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。
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）
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）
凝固技术也不断向前发
定向凝固技术的应用基础理论研究
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。由于该技术较好地控制了凝固组织 的晶粒取向，消除了横向晶界，大大提高了材料的纵 向力学性能。因此，将该技术用于燃气涡轮发动机叶 片的生产，所获得的柱状晶组织具有优良的抗热冲击 性能、长的疲劳寿命、高的高温蠕变抗力和中温塑性， 进而提高了叶片的使用寿命和使用温度。该技术的进 一步发展是单晶生产，它除了用于高温合金单晶叶片 的研制外，还逐渐推广到半导体材料、磁性材料、复 合材料的研究中，成为现代凝固成形的重要手段之一。
3 高速凝固法（HRS法）
为了改善功率降低法在加热器关闭后，冷却速度慢的 缺点，在晶体生长技术的基础上发展成了一种新的定 向凝固技术，即快速凝固法。该方法的特点是铸件以 一定的速度从炉中移出或炉子移离铸件，采用水冷导 热的方式，而且炉子保持加热状态。这种方法由于避 免了炉膛的影响，且利用结晶器中水冷却导热，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，现在生产中大量应用。
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）Fra bibliotek。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
陶芯自由端 铸件
起始端 底盘
单晶凝固组合形式
关键结构
1
盖板
主轴
加料室 熔炼室 中频感应炉 中频感应线圈 石墨加热套 模壳 水冷结晶器 隔热板 铸型室
单晶凝固
定向/单晶的凝固技术
1 发热剂法（EP法）
所谓的发热剂法就是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 和已凝固金属中建立起一个自上而下的温度梯度，使 铸件自下而上进行凝固，实现单向凝固。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
定向凝固技术的应用基础理论研究
定向凝固技术的应用基础理论研究 主要涉及定向凝固过程的热场流动场及溶质场的动态分析
定向组织及其控制以及组织与性能关系等多年来通过生产 实践与定向凝固应用基础研究总结出得到优质定向组织的 四个基本要素 ①热流的单向性或发散度 ②热流的温度梯度 ③冷却速度或晶体生长速度 ④结晶前沿液态金属中的形核控制 人们围绕上述四个基本要素的控制 做了大量的研究工作随着热流控制技术的发展
（霍山） 2015年7月
引言
普通铸件一般均由无一定结晶方向的多晶体组成。在 高温疲劳和蠕变过程中，垂直于主应力的横向晶界往 往是裂纹产生和扩展的主要部位，也是涡轮叶片高温 工作时的薄弱环节。采用定向凝固技术可获得生长方 向与主应力方向一致的单向生长的柱状晶体）。定向 凝固由于消除了横向晶界，从而提高了材料抗高温蠕 变和疲劳的能力。定向凝固铸件的组织分为柱状、单 晶和定向共晶3种。
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