第三章定向凝固

第三章定向凝固技术

3、1定向凝固技术概论

定向凝固技术就是上世纪60年代,为了消除结晶过程中生成得横向晶界,从而提高材料得单向力学性能,而首先提出得。目前,定向凝固技术被广泛应用于高温合金、磁性材料、单晶生长、自生复合材料得制备。定向凝固技术得最主要应用就是生产具有均匀柱状晶组织得铸件。利用定向凝固技术制备得航空领域得高温合金发动机叶片,与普通铸造方法获得得铸件相比,它使叶片得高温强度、抗蠕变与持久性能、热疲劳性能得到大幅度提高。对于磁性材料,应用定向凝固技术,可使柱状晶排列方向与磁化方向一致,大大改善了材料得磁性能。用定向凝固方法得到得自生复合材料消除了其它复合材料制备过程中增强相与基体间界面得影响,使复合材料得性能大大提高。

定向凝固就是指在凝固过程中采用强制手段,在凝固金属与未凝固金属熔体中建立起特定方向得温度梯度,从而使熔体沿着与热流方向相反得方向凝固,最终得到具有特定取向柱状晶得技术。热流得控制就是定向凝固技术中得重要环节,获得并保持单向热流就是定向凝固成功得重要保证。伴随着对热流控制技术得发展,定向凝固技术由最初得发热剂法(EP法)、功率降低法(PD法)发展到目前广泛应用得高速凝固法(HRS法)、液态金属冷却法(LMC法)何连续定向凝固法。

3、2 定向凝固得理论基础

定向凝固就是研究凝固理论与金属凝固规律得重要手段,定向凝固技术得发展直接推动了凝固理论得发展。从Chalmers等得成分过冷到Mullins得界面绝对稳定动力学理论,人们对凝固过程有了更深刻得认识。

在定向凝固过程中,随着凝固速度得增加,固液界面得形态由低速生长平面晶→胞晶→枝晶→细胞晶→高速生长得平面晶变化。无论就是那一种固液界面形态,保持固液界面得稳定性对材料得制备与材料得力学性能非常重要。因此固液界面稳定性就是凝固过程中一个非常重要得科学问答题。低速生长得平面晶固液界面稳定性可以用成分过冷理论来判定,高速生长得平面晶固液界面稳定性可以用绝对稳定理论来判定。但就是,到目前为止,关于胞晶、枝晶、细胞晶固液界面稳定性问题,尚没有相应得判定理论。

(一)成分过冷理论

20世纪50年代Charlmers,Tiller等人首次提出单相二元合金成分过冷理论。

在固溶体合金凝固时,在正得温度梯度下,由于固液界面前沿液相中得成分差别,导致固液界面前沿得熔体得温度低于实际液相线温度,从而产生得过冷称为成分过冷。这种过冷完全就是由于界面前沿液相中得成分差别引起得。产生成分过冷必须具备两个条件:一就是固液界面前沿溶质得富集引起得成分再分配。由于溶质在固相得溶解度小于液相,当单相合金冷却凝固时,溶质原子被排挤到液相中去,在固液界面液相一侧堆积着溶质原子,形成溶质原子得富集层。随着离开固液界面距离得增大,溶质分数逐渐降低。二就是固液界面前沿液相一侧得实际温度分布低于平衡时液相线温度。在凝固过程中,由于外界冷却作用,在固液界面液相一侧不同位置上实际温度不同。外界冷却能力越强,实际温度越低;相反,实际温度则高。如果在固液界面液相一侧溶液中得实际温度低于平衡时液相线温度,由于溶质在液相一侧得富集,将出现成分过冷现象。

(a) (b)

(c) (d)

图3-1合金凝固时得成分过冷分析图,(a) 相图;

(b) 体系平衡时得液相线温度; (c) 因凝固引起得液相一侧成分富集; (d) 成分过冷区

对合金而言,其凝固过程同时伴随着溶质再分配,液相得成分始终处于变化中,液相中溶质成分得重新分配,改变了固液平衡温度。利用成分过冷,可以判定低速生长得平面晶固液界面稳定性,判断合金微观得生长过程。在固相无扩散,液相有限扩散条件下得定向凝固过程中,保持平界面凝固得成分过冷判据为:

G L/v ≥ -m L w L(1-k0)/D L

式中,G L为凝固界面液相一侧温度梯度,v为凝固速度,m L为液相线斜率,k0为溶质平衡分配系数,w L为溶质浓度,D L为溶质野象扩散系数。

图3-2就是二元合金Pb-Sn系平面

凝固条件。随着溶质Sn质量分数得增

加,固液界面稳定因子(GL/v)要增大,这

样才能维持平面凝固条件,抑制胞晶得

形成。多元系得单相合金凝固与二元

系单相合金凝固一样,只要温度梯度足

够高,凝固速度足够慢,可以获得平界

面凝固。

一般来讲,成分过冷理论对判断固

液平界面稳定性就是适用得,但由于这

一判据就是在一定假设条件下推导得,

存在如下局限性:(1)成分过冷理论就

是以热力学平衡态为基点得理论,不能

作为描述动态界面得理论依据;(2)在

固液界面上局部得曲率变化将增加系

统得自由能,而这一点在成分过冷理论

中被忽略了;(3)成分过冷理论没有说

明界面形态改变得机制。快速凝固新

技术得出现,发现成分过冷理论已不能

适用于快速冷却定向凝固。因为,快速凝固时,冷却速率很大,按成分过冷理

论,GL/v 越来越小,更因该出现树枝晶。但实际情况就是,快速凝固后,固液界面反而能够稳定,产生无偏析得柱状晶组织,得到成分均匀得材料。

(二)绝对稳定性理论

Mullins 与Sekerka 鉴于成分过冷理论存在得不足,提出了一个考虑溶质浓度场合温度场、固液界面能以及界面动力学得新理论。该理论揭示,合金在凝固过程中,其固液界面形态取决于两个参数:G L /v 与G L · v ,即分别为界面前沿液相温度梯度与凝固速度得商与积。前者决定了界面得形态,而后者决定了晶体得显微组织,即枝晶间距或晶粒大小。Mullins 得界面稳定动力学理论成功地预言了:随着生长速度得提高,固液界面形态将经历从平界面→胞晶→树枝晶→胞晶→带状组织→绝对稳定平界面得转变。近年来对界面稳定性条件所做得进一步分析表明,Mullins 得界面稳定动力学理论还揭示着另一种绝对性现象,即当温度梯度G L 超过临界值时.温度梯度得稳定化效应会完全克服溶质扩散得不稳定化效应。这时无论凝固速度如何,界面总就是稳定得,这种绝对稳定性称为高梯度绝对稳定性。因此,Mullins 得界面稳定动力学理论又称为绝对稳定性理论。

3、3 定向凝固技术案例

根据成分过冷理论,要使单相合金在定向凝固过程中得到平界面凝固组织,主要取决于合金得性质与凝固工艺参数。前者包括溶质量、液相线斜率与溶质在液相中得扩散系数,后者包括液相中得温度梯度与凝固速率。如果被研究得合金成分已定,则靠凝固工艺得选择来控制凝固组织,其中,固液界面液相一侧得温度梯度就是关键因素。所以定向凝固技术得发展历史就就是不断提高设备温度梯度得历史。

3、3、1发热剂法

发热剂法就是定向凝固工艺中最原始得一种,为了造成一个液相温度梯度,零件模壳放在一个水冷铜底座上,并在顶

部加发热剂,其装置示意图如图3-3所

示。这种技术生产工艺简单,成本低,但

金属熔体内温度梯度低,单向传热条件

不易保证,凝固一旦开始便无法对凝固

过程进行控制。而且,重复性差,难以生

产高质量部件。所以,这种方法只适用于小型得定向凝固件生产。 3、3、2 功率降低法(PD) 功率降低法就是在发热剂法得基

础上发展起来得,图3-4为功率降低法定

向凝固装置示意图。把一个开底得模壳放在水冷底盘上,石墨感应发热器放在分上下两部分得感应圈内。加热时,上下两部分感应圈全部通电,在模壳内建立所要求得温度场,注入过热熔体。然后下部感应圈断电,通过调节上部感应圈得功率,在液态金属中形成一个轴向温度梯度。 图3-3发热剂法定向凝固装置图 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