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凝固过程初晶细化技术_沟口善彦

凝固过程初晶细化技术_沟口善彦
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凝固过程初晶细化技术

(日)沟口善彦

1 前言

钢材的组织结构决定了其性能,尤其是强度

和韧性。晶粒越细,钢材的强度和韧性就越高。近

年来,人们针对细化晶粒组织做了大量的研究,开

发了铁素体粒径达1 m的晶粒细化技术,其中主

要是形变热处理(TM CP)技术。

但是,应用T MCP技术后出现许多问题。该

技术需应用大轧制力的大型轧机,产品规格受铸

造设备的制约,影响小断面产品的生产。因此,应该有更合理的凝固工艺。本文介绍了凝固初期晶粒的细化方法。

2 碳含量和冷却速度对晶粒生长速度的影响

铁水的最大特征是相变复杂,以往对中低温条件下的相变研究非常多,对高温条件下液相和 相相关的包晶相变的研究却很少。在钢材生产中,首先要在凝固后的 相单相区进行退火处理,但退火前的 / 相变不容忽视。与材料的结构控制相比,人们对高温条件下脆化行为的研究比较多。 相以初晶的形态存在于铁中,有助于 相的形核,汇集到一起的 粒子群很容易组成粗大的 晶粒。

2.1 / 相变时 相的形核与生长

过包晶碳钢的凝固组织和 晶粒间存在一定的关系,碳含量和冷却速度影响晶粒的生长速度。图1为碳含量对 晶粒生长速度的影响。 相区温度最高部位的包晶晶粒生长速度快,也就是说,当碳含量为0.18%时, 晶粒最易生长。

图2是接触到结晶器凝固壳时的相变行为。从图2可以看出,包晶钢凝固不均匀现象非常严重,凝固缓慢处晶粒粗大。

碳钢单向凝固实验再次证明了这种现象。 晶粒晶界的液相或

相抑制了 晶粒的粗大。也就是说,在包晶反应期间,残留到枝晶间的液相受到抑制,在 / 相变中,阻止了 晶界内残留的 相变粗。 相一旦消失, 晶粒就会变粗,但是很难控制这种 晶粒的生长。所以添加铁素体合金时,最好进行急冷,以便降低A r4温度,阻断析出物产生的晶界,阻止晶界移动。

图1 碳含量对 晶粒生长速度的影响

图2 初期凝固壳相变特点

图3示出了含碳0.1%的亚包晶钢的单向凝固过程。首先,在1530℃液相线上有 相初晶析出。把 相看成是黑色的树枝晶,枝间的液相用白色表示。这时, 相树枝晶呈整个(100)方向生成,如果稍有旋转就会生成A、B群。随着温度从液相线开始下降,黑色部位的 固相增加,白色部位的

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鞍钢技术

ANGA NG TECHNOLOGY

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液相减少。温度一旦达到1493℃,就开始包晶反应,液相和 初晶反应生成 相。通常, 相树枝晶为柱状,由于发生了包晶反应和 / 相变, 初晶是形核核心,所以 相较易形核。要想使 / 相间的结晶有方向性,生成的 相要延续初晶 的方向。包晶反应一结束,枝间的液相就会消失,变成了 相, 相与液相相连,且核心相同,用白色区域

表示。

图3 经过包晶反应的单向凝固模式图

接着形成A 4相变,进入 / 两相区。在 晶界

的初晶 相树枝晶继续减少,但是要注意控制 晶粒的生长。如果温度达到1450℃, 相树枝晶完全消失,变成单相奥氏体。这时类似A 、B 群内的 相与母相 相的树枝晶群沿同一方向延伸,形成小角晶界,且该晶界移动非常快,因此形成了较大的 晶粒。如果不抑制这种 晶粒的生成,无论怎样细化 初晶都是毫无意义的。

应防止奥氏体晶粒粗大。氧化物系一次夹杂物、T iN 、T iC 、ZrC 等氮化物、碳化物粒子都有阻断奥氏体晶界的效果,但是Ce 的晶界偏析也阻止了晶界移动,从而抑制了晶粒的生长。

方位齐全的 相树枝晶群聚集到一定大时,其大小的决定因素非常重要,必须追溯到初期的形核过程。

如图4所示,焊接时,氧化铝粒子在 / 包晶相变时变成了 形核核心,产生很多与初晶 方位无关的自由 晶粒,阻止生成粗大的 晶粒。焊接时冷却速度过快导致过冷速度很高。如果产生易形核的核心,效果会更好,T iN 就是易形核的核心

之一。

图4 / 相变时氧化铝粒子促进形核的作用

使用AS Cast 焊接时, / 相变对材料性能非常重要。FA 模式下奥氏体系不锈钢相变的研究表明,在熔合线部位,初晶 与母相 是以外延关系生长的。然后,随着界面上Cr 的宏观偏析,出现

相结晶。这时的 相既能满足和原来 相的方位关系,又能在与热流平行的方位产生结晶。如果再继续凝固, 结晶间的N i 就会产生宏观偏析,形成块状的 相结晶。这时,从先凝固的 相开始形核,与 相的方位无关。可见, 相和 相是以独立的方位进行单向凝固的。

但是,过冷后发现,凝固条件可以抑制 / 相变时 相的形核行为,这方面还有待研究。2.2 M nS 的形核与生长

/ 相变后,如果温度继续下降,铁中固溶M n 与固溶S 的平衡溶解度之积就会减小。当Mn 和S 的含量达到该溶解度积时,为了达到平衡,就会有M nS 析出。这时铁的相变重叠,溶解度积和扩散速度随着相变发生复杂变化,受形核和生长条件的严重影响,产生不均匀形核,所以必须进行一定的过冷处理。MnS 析出受氧化物种类的影响。氧化铝不利于M nS 的析出,但二氧化钛、氧化锆、二氧化铈等氧化物有利于M nS 的析出。通过观察Fe-Ni 合金中M nS 的析出现象,认为氧化铝是形核的核心。Ce 和Zr 的氧化物粒子能促进M nS 的析出。

另外,铁的 / 和 / 相变对MnS 的析出行为影响较大,但这方面的研究较少。Fe -Ni 合金在 / 相变时, 相析出的S 比 相析出的多。其原

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因是随着温度的下降, 相的MnS 比 相的先达到饱和。可见, 相对形核有利。但是在 相中,Mn 和S 的扩散比在 相中快100倍,在 相中优先生长。另外,M nS 的溶解度积在 / 任何一相中能否快速达到平衡值是由其成分而定的,形核的难度也因成分的不同而不同。

利用激光显微镜观察发现,M nS 的析出行为因相变不同而存在很大差异。也就是说,在低碳钢和低硅钢中, / 相变在高温较短的时间内结束,经过 单相区后还有 / 相变,使之发生2次相变。另外,与 相关的高Fe-Si 钢中, / 相变从高温持续到低温,M nS 在第一阶段析出,它的形状和存在位置也各有特点。

从材料的组织结构来看,M nS 比氧化物更重要。关于M nS 的析出行为、形核核心问题有待进一步研究。

2.3 氮化物和碳化物的形核

不均匀形核是材料领域中的典型问题,这方面的研究很多。作为形核核心,位错和晶界优先,有氧化物和较少的M nS 析出,因此还要继续研究M nS 晶粒的细化技术、大量析出技术以及氮化物和碳化物的形核核心技术。2.4 / 相变的形核

焊接时,要注意氧含量对铁素体显微组织的影响。TiO 2能促进针状铁素体的形核,氧化物对针状铁素体的形核最有效。形核机理大致有以下4点:

(1)界面能论

降低夹杂物和奥氏体间的界面能,使两者之间产生铁素体核,在奥氏体中,具有高界面能的物质形核能力强。

(2)结晶整合论

在夹杂物表面,铁素体外延生长,更好地促进了与奥氏体和铁素体结晶整合性好的夹杂物的形核和生长。

(3)热变形论

氧化物和奥氏体的热膨胀率相差较大时,冷却过程中周围会产生热变形,发生位错现象,有助于形核。2Al 2O 3-2M nO-SiO 2的热膨胀率比奥氏体小1/10左右,形核效果也好。

(

4)溶质元素缺乏层引起的相变点上升效果论

粒子周围的Mn 和C 缺乏层有促进粒子生长的效果,与前3个论点完全一致。变形产生了铁素体。

2.5 渗碳体的形核

薄板制品通常采用时效处理。冷轧后,在800℃左右的温度下对薄板制品进行退火处理,在300℃左右的温度下进行过时效处理。缩短过时效处理的时间,提高处理速度,可以提高生产率。这一问题的关键是如何促进渗碳体的析出,也就是形核问题。当然,渗碳体的核容易在位错和晶界处产生,与析出物有关。由于MnS 的作用还不明确,因条件不同产生的形核核心是今后研究的课题。

3 凝固组织细化方法

根据凝固组织形成机理来研究凝固组织的细化方法。众所周知,凝固组织细化方法很多,但促进结晶的形核是必要的条件,下面各种方法完合符合这个条件。3.1 变质处理

对非铁和铸铁等材料均采用传统的晶粒细化技术。表1示出了采用多种金属元素作为细化剂的情况。变质剂有金属、合金及其化合物(氧化物、碳化物、氮化物、硫化物、硼化物),可根据对象区分使用。选定晶核好且具有结晶整合性的核心,也就是能使界面能下降,容易与晶核粘结的核心。众所周知,细化剂的弥散作用非常明显。

表1 合金的凝固组织细化剂

合金细化剂

Al M g-Al M g-Zn T i Sn S i-Al Pb 类金属Cu-Zn Cu-Al 钢Fe-3Si Fe-13M n Co 基超合金

Ti,Al-5Ti-1B,Nb ,C 2Cl 5,TiAl 3↑

C 2Cl 5,FeC l 3,C

Zr,Ti La,Y,Ni,Co,Pd

Ge,In P aS ,T e Fe,Zr S M o,Nb ,W,V CaO ↑,C e 2O 3↑,CaS ↑

T iB 2↑CaCN 2,N 2

Co 3O 4↑,CoO ↑,Co 化合物?

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研究机理表明,界面上的少量活性元素会带来很大的影响,应尽量使母相具有高纯度,彻底消除微量元素的影响,重新研究界面微量活性元素的作用,找出最佳的条件,注意溶解方法和耐火材料对细化效果的影响。从微观来看,加入变质剂后,局部钢水表面会出现溶解、气化现象,接着与钢水发生反应,产生形核作用,所以控制界面反应非常重要。

3.2 搅拌法

搅拌对完全熔融状态的钢水不起任何作用。要想细化凝固组织,固-液界面上必须产生流动。当界面前方的液相组织处于过冷状态时,首先,要通过固-液界面的流动使小的形核从现有的结晶游离出去;其次,必须从悬浮在液相中的非金属粒子的核心诱使其形核。

搅拌方法有叶轮直接搅拌和电磁感应间接搅拌两种。前者是将叶轮插入结晶器钢水表面进行搅拌,这时晶核从钢水表面、结晶器内壁或叶轮表面游离出去被卷到钢水中生长,细化凝固组织。这种方法在固、液共存的状态下进行强搅拌,其缺点是由于叶轮等搅拌部位的寿命较短,钢水表面的保护渣和氧化物易被卷入,形成大型夹杂物。

与此相反,电磁搅拌是在凝固壳外施加移动磁场产生电流,使内部钢水流动。该搅拌装置最早设置在连铸机的二冷段,目的是使内部的柱状晶变成等轴晶。因为从二冷段的中间部位到末端的电磁搅拌快速消失,产生负偏析和V型偏析,所以目前这种方法只用于生产铁素体不锈钢和电工钢。

结晶器电磁搅拌是通过对凝固界面的清洗,促进初期凝固组织均匀,细化表面组织,防止气泡和夹杂物等被凝固壳捕捉。目前,电磁搅拌装置全部设置在结晶器内部,目的是避免高拉速时产生表面缺陷。

3.3 振动法

振动法的原理就是使固-液界面振动,使晶核游离出去。既可以从液体侧振动,也可以从固体侧振动。振动法有叶轮直接振动和电磁感应间接振动两种。直接振动法是将叶轮插入结晶器内钢水表面,使液体表面振动,将叶轮对准凝固壳,把机械振动传给界面。间接振动方式是在外部的电磁铁强力作用下,使脉冲状电流作用到材料内部。机械振动法的缺点与机械搅拌法相同,而电磁振动法没有电磁搅拌法存在的负偏析问题。

最近,人们研究了可以细化亚共晶及过共晶Al-Si合金凝固组织的电磁振动法。这种方法是将强大的电磁力瞬间作用于固-液界面,使产生的小气孔破裂,产生缩孔现象,借助冲击波能产生晶核。

3.4 低温法

钢水温度过高时,生成的晶核就会再次溶解。另外,因界面的温度梯度较大,凝固组织中的柱状晶变粗。因此,最有效的办法是降低钢水温度,但是会发生水口堵塞,不易浇铸,而且钢水表面开始凝固和氧化会产生固体相,氧化物和保护渣易被卷入,内部缺陷大量增加。

3.5 快速凝固法

冷却速度过快,固-液界面的浓度梯度和温度梯度都会变大。凝固速度加快的同时,晶粒生长速度下降。从原理上讲,凝固组织会得到细化。但是,在实际铸造中,由于铸坯表层的冷却速度非常快,激冷层晶体较细,此处产生的树枝晶由于内部冷却速度下降而粗大。因此,浇铸薄板坯时,凝固组织易细化;浇铸厚板坯时,凝固组织会粗大。

实际上,浇铸非晶质金属的单辊法冷却最快。采用这种方法时,由于冷却速度过快,形成了抑制结晶的非晶质,但它只适合生产少量超薄箔材。工业上采用快速冷却连铸法把钢水直接浇铸成2~3m m的带钢。利用镍系不锈钢进行的实验发现,冷轧制品的表面质量优于普通的连铸板坯。由于夹杂物被细化,其耐蚀性能、光泽度、映相性能优良,由于它最大限度地细化了铸坯表面组织,适合浇铸许多钢种,但限于小规模生产。

50m m左右厚的板坯连铸称薄板坯连铸,它适合中等规模的小型轧制。对200m m厚的普通板坯与53mm厚的薄板坯进行了比较。铸坯厚度从200mm降到53m m时,粒径大约也缩小到原来的40%。200mm厚的板坯从表面到中心全部凝固的时间需要16min,而53mm厚的板坯仅需1min左右。厚板坯冷却较慢,在表层部位返热,晶粒易粗大。薄板坯连铸的优点是设备成本低、能耗少、生产灵活和质量高。今后需改善薄板坯连铸时的中心偏析问题。

3.6 抑制 晶粒生长的方法

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凝固过程初晶细化技术

无论怎样促进凝固组织的形核、细化凝固组织,凝固过程中的包晶反应和凝固后的 / 相变都会使 晶粒快速生长。凝固反应与 晶粒快速增长有关。高温条件下, 单相晶粒的生长速度较快,不可避免地产生晶粒粗大现象。因此应控制 晶粒的生长。

晶界移动的钉扎非常重要。公式如下:

R= ( /f n)

式中 R——粒径;

——钉扎粒子的粒径;

 f——体积分率;

——系数(Zener,4/3);

 n——指数(Zener,1)。

由上式可以看出,晶粒直径与钉扎晶粒的大小成正比,因此晶粒尺寸要尽量小。由于氧化物从钢水中生成,容易生成粗大的一次晶粒,影响晶粒细化。而氮化物是从固体中析出的二次晶粒,有利于晶粒细化。铝镇静钢的晶粒细化离不开Al2O3和AlN,但最终起决定作用的还是AlN。另外,还应该注意粒子的大小。

晶界的钉扎作用基于粒子和晶界的相互作用,晶界间的界面能下降一定程度时,粒子的钉扎力会发生变化。这不仅与粒子的大小有关,还与粒子的种类有关,必须生成特定的细化非金属夹杂物的颗粒。

钉扎晶界的第二相不仅限于非金属夹杂物,通过研究超塑性产生的细化组织得出如下结论,对 / 双相不锈钢进行热处理时,有40%以上的 相从母相 中析出,得到双相细化组织。这时 相变成了亚晶,通过连续的二次结晶,变成大角度晶

粒,容易使晶界滑动。为了产生这种连续动态再结晶现象,需要大量的初期体积分率为40%的 第二相。

生产碳含量为0.8%的超高碳钢时,体积分数为15%的渗碳体 相变成了钉扎第二相。 相最初是大角度晶粒,有少量的 相可以进行晶界滑动。作为晶界钉扎的第二相,如果让氧化物、MnS、氮化物等非金属夹杂物粒子都发挥作用,会产生超塑性,但这需要大量的粒子。可以利用粉末冶金和机械合金化等特殊的方法。

4

 凝固初期材料组织结构控制方法(T M CP和氧化物冶金学相结合)

晶粒细化技术最终的目的是控制材料的组织结构。仅对凝固组织细化并不能达到这一目的,必须从最终产品向前追溯分析每一道工序,直至初期的凝固状态。分析步骤见表2所示。

表2 分析步骤

0.1%

亚包晶钢中铁的相变

与不均匀形核有关

的非金属夹杂物

铁的初晶从钢水中析出

 

包晶反应时 铁析出

A4相变( / )时 铁析出

A3相变( / )时 铁析出

单相中渗碳体析出

氧化物、TiN

(Al2O3不适合,RE M、T i氧化物适合)

氧化物、T iN、M nS(同上)

氧化物/M nS(同上)

氧化物/M nS/VN、VC(同上)

M nS

高温工艺下的温度下降与加工处理有关,例如焊接冷却时,也存在非金属夹杂物和相变现象。从传统冶金学观点来看,连铸工艺中要想省略末端工艺,很难确保产品质量。因此必须重视非金属夹杂物的控制技术。

因此,提出了将传统热处理工艺和非金属夹杂物(氧化物和M nS)控制技术相结合的凝固组织控制法。图5示出了TM CP和氧化物冶金学相结合的凝固初期材料组织控制法和工艺理论。产品规格不同,T MCP的工艺效果也不同。这种工艺非常适合生产超细线材和中薄板坯等加工变形大的产品,也可用于焊接和铸铁加工。生产超厚板的效果不太明显。

图5 T M CP与氧化物冶金学相结合的

凝固初期材料组织控制方法

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氧化物冶金学与TM CP 不同,热能和加工变形能可以控制结晶、析出和相变等冶金现象。有效利用这两种能源,从凝固阶段控制氧化物颗粒,然后再控制硫化物、氮化物和碳化物,从而控制相变,其基本原理就是控制不均匀的形核。但人们对此还没有足够的认识。

5 结论

细化凝固组织的最终目的是控制材料的组织结构。固、液相中不均匀形核现象很多,如 相的初晶结晶、包晶反应的形核、M nS 和氮化物的析出、 / 相变、 / 相变以及渗碳体的析出。

从开始凝固到产生固相会出现不均匀形核现

象,其机理共同点是形核点、母相和生成的晶粒之

间的结合性、结晶整合性和力学变形效果,但最终归结为三相间的界面能问题。由于界面活性元素对硫化物的形核影响较大,越是不均匀形核,这种影响就越明显。但目前对此还没有一个确切的解释。

王艳红 译自会议交流资料,2005,11潘秀兰 校

(编辑 许平静)收稿日期:2006-06-25

浦项高档汽车钢板生产线6CGL 竣工

据悉,2006年6月30日浦项在光阳厂建设的高档汽车用钢板生产线6CGL (连续镀锌板生产线)正式投产。

6CGL 于2004年9月破土动工,设计生产能力40万t/a 镀锌板,这一生产线不仅能生产镀锌板,而且可以通过热处理的合金化方式进行涂镀,因此可生产耐蚀和加工性更好的高档汽车用钢板。

随着6CGL 的投产,浦项的汽车用钢板产量可增加到650万t /a ,仅次于每年可生产750万t /a 的安赛乐,成为全球第二大汽车板生产厂商。

浦项为了应对世界钢铁公司通过大型化、合并化加强竞争力等的挑战,自20世纪90年代后期开始,积极进行投资,推进产品的高附加值化。为成为世界最优秀的汽车钢板专业生产企业,浦项在光阳厂继1997年建成四冷轧厂后,又分别于2000年、2005年和2006年建成了4CGL 、5CGL 和6CGL 。

浦项计划到2008年共投资1万6千亿韩元,提高现有汽车钢板生产设备等级,推动高档汽车钢板的生产。同时,为了支持国内汽车公司实现国际化战略,浦项将从汽车钢板开发阶段就开始邀请汽车公司积极参与,先行开发、供应新型钢板。此外,浦项还将通过加强与日本、美国、欧洲等国家的著名汽车公司的技术合作,发展成为全球化的汽车钢板供应公司。

——摘编自铁诺信息咨询网

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55?凝固过程初晶细化技术

外磁场对定向凝固枝晶组织形貌的影响

外磁场对定向凝固枝晶组织形貌的影响 徐益民1,张伟强1,黄长虹2 1辽宁工程技术大学材料科学工程系,辽宁阜新 (123000) 2 沈阳理工大学材料科学与工程学院,沈阳 (110168) E-mail: xuym2005@https://www.sodocs.net/doc/0e4053853.html, 摘要:合金在外加稳恒横向磁场下的水平定向凝固过程中,改变外加磁场强度和固液界面移动速度可以影响合金凝固后枝晶一次臂间距变化,发现一次臂间距随外加磁场增大而呈现震荡波动增大现象,这种起伏波动是热电磁流体动力学效应与电磁制动效应共同作用的结果。 关键词:热电磁流体动力学效应;水平定向凝固;稳恒横向强磁场;一次臂间距 中图分类号:TG111.4 1. 引言 随着电磁冶金技术、磁流体动力学理论的不断发展,利用外加磁场控制金属凝固过程中的热量、质量、动量传输及液态金属成型过程得到人们的广泛重视。对于多相合金,温度梯度、热电能差及热电效应将对金属凝固过程产生多方面影响。对于任意合金凝固过程,只要存在不同温度梯度和不同相之间的热电能差,Seebeck效应就将发挥作用进而产生电动力emf[1],emf = - S th×Gradient(T) ,其中,S th为热电能,表明材料热电能力的大小,同种材料固相的热电能大于液相;合金中导电能力大的成分含量越多的相,热电能越大。该电动力(即电场)推动电荷运动形成热电流J th,J th/σ=-S th×Gradient(T)。当把外加磁场施加到合金凝固体系中时,外加磁场与速度场、热电流场复合将对糊状区枝晶网络及固液界面前沿产生复杂的作用和影响。一方面,外磁场与热电流复合产生推动溶质运动的热电磁流体动力学效应(TEHHD)[2],形成热电磁流体速度场(J th×B);另一方面,外加磁场与仅由温度梯度形成的液相对流速度场及新形成的热电磁流体速度场复合作用,产生抑止流体运动的磁制动效应(MHD)[3],制动力大小分别与V×B和J th×B×B的大小相对应,第1项与B成正比,第2项与B2成正比。那么在某一特定凝固条件下TEHHD与MHD哪一个发挥主要作用及其发挥主要作用的控制条件的确定,将成为实际利用外磁场控制金属凝固过程首要解决的问题。同时,TEHHD与MHD的交互作用否存在相对稳定阶段以便于人为控制结晶组织形貌,也需要我们对其进行研究和验证。 2. 实验方法 将Al-4.0%Cu、Al-11%Si合金加工成φ14×140 mm的试样,每次取用1个装在φ16(内径)×150 mm石英坩埚内,两侧用石墨短棒封堵。安装坩埚到如下图1所式的水平定向凝固装置上。开启加热系统使试样充分熔融后,启动调速装置牵引整套定向凝固系统水平右移,使试样在固定不动的情况下由左到右依次进入冷却系统经历降温冷却过。在此过程的同时,施加横向稳恒磁场。这样,通过控制水平牵引速度、外加磁场强度参数,多组不同速

定向凝固技术的研究进展

定向凝固技术的研究进展 材料的使用性能是由其组织形态来决定的。因此.包括成分调整在内,人们通过控制材料的制备过程以获得理想的组织从而使材料具有所希望的使用性能,控制凝固过程已成为提高传统材料的性能和开发新材料的重要途径。定向凝固技术由于能得到一些具有特殊取向的组织和优异性能的材料,因而自它诞生以来得到了迅速的发展[1] ,目前已广泛地应用于半导体材料、磁性材料以及自身复合材料的生产[2-3] 。同时,由于定向凝固技术的出现,也为凝固理论的研究和发展提供了实验基础(由于理论处理过程的简单化),因为在定向凝固过程中温度梯度和凝固速率这两个重要的凝固参数能够独立变化,从而可以分别研究它们对凝固过程的影响。此外,定向凝固组织非常规则,便于准确测量其形态和尺度特征。 本文评述了定向凝固技术的发展过程及其在材料的研究和制备过程中的应用,指出了传统定向凝固技术存在的问题和不足,并介绍了在此基础上新近发展起采的新型定向凝固技术及其应用前景。 1 传统的定向凝固技术 1.1 炉外结晶法(发热铸型法) [4] 所谓的炉外结晶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,使铸件自上而下进行凝固,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。 1.2 炉内结晶法 炉内结晶法指凝固是在保温炉内完成,具体工艺方法有:

1.2.1 功率降低法(PD法) [5] 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。 1.2.2 快速凝固法(HRS) [6] 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Bridgman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,采用空冷的方式,而且炉子保持加热状态。这种方法由于避免了炉膛的影响,且利用空气冷却,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,在生产中有一定的应用。 1.2.3 液态金属冷却法(LMC法) [7] HRS法是由辐射换热来冷却的,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。 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。该法已被美国、前苏联等国用于航空发动机叶片的生产[8] 。

快速凝固技术

快速凝固技术的研究进展 摘要:快速凝固技术是当材料科学与工程中研究比较活跃的领域之一,目前已成为一种金属材料潜在性能与开发新材料的重要手段。快速凝固技术得到的合金与常规合金有着不同的组织和结构特征,对材料科学和其它学科的理论研究以及开展实际生产应用起了重要的作用。介绍了快速凝固技术的原理和特点、主要方法和在实际中的应用和存在的问题。 关键词:快速凝固技术;合金;应用;存在问题

1 引言 随着对金属凝固技术的重视和深入研究,形成了许多种控制凝固组织的方法,其中快速凝固已成为一种具有挖掘金属材料潜在性能与发展前景的开发新材料的重要手段,同时也成了凝固过程研究的一个特殊领域[1]。过去常规铸造合金之所以会出现晶粒粗大,偏析严重、铸造性能差等缺陷的主要原因是合金凝固时的过冷度和凝固速度很小,这是由于它们凝固时的冷速很小而引起的。要消除铸造合金存在的这些缺陷,突破研制新型合金的障碍,核心是要提高熔体凝固时的过冷度,从而提高凝固速度,因此出现了快速凝固技术。 目前,快速凝固技术作为一种研制新型合金材料的技术已开始研究了合金在凝固时的各种组织形态的变化以及如何控制才能得到符合实际生活、生产要求的合金。着重于大的温度梯度和快的凝固速度的快速凝固技术,正在走向逐步完善的阶段。 2 快速凝固技术 1960年美国的Duwez等用铜辊快淬法,首次使液态合金在大于107K/S的冷却速度下凝固,在Cu—Si合金中发现了无限固溶的连续固溶体;在Ag—Ge合金中出现新的亚稳相;在Au—Si合金中形成非晶结构。在快速冷却所形成的亚稳结晶组织中,出现了一系列前所未见的重要的结构特征,表现出各种各样比常规合金优异的使用性能[2]。此后,快速凝固技术和理论得到迅速发展,成为材料科学与工程研究的一个热点。 快速凝固是指通过对合金熔体的快速冷却(≥104~106 K/s)或非均质形核被遏制,使合金在很大过冷度下,发生高生长速率(≥1~100 cm/s)凝固[3]。通过快速凝固技术获取的粉末和材料会具有特殊的性能和用途。由于它是一种非平衡的凝固过程[4],详细的说就是凝固过程中的快冷、起始形核过冷度大,生长速率高,促使固液界面偏离平衡,生成亚稳相(非晶、准晶、微晶和纳米晶),从

定向凝固中的界面形态演化

定向凝固中的界面形态演化 引言 通常人们在研究金属及其合金的凝固时,由于金属本身的不透明性,使得人们无法动态实时观察金属内部凝固过程中凝固组织的演化与选择;而采用X射线透视或者原子力显微镜则代价较为高昂,也不可能获得对组织演化细节的清楚认识。由于熔体凝固时对流会造成材料组分上的变化,造成杂质条纹等缺陷。要获得高质量的材料,就要对凝固过程的熔体流动和其稳定性进行深入研究。借助实时观察方法对凝固过程进行实时原位观察,研究凝固过程中材料表面微观形貌和整体形态的变化以及流体运动,实现动态过程的可视化监测和测量,从中就可获得有关凝固的信息。 随着对凝固理论与晶体生长技术不断深入的研究,发现凝固形态是由晶体界面性质和凝固驱动力场的性质所完全决定的。界面性质决定了界面形态对驱动力场的响应性质,因而相似的界面性质在相似的驱动力场作用下将产生相似的动力学行为,从而导致相似的界面形态。 固--液界面可以分为两类[1]:规则界面和不规则界面。规则界面是指正常凝固条件下的平面、胞状和枝晶界面[2]。理论分析表明,只有当固--液界面能是各向异性时才能形成稳定枝晶界面[3],通常情况下大多数材料是以稳定枝晶界面生长。 当晶体沿着一定的晶向生长时,如立方晶系的<111>晶向,固--液界面能接近于各向同性[4],这时将会出现不规则界面。在这样的条件下,枝晶尖端常常随机分枝,分枝与枝晶干不对称,从而形成不规则界面。至今已经观察到几种不规则界面,如:倾斜枝晶界面、退化枝晶界面、海藻状晶体界面。 1实验方法 晶体生长室的最大平面放在x-y平面中,观察二维晶体生长。实验采用了丁二腈-5at%水来作为模拟晶体,测试开始前,试样加热至全部融化并静止一段时间冷却,使得试样内的熔质均匀化。温度通过采用SWP-T803数字控温仪控温,控温精度0.1°C,可在0°C到200°C范围内任意调节。加热至一定温度且保持恒定,试样内形成一定的温度梯度,试样放在温度梯度场中。晶体中温度的测量利用热电偶,晶体生长过程中,根据晶体界面的位置移动热电偶的位置,记录温度值,即可获得温度梯度值。 实验系统见图1,试样放入定向固系统中,使用CKX41型浮雕相衬显微镜可

定向凝固技术及其应用

定向凝固技术及其应用 1.定向凝固理论基础及方法 定向凝固又称定向结晶,是指金属或合金在熔体中定向生长晶体的一种方法。定向凝固技术是在铸型中建立特定方向的温度梯度,使熔融合金沿着热流相反的方向,按要求的结晶取向进行凝固铸造的工艺。它能大幅度地提高高温合金综合性能。定向凝固的目的是为了使铸件获得按一定方向生长的柱状晶或单晶组织。定向凝固铸件的组织分为柱状、单晶和定向共晶3种。要得到定向凝固组织需要满足的条件,首先要在开始凝固的部位形成稳定的凝固壳,凝固壳的形成阻止了该部位的型壁晶粒游离,并为柱状晶提供了生长基础,该条件可通过各种激冷措施达到。其次,要确保凝固壳中的晶粒按既定方向通过择优生长而发展成平行排列的柱状晶组织,同时,为使柱状晶的纵向生长不受限制,并且在其组织中不夹杂有异向晶粒,固液界面前方不应存在生核和晶粒游离现象。这个条件可通过下述措施来满足:(1)严格的单向散热。要使凝固系统始终处于柱状晶生长方向的正温度梯度作用下,并且要绝对阻止侧向散热,以避免界面前方型壁及其附近的生核和长大。(2)要有足够大的液相温度梯度与固液界面向前推进速度比值以使成分过冷限制在允许的范围内。同时要减少熔体的非均质生核能力,这样就能避免界面前方的生核现象,提高熔体的纯净度,减少因氧化和吸氧而形成的杂质污染,对已有的有效衬底则通过高温加热或加入其他元素来改变其组成和结构等方法均有助于减少熔体的非均质生核能力。(3)要避免液态金属的对流。搅拌和振动,从而阻止界面前方的晶粒游离,对晶粒密度大于液态金属的合金,避免自然对流的最好方法就是自下而上地进行单向结晶。当然也可以通过安置固定磁场的方法阻止其单向结晶过程中的对流。从这三个条件我们可以推断,为了实现定向凝固,在工艺技术上必须采取措施避免侧向散热,同时在靠近固液界面的熔体中维持较高的温度梯度。 定向生长理论和它的应用很大程度上取决于先进定向凝固技术。自从Bridgman和Stockbarger在20世纪20年达提出奠定了现代定向凝固和单晶生长技术基础的Bridgman定向凝固技术,定向凝固就被广泛运用于制备各种结构和功能材料。定向凝固技术最大的一个成果之一就是涡轮叶片的生产,这直接促进了高温合金材料设计上的巨大进步。自从这个突破后,一系列的定向凝固技术,比如:快速凝固技术(HRS),液态金属冷却(LMC)等可以提高定向凝固组织都发展起来。如今,定向凝固理论是一种重要的材料制备方法和一种研究凝固现象的有利工具。因此,研究和开发新的定向凝固方法吸引了世界范围内的材料工程师和科学家。 定向凝固方法主要有以下几种: (1)发热剂法。将型壳置于绝热耐火材料箱中,底部安放水冷结晶器。型壳中浇入金属液后,在型壳上部盖以发热剂,使金属液处于高温,建立自下而上的 凝固条件。由于无法调节凝固速率和温度梯度,因此该法只能制备晓得柱状 晶铸件。 (2)功率降低法。铸型加热感应圈分两段,铸件在凝固过程中不移动。当型壳被预热到一定过热度时,向型壳中浇入过热金属液,切断下部电源,上部继续 加热。温度梯度随着凝固距离的增大而不断减少。 (3)快速凝固法。与功率降低法的主要区别是铸型加热器始终加热,在凝固时铸件与加热器之间产生相对移动。另外,在热区底部使用辐射挡板和水冷套。 在挡板附近产生较大的温度梯度。与功率降低法相比,该法可大大缩小凝固

材料成型新技术——连续定向凝固技术 - 副本

材料成型新技术报告 学生姓名:学号: 学院:材料学院 班级:成型093 题目:连续定向凝固技术 2012 年 11月

连续定向凝固技术 绪论 金属的凝固,从传热学的角度是液态金属转变为固态的过程;从物理化学、金属学的观点就是结晶,即:形核和生长。形核过程对金属材料晶粒的大小起着至关重要的作用;晶体生长关系到凝固后微观组织的形态,由于组成金属材料的晶体形态与金属材料的性质有关,如何控制晶体生长已成为控制金属材料性能的重要手段。凝固组织的控制包括两方面的内容:(l)凝固组织形态的选择(2)控制凝固组织的尺寸、间距。 材料的使用性能是由其组织形态来决定的。因此,包括调整成分在内,人们通过控制材料的制备过程以获得理想的组织从而使材料具有所希望的使用性能,控制凝固过程己成为提高传统材料的性能和开发新材料的重要途径。定向凝固技术由于能得到一些具有特殊取向的组织和优异性能的材料,因而自它诞生以来得到了迅速的发展。同时,由于定向凝固技术的出现,也为凝固理论的研究和发展提供了实验基础,因为在定向凝固过程中温度梯度和凝固速率这两个重要的凝固参数能够独立变化,从而可以分别研究它们对凝固过程的影响。此外,定向凝固组织非常规则,便于准确测量其形态和尺度特征。 定向凝固技术是控制晶体生长、研究晶体生长行为最有效的方法,实现定向凝固的总原则为金属熔体中的热量严格的按单一方向导出,使金属或合金按柱状晶或单晶的方式生长。金属熔体在凝固过程中,为了达到单一方向生长为柱状晶的目的,除满足上述总原则外,还必须满足以下两个条件:一是凝固过程中固液界面保持为平面,在界面前沿保持足够高的温度梯度,并且使此温度梯度与柱状晶生长速度的比值足够大;二是未凝固的液体有足够的过热度,避免型壁形核,防止型壁上形成的晶体脱落形成等轴晶的核心。 定向凝固的发展历程 定向凝固过程的理论研究的出现是在1953年,那是Charlmers及其他的同事们在

Al-7Si-0.36Mg合金定向凝固一次枝晶臂间距实验和模拟

第25卷第10期中国有色金属学报2015年10月V olume 25 Number 10The Chinese Journal of Nonferrous Metals October 2015文章编号:1004-0609(2015)10-2613-10 Al-7Si-0.36Mg合金 定向凝固一次枝晶臂间距实验和模拟 陈瑞,许庆彦,柳百成 (清华大学材料学院先进成形制造教育部重点实验室,北京100084) 摘要:通过Al-7Si-0.36Mg合金定向凝固实验和元胞自动机模型,开展定向凝固枝晶形貌演化和一次枝晶臂间距选择过程的实验和模拟。结果表明:在给定的凝固条件下,一次枝晶臂间距范围是一个连续的变化区间。在恒定温度梯度和不同凝固速度条件下,测得Al-7Si-0.36Mg合金一次枝晶臂间距上限值(λmax)、下限值(λmin)和平均值(λave)以及生长速率之间的关系,且上限值和下限值的比值接近3。模拟结果与实验结果的吻合程度明显优于Hunt?Lu 等解析模型的预测结果,表明CA模型在枝晶定向凝固过程枝晶形貌演化模拟和枝晶臂间距预测等方面的准确性。 结合模拟研究和文献调研分析影响定向凝固一次枝晶臂选择的因素,包括抽拉速度v、温度梯度G、界面能大小、溶质扩散系数D L、枝晶生长取向与热流方向的偏离角度θ等。 关键词:定向凝固;枝晶臂间距;生长速度;元胞自动机;数值模拟 中图分类号:TG290 文献标志码:A Experimental and simulation of primary dendrite spacing in directional solidification of Al-7Si-0.36Mg alloy CHEN Rui, XU Qing-yan, LIU Bai-cheng (Key Laboratory for Advanced Materials Processing Technology, Ministry of Education, School of Materials Science and Engineering, Tsinghua University, Beijing 100084, China) Abstract: The directional solidification dendritic morphology evolution and primary dendrite arm spacing selection process of Al-7Si-0.36Mg alloy were studied by directional solidification experiments and cellular automaton model. The results indicate that there is a continuous range of primary dendrite arm spacing under the given solidification condition. Under the condition of the given temperature gradient and various solidification velocities, the relationships between the primary dendrite arm spacing parameters (λmax, λave, λmin) of Al-7Si-0.36Mg alloy and growth velocity were expressed, and λmax/λmin≈3. The simulated results show a quite good agreement with the experimental results, which is better than predicted results of Hunt-Lu model. The comparisons reveal that the present CA model has a high accuracy in simulating the evolution of dendrite morphology and predicting primary dendrite arm spacing in directional solidification. Based on the predictions and related literatures, the factors influencing the selection of primary dendrite arm spacing, such as growth velocity v, temperature gradient G, interfacial energy effect, solute diffusion coefficient D L, as well as the deviation angle θbetween the dendrite growth direction, and heat flux direction were analyzed. Key words: directional solidification; primary dendrite spacing; growth velocity; cellular automaton; numerical simulation 基金项目:国家重点基础研究发展计划项目(2011CB706801);国家自然科学基金资助项目(51374137, 51171089) 收稿日期:2015-01-12;修订日期:2015-05-16 通信作者:许庆彦,教授,博士;电话:010-********;E-mail: scjxqy@https://www.sodocs.net/doc/0e4053853.html,

定向凝固

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,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微米级(或纳米级)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快。由最初的发热剂法、功率降低法发展到目前广泛应用的高速凝固法、液态金属冷却法和连续定向凝固技术。现代航空发动机的涡轮叶片和导向叶片是用铸造高温合金材料制成,这类材料晶界在高温受力条件下是较薄弱的地方,这是因为晶界处原子排列不规则,杂质较多,扩散较快,于是人们设想利用定向凝固方法制成单晶,消除所有晶界,结果性能明显提高了。定向凝固技术广泛应用于高温合金、磁性材料、单晶生长、自生复合材料的制备等力面,并且在类单晶金属间化合物、形状记忆合金领域具有极广阔的应用前景。 制备方法: 1. 发热剂法 定向凝固技术的起始阶段。 基本原理:将铸型预热到一定温度后,迅速放到水冷铜底座上并立即进行浇注,顶部覆盖发热剂,侧壁采用隔热层绝热,水冷铜底座下方喷水冷却,从而在金属液和已凝固金属中建立起一个自下而上的温度梯度,实现定向凝固。 2. 功率降低法 铸型加热感应圈分两段,铸件在凝固过程中不动,在底部采用水冷激冷板。加热时上下两部分感应圈全通电,在加入熔化好的金属液前建立所要的温度场,注入过热的合金液。然后下部感应圈断电,通过调节输入上部感应圈的功率,在液态金属中形成一个轴向温度梯度。热量主要通过已凝固部分及底盘由冷却水带走。由于热传导能力随着离水冷平台距离的增加而明显降低,温度梯度在凝固过程中逐渐减小,所以轴向上的柱状晶较短。并且柱状晶之间的平行度差,合金的显微组织在不同部位差异较大,甚至产生放射状凝固组织。 3. 高速凝固法 装置和功率降低法相似,多了拉锭机构,可使模壳按一定速度向下移动,改善了功率降低法温度梯度在凝固过程中逐渐减小的缺点;另外,在热区底部使用辐射挡板和水冷套,挡板附近产生较大的温度梯度,局部冷却速度增大,有利于细化组织,提高力学性能。 4. 液态金属冷却定向凝固 合金在熔炼炉内熔炼后,浇入保温炉内的铸型,保温一段时间,按选择的速度将铸型拉出保温炉,浸入金属液进行冷却。在加热系统和冷却系统之间有辐射挡板,确保将加热区和冷却区隔开,使固液界面保持在辐射挡板中心附近,以实现定向凝固。 5. 流化床冷却法 液态金属冷却法采用低熔点合金冷却,成本高,可能使铸件产生低熔点金属脆性。 6. 区域熔化液态金属冷却法 在液态金属冷却法的基础上发展的一种新型的定向凝固技术。其冷却方式与液态金属冷却法相同,但改变了加热方式,利用电子束或高频感应电场集中对凝固界面前沿液相进行加热,充分发挥过热度对温度梯度的贡献,从而有效地提高了固液界面前沿温度梯度,可在较快的生长速率下进行定向凝固,可以使高温合金定向凝固一次枝晶和二次枝晶间距得到非常明显的细化。但是,单纯采用强制加热的方法以求提高温度梯度从而提高凝固速度,仍不能获得很大的冷却速度,因为需要散发掉的热量相对而言更多了,故冷却速度提高有限。 7. 激光超高温度梯度快速定向凝固

定向凝固技术的发展与应用

定向凝固技术的发展与应用 摘要:定向凝固技术是指利用一定的设备,在一定的工艺条件下使材料的组织具有特殊取向从而获得优异性能的工艺过程。定向凝固技术是伴随着高温合金的发展而逐步发展起来的。本文综述了定向凝固技术的定向凝固理论,对比分析了不同定向凝固方法的优缺点,并从四个方面论述了提高温度梯度的途径,最后对定向凝固技术的发展及应用前景做了展望。 关键词:定向凝固;工艺特点;温度梯度;应用 1.引言 凝固是材料制备与加工的重要手段之一,先进的凝固技术为先进材料开发与利用提供了技术条件。凝固过程中包含了热量、质量和动量的传输过程,它们决定了材料凝固组织和成分分布,进而影响材料性能。近20年中,不仅开发出许多先进凝固技术,也丰富和发展了凝固理论。其中,先进凝固技术主要集中于如下几种类型:定向凝固、快速凝固与近快速凝固技术、外加物理场(压力场、电磁场、超重力或微重力场)中的凝固技术以及强制流动条件下的凝固技术等。 定向凝固技术是对金属材料进行凝固过程进行研究的重要手段之一,可用于模拟合金的凝固过程,制备高质量航空发动机定向和单晶叶片等。同时,也是研究固液界面形态及凝固组织行之有效的技术手段。 定向凝固技术的出现是涡轮叶片发展过程中的一次重大变革。铸造高温合金叶片的制造工艺经历了从等轴晶铸造到定向单晶凝固的发展过程,不仅在晶粒结构的控制上取得了很大进展,而且铸造性能也有了很大提高,常规的铸造高温合金尽管有较高的耐温能力,但材料的中温蠕变强度较低。定向凝固技术能够使晶粒定向排列,在垂直于应力方向没有晶界,同时由于沿晶粒生长的(001)方向具有最低的弹性模量,这样将大大降低叶片工作时因温度不均匀所造成的热应力,因此使蠕变断裂寿命和热疲劳强度得到很大提高,如DS Mar-M200+Hf比等轴晶合金热疲劳性能提高了8倍。此后,随着各种定向凝固技术的不断发展,固液界面前沿的温度梯度不断增大、冷却速率逐渐提高,定向生产的叶片综合性能也日益提高。 2.定向凝固理论

定向凝固技术的研究进展

定向凝固技术的研究进展 Ξ 杨 森 黄卫东 林 鑫 周尧和 (西北工业大学)摘 要:详细地评述了传统定向凝固技术的发展过程和存在的问题,介绍了几种新近发展起来的新型定向凝固技术,并指出了今后发展的方向。 关键词:定向凝固;电磁约束成形;深过冷;激光快速凝固 中图分类号:O 782+19 文献标识码:A 文章编号:1004-244X (2000)02-0044-06 材料的使用性能是由其组织形态来决定的。因此,包括成分调整在内,人们通过控制材料的制备过程以获得理想的组织从而使材料具有所希望的使用性能,控制凝固过程已成为提高传统材料的性能和开发新材料的重要途径。定向凝固技术由于能得到一些具有特殊取向的组织和优异性能的材料,因而自它诞生以来得到了迅速的发展〔1〕,目前已广泛地应用于半导体材料、磁性材料以及自身复合材料的生产〔2~3〕。同时,由于定向凝固技术的出现,也为凝固理论的研究和发展提供了实验基础(由于理论处理过程的简单化),因为在定向凝固过程中温度梯度和凝固速率这两个重要的凝固参数能够独立变化,从而可以分别研究它们对凝固过程的影响。此外,定向凝固组织非常规则,便于准确测量其形态和尺度特征。 本文评述了定向凝固技术的发展过程及其在材料的研究和制备过程中的应用,指出了传统定向凝固技术存在的问题和不足,并介绍了在此基础上新近发展起来的新型定向凝固技术及其应用前景。 1 传统的定向凝固技术  111 炉外结晶法(发热铸型法)〔4〕 所谓的炉外结晶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,使铸件自上而下进行凝固,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。  112 炉内结晶法 炉内结晶法指凝固是在保温炉内完成,具体工艺方法有: 第23卷 第2期2000年 3月 兵器材料科学与工程ORDNANCE MA TER I AL SC IENCE AND EN G I N EER I N G V o l .23 N o.2 M ar . 2000 Ξ收稿日期:1999-03-26 基金项目:国家自然科学基金资助项目:59771054 作者简介:杨森,博士,西北工业大学凝固技术国家重点实验室,西安,710072

快速凝固技术概述

快速凝固技术国内外发展及其应用 1.快速凝固技术国内外发展 随着对金属凝固技术的重视和深入研究,形成了许多种控制凝固组织的方法,其中快速凝固已成为一种具有挖掘金属材料潜在性能与发展前景的开发新材料的重要手段,同时也成了凝固过程研究的一个特殊领域。 快速凝固的概念和技术源于20世纪60年代初Duwez等人的研究,他们发现某些共晶合金在平衡条件下本应生成双相混合物,但当液态合金以足够快的冷却速度凝固合金液滴被气体喷向冷却板时,则可能生成过饱和固溶体、非平衡晶体,更进一步生成非晶体。上述结果稍后被许多研究结果所证实,而且由此发现一些材料具有超常的性能,如电磁、电热、强度和塑性等方面的性能,出现了用于电工、电子等方面的非晶材料。20世纪70年代出现了用快速凝固技术处理的晶态材料,80年代人们逐渐把注意力转向各种常规金属材料的快速凝固制备上,90年代大块非晶合金材料的开发与应用取得重大进展。快速凝固技术是目前冶金工艺和金属材料专业的重要领域,也是研究开发新材料手段。 快速凝固一般指以大于 5 10 ~ 6 10 K/s的冷却速率进行液相凝固成固相,是一种非平衡的 凝固过程,通常生成亚稳相(非晶、准晶、微晶和纳米晶),使粉末和材料具有特殊的性能和用途。由于凝固过程的快冷、起始形核过冷度大,生长速率高,使固液界面偏离平衡,因而呈现出一系列与常规合金不同的组织和结构特征。加快冷却速度和凝固速率所起的组织及结构特征可以近似地用图1来表示。从上图我们不难看出,随着冷却速度的加快,材料的组织及结构发生着显著的变化,可以肯定地说,它也将带来性能上的显著变化[1]。 快速凝固技术得到的合金具有超细的晶粒度,无偏析或少偏析的微晶组织,形成新的亚稳相和高的点缺陷密度等与常规合金不同的组织和结构特征。实现快速凝固的三种途径包括:动力学急冷法;热力学深过冷法;快速定向凝固法。由于凝固过程的快冷,起始形核过冷度大,生长速率高,使固液界面偏离平衡,因而呈现出一系列与常规合金不同的组织和结构特征。 1.1快速凝固技术的主要方法 (1)动力学急冷快速凝固技术 动力学急冷快速凝固技术简称熔体急冷技术,其原理可以概括为:设法减小同一时刻凝固的熔体体积与其散热表面积之比,并设法减小熔体与热传导性能很好的冷却介质的界面热阻以

Al-4%Cu合金定向凝固枝晶_胞晶转变速率的研究

Al 4%Cu合金定向凝固枝晶/胞晶 转变速率的研究 Research of Dendrite/Cellular Int erfacial T ransitional V elocity in Directionally Solidified Al 4%Cu Alloy 屈 敏,刘 林,张卫国,赵新宝,张 军,傅恒志 (西北工业大学凝固技术国家重点实验室,西安710072) QU M in,LIU Lin,ZH ANG Wei g uo, ZH A O Xin bao,ZH ANG Jun,FU H eng zhi (State Key Labo rato ry of Solidificatio n Pro cessing, N orthw estern Polytechnical U niversity,Xi an710072,China) 摘要:通过实验和理论对比研究Al 4%(质量分数)Cu合金定向凝固胞晶/枝晶转变过程,得到胞晶/枝晶转变发生在尖端半径变化的拐点处。采用K GT模型与非平衡效应研究与胞晶/枝晶转变过程相对应的高速枝晶/胞晶转变特征。结果表明:尖端半径和界面温度均随抽拉速率的增加而减小,到达临界值后又急速增大。枝晶/胞晶转变发生在尖端半径和界面温度的拐点处,即在尖端半径和界面温度最小时发生转变;溶质截留在枝晶/胞晶转变过程中作用明显,大大减小了微观偏析。 关键词:定向凝固;枝晶/胞晶转变;界面温度;尖端半径;溶质截留 中图分类号:T G113 1;T G111 4 文献标识码:A 文章编号:1001 4381(2008)12 0001 05 Abstract:T he transition from cellular to dendrite w as obtained at the spindle o f tip radius by compa r ing experimental and theoretical study o n Al 4%Cu allo y during directional so lidification.It w as found that the tip radius fell quickly in cellular stag e but fell slow ly in dendr ite stag e.The KGT(W. Kurz,B.Giovano la and R.T rivedi)m odel and non equilibrium effect w ere applied to research the tip radius and interface tem perature in o rder to obtain the transitional char acteristic from dendrite to cel lular.The results indicated that the tip r adius and interface tem perature w ere both decreased w ith in creasing w ithdraw al rate,after r eached the cr itical points,finally turned to rise sharply.It w as even tually obtained that the transitio n from dendrite to cellular w as occurred at the spindle of tip r adius and tem perature,that w as the tip radius and tip tem perature reached minimum,V R min and V T min .Mo r eo ver,solute tr apping becam e obvious during the transitio n,w hich led to decrease o f microseg reg a tion. Key words:directional so lidification;dendrite to cellular transition;inter face temperature;tip radius; solute trapping 凝固界面形态演化与选择直接决定了实际材料和铸件的凝固组织特征和性能,由于定向凝固过程的可控性及其在凝固理论研究上的重要性,因此定向凝固界面形态演化及其稳定性一直是物理学家和材料学家关注的焦点之一。 1953年,Charm er s等[1,2]首先提出了成分过冷理论,该理论首次对胞晶和枝晶的形成提出了初步的解释,但是也存在着诸如把平衡热力学应用到非平衡的动力学之中等不足。鉴于这些问题,Millins和Seker ka[3,4]对此进行研究,得到界面稳定性的线性动力学理论。预言了快速的绝对稳定性现象。但是对更高温度梯度和凝固速率的演化规律,特别是凝固体系在靠近绝对稳定速度时的枝晶/细胞晶的凝固行为仍缺少解释。近来,郭景杰[5]采用相场模拟方法对T i55 Al45高速下形态演化进行研究,发现了胞枝晶/细胞晶转变现象。Xu[6]采用激光重熔、甩带法和Bridgman定向凝固三种方法得到了片状枝晶和细胞晶,但是该转变的系统条件均发生变化,不具可比性。以上工作虽然得到了枝晶/胞晶转变现象,但具有一定偶然性,对其他合金的转变速率无法起到借鉴作用,不具通用性。

定向凝固炉长晶原理及其电源

定向凝固炉长晶原理及其电源 1、固相形成的驱动力 G = H-TS 两相平衡的条件是ΔG =0 或G liquid = G solid H L-TS L= H S -TS S 则ΔH = TΔS 在熔点Tc,有ΔS C=ΔH/T C ΔG = ΔH-TΔS C =ΔH-TΔH/T C = ΔH(1- T/T C) 引入ΔT = T C - T 称为“过冷度”,有 ΔG =ΔH·ΔT/T C ΔH称为相变潜热,对于给定物质,具有定值。 可以看出,对T<T C的情况,G L>G S相变将向晶态方向进行,所以熔体中固相形成的驱动力ΔG依赖于过冷度。 2、成核 ①均匀成核 晶核在亚稳相中形成时,可把体系的吉布斯自由能变化看成两项:新相形成时体系自由能的变化(ΔG V<0);以及新相形成时新相与旧相界面的表面能(ΔG S>0)。 设球形晶核:ΔG=﹣(4π/3)r3ΔG0v +4πr2ΔG0s -------(1)达到平衡时dG/dr = 0,得核化条件:2ΔG0s-rΔG0v = 0 可得晶核稳定存在的临界半径r C = 2ΔG0s/ΔG0v -----------------(2)将(2)带入(1)得:ΔG max = 16/3·π(ΔG0s)3/(ΔG0v)2 =ΔG c

(图一)r>r C时,ΔG下降,晶核才稳定存在,影响成核的外因主要是过冷度。 ②非均匀成核 (图二)

ΔG c′= ΔG c f(θ) f(θ)= (1-cosθ)2(2 + cosθ)/4 当θ<180°,﹣1<cosθ<1时,ΔG c′<ΔG c,这意味着在基底平面上形成晶核时所需要的形成功小于在自由空间形成球形晶核所需要的形成功,也即是说,非均匀核化比均匀核化易实现。 定向凝固炉中,硅熔体在陶瓷坩埚容器底部形成晶核,属于非均匀成核。 3、成核速率 匀态成核速率受两个因素的控制:一是相变过程中核胚的形成几率W P,一是扩散过程中分子向核胚跃的几率。 W P = n0exp(﹣G C/kT),n0为单位体积内的分子数。 W D = D0exp(G D/kT),D0为扩散频率因子。 因此均态成核速率N r = W P·W D = C0exp [(﹣G c/kT)+ G D/kT ],C0 = n0 D0。 由ΔG = ΔH·ΔT/T C,可知成核速率随过冷度的变化如图: (图三)

连续定向凝固

1连续定向凝固的基本原理 连续定向凝固技术是热型连铸即OCC法发展的高级阶段,也是目前应用较多的单晶连铸方法。其基本原理与OCC法相似,均是将结晶器的温度保持在熔体的凝固温度以上,绝对避免熔体在型壁上形核,完全消除等轴晶的来源,获得了单向凝固的柱状晶连续铸锭,熔体的凝固只在脱离结晶器的瞬间进行。随着铸锭不断离开结晶器,熔体的凝固方向沿热流的反方向进行,这种方法最大的特点是改变传统的连续铸造中冷却结晶器为加热结晶器,熔体的凝固不在结晶器内部进行。其原理见图1。 2连续定向凝固技术的特点 连续定向凝固技术的特点: (1)在铸型出口端与冷却区之间具有高的温度梯度,型内金属液的热量主要沿拉铸方向单向传输,造成有利于定向凝固的条件,可铸出长度不受限制的单晶和柱状晶铸锭。 (2)铸锭与铸型之间始终存在一层液体膜,铸锭表面在离开铸型出口一小段距离之后才自由凝固,铸锭表面光滑呈镜面状。金属液在铸型出口处凝固结壳,显著地减小铸件与型壁的磨擦磨损,可铸得表面非常光洁的复杂截面形状的薄壁型材。因此,OCC技术可以称为一种新型成形技术,可用于制造那些通过塑性加工难以成型的硬脆合金及金属间化合物等线材、板材及复杂管材等。 (3)凸出的固液界面有利于凝固过程中析出的气体及夹杂不断排向液体,不被卷入铸锭,而且不存在补缩困难的问题。因此,铸锭组织致密,无气孔、缩孔、缩松等铸造缺陷。有利于后续的冷加工,可以减少甚至消除冷加工过程中的中间退火,节省了能源,提高了生产效率。 (4)凸出的固液界面有利于引晶阶段晶体的竞争生长,易于实现多晶组织向单晶的演化。但是,由于铸锭在离开铸型时,表面仍呈液体状态,铸锭的成形依靠液膜表面张力与液体金属静压力和重力的平衡,使得该技术在具体的工艺方案及工艺控制上有其特殊性。 3连续定向凝固技术的应用 定向凝固技术的实现,对研发新型金属材料和近成型产品,进一步开发金属材料的潜力起到了积极的推动作用。 目前,世界范围内有多家企业采用该技术开发产品,如日本大阪富士公司制造的连铸单晶镁以及用于弧焊的一系列铝合金线;日本O saka FujiKogyo公司生产的Sn-Bi共晶合金的焊

定向凝固技术

定向凝固技术 1、定向凝固的研究状况 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。定向凝固技术很好的控制了凝固组织的晶粒取向,消除横向晶界,提高了材料的纵向力学性能,因而自美国普拉特·惠特尼航空公司采用高温合金定向凝固技术以来,这项技术得到广泛的应用。 1.1定向凝固理论的研究 定向凝固理论的研究,主要涉及定向凝固中液-固界面形态及其稳定性,液-固界面处相变热力学、动力学,定向凝固过程晶体生长行为以及微观组织的演绎等,其中包括成分过冷理论、MS 界面稳定性、线性扰动理论、非线性扰动理论等。从Chalmers[1]等的成分过冷理论到Mullins[2]等的界面稳定动力学理论(MS理论),人们对凝固过程有了更深刻的认识。下面主要分析一下成分过冷理论和界面稳定性理论。 (1)成分过冷理论 成分过冷理论是针对单相二元合金凝固过程界面成分的变化提出的,如对于平衡分配系数小于1的合金在冷却下来时,由于溶质在固相和液相中的分配系数不同,溶质原子随着凝固的进行,被排挤到液相中去,并形成一定的浓度梯度,与这种溶质梯度相对应的液相线温度与真实温度分布之间有不同的值,其差值大于零时,意味着该部分熔体处于过冷状态,有形成固相的可能性而影响界面的稳定性。Chalmers等人通过分析得出了成分过冷的判据,确定了合金凝固过程中固液界面前沿的形态取决于两个参数:GL/v和GL·v,即分别为界面前沿液相温度梯度和凝固速度的商和积。前者决定了界面形态,而后者决定了晶体的显微组织(即枝晶间距或晶粒大小)[3]。 成分过冷理论能成功的判定无偏析特征的平面凝固的条件,避免胞晶或枝晶的生成。但是成分过冷理论只考虑了温度梯度和浓度梯度这两个具有相反效应的因素对界面稳定性的影响,忽略了非平面界面的表面张力、凝固时的结晶潜热及固相中温度梯度等的影响。[4] (2)MS稳定性理论 针对成分过冷理论存在的问题,Mullins等研究人员研究了温度场和浓度场的干扰行为、干扰振幅和时间的依赖关系以及它们对界面稳定性的影响,在1964年提出了界面稳定性的动力学理论(MS稳定性理论),总结出平界面绝对稳定性判据。 MS稳定性理论成功的预言了[5]:随着生长速度的增加,固液界面形态将经历从平界面-胞晶-树枝晶-胞晶-带状组织-绝对稳定平界面的转变。近年来对MS理论界面稳定性条件所做的进一步分析表明,MS理论还隐含着另一种绝对性现象,即当温度梯度G超过一临界值时,温度梯度的稳定化效应会完全克服溶质扩散的不稳定化效应,这时无论凝固速度如何,界面总是稳定的,这种绝对稳定性称为高梯度绝对稳定性。但是这种理论只适合稀溶液,即低溶质质量分数的情况,并且忽略了凝固速率对溶质分配因数的影响。 1.2定向凝固技术的研究 熔体中的热流垂直于固/液界面并严格的单向导出,是定向凝固成功的关键。伴随着对热流控制技术的发展,研究者对定向凝固技术进行多种方法的改进,不断细化材料的结构组织,大大提高了温度梯度和凝固速度,制备出的材料性能大幅度提高。 伴随着对热流控制(不同的加热、冷却方式)技术的发展,传统定向凝固技术经历了发热剂法(EP)、功率降低法(PD)、高速凝固法(HRS)、液态金属冷却法(LMC)、流态床冷却法(FBQ)等多种方法的发展。传统定向凝固工艺的主要缺点[6]是冷却速度慢,这样就使得凝固组织

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