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第三章定向凝固技术

3、1定向凝固技术概论

定向凝固技术就是上世纪60年代,为了消除结晶过程中生成得横向晶界,从

而提高材料得单向力学性能,而首先提出得。目前,定向凝固技术被广泛应用于高

温合金、磁性材料、单晶生长、自生复合材料得制备。定向凝固技术得最主要应

用就是生产具有均匀柱状晶组织得铸件。利用定向凝固技术制备得航空领域得高

温合金发动机叶片,与普通铸造方法获得得铸件相比,它使叶片得高温强度、抗蠕

变与持久性能、热疲劳性能得到大幅度提高。对于磁性材料,应用定向凝固技术,

可使柱状晶排列方向与磁化方向一致,大大改善了材料得磁性能。用定向凝固方

法得到得自生复合材料消除了其它复合材料制备过程中增强相与基体间界面得

影响,使复合材料得性能大大提高。

定向凝固就是指在凝固过程中采用强制手段,在凝固金属与未凝固金属熔体

中建立起特定方向得温度梯度,从而使熔体沿着与热流方向相反得方向凝固,最终

得到具有特定取向柱状晶得技术。热流得控制就是定向凝固技术中得重要环节,

获得并保持单向热流就是定向凝固成功得重要保证。伴随着对热流控制技术得发

展,定向凝固技术由最初得发热剂法(EP法)、功率降低法(PD法)发展到目前广泛

应用得高速凝固法(HRS法)、液态金属冷却法(LMC法)何连续定向凝固法。

3、2定向凝固得理论基础

定向凝固就是研究凝固理论与金属凝固规律得重要手段,定向凝固技术得发

展直接推动了凝固理论得发展。从Chalmers等得成分过冷到Mullins得界面绝对

稳定动力学理论,人们对凝固过程有了更深刻得认识。

在定向凝固过程中,随着凝固速度得增加,固液界面得形态由低速生长平面晶

→胞晶→枝晶→细胞晶→高速生长得平面晶变化。无论就是那一种固液界面形态,

保持固液界面得稳定性对材料得制备与材料得力学性能非常重要。因此固液界面

稳定性就是凝固过程中一个非常重要得科学问答题。低速生长得平面晶固液界面

稳定性可以用成分过冷理论来判定,高速生长得平面晶固液界面稳定性可以用绝

对稳定理论来判定。但就是,到目前为止,关于胞晶、枝晶、细胞晶固液界面稳定

性问题,尚没有相应得判定理论。

(一)成分过冷理论

20世纪50年代Charlmers,Tiller等人首次提出单相二元合金成分过冷理论。

在固溶体合金凝固时,在正得温度梯度下,由于固液界面前沿液相中得成分差

别,导致固液界面前沿得熔体得温度低于实际液相线温度,从而产生得过冷称为成

分过冷。这种过冷完全就是由于界面前沿液相中得成分差别引起得。产生成分过

冷必须具备两个条件:一就是固液界面前沿溶质得富集引起得成分再分配。由于

溶质在固相得溶解度小于液相,当单相合金冷却凝固时,溶质原子被排挤到液相中

去,在固液界面液相一侧堆积着溶质原子,形成溶质原子得富集层。随着离开固液

界面距离得增大,溶质分数逐渐降低。二就是固液界面前沿液相一侧得实际温度

分布低于平衡时液相线温度。在凝固过程中,由于外界冷却作用,在固液界面液相

一侧不同位置上实际温度不同。外界冷却能力越强,实际温度越低;相反,实际温度

则高。如果在固液界面液相一侧溶液中得实际温度低于平衡时液相线温度,由于

溶质在液相一侧得富集,将出现成分过冷现象。

(a)(b)

(c)(d)

图3-1合金凝固时得成分过冷分析图,(a)相图;

(b)体系平衡时得液相线温度;(c)因凝固引起得液相一侧成分富集;(d)成分过冷区

对合金而言,其凝固过程同时伴随着溶质再分配,液相得成分始终处于变化中,

液相中溶质成分得重新分配,改变了固液平衡温度。利用成分过冷,可以判定低速

生长得平面晶固液界面稳定性,判断合金微观得生长过程。在固相无扩散,液相有

限扩散条件下得定向凝固过程中,保持平界面凝固得成分过冷判据为:

G/v≥-mw(1-k)/D

LLL0L

式中,G为凝固界面液相一侧温度梯度,v为凝固速度,m为液相线斜率,k为

L

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