定向凝固

电磁约束成形定向凝固技术
电磁约束成形定向凝固技术是利用电磁 感应加热金属材料,并利用在金属熔体表层 部分产生的电磁压力来约束已熔化的金属熔 体成形。同时,冷却介质与铸件表面有直接 接触,增强铸件固相的冷却能力,在固液界面 附近熔体内可以产生很高的温度梯度,使凝 固组织超细化。
电磁约束成形定向凝固技术
定向凝固技术的原理
定向凝固技术是利用晶体的生长方向与热流 方向平行且相反的自然规律,在铸型中建立特定 方向的温度梯度,使熔融合金沿着与热流方向相 反的方向、按照要求的结晶取向进行凝固的铸造 工艺。 实现定向凝固的总原则为:金属熔体中的热 量严格地按单一方向导出,并垂直于生长中的固 液界面,使金属或合金按柱状晶或单晶的方式生 长。其工作原理如图1所示。
定向凝固技术
涡轮叶片
图1 等轴晶、定向柱状晶和单晶叶片
光学晶体
图 2 光学晶体CaF2(左1:φ220×150mm).
定向凝固的定义
（1）在材料部分熔化状态下，通过移动固－液界面， 以实现晶体特定方向生长，称为定向凝固。 （2）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。 （3）directional solidification(定向凝固)
定向凝固技术
定向凝固中温度场分布
定向凝固技术
定向凝固中浓度场分布
定向凝固中的溶质场

x0 x
x0
c ( x, ) dx J ( x 0 , ) J ( x 0 x 0 , )
x 0 x
精确控制定向凝固
高温结构陶瓷是未来航空航天发动机的关键材料。此类超高温高强材 料的承载特点是有一个主应力方向,因而定向组织可显示极大的优势。制 备这类具有棱面特征、各向异性、对晶体取向非常敏感的定向凝固材料, 要求保证超高温熔化,环境高纯净及凝固过程的高精确控制。 据日本报道,定向凝固的Ａｌ2Ｏ3/ＧｄＡｌＯ3共晶复合材料的相界 尺度已控制在零点几纳米,在1873Ｋ的抗弯试验可得到695ＭＰａ的屈 服强度、断裂韧性10倍于现有的Ａｌ2Ｏ3/ＹＡＧ共晶复合材料。初步 研究表明,此类定向凝固陶瓷共晶复合材料的最高工作温度可达1973Ｋ, 远超过镍基单晶合金和现有高温氧化物陶瓷材料,有可能用作新型燃气涡 轮的非冷却叶片材料。图10是定向凝固的Ａｌ2Ｏ3/ＧｄＡｌＯ3与Ａｌ2 Ｏ3/ＹＡＧ定向共晶和烧结的Ａｌ2Ｏ3/ＧｄＡｌＯ3复合材料性能和组 织的对比。
图2是ＣＭ ＳＸ-2合 金的凝固 组织随冷 却速率演 变的结果。
图3是 ＣＭＳ Ｘ-2合 金γ′相 随冷却 速率演 变的结 果。
晶向择优控制定向凝固
主要针对各向异性的金属间化合物, 特别是其最佳性能方向与晶体择优生长 方向不一致或伴随有复杂固态相变的材 料。
图4是高温 ＴｉＡｌ金属 间化合物γ片 层组织取向与 初生β相或α相 晶体生长方向 的关系。 图4表明,Ｔ ｉＡｌ合金最 终的γ片层与 择优生长方向 垂直或成45° 角
对定向凝固的研究奠定了现代凝固理论基础, 如成分过冷,Ｍ-Ｓ理论,Ｊ-Ｈ理论等。在结构与功 能材料的定向凝固加工中,其典型和突出的贡献有: 高梯度定向及单晶叶片凝固; 晶向择优控制定向凝固—金属间化合物定向 熔体织构定向凝固—高温氧化物超导材料; 超精细控制定向凝固—高温结构陶瓷定向; 晶体连续生长定向凝固—单晶连铸等。
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。激光具有能量高度集中的特性, 这使它具备了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的可能性。 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)。
图5则是ＮｄＦｅＢ永磁合金晶体择优生长方向 与易磁化轴方向的关系。而图5则展示ＮｄＦｅ Ｂ易磁化方向与晶体择优生长方向成90°角。这 些都要求在定向凝固过程中除了要控制相与组织 的竞争选择外,还必须精确调节和控制晶体的生长 方向,使具有最佳性能而非优先生长的晶向转变为 择优生长。
图6是两种调节晶体生长方向的方案,分 别采用旋转籽晶法及双梯度法改变和调节 晶体的择优生长方向。
晶体连续生长定向凝固-单晶连铸
利用定向凝固过程中多晶粒竞争生长的特 点,制备连续的单晶是定向凝固技术中的一 个重要内容。西北工业大学凝固技术实验室 在Ｏ Ｃ Ｃ技术基础上将定向凝固、高梯度 与连续铸造结合起来,制备出准无限长的铜 单晶,为高频、超高频信号的高清晰、高保 真传输提供了关键技术。
图11是连铸单晶的样件。与多晶相比,其塑性大幅度提高, 电阻率降低38%。特别要指出的是他们用纯度99 .9%铜所 获的单晶的相对导电率优于日本用纯度99 .9999%的性能。
定向凝固技术的特点
几种定向凝固方法
炉外法 功率降低法 快速凝固法 液态金属冷却法
炉外法
又叫发热剂法，是定向凝固工艺中最原始的 一种。 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。
第7章 定向凝固技术
定向凝固技术
定向凝固技术的特点
定向凝固设备与方法
定向凝固中温度场分布
定向凝固中浓度场分布 定向凝固界面稳定性
定向凝固技术的发展
从七十年代后期开始,与能源相关的设备, 如核电站设备、压力容器等的需求量增加,相 应地用于这些设备的大型板类件激增。这些板 类件不仅趋于大重量、超厚度,而且对疏松、 偏析、非金属夹杂物的要求极为严格,甚至还 要求有较好锻造性能和焊接性能。这些苛刻的 要求对普通锭生产工艺提出了挑战。 正是在上述背景下,法国和日本在七十年 代末相继提出了小高径比、高冷却强度的定向 凝固锭技术。
高速凝固法（HRS法）
工艺特点：将铸型以一定速度从炉中移出， 或者炉子以一定的速度移离铸件，并采用 空冷方式。 对流传热——辐射传热 避免炉膛的影响而且利用空气冷却，所获 得的柱状晶间距小，细密挺直，组织均匀
高速凝固法
液态金属冷却法（LMC法）
以液态金属代替水，作为模壳的冷却介质， 模壳直接浸入液态金属冷却剂中，散热大大 加强，以至在感应器底部迅速发生热平衡， 造成很高的GTL，几乎不依赖浸入速度。
发热剂（炉外法）
缺点：温度梯度 不大而且很难 控制，不适合 大型、优质件 的生产 优点：工艺简单、 生产成本低
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
缺点：设备较复杂， 能耗消耗比较大， 温度梯度小 优点：温度梯度容易 难控制
图8则是 不同凝固速 率所得到的 定向组织。 这些均表明, 通过调节和 控制凝固参 数,可以有 效地改善Ｙ ＢＣＯ的组 织结构与性 能。
ＹＢＣＯ超导体的定向凝固是一个集连续包晶反应,多相熔体 相变和棱面晶体取向多变,晶向控制困难的液固转变过程,许多定向 凝固中的现象尚有待研究,如图9所展示的定向凝固中ＹＢａ2Ｃｕ 3Ｏ7-δ超导相形成与生长的几种机制都有可能单独或综合出现。
单晶制备
高温合金单晶制备基本上用快 速凝固法
用功率降低法，温度梯度太低 液态金属冷却法又怕低熔点液态 金属进入高温合金，降低力学性能 流态床冷却法，怕沙子进入合金 中成为夹杂物 区域熔化液态金属冷却法，对变 截面的叶片需要深入研究
选晶器有 各种形状， 常用螺旋 状选晶器
如要一定的 晶体取向， 可用椭球面 镜反射炉
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 不溶解在合金中 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50～80cm/h 和1cm
它是提高金属材料产品性能和成材率的重要方向之一。 电磁成形是一种先进的材料成形加工技术,应用该技术,不仅 可以实现金属的无坩锅熔化,而且还可以达到无铸型成形的效 果,避免了材料在冶炼和成形中的污染。 该技术是一项涉及电磁流体力学、冶金、凝固以及自动控制 等学科的技术,各种工艺参数如电磁压力、加热密度、抽拉速 度的选择将决定铸件的表观质量和性能。 电磁约束成形定向凝固工艺将成为一种很有竞争力的定向凝 固技术,但还需研究解决靠近固液界面处熔体的侧向是否有横 向传热等问题。
高梯度定向及单晶叶片定向凝固
高梯度定向及单晶叶片由于消除横向或完全消 除晶界,晶体沿[001]特定方向生长,提高初熔温度 及固溶处理窗口温度,增加γ′数量并细化,故大幅 度提高性能,提高使用温度。 为了进一步发掘高温合金材料的潜力,西北工 业大学凝固实验室开发出高梯度与超细化定向凝 固技术,使单晶镍基合金的凝固组织与析出强化相 分别达到微米及亚微米级,从而使高温持久性能得 到成倍的提高。
熔体织构定向凝固
ＹＢＣＯ是一种强各向异性的高温 超导体,过去通用粉末烧结法制备。由 于弱连接、夹杂和空洞,严重降低了Ｊ Ｃ;后开发出熔体织构生长法(ＭＴＧ) 定向生长,可提高超导性能,促进大尺寸 ＹＢＣＯ制备发展。
图7是 ＹＢＣＯ 超导体定 向凝固中 临界电流 密度与温 度梯度和 凝固速率 比值的关 系。
定向凝固的方法
定向凝固技术的发展历史是不断提高设备 温度剃度的历史。 热流的控制是定向凝固技术中的重要环节。 获得并保持单向热流是定向凝固成功的重 要保证。 随着对热流控制（不同的加热、冷却方式） 技术的发展，定向凝固技术经历了由炉外 法、功率降低法、快速凝固法到液态金属 冷却法等的发展历程。
工艺比较
工艺比较
几种新型定向凝固技术
区域熔化液态金属冷却法 超高梯度定向凝固技术(ZMLMC) 深过冷定向凝固技术 电磁约束成形定向凝固技术 激光超高温度梯度快速定向凝固技术
区域熔化液态金属冷却法(ZMLMC)
ZMLMC法是采用区域熔化和液态金属 冷却相结合的方法。它利用感应加热,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。由于冷 却速率明显提高,导致凝固组织细化,大幅 度提高了合金的力学性能。
区域熔化液态金属冷却法
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。
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与传统定向凝固相比,深过冷定向凝固 有下述特点: (1)深过冷凝固与快淬急冷液态金属具 有相似的凝固机制,本质上均属快速凝固。 (2)定向凝固组织形成过程中的晶体 生长速度高,组织结构细小,微观成分偏析 程度低,促使铸件的各种力学性能大幅度提 高。目前,深过冷的研究还局限于纯金属或 简单的二元合金,如何获得具有一定外形的 零件是关系到该技术能否实用化的主要问 题。