铸造金属凝固原理第10章.pptx

第10章 定向凝固技术? Unidirectional Solidification;定义：定向凝固又称定向结晶，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或单晶的技术。 目的：获得柱状晶、单晶或自生复合材料 几个概念的区别 顺序凝固 逐层凝固 定向凝固 ;满足的条件 凝固开始形成稳定的凝固壳，以阻止型壁游离——激冷； 固液界面前沿不存在形核和游离现象。 工艺措施 严格的单向散热； 足够大的GL/v；使??分过冷限制在较小范围； 减小熔体的异质形核能力； 避免液态金属的对流、搅拌，防止游离，最好自下而上。;10.1定向凝固工艺;分析： 在提高GL的条件下提高v。 GL和GS成正比，增大GS是获得大GL的重要途径； 大GS有利于提高GL ，也会提高v，故常提高固液界面前沿熔体的温度； GL过大，熔体温度过高导致挥发、分解和污染， GS过大导致导致内应力、开裂。;凝固速率 ;分析 采用快速凝固法时，GL受到铸件拉出速度、热辐射条件和铸件径向尺寸的影响。在稳定态生长条件下，铸件拉出的临界速率主要受到铸件辐射传热的特性的影响，其关系式如下：设上式中GL=0为临界条件，则;定向凝固的工艺方法 发热剂法 工艺： 加热铸型→放置水冷板→浇注。 特点： 无法调节凝固速度v和GL 应用： 制备小的柱状晶铸件，多用于磁钢。;;功率降低法（P·D） 工艺型壳预热→浇注→下部水冷→切断下部电源、上部继续加热。 特点GL随凝固距离增大不断减小； GL 、v不能人为控制散热条件差，柱状晶区短。; 高（快）速凝固法（HRS） 与PD的区别铸型加热器始终加热；铸件与加热器相对运动；底部用辐射挡板和水冷套产生较大的GL、GS。 优势大大缩小界面前沿两相区；局部冷速增大，有利于细化晶粒；避免炉膛影响，利用空气冷却。;液态金属冷却法（L·M·C） 在HRS基础上发展； 原理将浇入金属后的型壳浸入高导热系数的低熔点金属浴中。按选择速度将铸型拉出炉体。 优势提高了铸件的冷却速度和固液界面的温度梯度。 冷却金属应满足的条件;10.2 单晶生长;单晶的生长方法 正常凝固法：坩埚或炉体移动、晶体提拉 区熔法：水平区熔、悬浮区熔。 （1）坩埚移动法 原理：坩埚衡速移动，与凝固速度相同 方式：垂直、水平（适用低熔点）。;缺陷：晶体和坩埚壁接触，易产生应力和寄生成核。 应用示例：异型高温合金叶片自生籽晶法。 表面细等轴晶→起始段柱状晶→进入选晶段→柱状单晶进入铸件。;起始段： 晶粒生长分三个阶段：急冷等轴晶，择优竞争、稳定。 高度：整个起始段的高度要保证第三阶段高度足以使90％以上的[001]柱晶取向偏离度小于10o，通常大于25 mm。 影响因素：合金溶质浓度加大，柱状晶倾向减小，起始段高度相应地增加。;选晶段的形状与尺寸 ：起始段柱状晶生长的延伸，进入选晶段的柱状晶通过多次接近直角拐弯，淘汰了一批柱状晶，最后仅允许一个柱状晶晶粒长入铸件本体。 ;（2）晶体提拉法或丘克拉斯基技术（Czochralski） 原理： 熔化→插入籽晶→缓慢上提并转动晶杆→单晶生长。 单晶体的直径取决于熔体温度和拉速度。 优点 方便观察； 自由表面生长，减少应力、防止寄生晶； 可较快生长，低位错密度，完整； 可控制晶体直径。;晶体的质量控制 单晶体中的缺陷： 空位、置换或间隙杂质原子、位错、小角度晶界、孪生、生长层、气泡、胞状组织、包裹物、裂隙等。 影响因素： 界面的形状。（受晶体中、熔体中以及固-液界面前沿的温度梯度和温度分布的稳定性影响。） 单晶提拉速率受到材料性质和生长参数的约束 ; 导热系数高的晶体材料，可以来用较大的生长速率，对同一材料，掺杂后在较大的生长速率下将会出现成分过冷，从而破坏了单晶生长的条件。欲增大生长速率，主要依靠提高固-液界面前沿的温度来实现。但是，高的温度梯度值意味着晶体与生长环境之间有较强的热量传输，即晶体中将有较大的温度梯度，甚至出现弯曲的等温面，这将会引起大的热应力和较高的位错密度，可能会使晶体开裂。;晶体转动：搅拌熔体、增加温度场的径向对称性、有利于熔体中溶质混合均匀、控制固-液界面的形状。 由于晶体转动，削弱了自然对流，在界面上出现了向上运动的液流，使等温面向上推移，界面形状出现了相应的变化。对界面稳定性的影响将因转动速度、晶体直径、熔体粘度、熔池深度等参数而改变。熔体自然对流倾向于使界面凸向熔体，而晶体旋转产生的强制对流则倾向于使界面凹进晶体，在强制对流足以压倒自然对流时，凸界面将变为平界面。不仅提高转速可以使界面拉平，而且增大晶体半径也可以拉平界面。 ;减小轴向温度梯度 ;原材料的纯度是获得高完整性单晶的重要前提，生长环境也可能污