定向凝固-2014

表3-1 生产Mar-M200高温合金的三种定向凝固工艺比较
工艺参数
过热度/ K 循环周期/min 模子直径/cm
GL/Kcm-1 R/cm/h-1 糊状区宽度/cm 局部凝固时间/min 冷却速度/ K h-1
功率降低法
120 170 3.2 7 11 3 12 10 15 85 88 90
该定向凝固工艺的特点：
GL很高，可以达到73103 K/mm ； 定向凝固组织完整、细小；
试样尺寸有限，直径只有几十毫米，长度也有 限；
据我国定向凝固技术进步奖，该工艺加区域熔 炼技术可使GL达到1300 K/cm的超高温度梯度。
3.2.3 发热保温法定向凝固工艺(EP) 发热保温法定向凝固工艺：
与功率降低法定向凝固工艺比较，高速凝固法 定向凝固工艺具有较大的温度梯度GL ，约为 30K/cm，改善了柱状晶的质量，在300mm的高 度内可以获得完全的柱状晶；
比功率降低法定向凝固工艺的凝固速度快23 倍，R可以达到300mm/h；
由于局部凝固时间和糊状区都变小，铸件显微 组织致密、偏析减小，改善了合金组织，如图39所示。
图3-9 高速凝固法与功率降低法制备的定向凝固铸锭宏观组织比较
3.2.6 液态金属冷却法定向凝固工艺(LMC)(2)
液态金属冷却法定向凝固特点：
以液态金属代替冷却水作为模壳的冷却介质， 模壳直接浸入到液态金属冷却剂中，散热强度大 大增强，产生很高的GL ； 液态金属冷却剂的温度、模壳传热性及模壳厚 度、挡板位置、高温合金液的温度等因素都会影 响液态金属的温度梯度GL 。 液态金属冷却剂的选择：低的蒸气压、熔点低、 热容量大、导热率高、不易溶解于合金中、价格 便宜。
液态金属冷却剂可以是静止的，也可以 是流动的。
液态金属冷却法定向凝固工艺特点：
局部凝固时间和糊状区进一步变小，比 高速凝固法的还小，铸件显微组织比较理 想；
液态金属冷却法的GL和R最大，GL可达 73103K/cm，R可达530610mm/h； 功率降低法、高速凝固法和液态金属冷 却法的特征参数比较如表3-1所示。
定向凝固技术的应用 和研究进展
北京科技大学 毛卫民
3.1 概述
3.1.1 传统凝固组织
以铸坯或铸件为例讨论大体积金属或合金的传统 凝固组织。 图3-1是铸锭横截面凝固组织示意图，该组织可以 大致分为三个区域。
图3-1 铸坯凝固组织示意图
细等轴晶区（激冷层） 金属晶粒各个方向的尺寸近乎相等，排列 紊乱；晶粒细小；区域很窄，约毫米级。 细等轴晶区出现的原因：结晶器内壁激冷 导致大量晶核产生。
铸型结构如图3-6所示，这是最早期的一种工 艺；
图3-6 发热保温法定 向凝固工艺示意图
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-铸件，8-
水冷铜板
冷却装置为水冷铜板，铸型为精铸模壳，铸型 上部覆盖发热保温材料，造成铸件向水冷铜板的 单向传热，形成柱状晶组织；
热方向和传热强度，最终得到不同的定向结晶组 织； 定向凝固可以进行的工艺参数控制关系式
为保持定向凝固正常进行，下式必须成立：
(1) 式中 GL液相温度梯度，R晶体生长速度， DL液相原子扩散速度，mL液相线斜率， Co原始成分，Ko平衡分配系数。
只要GL足够大，就可以保证（1）式成立；当R 较小时， GL可以相对小一些；当合金成分一定 时， GL对定向凝固结晶形貌具有决定性的影响， 所以，如何建立较大的温度梯度是定向凝固的关 键之所在；
工作过程：
按坩埚直径准备好定向凝固材料；
按图3-3安装炉内凝固、结晶坩埚；
将炉料放入熔化坩埚，水套通水，送电加热炉 料；
当金属熔化后，即流入结晶坩埚，即可开始定 向凝固；
定向凝固时，可以保持炉体不动，使结晶坩埚 向下运动，也可以保持结晶坩埚动，使炉体向 上运动。
控制关键技术： 通过炉体结构和运动方式控制金属或合金的传
工艺核心技术：
取消水冷铜套，改用液态金属作为结晶冷却介质， 可以有效地提高GL； 增加辐射挡板，将高温区和低温区分开，借以进 一步提高固液界面处的GL。 液态金属冷却法定向凝固炉体结构如图3-4和图35所示，感应加热试样（试样直径为14mm），隔热 挡板，冷却介质为Sn。
图3-4 液态金属冷却法定向凝固工艺炉体结构示意图
温度梯度GL较低，一般只能达到10 K/cm 左右； 方法较简单，成本较低，但制备的高温合金叶 片的长度受到限制，且柱状晶之间的平行度较差 。
3.2.5 高速凝固法定向凝固工艺（HRS）
功率降低法的主要缺点：
热传导能力随着离结晶器底盘距离的增加而明 显降低，因此，在功率降低法的基础上发展了高 速凝固法定向凝固工艺。
可以连续制备定向凝固材料。
3.3.2 OCC定向凝固技术
OCC定向凝固技术： Ohno Continuous Casting Process，是日本大
野笃美教授发明的技术； OCC工艺原理如图3-13所示；
图3-13 OCC连续定向凝固工 艺与传统连铸工艺比较
a)OCC连铸工艺, b)传统连铸工艺 1-金属液，2-加热器，3-铸型，4-铸坯，
图3-1 铸坯凝固组织示意图
柱状晶区 金属晶粒长度方向的尺寸比横向尺寸大得多，
排列呈一定的方向性，即平行于热流方向； 柱状晶粒长度方向具有肯定的晶体学方向，如
面心立方柱状晶体的方向为<001>。
图3-1 铸坯凝固组织示意图
粗等轴晶区 金属晶粒各个方向的尺寸近乎相等，排列
紊乱； 金属晶粒粗大，位于铸锭的中部。
高速凝固法
120 45 3.2 26 30 23 30 3.8 5.6 8 12 700
液态金属冷 却法
140 15 1.43 73 103 53 61 1.5 2.5 1.2 1.6 4700
3.3 连续式定向凝固工艺
间歇式定向凝固工艺获得的试样长度尺 寸是有限的，因此制备效率低，生产成本 高。 连续定向凝固工艺（Continuous Unidirectional Solidification）获得的试样 长度尺寸可以很长，因此，制备效率高， 生产成本低，该种工艺具有更大的实用性 。
高速凝固法定向凝固工艺：
高速凝固法的装置与功率降低法的装置相类似， 多但了一个拉锭机构，可以使模壳按一定的速度 向下移动，或使加热器向上移动，借以强化散热， 如图3-8所示；
图3-8 高速凝固法定向凝固工艺装置示意图
1-拉模室，2-模室，3-熔化室，4-坩埚和原料，5-水冷感应圈，6-石墨加 热器，7-模壳，8-水冷底盘
底部开口的模壳置于水冷底盘上；加热模壳后， 浇入金属液，保持几分钟，使模壳和金属液达 到热稳定及在冷却底盘表面形成一薄层固态金 属，然后模壳以预定的速度从加热器底部的挡 板中移出；为得到最好的组织，应使固液界面 保持在挡板附近；
凝固前期，以水冷底盘的对流传热为主，凝固 中后期以辐射传热为主。
高速凝固法 的优点：
方法简单，成本低廉，但无法保证重复性，不 能生产高质量的发动机高温合金叶片；
温度梯度GL较低，距水冷铜板越远，温度梯度 GL越低，整个端面上的GL和R是变化的。
3.2.4 功率降低法定向凝固工艺（PD）
功率降低法定向凝固工艺：
铸型结构如图3-7所示；
图3-7 功率降低法定向 凝固工艺示意图
1-叶片根部，2-叶身，3-叶冠，4浇道，5-浇口杯，6-模盖，7-精铸 模壳，8-热电偶，9-轴套，10-碳毡， 11-石墨发热器，12-Al2O3管，13感应圈，14-管泥封，15-模壳缘盘， 16-螺栓，17-轴，18-冷却水管，
GL控制因素：强化固相的冷却传热，提高Gs （前固沿相附温 近度 液梯 体度 的）温，度可，以可提以高提G高LG；L提；高增固加液辐界射面 挡板，将高温区和低温区分开，也可以提高固液 界面处的GL。 图3-3结构的GL不会很大，必须进一步改进炉 体结构。
3.2.2 液态金属冷却法定向凝固工艺(1)
19-铜座
功率降低法定向凝固工艺：
铸型为开底的精铸模壳，放在水冷铜盘上；石 墨感应发热器放入感应圈内，并套在模壳上，感 应圈分上下两个；
开始加热时，两个感应圈同时通电，当模壳内 建立起所需的温度场后，浇入金属液，此时，下 部感应圈断电，并调节上部感应圈的功率，使模 壳内产生一个轴向温度梯度，造成铸件向水冷底 盘的单向传热，形成柱状晶组织；
控制晶体的结晶生长方向的关键技术是控制 结晶传热的热流方向和传热的热流强度。
3.2 间歇式定向凝固工艺
间歇式定向凝固：每次制取有限长度试样的 定向凝固工艺。
3.2.1 水冷铜套冷却法定向凝固工艺
水冷定向凝固系统组成：
炉体、淬火桶、机架、控温系统、拉拔机 构，如图3-2所示；
图3-2 定向凝固装置示意图 1-热电偶，2-炉体，3-拉拔机架，4-丝杠，5-调速仪，6-直
图3-5 液态金属冷却法定向凝固工艺炉体结构示意图
工作过程：
把直径为14mm的高温合金（Mar-M200）试样 安放在高纯Al2O3坩埚内，再将坩埚悬挂在炉体 内；
高温合金（Mar-M200）试样中心钻出0.52mm 直径的内孔，用于安置热电偶；
首先熔化Sn，并加热到预定温度；
然后再加热合金炉料，当炉料温度达到 15301600C时，再平衡 5 10min ,炉体开始 上升，使Al2O3坩埚以一定的速度浸入液态Sn中。
5-二冷水，6-结晶器
该原理改了普通变连铸中的冷却铸型 或结晶器的方法，反而加热铸型或结晶 器，依据的观点是铸型内壁或结晶器内 壁促进形核，只要将铸型或结晶器加热 到合金液相线温度以上，连铸坯就只有 一个凝固方向，即轴向生长；
液态金属冷却法定向凝固工艺：
装置如图3-10所示；
图3-10 液态金属冷却法 定向凝固装置示意图
1-液态Sn，2-模壳，3-浸入机构， 4-真空室，5-坩埚，6-高温区，7-
挡板，8-加热线圈
工艺过程与高速凝固法相似，当定向凝 固金属熔液浇入模壳后，按预定的速度将 模壳浸入液态金属冷却剂中，使凝固金属 的固液界面保持在液态金属冷却剂液面附 近；
图3-1 铸坯凝固组织示意图
铸件组织：
铸件组织也具有铸锭组织的形成规律，但有时只 有等轴晶、或柱状晶、或激冷层加柱状晶，这要取 决于实际凝固条件的控制。
金属凝固组织的影响：
结晶组织状态对铸件或材料性能有很大的影响； 为了获得较高的综合性能，细小等轴晶是有利的， 因此，如何获得全部为细小等轴晶组织是材料加工 的一个重要的发展方向；
3.3.1 HTG定向凝固技术 HTG定向凝固工艺：
HTG工艺即High Temperature Gradient Process， 它是美国M.I.T的Flemings教授在制备复合材料中 提出的工艺方法，其原理如图3-12所示；
图3-12 HTG法定向凝 固工艺原理
关键技术：通过减薄液体金属，使金属液 象薄膜，并加热金属液，同时强化已凝固部 分的冷却，获得很高的液相温度梯度GL； 在Sn-Pb和Al-Cu合金中获得了1000K/cm 的GL； 在GL为650K/cm、 GL/R为6.35103 KS/mm2的条件下，获得了纯柱状晶组织的 Sn-30wt%Pb合金。
柱状晶具有方向性，其性能也具有各向异 性，这对于磁性材料、导线和燃气轮机叶片 等来说，获得全部为柱状晶组织是必要的， 因此，定向凝固是材料加工的另一个重要的 发展方向。
3.1.2 定向凝固组织的定义
定向凝固定义：
控制金属或合金熔体的结晶生长方向，获得 单一的柱状晶或单晶组织的凝固方法。
定向凝固的控制关键：
流电机，7-淬火桶，8-结晶器支架，9-控温仪
核心部位：炉体结构，如图3-3所示。
图3-3 水冷铜套定向凝 固炉体结构示意图
1-热电偶，2-加热丝，3-炉壳， 4-氩气导管，5-熔化坩埚，6结晶坩埚，7-炉管，8-水冷套，
9-水冷结晶器
核心部位：加热区：将金属或合金熔 化并过热；坩埚一般有两个，一个用于 熔化金属，另一个用于定向结晶凝固， 坩埚的材质一般为刚玉（熔化高熔点金 属）；两个水冷铜套，一个水套造成单 向热流，即向下传热，另一个水套造成 较大的温度梯度；控制温度场热电偶； 可以设置保护气氛。