特殊条件下的凝固与成形.ppt

第10章 特殊条件下的凝固 与成形 特殊条件，是指与传统条件的铸件（锭）凝固 过程不同的条件。包括快速凝固、失重条件下的 凝固和定向凝固、连续铸造和半固态成形等。 10.2 定向凝固 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点方向的 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。 定向凝固是研究凝固理论和金属凝固规律的重 要手段，也是制备单晶材料和纳米级连续纤维晶 高性能结构材料和功能材料的重要方法。 自20世纪60年代以来，定向凝固技术发展很块。 涡轮叶片的微观与宏观组织 定向凝固技术在共晶凝固、定向柱状晶生长和 单晶铸造等方面都有重要的意义。 20世纪60年代初，为了改善铸造超合金的塑 性，有人采用先进的铸件定向凝固技术，制造了 单向排列的晶粒组织，从而抑制了晶间断裂。由 于定向凝固，材料的抗蠕变和抗热疲劳性能都有 很大程度的提高，因此定向凝固材料的塑性很高 （≈25%），而传统铸造合金的塑性只有≈25。 10.2.1定向凝固原理 在定向凝固过程中,随着凝固速度的增加,固液 界面的形态由低速生长的平面晶→胞状晶→枝晶 →细胞晶→高速生长的平面晶变化。无论是哪种 固液界面形态，保持固液界面的稳定性对材料的 制备和材料的力学性能非常重要。因此，固液界 面稳定性是一个十分重要的科学问题。 低速生长的平面晶固液界面稳定性可以用成分 过冷理论来判定； 高速生长的平面晶固液界面稳定性可以用绝对 稳定性理论来判定。 10.2.2定向凝固的应用 一、定向凝固技术与高温合金 采用定向凝固技术生产的高温合金基本上消除 了垂直于应力轴的横向晶界，在柱状晶主干方向 上，具有优异的力学性能和高温性能，特别是持 久性能。用定向凝固方法获得的涡轮叶片，对航 空工业的发展起到了至关重要的作用。 MAR-M200合金 虽然高温强度很高，但中温性能尤其是中温塑 性低，涡轮叶片在工作中发生无预兆的断裂。 在MAR-M200合金基础上研制成功的定向凝固高 温合金PWA1422不仅具有良好的中、高温蠕变断 裂强度和塑性，而且具有比原合金约高5倍的热 疲劳性能，在先进航空发动机上获得广泛应用。 在定向凝固合金基础上发展出的完全消除晶界 和晶界强化元素的单晶高温合金，热强性能有了 进一步地提高。采用高梯度定向凝固技术，在较 高的冷却速率下，可以得到具有超细枝晶组织的 单晶高温合金材料。第三代单晶合金制造的涡轮 叶片，工作温度可达1240℃。 二、定向凝固技术与磁性材料 深过冷快速凝固是目前国内外制备块体纳米磁 性材料的研究热点之一。采用该工艺可先制备出 大块磁性非晶，再将其进行退火热处理而获得纳 米磁性材料，也可直接将整块金属进行晶粒细化 至纳米级而获得纳米磁性材料。深过冷快速凝固 方法所制备块体纳米材料的厚度及平均晶粒尺 寸，再很大程度上是由合金成分以及液态及获得 的过冷度决定的。 三、定向凝固技术与自生复合材料 采用定向凝固技术生产自生复合材料，它最大 的特点是强化相的取向非常好，界面处于热力学 比较稳定的状态。当前国内外十分重视研究镍基 和钴基高温合金定向共晶型复合材料。它的特点 是具有优异的韧性、抗疲劳性能、抗蠕变性能和 持久强度，并且对热循环影响很不敏感。所以这 种新型复合材料在航空发动机方面的应用前景极 为美好。如今，定向凝固工艺已成为控制金属基 复合材料基体凝固组织的重要手段之一。 四、定向凝固技术与其他新型材料 人工骨 采用定向凝固技术生产多孔金属，就 是利用气体原子在金属中的溶解度差，对液态金 属加压，提高气体原子在液态金属中的溶解度， 然后设置冷却方向，使液态金属沿一个方向发生 凝固。定向凝固多孔金属可以在保持较高力学性 能的同时，实现人骨所需的较大的空隙率，同时 它具有减震性、耐磨性和化学稳定性。 10.2.3定向凝固工艺 要使合金定向凝固得到平面凝固组织，主要取 决于合金的性质和工艺参数的选择。前者包括溶 质量，液相线斜率和溶质在液相中的扩散系数， 后者包括温度梯度和凝固速率。对于成分已确定 的合金，则靠工艺参数的选择来控制凝固组织， 其中固液界面液相一侧的温度梯度又是最关键 的，所以人们都致力于提高温度梯度。 从定向凝固技术的演化过程看，定向凝固技术 发展的历史就是温度梯度不断提高的历史和应用 范围不断扩大的历史。 下面从发展历程的脉络简单介绍定向凝固几种 工艺。 1、发热剂法（EP法） 发热剂法是定向凝固工艺中最原始的一种。为 了造成一个液相温度梯度，零件模壳放在一个水 冷铜底座上，并在顶部和发热剂，从而建立起自 下而