 (1 k0 ) T1 T2 (或 ) DL k0 DL
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3.定向凝固技术发展
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
液 态 金 属 冷 却 法
区 域 熔 化 液 态 金 属 冷 却 法
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4.定向凝固技术的应用
应用定向凝固方法,得到单方向生长的柱状
晶,甚至单晶,不产生横向晶界,较大提高了材料的
单向力学性能,热强性能也有了进一步提高,因此, 定向凝固技术已成为富有生命力的工业生产手段,应 用也日益广泛。
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4.定向凝固技术的应用
1.单晶生长
晶体生长的研究内容之一是制备成分准确,尽可能无杂 质,无缺陷(包括晶体缺陷)的单晶体。晶体是人们认识固体 的基础。定向凝固是制备单晶最有效的方法。为了得到高质量 的单晶体,首先要在金属熔体中形成一个单晶核:可引入粒晶 成自发形核,而在晶核和熔体界面不断生长出单晶体。 单晶在生长过程中绝对要避免固—液界面不稳定而生出 晶胞或柱晶。故而固—液界面前沿不允许有温度过冷或成分过 冷。固液界面前沿的熔体应处于过热状态,结晶过程的潜热只 能通过生长着的晶体导出。定向凝固满足上述热传输的要求, 只要恰当的控制固—液界面前沿熔体的温度和速率,是可以得 到高质量的单晶体的。
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
连 续 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
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3.定向凝固技术发展
1.发热铸型法
发热剂法是定向凝固技术发展的起始阶段,是最原始的一种。其原理
成分过冷区足够大时 柱状晶生长情况
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成分过冷区进一步加宽,从柱 状枝晶的外生生长转变为等轴 晶的内生生长
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