定向凝固理論與技術(shù)發(fā)展

1、精選優(yōu)質(zhì)文檔-傾情為你奉上定向凝固理論與技術(shù)發(fā)展摘要定向凝固技術(shù)是研究凝固理論和新型功能材料的重要手段。從定向凝固技術(shù)的演化過程看，是溫度梯度不斷提高、冷卻速度不斷加快的過程。簡要回顧了定向凝固理論與技術(shù)的研究發(fā)展歷程，分析了各種凝固技術(shù)的利弊，展望了凝固理論與技術(shù)的發(fā)展。關(guān)鍵詞：凝固理論，溫度梯度，冷卻速度，定向凝固理論 AbstractDirectional solidification technology is an important means to study the solidification theory and new functional materials. From

2、 the evolutionary process of directional solidification technology is a process of increasing temperature gradient and cooling velocity. It is a brief review of the development course of the directional solidification theory and technology, analyses the advantages and disadvantages of various solidi

3、fication technology, and makes a prospect of solidification theory and technology.Keywords: solidification theory, temperature gradient，temperature gradient，directional solidification theory1 引言定向凝固是指在凝固過程中采用強制手段,在凝固金屬和未凝固金屬熔體中建立起特定方向的溫度梯度,從而使熔體沿著與熱流相反的方向凝固,最終得到具有特定取向柱狀晶的技術(shù)。這類材料晶界在高溫受力條件下是較薄弱的地方,因為晶

4、界處原子排列不規(guī)則,雜質(zhì)較多,擴散較快1。于是人們利用定向凝固技術(shù)讓晶粒沿受力方向生長,消除橫向晶界,以提高其高溫性能。定向凝固技術(shù)的最主要應(yīng)用是生產(chǎn)具有均勻柱狀晶組織的鑄件，特別是在航空領(lǐng)域生產(chǎn)高溫合金的發(fā)動機葉片，與普通鑄造方法獲得的鑄件相比，它使葉片的高溫強度、抗蠕變和持久性能、熱疲勞性能得到大幅度提高。對于磁性材料，應(yīng)用定向凝固技術(shù)，可使柱狀晶排列方向與磁化方向一致，大大改善了材料的磁性能。定向凝固技術(shù)也是制備單晶的有效方法。定向凝固技術(shù)還廣泛用于自生復(fù)合材料的生產(chǎn)制造，用定向凝固方法得到的自生復(fù)合材料消除了其它復(fù)合材料制備過程中增強相與基體間界面的影響，使復(fù)合材料的性能大大提高。定向

5、凝固技術(shù)作為功能晶體的生長和材料強化的重要手段，具有重要的理論意義和實際應(yīng)用價值。2 定向凝固理論基礎(chǔ)研究發(fā)展 2.1 定量凝固科學(xué)的基礎(chǔ)理論研究定向凝固技術(shù)的一個重要應(yīng)用就是用于凝固理論的研究,定向凝固技術(shù)的發(fā)展直接推動了凝固理論的發(fā)展和深入。從Chalmers 等的成分過冷到Mullins 等的界面穩(wěn)定動力學(xué)理論（MS 理論），人們對凝固過程有了更深刻的認識。合金在凝固過程中，其固液界面形態(tài)取決于兩個參數(shù): Gl/v和Gl·v， 即分別為界面前沿液相溫度梯度與凝固速度的商與積。前者決定了界面的形態(tài)，而后者決定了晶體的顯微組織(即枝晶間距或晶粒大小)2。MS 理論成功地預(yù)言了：隨著

6、生長速度的提高，固液界面形態(tài)將經(jīng)歷從平界面胞晶樹枝晶胞晶帶狀組織絕對穩(wěn)定平界面的轉(zhuǎn)變。近年來對MS 理論界面穩(wěn)定性條件所做的進一步分析表明，MS 理論還隱含著另一種絕對性現(xiàn)象，即當(dāng)溫度梯度G 超過一臨界值時，溫度梯度的穩(wěn)定化效應(yīng)會完全克服溶質(zhì)擴散的不穩(wěn)定化效應(yīng)，這時無論凝固速度如何，界面總是穩(wěn)定的，這種絕對穩(wěn)定性稱為高梯度絕對穩(wěn)定性2 定向凝固技術(shù)的應(yīng)用基礎(chǔ)理論研究 定向凝固技術(shù)的應(yīng)用基礎(chǔ)研究，主要涉及定向凝固過程的熱場、流動場及溶質(zhì)場的動態(tài)分析、定向組織及其控制以及組織與性能關(guān)系等。多年來通過生產(chǎn)實踐與定向凝固應(yīng)用基礎(chǔ)研究，總結(jié)出得到優(yōu)質(zhì)定向組織的四個基本要素： 熱流的單向性或發(fā)散度；熱流密

7、度或溫度梯度；冷卻速度或晶體生長速度；結(jié)晶前沿液態(tài)金屬中的形核控制3。人們圍繞上述四個基本要素的控制做了大量的研究工作，隨著熱流控制技術(shù)的發(fā)展，凝固技術(shù)也不斷向前發(fā)展。3 常規(guī)定向凝固技術(shù)傳統(tǒng)的定向凝固技術(shù)主要有發(fā)熱劑法( EP法) 、功率降低法( PD 法) 、高速凝固法(HRS法) 、液態(tài)金屬冷卻法(LMC法)等4 。3.1 發(fā)熱劑法5 發(fā)熱劑法是定向凝固技術(shù)發(fā)展的起始階段,是最原始的一種。Versnyder等早在20世紀50年代就應(yīng)用于試驗中。其基本原理是：將鑄型預(yù)熱到一定溫度后，迅速放到激冷板上并立即進行澆注，冒口上方覆蓋發(fā)熱劑，激冷板下方噴水冷卻，從而在金屬液和已凝固金屬中建立起一個

8、自下而上的溫度梯度,實現(xiàn)定向凝固（如圖1）。也有采用發(fā)熱鑄型的，鑄型不預(yù)熱，而是將發(fā)熱材料填充在鑄型四周，底部采用噴水冷卻。此方法無法調(diào)節(jié)溫度梯度和凝固速度，單向熱流條件很難保證，故不適合大型優(yōu)質(zhì)鑄件的生產(chǎn)。但該方法工藝簡單、成本又低，可應(yīng)用于小型的定向凝固件生產(chǎn)。圖1 PD裝置示意圖3.2 功率降低法在20世紀60年代，Versnyder等人提出了功率降低法6。在這種工藝過程中，鑄型加熱感應(yīng)圈分兩段，鑄件在凝固過程中不動，在底部采用水冷激冷板。加熱時上下兩部分感應(yīng)圈全通電，在模殼內(nèi)建立起所要求的溫度場，注入過熱的合金液。然后下部感應(yīng)圈斷電，通過調(diào)節(jié)輸入上部感應(yīng)圈的功率，在液態(tài)金屬中形成一個軸

9、向溫度梯度。在功率降低法中，熱量主要通過已凝固部分及底盤由冷卻水帶走。這種工藝可達到的溫度梯度較小，在10 / cm左右，制出的合金葉片，其長度受到限制,并且柱狀晶之間的平行度差，甚至產(chǎn)生放射狀凝固組織。合金的顯微組織在不同部位差異較大，目前一般不采用此工藝。3.3高速凝固法高速凝固法7是Erickson 等于1971年提出的，裝置示意圖如圖2所示。其裝置和功率降低法相似,不過多了一個拉錠機構(gòu)，可使模殼按一定速度向下移動，改善了功率降低法溫度梯度在凝固過程中逐漸減小的缺點；另外，在熱區(qū)底部使用輻射擋板和水冷套，在擋板附近產(chǎn)生較大的溫度梯度。這種方法可以加大縮小凝固前沿兩相區(qū)，局部冷卻速度增大，

10、有利于細化組織，提高力學(xué)性能。這種方法是借鑒Bridgman 晶體生長技術(shù)特點而發(fā)展起來的，其主要特點是:鑄型以一定速度從爐中移出，或者爐子以一定速度移離鑄件，并采用空冷方式。這種方法由于避免了爐膛的影響且利用空氣冷卻，因而所獲得柱狀間距變小，組織較均勻。由于大大縮小了凝固前沿兩相區(qū)，局部冷卻速度增大，有利于細化組織，提高力學(xué)性能。因而，在實際生產(chǎn)中得到了廣泛應(yīng)用。但HRS 法是靠輻射換熱來冷卻的，獲得的溫度梯度和冷卻速度都很有限。圖2 HRS裝置示意圖3.4 液態(tài)金屬冷卻法（LMC）在提高散熱能力和增大界面液相溫度梯度方面。功率降低法和高速凝固法都受到一定條件的限制，1974年出現(xiàn)了一種新的

11、定向凝固方法液態(tài)金屬冷卻法8是目前工業(yè)應(yīng)用較為廣泛的一種定向凝固方法（如圖3）。該方法工藝過程與快速凝固法基本相同。不同的就是以液態(tài)金屬代替水作為模殼的冷卻介質(zhì)，模殼直接浸入液態(tài)金屬冷卻劑中,散熱大大增強,以至在感應(yīng)器底部迅速發(fā)生熱平衡，造成很高的，幾乎不依賴浸入速度。冷卻劑的溫度，模殼傳熱性、厚度和形狀,擋板位置，熔液溫度等因素都會影響溫度梯度。液態(tài)金屬冷卻劑要求有低的蒸氣壓和熔點以及有大的熱容量和熱導(dǎo)率。該法已被美國、前蘇聯(lián)等國用于航空發(fā)動機葉片的生產(chǎn)。圖3 MLC裝置示意圖3.5流態(tài)床冷卻法（FBQ法）由于LMC法采用的低熔點合金含有有害元素，成本高，可能使鑄件產(chǎn)生低熔點金屬脆性。Nak

12、agawa等首先用流態(tài)床法來獲得很高的GL，進行定向凝固（如圖4）。用流態(tài)化的150號ZrO2粉作為冷卻介質(zhì)。Ar氣用量大于4000cm3/min，冷卻介質(zhì)溫度保持在100-120。在相同條件下，液態(tài)金屬冷卻法的溫度梯度為100-300/cm，而流態(tài)床冷卻法為100-200/cm，F(xiàn)BQ法基本可以得到也太金屬冷卻法那樣高的溫度梯度。圖4 FBQ裝置示意圖3.6傳統(tǒng)定向凝固技術(shù)存在的問題 不論上述哪種方法,它們的主要缺點是冷卻速度太慢，即使是液態(tài)金屬冷卻法，其冷卻速度仍不夠高，這樣產(chǎn)生的一個弊端就是使得凝固組織有充分的時間長大、粗化，以致產(chǎn)生嚴重的枝晶偏析，限制了材料性能的提高。造成冷卻速度慢的

13、主要原因是凝固界面與液相中最高溫度面距離太遠，固液界面并不處于最佳位置，因此所獲得的溫度梯度不大，這樣為了保證界面前液相中沒有穩(wěn)定的結(jié)晶核心的形成，所能允許的最大凝固速度就有限。為了進一步細化材料的組織結(jié)構(gòu)，減輕甚至消除元素的微觀偏析，有效地提高材料的性能，就需提高凝固過程的冷卻速率。在定向凝固技術(shù)中，冷卻速率的提高，可以通過提高凝固過程中固液界面的溫度梯度和生長速率來實現(xiàn)。因而如何采用新工藝、新方法去實現(xiàn)高溫度梯度和大生長速率的定向凝固，是當(dāng)今眾多研究者追求的目標(biāo)。4 新型定向凝固技術(shù)4.1 超高溫度梯度定向凝固（ZMLMC）9上世紀90年代，西北工業(yè)大學(xué)李建國等人通過改變加熱方式，在液態(tài)金

14、屬冷卻法（LMC法）的基礎(chǔ)上發(fā)展的一種新型定向凝固技術(shù)區(qū)域熔化液態(tài)金屬冷卻法，即ZMLMC法（如圖5）。這種方法將區(qū)域熔煉與液態(tài)金屬冷卻相結(jié)合，利用感應(yīng)加熱機中隊了凝固潔面前沿液相進行加熱，從而有效地提高了固液前沿的溫度梯度。西北工業(yè)大學(xué)研制的ZMLMC定向凝固裝置，其最高溫度梯度可達1300K/cm,最大冷卻速度可達50K/s。凝固速度可在61000um/s內(nèi)調(diào)節(jié)。但是，這種方法單純采用強制加熱來提高溫度梯度，從而提高了凝固速度，仍不能獲得很大的冷卻速度，因為需要散發(fā)掉的熱量相對而言更多了，故冷卻速率提高有限，一般很難達到快速凝固，目前這方便面的研究還都處于實驗室規(guī)模，要進一步廣泛運用，還有

15、待遇進一步的努力和改進。圖5 ZMLMC裝置示意圖4.2深過冷定向凝固技術(shù)(SDS)10-111981年，B·Lux等在動力學(xué)過冷熔體定向凝固方面開展了有益的探索，通過改進冷卻條件獲得了近100K的動力學(xué)過冷度，并施加很小的溫度梯度，最終得到了直徑21mm,長7080mm的MAR-M-200高溫合金定向凝固試樣。西北工業(yè)大學(xué)采用玻璃凈化和過熱相結(jié)合的凈化方法，獲得合金熔體的熱力學(xué)深過冷，并利用過冷度的遺傳性，將熔體深過冷與定向凝固相結(jié)合，使熔體在固液界面前沿相中溫度梯度GL0的條件下凝固。他們稱之為深過冷定向凝固（SDS），整個實驗過程的原理簡圖如圖6所示。圖6 SDS裝置示意圖 在

16、坩堝中裝入試樣，裝在高頻懸浮熔煉線圈中循環(huán)過熱使異質(zhì)核心通過蒸發(fā)與分解方式去除，或裝有凈化劑，通過凈化劑的吸附作用消除和鈍化合金的異質(zhì)核心，以此獲得深過冷的合金熔體。再將坩堝的底部激冷，金屬液內(nèi)建立起一個自下而上的溫度梯度，冷卻過程中溫度最低的底部先形核，晶體自下而上生長，形成定向排列的樹枝晶骨架， 其間是殘余的金屬液。在隨后的冷卻過程中，這些金屬液依靠向外界散熱而向已有的枝晶骨架上凝固，最終獲得了定向凝固組織。當(dāng)熔體獲得很大熱力學(xué)過冷，即在形核就處于深過冷這種亞穩(wěn)態(tài)時，由于固液兩相的吉布斯自由能相差很大，一旦形核，生長速率很快，基本上不受外界散熱條件的影響。所以金屬體積對深過冷定向凝固的影響

17、不大。深過冷與一般的定向凝固技術(shù)相比，可以免除復(fù)雜的抽拉裝置，另外，凝固速度快，時間短可大幅度提高生產(chǎn)效率。深過冷熔體激發(fā)快速定向凝固技術(shù)能否成為一種實用的凝固技術(shù)(或工藝) 還需解決兩個問題。一是研究不同過冷度條件下過冷熔體激發(fā)形核后晶體生長方式和組織形成規(guī)律；確定適用于形成枝晶陣列微觀組織的試驗條件和工藝因素。其次是在上述研究結(jié)果的基礎(chǔ)上最終解決大體積深過冷熔體激發(fā)快速定向凝固技術(shù)。4.3電磁約束成形定向凝固（DSEMS）1220 世紀90 年代初期，傅恒志等在ZMLMC法的基礎(chǔ)上，利用電磁感應(yīng)加熱直接熔化感應(yīng)器內(nèi)的金屬材料，利用在金屬熔體表層部分產(chǎn)生的電磁壓力來約束已熔化的金屬熔體成形。

18、這是一種無坩堝熔煉、無鑄型、無污染的定向凝固成形技術(shù)13-14，可得到具有柱狀晶組織的鑄件。電磁約束成形定向凝固技術(shù)是利用感應(yīng)線圈代替?zhèn)鹘y(tǒng)的結(jié)晶器，依靠電磁力與金屬熔體的表面張力約束成形的無模連續(xù)鑄造技術(shù)，由于金屬熔體與鑄模幾乎無任何物理接觸，在保持自由表面狀態(tài)下逐漸凝固，從而大大改善了鑄坯的表面質(zhì)量，提高了成材率（如圖7）。同時，由于電磁約束成形定向凝固取消了粗厚、導(dǎo)熱性能差的陶瓷模殼，實現(xiàn)無接觸鑄造，使冷卻介質(zhì)可以直接作用于金屬鑄件上，可獲得更大的溫度梯度，用于生產(chǎn)無(少)偏析、組織超細化、無污染的高純難熔金屬及合金15，具有廣闊的應(yīng)用前景。但對某些密度大、電導(dǎo)率小的金屬，實現(xiàn)完全無接觸約

19、束時，約束力小，不容易實現(xiàn)穩(wěn)定的連續(xù)的凝固。對簡單、對稱截面的試件，感應(yīng)線圈的設(shè)計相對容易，而對于復(fù)雜截面的試件，如何設(shè)計線圈，使電磁場分布合理，以得到尺寸精度合乎要求的近終形試件，比較困難。圖7 DSEMS裝置示意圖4.4 連續(xù)定向凝固技術(shù)（OCC法） 連續(xù)定向凝固的思想首先是由日本的大野篤美提出的。上世紀60年代末，大野篤美在研究Chalmers提出的等軸晶“結(jié)晶游離”理論時，證實了等軸晶的形成不是熔液整體過冷引起，而是主要由鑄型表面形核、分離帶入溶液內(nèi)部，枝晶斷裂或重熔引起的。因而，控制凝固組織結(jié)構(gòu)的關(guān)鍵是控制鑄型表面的形核過程。大野篤美把Bridgeman定向凝固法控制晶粒生長的思想應(yīng)

20、用到連續(xù)鑄造技術(shù)上，提出了一種最新的鑄造工藝熱型連續(xù)法（簡稱OCC法），即連續(xù)定向凝固技術(shù)。該技術(shù)是通過加熱結(jié)晶器模型到金屬熔點溫度以上，鑄型只能約束金屬液相的形狀，金屬不會在型壁表面凝固；同時冷卻系統(tǒng)與結(jié)晶器分離，在型外對逐漸進行冷卻，維持很高的牽引方向的溫度梯度，保證凝固界面是凸向液相的，以獲得強烈的單向溫度梯度，使熔體的凝固只在脫了結(jié)晶器的瞬間進行。隨著鑄錠不斷離開結(jié)晶器，晶體的生長方向沿?zé)崃鞯姆捶较蜻M行，獲得定向結(jié)晶組織，甚至單晶組織（如圖8）。這種方法最大的特點是改變傳統(tǒng)的連續(xù)凝固中冷卻結(jié)晶器為加熱結(jié)晶器，熔體的凝固不在結(jié)晶器內(nèi)部進行。此外，OCC法連鑄過程中固相與鑄型不接觸，固液界

21、面處于自由狀態(tài)，固相與鑄型之間是靠金屬液的表面張力來聯(lián)系，因此，不存在固相與鑄型之間的摩擦力，可以連續(xù)拉延鑄坯，并且所需的拉延力也很小，可以得到表面成鏡面的鑄坯。OCC法將高效的連鑄技術(shù)和先進的定向凝固技術(shù)相結(jié)合，綜合了二者的優(yōu)點，是一種新型的近成品形狀加工技術(shù)。圖8 OCC裝置示意圖4.5 激光超高溫梯度快速凝固技術(shù)（LRM）16-18自七十年代大功率激光器問世以來,激光能量高度集中的特性，使它具備了在作為定向凝固熱源時可能獲得比現(xiàn)有定向凝固方法高得多的溫度梯度的可能性，在材料的加工和制備過程中得到了廣泛的應(yīng)用。早在20 世紀70 年代，Cline 等就利用激光作為熱源來定向凝固制作Al-C

22、u、Pd-Cd 共晶薄膜，得到了規(guī)則的層片狀共晶組織，通過計算得到凝固時的溫度梯度分別可達2.14×104 K/cm 和1.11×104 K/cm。激光束作為熱源，加熱固定在陶瓷襯底上的高溫合金薄片，激光束使金屬表面迅速熔化，達到很大的過熱度。在激光表面快速熔凝時，凝固界面的溫度梯度可高達5×104 K/cm 。但一般的激光表面熔凝過程并不是定向凝固，因為熔池內(nèi)部局部溫度梯度和凝固速度是不斷變化的，且兩者都不能獨立控制；同時，凝固組織是從基體外延生長的，界面上不同位置的生長方向也不相同。4.6 二維定向凝固技術(shù)(BDS)20世紀80年代初,湘潭大學(xué)廖世杰教授19開

23、展了二維定向凝固的研究工作,主要用于制備高性能葉片和圓盤件,并于90年代成功的制備出了鋁合金和高溫鎳基合金的樣件。對圓盤件而言,二維定向凝固的主要原理是控制熱流方向,使得金屬由邊緣向中心定向生長,最后獲得具有徑向柱狀晶(宏觀)和枝晶軸(微觀)組織的材料。二維定向凝固合金由于柱狀晶軸沿徑向排列,故其徑向強度、塑性和沖擊韌性得到大幅度提高,非常適合于制造徑向性能要求高的旋轉(zhuǎn)葉片和圓盤件(如高溫發(fā)動機渦輪盤等)。5 結(jié)語 定向凝固技術(shù)的目的是獲得穩(wěn)定的定向凝固組織,合金性能又與組織細化程度緊密相關(guān)。因此,采取不同控制措施以獲得細小的定向組織成為新一代定向凝固技術(shù)的發(fā)展方向?？v觀定向凝固技術(shù)發(fā)展的歷史就是溫度梯度和凝固速度不斷提高的歷史。隨著實驗技術(shù)的改進和理論研究的深入,新一代的定向凝固技術(shù)必將為新材料的制備和新加工技術(shù)的開發(fā)提供廣闊的前景,同時反過來也將促進凝固理論得到進一步完善和發(fā)展。參考文獻1 傅恒志，鑄鋼和鑄造高溫合金及其熔煉M.西安：西北工業(yè)大學(xué)出版社，1985.2 常國威，王建中.金屬凝固過程中的晶體生長與控制M .北京：冶金工業(yè)出版社,20023 吳和保，樊自田，黃乃瑜，等鎂合金真空低壓消失模鑄造流動性的研究J.特種鑄造及有色合金，2007 ，27 (3)：177-179.4 周堯和,胡壯麒,介萬奇.凝固技術(shù)M .北京:機械工業(yè)出版社,1998.206-21