第6章 特殊条件下的凝固

向一致时，具有高强度，抗蠕变和抗热疲劳特性
明显提高。
关键是创造单向散热的冷却条件。
第三章 凝固热力学与动力学
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Principle of Materials Forming
材料成型原理——液态成形
定向凝固装置
第三章 凝固热力学与动力学 3
Principle of Materials Forming
材料成型原理——液态成形
一旦形核,生长速率很快,基本上不受外界 散热条件的影响。可以免除复杂的抽拉 装置。
Principle of Materials Forming
材料成型原理——液态成形
定向凝固技术的发展
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ቤተ መጻሕፍቲ ባይዱ却 法
In situ and real-time imaging
区 域 熔 化 液 态 金 属 冷 却 法
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第三章 凝固热力学与动力学
Principle of Materials Forming
材料成型原理——液态成形
深过冷定向凝固技术
基本原理是将盛有金属液的坩埚置于一 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。
善起来的。该技术最初用来消除结晶过程中生
成的横向晶界，甚至消除所有晶界，从而提高 材料的高温性能和单向力学性能。
在定向凝固过程中温度梯度和凝固速率这两个
重要的凝固参数能够独立变化，可以分别研究 它们对凝固过程的影响。这既促进了凝固理论 的发展，也激发了不同定向凝固技术的出现。
第三章 凝固热力学与动力学 6
第三章 凝固热力学与动力学
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Principle of Materials Forming
材料成型原理——液态成形
涡轮叶片的微观与宏观组织
等轴多晶体
第三章 凝固热力学与动力学
定向凝固柱状晶
单晶
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Principle of Materials Forming
材料成型原理——液态成形
定向凝固基本原理
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， 获得具有特定取向柱状晶的技术。 定向凝固技术是在高温合金的研制中建立和完
第三章 凝固热力学与动力学
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Principle of Materials Forming
材料成型原理——液态成形
激光超高温度梯度快速定向凝固
激光能量高度集中的特性,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。 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，凝固组织是从基体外延生长的， 界面上不同位置的生长方向也不相同。
材料成型原理——液态成形
发热铸型法和功率降低法
将熔化好的金属液浇入一侧壁绝热，底 部冷却，顶部覆盖发热剂的铸型中，在 金属液和己凝固金属中建立起一个自上 而下的温度梯度，使铸件自上而下进行 凝固，实现单向凝固。 石墨感应发热器放在分上下两部分的感 应圈内。加热时上下两部分感应圈全通 电，在模壳内立起所要求的温度场．然 后注入过热的合金熔液。此时下部感应 圈停电，通过调节输入上部感应圈的功 率，使之产生一个轴向温度梯度。 这种方法由于所能获得的温度梯度不大， 并且很难控制，致使凝固组织粗大，铸 件性能差，因此，该法不适于大型、优 质铸件的生产。但其工艺简单、成本低， 可用于制造小批量零件。
第三章 凝固热力学与动力学
Principle of Materials Forming
材料成型原理——液态成形
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 梯度可达1300K/cm，最大冷 却速度可达50K/s。
液态金属冷却法是在快速凝固法的基础上，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。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，得到比较长的单向柱晶。
常用的液态金属有Ga-In合金和Ga-In-Sn合金， 以及Sn液。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。该法已被美国、前苏联等国用于 9 航空发动机叶片的生产。
材料成型原理——液态成形
主要内容
6.1 定向凝固 6.2 快速凝固 6.3 非重力凝固
第三章 凝固热力学与动力学
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Principle of Materials Forming
材料成型原理——液态成形
6.1定向凝固
定向凝固：铸件按一定方向由一端开始，逐步向另一端 结晶。
柱状晶组织纯净、致密，当排列方向与受力方
第三章 凝固热力学与动力学
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
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Principle of Materials Forming
第三章 凝固热力学与动力学 8
Principle of Materials Forming
材料成型原理——液态成形
快速凝固法和液态金属冷却法
快速凝固法是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， 在生产中有一定的应用。