定向凝固理论与技术发展
定向凝固理论与技术发展
摘要
定向凝固技术是研究凝固理论和新型功能材料的重要手段。从定向凝固技术的演化过程看，是温度梯度不断提高、冷却速度不断加快的过程。简要回顾了定向凝固理论与技术的研究发展历程，分析了各种凝固技术的利弊，展望了凝固理论与技术的发展。
关键词：凝固理论，温度梯度，冷却速度，定向凝固理论
Abstract
Directional solidification technology is an important means to study the solidification theory and new functional materials. From 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 solidification technology, and makes a prospect of solidification theory and technology.
Keywords: solidification theory, temperature gradient，temperature gradient，directional solidification theory
1 引言
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。这类材料晶界在高温受力条件下是较薄弱的地方,因为晶界处原子排列不规则,杂质较多,扩散较快[1]。于是人们利用定向凝固技术让晶粒沿受力方向生长,消除横向晶界,以提高其高温性能。
定向凝固技术的最主要应用是生产具有均匀柱状晶组织的铸件，特别是在航空领域生产高温合金的发动机叶片，与普通铸造方法获得的铸件相比，它使叶片的高温强度、抗蠕变和持久性能、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，大大改善了材料的磁性能。定向凝固技术也是制备单晶的有效方法。定向凝固技术还广泛用于自生复合材料的生产制造，用定向凝固方法得到的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的影响，使复合材料的性能大大提高。定向凝固技术作为功能晶体的生长和材料强化的重要手段，具有重要的理论意义和实际应用价值。
2 定向凝固理论基础研究发展
2.1 定量凝固科学的基础理论研究
定向凝固技术的一个重要应用就是用于凝固理论的研究,定向凝固技术的发展直接推动了凝固理论的发展和深入。从Chalmers 等的成分过冷到Mullins 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。合金在凝固过程中，其固液界面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与凝固速度的商与积。前者决定了界面的形态，而后者决定了晶体的显微组织(即枝晶间距或晶粒大小)[2]。MS 理论成功地预言了：随着生长速度的提高，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
2 定向凝固技术的应用基础理论研究
定向凝固技术的应用基础研究，主要涉及定向凝固过程的热场、流动场及溶
质场的动态分析、定向组织及其控制以及组织与性能关系等。多年来通过生产实践与定向凝固应用基础研究，总结出得到优质定向组织的四个基本要素：①热流的单向性或发散度；②热流密度或温度梯度；③冷却速度或晶体生长速度；④结晶前沿液态金属中的形核控制[3]。人们围绕上述四个基本要素的控制做了大量的研究工作，随着热流控制技术的发展，凝固技术也不断向前发展。
3 常规定向凝固技术
传统的定向凝固技术主要有发热剂法( EP法) 、功率降低法( PD 法) 、高速凝固法(HRS法) 、液态金属冷却法(LMC法)等[4] 。
3.1 发热剂法[5]
发热剂法是定向凝固技术发展的起始阶段,是最原始的一种。Versnyder等早在20世纪50年代就应用于试验中。其基本原理是：将铸型预热到一定温度后，迅速放到激冷板上并立即进行浇注，冒口上方覆盖发热剂，激冷板下方喷水冷却，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（如图1）。也有采用发热铸型的，铸型不预热，而是将发热材料填充在铸型四周，底部采用喷水冷却。此方法无法调节温度梯度和凝固速度，单向热流条件很难保证，故不适合大型优质铸件的生产。但该方法工艺简单、成本又低，可应用于小型的定向凝固件生产。
图1 PD装置示意图
3.2 功率降低法
在20世纪60年代，Versnyder等人提出了功率降低法[6]。在这种工艺过程中，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，在模壳内建立起所要求的温度场，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。在功率降低法中，热量主要通过已凝固部分及底盘由冷却水
带走。这种工艺可达到的温度梯度较小，在10 ℃/ cm左右，制出的合金叶片，其长度受到限制,并且柱状晶之间的平行度差，甚至产生放射状凝固组织。合金
的显微组织在不同部位差异较大，目前一般不采用此工艺。
3.3高速凝固法
高速凝固法[7]是Erickson 等于1971年提出的，装置示意图如图2所示。其装置和功率降低法相似,不过多了一个拉锭机构，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，在挡板附近产生较大的温度梯度。这种方法可以加大缩小凝固前沿两相区，局部冷却速度增大，有利于细化组织，提高力学性能。这种方法是借鉴Bridgman 晶体生长技术特点而发展起来的，其主要特点是:铸型以一定速度从炉中移出，或者炉子以一定速度移离铸件，并采用空冷方式。这种方法由于避免了炉膛的影响且利用空气冷却，因而所获得柱状间距变小，组织较均匀。由于大大缩小了凝固前沿两相区，局部冷却速度增大，有利于细化组织，提高力学性能。因而，在实际生产中得到了广泛应用。但HRS 法是靠辐射换热来冷却的，获得的温度梯度和冷却速度都很有限。
图2HRS装置示意图
3.4 液态金属冷却法（LMC）
在提高散热能力和增大界面液相温度梯度方面。功率降低法和高速凝固法都受到一定条件的限制，1974年出现了一种新的定向凝固方法——液态金属冷却法[8]是目前工业应用较为广泛的一种定向凝固方法（如图3）。该方法工艺过程与快速凝固法基本相同。不同的就是以液态金属代替水作为模壳的冷却介质，模壳直接浸入液态金属冷却剂中,散热大大增强,以至在感应器底部迅速发生热平衡，
造成很高的，几乎不依赖浸入速度。冷却剂的温度，模壳传热性、厚度和形状,挡板位置，熔液温度等因素都会影响温度梯度。液态金属冷却剂要求有低的蒸气压和熔点以及有大的热容量和热导率。该法已被美国、前苏联等国用于航空发动机叶片的生产。
图3 MLC装置示意图
3.5流态床冷却法（FBQ法）
由于LMC法采用的低熔点合金含有有害元素，成本高，可能使铸件产生低熔点金属脆性。Nakagawa等首先用流态床法来获得很高的GL，进行定向凝固（如图4）。用流态化的150号ZrO2粉作为冷却介质。Ar气用量大于4000cm3/min，冷却介质温度保持在100-120℃。在相同条件下，液态金属冷却法的温度梯度为100-300℃/cm，而流态床冷却法为100-200℃/cm，FBQ法基本可以得到也太金属冷却法那样高的温度梯度。
图4 FBQ装置示意图
3.6传统定向凝固技术存在的问题
不论上述哪种方法,它们的主要缺点是冷却速度太慢，即使是液态金属冷却法，其冷却速度仍不够高，这样产生的一个弊端就是使得凝固组织有充分的时间长大、
粗化，以致产生严重的枝晶偏析，限制了材料性能的提高。造成冷却速度慢的主要原因是凝固界面与液相中最高温度面距离太远，固液界面并不处于最佳位置，因此所获得的温度梯度不大，这样为了保证界面前液相中没有稳定的结晶核心的形成，所能允许的最大凝固速度就有限。
为了进一步细化材料的组织结构，减轻甚至消除元素的微观偏析，有效地提高材料的性能，就需提高凝固过程的冷却速率。在定向凝固技术中，冷却速率的提高，可以通过提高凝固过程中固液界面的温度梯度和生长速率来实现。因而如何采用新工艺、新方法去实现高温度梯度和大生长速率的定向凝固，是当今众多研究者追求的目标。
4新型定向凝固技术
4.1 超高温度梯度定向凝固（ZMLMC）[9]
上世纪90年代，西北工业大学李建国等人通过改变加热方式，在液态金属冷却法（LMC法）的基础上发展的一种新型定向凝固技术—区域熔化液态金属冷却法，即ZMLMC法（如图5）。这种方法将区域熔炼与液态金属冷却相结合，利用感应加热机中队了凝固洁面前沿液相进行加热，从而有效地提高了固液前沿的温度梯度。西北工业大学研制的ZMLMC定向凝固装置，其最高温度梯度可达1300K/cm,最大冷却速度可达50K/s。凝固速度可在6~1000um/s内调节。但是，这种方法单纯采用强制加热来提高温度梯度，从而提高了凝固速度，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，故冷却速率提高有限，一般很难达到快速凝固，目前这方便面的研究还都处于实验室规模，要进一步广泛运用，还有待遇进一步的努力和改进。
图5 ZMLMC装置示意图
4.2深过冷定向凝固技术(SDS)[10-11]
1981年，B·Lux等在动力学过冷熔体定向凝固方面开展了有益的探索，通过改进冷却条件获得了近100K的动力学过冷度，并施加很小的温度梯度，最终得到了直径21mm,长70~80mm的MAR-M-200高温合金定向凝固试样。西北工业大学采用玻璃净化和过热相结合的净化方法，获得合金熔体的热力学深过冷，并利用过冷度的遗传性，将熔体深过冷与定向凝固相结合，使熔体在固液界面前沿相中温度梯度GL﹤0的条件下凝固。他们称之为深过冷定向凝固（SDS），整个实验过程的原理简图如图6所示。
图6 SDS装置示意图
在坩埚中装入试样，装在高频悬浮熔炼线圈中循环过热使异质核心通过蒸发与分解方式去除，或装有净化剂，通过净化剂的吸附作用消除和钝化合金的异质核心，以此获得深过冷的合金熔体。再将坩埚的底部激冷，金属液内建立起一个自下而上的温度梯度，冷却过程中温度最低的底部先形核，晶体自下而上生长，形成定向排列的树枝晶骨架，其间是残余的金属液。在随后的冷却过程中，这些金属液依靠向外界散热而向已有的枝晶骨架上凝固，最终获得了定向凝固组织。当熔体获得很大热力学过冷，即在形核就处于深过冷这种亚稳态时，由于固液两相的吉布斯自由能相差很大，一旦形核，生长速率很快，基本上不受外界散热条件的影响。所以金属体积对深过冷定向凝固的影响不大。深过冷与一般的定向凝固技术相比，可以免除复杂的抽拉装置，另外，凝固速度快，时间短可大幅度提高生产效率。深过冷熔体激发快速定向凝固技术能否成为一种实用的凝固技术(或工艺) 还需解决两个问题。一是研究不同过冷度条件下过冷熔体激发形核后晶体生长方式和组织形成规律；确定适用于形成枝晶阵列微观组织的试验条件和工艺因素。其次是在上述研究结果的基础上最终解决大体积深过冷熔体激发快速定向凝固技术。
4.3电磁约束成形定向凝固（DSEMS）[12]
20 世纪90 年代初期，傅恒志等在ZMLMC法的基础上，利用电磁感应加热直接熔化感应器内的金属材料，利用在金属熔体表层部分产生的电磁压力来约束已熔化的金属熔体成形。这是一种无坩埚熔炼、无铸型、无污染的定向凝固成形技术[13-14]，可得到具有柱状晶组织的铸件。电磁约束成形定向凝固技术是利用感应线圈代替传统的结晶器，依靠电磁力与金属熔体的表面张力约束成形的无模连续铸造技术，由于金属熔体与铸模几乎无任何物理接触，在保持自由表面状态下逐渐凝固，从而大大改善了铸坯的表面质量，提高了成材率（如图7）。同时，由于电磁约束成形定向凝固取消了粗厚、导热性能差的陶瓷模壳，实现无接触铸造，使冷却介质可以直接作用于金属铸件上，可获得更大的温度梯度，用于生产无(少)偏析、组织超细化、无污染的高纯难熔金属及合金[15]，具有广阔的应用前景。但对某些密度大、电导率小的金属，实现完全无接触约束时，约束力小，不容易实现稳定的连续的凝固。对简单、对称截面的试件，感应线圈的设计相对容易，而对于复杂截面的试件，如何设计线圈，使电磁场分布合理，以得到尺寸精度合乎要求的近终形试件，比较困难。
图7 DSEMS装置示意图
4.4 连续定向凝固技术（OCC法）
连续定向凝固的思想首先是由日本的大野笃美提出的。上世纪60年代末，大野笃美在研究Chalmers提出的等轴晶“结晶游离”理论时，证实了等轴晶的形成不是熔液整体过冷引起，而是主要由铸型表面形核、分离带入溶液内部，枝晶断裂或重熔引起的。因而，控制凝固组织结构的关键是控制铸型表面的形核过程。大野笃美把Bridgeman定向凝固法控制晶粒生长的思想应用到连续铸造技术
上，提出了一种最新的铸造工艺——热型连续法（简称OCC法），即连续定向凝固技术。
该技术是通过加热结晶器模型到金属熔点温度以上，铸型只能约束金属液相的形状，金属不会在型壁表面凝固；同时冷却系统与结晶器分离，在型外对逐渐进行冷却，维持很高的牵引方向的温度梯度，保证凝固界面是凸向液相的，以获得强烈的单向温度梯度，使熔体的凝固只在脱了结晶器的瞬间进行。随着铸锭不断离开结晶器，晶体的生长方向沿热流的反方向进行，获得定向结晶组织，甚至单晶组织（如图8）。这种方法最大的特点是改变传统的连续凝固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。此外，OCC法连铸过程中固相与铸型不接触，固液界面处于自由状态，固相与铸型之间是靠金属液的表面张力来联系，因此，不存在固相与铸型之间的摩擦力，可以连续拉延铸坯，并且所需的拉延力也很小，可以得到表面成镜面的铸坯。OCC法将高效的连铸技术和先进的定向凝固技术相结合，综合了二者的优点，是一种新型的近成品形状加工技术。
图8OCC装置示意图
4.5 激光超高温梯度快速凝固技术（LRM）[16-18]
自七十年代大功率激光器问世以来,激光能量高度集中的特性，使它具备了在作为定向凝固热源时可能获得比现有定向凝固方法高得多的温度梯度的可能性，在材料的加工和制备过程中得到了广泛的应用。早在20 世纪70 年代，Cline 等就利用激光作为热源来定向凝固制作Al-Cu、Pd-Cd 共晶薄膜，得到了规则的层片状共晶组织，通过计算得到凝固时的温度梯度分别可达2.14×104 K/cm 和1.11×104 K/cm。激光束作为热源，加热固定在陶瓷衬底上的高温合金薄片，激光束使金属表面迅速熔化，达到很大的过热度。在激光表面快速熔凝时，凝固界面的温度梯度可高达5×104 K/cm 。但一般的激光表面熔凝过程并不是定向凝固，因为熔池内部局部温度梯度和凝固速度是不断变化的，且两者都不能独立控制；同时，凝固组织是从基体外延生长的，界面上不同位置的生长方向也不相同。
4.6 二维定向凝固技术(BDS)
20世纪80年代初,湘潭大学廖世杰教授[19]开展了二维定向凝固的研究工作,主要用于制备高性能叶片和圆盘件,并于90年代成功的制备出了铝合金和高温镍基合金的样件。对圆盘件而言,二维定向凝固的主要原理是控制热流方向,使得金属由边缘向中心定向生长,最后获得具有径向柱状晶(宏观)和枝晶轴(微观)组织的材料。二维定向凝固合金由于柱状晶轴沿径向排列,故其径向强度、塑性和冲击韧性得到大幅度提高,非常适合于制造径向性能要求高的旋转叶片和圆盘件(如高温发动机涡轮盘等)。
5 结语
定向凝固技术的目的是获得稳定的定向凝固组织,合金性能又与组织细化程度紧密相关。因此,采取不同控制措施以获得细小的定向组织成为新一代定向凝固技术的发展方向。纵观定向凝固技术发展的历史就是温度梯度和凝固速度不断提高的历史。随着实验技术的改进和理论研究的深入,新一代的定向凝固技术必将为新材料的制备和新加工技术的开发提供广阔的前景,同时反过来也将促进凝固理论得到进一步完善和发展。
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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] 。
材料成型期末复习题
《材料成型基础》复习题 成型—利用局部变形使坯料或半成品改变形状的工序 一、金属液态成型 1. 何谓铸造**？铸造有哪些特点？试从铸造的特点分析说明铸造是生产毛坯的主要方法？ 答：熔炼金属，制造铸型，并将熔融金属浇入铸型，凝固后获得一定形状和性能铸件的成形方法，称为铸造1）可以生产出形状复杂，特别是具有复杂内腔的零件毛坯，如各种箱体、床身、机架等。 2）铸造生产的适应性广，工艺灵活性大。工业上常用的金属材料均可用来进行铸造，铸件的重量可由几克到几百吨，壁厚可由0.5mm到1m左右。 3）铸造用原材料大都来源广泛，价格低廉，并可直接利用废机件，故铸件成本较低。 缺点1）铸造组织疏松、晶粒粗大，内部易产生缩孔、缩松、气孔等缺陷，因此，铸件的力学性能，特别是冲击韧度低于同种材料的锻件。2）铸件质量不够稳定。 2. 何谓合金的铸造性能**?它可以用哪些性能指标来衡量**？铸造性能不好，会引起哪些缺陷？ 铸造性能——合金易于液态成型而获得优质铸件的能力。 合金的铸造性能包括金属的流动性、凝固温度范围和凝固特性、收缩性、吸气性等。 3. 什么是合金的流动性**？影响合金流动性的因素有哪些？（P2） 流动性流动性是指熔融金属的流动能力；合金流动性的好坏，通常以“螺旋形流动性试样”的长度来衡量 流动性的影响因素1）合金的种类及化学成分{1、越接近共晶成分，流动性就越好。2、选用结晶温度范围窄的合金，以便获得足够的流动性。}2）铸型的特点3）浇注条件 4. 从Fe－Fe3C相图分析，什么样的合金成分具有较好的流动性**？为什么？ 越接近共晶合金流动性越好。 凝固温度范围越窄，则枝状晶越不发达，对金属流动的阻力越小，金属的流动性就越强 5. 试比较灰铸铁、碳钢和铝合金的铸造性能特点。 6. 铸件的凝固方式依照什么来划分？哪些合金倾向于逐层凝固？ 1. 合金的凝固方式（1）逐层凝固方式（图1-5a）合金在凝固过程中其断面上固相和液相由一条界线清楚地分开，这种凝固方式称为逐层凝固。常见合金如灰铸铁、低碳钢、工业纯铜、工业纯铝、共晶铝硅合金及某些黄铜都属于逐层凝固的合金。 2）糊状凝固方式（图1-5c）合金在凝固过程中先呈糊状而后凝固，这种凝固方式称为糊状凝固。球墨铸铁、高碳钢、锡青铜和某些黄铜等都是糊状凝固的合金。 （3）中间凝固方式（图1-5b）大多数合金的凝固介于逐层凝固和糊状凝固之间，称为中间凝固方式。中碳钢、高锰钢、白口铸铁等具有中间凝固方式。 7. 缩孔和缩松是怎样形成的？可采用什么措施防止？ 形成缩孔和缩松的主要原因都是液态收缩和凝固收缩所致；防止措施：a）采用定向凝固的原则b）合理确定铸件的浇注位置、内浇道位置及浇注工艺c）合理应用冒口、冷铁和补贴 8. 合金收缩由哪三个阶段组成**？各会产生哪些缺陷？影响因素有哪些？如何防止？ 1.液态收缩金属在液态时由于温度降低而发生的体积收缩。 2. 凝固收缩熔融金属在凝固阶段的体积收缩。液态收缩和凝固收缩是铸件产生缩孔和缩松的基本原因。 3. 固态收缩金属在固态时由于温度降低而发生的体积收缩。固态收缩对铸件的形状和尺寸精度影响很大，是铸造应力、变形和裂纹等缺陷产生的基本原因。 二）影响收缩的因素1. 化学成分不同成分的合金其收缩率一般也不相同。在常用铸造合金中铸钢的收缩最大，灰铸铁最小。 2. 浇注温度合金浇注温度越高，过热度越大，液体收缩越大。 3. 铸件结构与铸型条件铸件冷却收缩时，因其形状、尺寸的不同，各部分的冷却速度不同，导致收缩不一致，且互相阻碍，又加之铸型和型芯对铸件收缩的阻力，故铸件的实际收缩率总是小于其自由收缩率。这种阻力越大，铸件的实际收缩率就越小。 缩孔、缩松的防止措施 9. 何谓同时凝固原则和定向（顺序）凝固原则**？对图1所示阶梯型铸件设计浇注系统和冒口及冷铁，使其实现定向凝固。
钢管定向钻进技术在高压电缆穿越运行铁路中的 应用
钢管定向钻进技术在高压电缆穿越运行铁路中的应用 摘要：随着电网建设的不断深入，电网建设中外部环境的变化遇到了一些新的 问题，本文主要是针对高压电缆建设中遇有与运行铁路、公路等路径交叉情况下 的钢管定向钻进技术实际应用。为了满足施工和运行的方便，在实际工程中引进 钢管定向钻进防护套管技术，充分分析施工区域地质条件、地下物分布、建筑物、铁路、道路等地上物情况，对其进行了适应电缆施工、运行的优化设计，从而达 到安全、可靠、方便施工和运行维护的目的。 关键词：高压电缆钢管定向钻进防护套管 引言 随着自电网建设迅猛发展，但输电线路建设的内部环境和外部空间却越来越小。其中为 节约市区土地资源，市区电网多规划为电缆工程，市区地下地上空间拥挤，不可避免地与铁路、通讯、水暖及其他市政管线交叉重叠，路径选择困难，导致工程延期、缓期建设。如何 应对新形势，最大限度地满足电网建设需要已成为技术部门不断研究的课题。本文从设计角 度围绕便于施工、利于运行，降低造价及对邻近设施影响等方面，对电缆线路创新设计和新 型施工技术的应用进行探讨。与设计、施工单位、生产厂商紧密合作制定切实可行的技术方案，并在实际工程中优化应用。 2 实际应用概况及环境调查 2.1 工程概况 该技术在海门-新华路220千伏电缆线路工程中得到实际应用，主要涉及穿越塘沽南站铁 路7条，通车公路一条。 电力电缆2回共计6根，分2束、每束3根下穿铁路。电缆防护采用2根内径φ710钢管。为保证电缆的正常使用和施工期间铁路行车安全，采用定向钻进穿越、铺设防护套管， 实现电力电缆的穿越铁路。每隔钻孔内敷设1根外景738mm钢管和两根φ50mmHDPE管并 绑扎成管束穿越铁路，用于防护套管就位后注水泥浆固化管道周围土体。防滑套管内的电力 电缆布置情况。此种敷设方式采用水平定向钻进技术，铺管精度较高，适用管材广，可呈弧 线铺管灵活避让各类地下设施。 2.2 铁路现状 定向钻进防护套管工程位于塘沽南站内，交叉角度53度44分。既有运行铁路为普通线路，50kg/m钢轨，铺设钢筋混凝土枕木，铁路附近及两侧有各种地下电缆、光缆和各种既有 管线。 2.3 地质情况 表层为素填土；第二层为杂填土；第三层为素填土；第四层为淤泥质黏土；第五层为粉 质黏土；第六层为淤泥质黏土；地下水位随季节有所变化，水位年变幅为0.50~1.00m左右。 地下潜水稳定水位埋深约为 2.00~2.50m。土壤最大冻结深度：0.60m。地震基本烈度：Ⅶ度。 3 主要技术方案 3.1 穿越轨迹设计 根据既有铁路、道路、地下管线及其他建筑物和地质勘查资料，确定在塘沽南站东侧围 墙外布置工作场地（工作坑），在塘沽南站西侧围墙外布置回钢管管道的加工作业场地（接 受坑）。 工作坑及接受坑均采用原地面下挖1.5m，工作坑长10m，宽6m，采用145钢板桩防护 基坑，可见做泥浆循环池。每根工字钢长4m。接受坑长5m，宽6m，两钻孔自工作坑（钻 孔工作场地）斜向入土，入土、出土角度均采用15度，至适当位置采用曲率半径为100m的 竖向曲线过渡至水平钻孔段，穿越既有铁路、各种管线后再采用曲率半径为100m的竖向曲 线与接收坑方向钻孔相连。 最终成孔直径900mm，扩孔比为1.25，满足扩孔比大于1.2的要求。在实际应用中，单 个钻孔长度为192.8m，水平长度为190.9m，两个钻孔总长度为385.6m。 3.2 套管设计
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
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
材料成型复习题思考及答案
《材料成形技术基础》复习思考题 第一篇铸造 1.何谓液态合金的充型能力？充型能力不足，铸件易产生的主要缺陷有哪 些？ 充型能力：液态金属充满铸型型腔，获得形状完整、尺寸精确、轮廓清晰铸件的能力。 充型能力不足，会产生浇不足、冷隔、气孔、夹渣等缺陷。 提高充型能力的方法： 1）选择凝固温度范围小的合金； 2）适当提高浇注温度、充型压力； 4）合理设计浇注系统结构； 4）铸型预热，合理的铸型蓄热系数和铸型发气量； 5）合理设计铸件结构。 2.影响液态合金充型能力的主要因素有哪些？ 影响液态合金充型能力的主要因素有：流动性、铸型条件、浇注条件和铸件结构等。 3.浇注温度过高或过低，对铸件质量有何影响？ 浇注温度过低，会产生浇不足、冷隔、气孔、夹渣等缺陷。浇注温度过高，液态合金的收缩增大，吸气量增加，氧化严重，容易导致产生缩孔、缩松、气孔、粘砂、粗晶等缺陷。可见，浇注温度过高或过低，都会产生气孔。 4.如何实现同时凝固？目的是什么？该原则适用于何种形状特征的铸件？ 铸件薄璧部位设置在浇、冒口附近，而厚璧部位用冷铁加快冷却，使各部位的冷却速度趋于一致，从而实现同时凝固。目的：防止热应力和变形。该原则适用于壁厚均匀的铸件。 注意：壁厚均匀，并非要求壁厚完全相同，而是铸件各部位的冷却速度相近。 5.试述产生缩孔、缩松的机理。凝固温度范围大的合金，其缩孔倾向大还是缩松倾向大？与铸铁相比较，铸钢的缩孔、缩松倾向如何？ 产生缩孔、缩松的机理：物理机制是因为液态收缩量＋凝固收缩量＞固态收缩量（或写为：体收缩量＞线收缩量）；工艺原因则是由于补缩不足。 凝固温度范围大的合金，其缩松倾向大。与铸铁相比较，铸钢的缩孔、缩松倾向大。 6.试述冒口与冷铁的作用。 冒口：补缩、排气。 冷铁：调整冷却速度。
快速凝固习题
1、试比较快速凝固技术和雾化制粉技术的异同 答：快速凝固指的是在比常规工艺过程中快得多的冷却速度下，金属或合金以极快的速度从液态转变为固态的过程。要求金属与合金凝固时具有极大的过冷度。 雾化制粉是以快速运动的流体(雾化介质)冲击或以其他方式将金属或合金液体破碎为细小液滴，继之冷凝为固体粉末的粉末制取方法。雾化法是生产完全合金化粉末的最好方法，其产品称为预合金粉。 快速凝固具有凝固速度快，从而可以使金属在液态中的溶解度得到扩大，这样是其材料的密度有所改变，材料各部位的组织更加的紧密，改变金属中各元素的所含比例，从而可以改变该材料的性质，使其达到某种用途的需求。由于凝固的速度比一般铸造的快，这样得到的凝固结晶会更加的细小，晶粒的分布更加的均匀，一定程度减少了杂质的混入，提高材料的质量，由于晶粒组织的优化，该材料的力学，化学性质会得到提高，从而使其得到更广的运用。由于快速凝固给材料带来的溶解度的扩大，更加精细的晶粒的析出，从而赋予了材料的高强度，高韧度，以及高耐腐蚀性。这是快速凝固技术能在工业领域得到广泛运用的硬道理。除了金属的快速凝固，还有一种快速凝固非晶态合金。其特点和上类似，可以使材料具有极高的强度，硬度。又因为其实处于非晶态，它在具有高强度的同时也具有较好的韧性。同时，因为非晶态这种特殊形态，可以使材料具有良好的半导体性能，这是传统铸造方法所不能达到的。 而雾化技术这种粉的每个颗粒不仅具有与既定熔融合金完全相同的均匀化学成分，而且由于快速凝固作用而细化了结晶结构；消除了第二相的宏观偏析。雾化制粉法分“双流法”(以雾化介质流破碎合金液流)和“单流法”(以其他方式破碎合金液流)两大类。前者的雾化介质又分气体(氦、氲、氮、空气)和液体(水、油)；后者如离心雾化和溶气真空雾化。 2、试论金属热处理在快速凝固材料制备工艺中的应用 答：金属热处理是将金属工件放在一定的介质中加热到适宜的温度，并在此温度中保持一定时间后，又以不同速度冷却的一种工艺方法。快速凝固时由液相到固相的相变过程进行得非常快，从而获得普通铸件和铸锭无法获得的成分、相结构和显微结构的凝固过程。其从液态到固态的冷却速度大于某一临界冷却速率。通过金属热处理可以控制金属相变的过程和速率，金属热处理在快速凝固材料制备
关于水平定向钻进技术在市政供水管道施工中的应用分析
关于水平定向钻进技术在市政供水管道施工中的应用分析 发表时间：2017-06-15T11:32:58.453Z 来源：《基层建设》2017年6期作者：班源平 [导读] 本文主要分析了自来水管道施工水平定向钻进施工的工艺及技术要点。 身份证号码：45212219711202xxxx 摘要：随着我国城市不断发展,水平定向钻进技术在供水管道施工中得到越来越广泛的应用。本文主要分析了自来水管道施工水平定向钻进施工的工艺及技术要点。 关键词：水平定向钻进;供水管道;施工 过去在城市地下管网建设包括供水、天然气、电信、电力、排污等管线铺设中,沿用的传统施工方法是开挖埋管线,该法不仅速度慢,且影响交通和污染环境,遇到障碍物时更是无法穿越。水平定向钻进作为非开挖技术中最具活力的一项施工技术,具有导向准确。 1 传统大开挖方式的弊端 (1)敷设供水管道遇到穿越河流时,采用传统大开挖方式要先破坏河堤,还要对河流做引流,开挖工程量大,难度大,产生的费用也较高,且工期长。 (2)敷设供水管道要穿越新修建的公路时极不方便。国家明文规定:“新修建的公路在3-15年内不允许破路开挖”。若对新建道路开挖,不仅使道路质量变差、寿命缩短,而且容易造成交通堵塞,严重者还会伴有地下管线被挖坏的事故发生。 (3)施工中遇到一些要穿越的、但是跨度较大、埋层较深的障碍物时(如电力隧道、电力方涵、污水方涵等),若从方涵上方穿越则埋深不够,若从下方通过,挖得太深危险性大,且不易施工。 (4)穿越铁路段时,直接开挖会造成铁路停运,而且敷管及之后的铁路恢复工作需要工期较长。 2 水平定向钻进技术优点 水平定向钻进法是发展最快的一种非开挖施工方法,是利用水平定向钻机在不开挖地表的条件下或以最小的地表开挖工作量进行铺设多种地下公用设施(如管道、电缆等)的技术,其优点具体如下: (1)水平定向钻进穿越施工时不会阻碍周边交通,不会破坏绿地、植被或影响商店、医院、学校和居民的正常生活和工作环境,解决了传统开挖法施工对居民生活和出行的干扰以及对交通、环境、周边建筑物基础的破坏和不良影响。 (2)现代化的穿越设备的穿越精度高,易于调整敷设方向和埋深,管线弧形敷设距离长,完全可以满足设计埋深要求,并且可以使管线绕过地下的障碍物。 (3)城市管网埋深一般达到3m以下,穿越河流时,一般埋深在河床下9-18m,所以采用水平定向钻机穿越,对周围环境无影响,不破坏地貌,适应环保的各项要求。 (4)采用水平定向钻机穿越施工时,无需在水面或水下作业,不影响江河通航,不损坏江河两侧堤坝及河床结构,施工不受季节限制,施工周期短、人员少、成功率高、施工安全可靠。 (5)进出场地速度快,施工场地可以灵活调整,允分显示出其在城市施工时的优越性。并且施工占地少,工程造价低,施工速度快。 3 施工准备 3.1 导向孔轨迹设计 (1)根据建设单位提供的管线工程平面图、既有管线地下管网图、工程技术要求等资料,对施工现象实地堪察,记录对既有管线的检查井标记的位置,并进行仪器探察结合人工探察,以确定既有管线的准确位置。 (2)定向钻导向孔轨迹一般由斜直线段、曲线段、水平直线段等组成,类似于倒抛物线的形状,根据事前收集的相关资料、实地勘察结果及待敷设的管材曲率设计出导向孔轨迹(包括确定入土角、出土角、入土点、出土点、第一曲线段和直线段轨迹变化点、直线段和第二曲线段轨迹变化点),并绘制导向孔轨迹图。 3.2 施工泥浆配制和钻具选择 在水平钻进施工过程中,泥浆的作用表现为:稳定钻孔土体、冷却润滑钻头和钻杆及其他孔内钻具、清理屑等。泥浆由水、膨润土和具有某种性能的胶体化学材料(视土质选用)通过专用搅拌容器配制而成,正确适当的泥浆的配置对穿越起决定性作用,选用不同粘度的泥浆要视具体地质情况而定。 钻机回拉力按管材回拉力计算值的1.5-3倍进行选择,以确定钻机型号,施工前评估土壤状况,以便确定最佳钻进液和钻具组合。 4 施工工艺及其过程 水平定向穿越工作过程是通过计算机控制进行导向和探测,先钻出一个与设计曲线相同的导向孔,然后再将导向孔扩大,把产品管线回拖到扩大了的导向孔中,完成管线穿越的施工过程。其工艺流程如下。水平定向钻进施工工艺流程钻孔工地施工流程测量放线→修整场地→三通一平→设备进场→组装钻机→调控向系统→钻导向孔→预扩孔→管道回拖→设备离场→恢复地貌管道工地施工流程测量放线→修整场地→三通一平→设备进场→运管布管→组对相接→挖发送沟→管道拖进→设备离场→恢复地貌 4.1 钻导向孔 做好施工安全措施、发射和接收工作坑开挖、设备进场、钻机锚固后,进行全系统联机调试,调试完成可进行导向孔钻进,选择符合施工现场土质情况的导向钻头,开动高压泥浆泵,钻头开始正常喷浆后,在导向系统的引导下,钻机按设计好的导向孔轨迹进行钻进,高压泥浆的射流作用与钻头的切削作用共同在地下形成孔壁。钻进过程中,钻头内信号棒发出的信号被接收后,监视设备显示出钻头的深度、位置、角度等信息,据此及时调整钻头方向。钻进入土角一般在8°-12°之间,出土角5°-12°,管道曲率半径一般1000D-1200D。为了更好地控制导向,在斜段一般每根钻杆调整一次角度,每次调整的角度一般不超过0.8°,以便回拖顺利。当导向孔从入土角到水平夹角为0°时的计算穿越深度与设计埋深不同时(误差0.5m),则应调整入土直线段的长度及其调整控向角度。同理,当导向孔从水平到达出土角计算出的出土点,但达不到穿越长度位置时,调整水平直线段长度;达到出土角而没有符合地面标高时,调整每组钻杆长度及其控制角度。 4.2 扩孔 钻孔完成后卸下钻头及控制系统,接上扩孔器,从出土点向入土点进行预扩孔,扩孔的次数及扩孔类型根据管径及地质情况确定。注意当沿程土质不一,承载力不均时,由于钻杆、扩孔器自身重力的作用,易形成不均匀沉降,造成预扩孔偏移,故选择合理的钻具和钻具组合对定向穿
材料成型原理复习题
综合测试题一 模具寿命与材料成形加工及材料学 一、填空题（每小题2分，共20分） 1. 目前铸造成形技术的方法种类繁多按生产方法分类，可分为砂型铸造和特种铸造。 2. 在铸造生产中，细化铸件晶粒可采用的途径有增加过冷度、采用孕育处理和附加振动。 3. 铸铁按碳存在形式分灰铸铁、可锻铸铁、球墨铸铁、蠕墨铸铁等。 4. 合金在铸造时的难易程度的衡量指标合金的流动性和收缩。 5. 合金的流动性主要取决于它本身的化学成分。 6. 压力加工的加工方法主要有：冲压、锻造、轧制、拉拔和 挤压等。 7. 合金的流动性常采用浇注螺旋型标准试样的方法来衡量， 8. 流动性不好的合金容易产生浇不足、冷隔、气孔、夹渣等缺陷。 9. 液态金属的充型能力主要取决于金属的流动性，还受外部条件如浇注温度、充型压力、铸型结构和铸型材料等因素的影响,是各种因素的综合反映。 10.金属由浇注温度冷却到室温经历了液态收缩、凝固收缩和固态收缩三个相互关联的收缩阶段。 11.液态收缩和凝固收缩是铸件产生缩孔和缩松的基本原因。固态收缩对铸件的形状和尺寸精度影响很大，是内应力、变形和裂纹等缺陷产生的基本原因。 12.铸造中常产生的铸造缺陷有缩孔、缩松、浇不足、裂纹、内应力、夹渣和夹砂等 13. 特种铸造相对于砂型铸造的两类特点：型模的革新和充型方式的变更。 14.常用特种铸造方法金属型铸造、压力铸造、离心铸造、消失模铸造和熔模铸造、壳型铸造等。 15.衡量金属锻造性能的两个指标塑性和变形抗力。 16.自由锻造常用设备空气锤和水压机。 17.自由锻的基本工序包括镦粗、拔长、冲孔、弯曲、切割、扭转和错移等。
18.镦粗的变形特点横截面积变大，长度变短普通拔长的变形特点横截面积变小，长度变长芯轴拔长的变形特点内孔直径不变，长度变长，壁厚变薄。 19.锻造温度范围是指始锻温度与终锻温度之差。后者过低易产生加工硬化现象。 20. 锤上模锻的实质金属在模膛内成形和变形阻力大，变形不均匀。 21. 模膛的分类制坯模膛和模锻模膛。 22. 板料冲压中分离工序有冲孔、落料、剪切和修整等。变形工序有拉深、弯曲、翻边和成形等。 23. 电弧燃烧实质是指电弧的产生、运动和消失的动态平衡。 24. 电弧分为阴极区、阳极区和弧柱区三个区。 25. 直流电焊机正接极是指焊件接正极，焊条接负极。 26. 焊接冶金过程的特点反应温度高、接触面积大、冷却速度快。 27. 焊接接头是指焊缝和热影响区。焊接热影响区包括熔合区、过热区、正火区、部分相变区和再结晶区。 28. 焊接应力和变形产生的原因对焊缝区不均匀的加热和冷却。 29. 焊接变形的几种形式收缩变形、角变形、弯曲变形、扭曲变形和波浪形变形等。 30.焊接变形矫正方法机械矫正法和火焰矫正法。 31. 焊接性主要指结合性能和使用性能。 32. 估算材料焊接性常采用的方法碳当量法。 33. 焊接方法按照连接形式不同可以分为压焊、熔焊、和钎焊。 34. 埋弧自动焊使用连续送进的焊丝相当于焊条，颗粒状的焊剂相当于药皮。 35. 氩弧焊的分类熔化极电弧焊和不熔化极电弧焊。 36. 电阻焊的分类点焊、缝焊、和对焊。 37. 钎焊的分类软钎焊和硬钎焊。 二、选择题（每小题1分，共10分） 1. 式样拉断前承受的最大拉应力称为（B）。
水平定向钻进技术在短距离跨道施工中的应用
水平定向钻进技术在短距离跨道施工中的应用 摘要：在管道工程、线路工程施工时，通常采用开挖埋设的方法施工，然而在交通发达的道路、路口、河道等复杂位置采用开挖的方法施工则十分勉强，影响环境并对周边生产生活造成不便，此时若采用非开挖水平定向钻进技术则能有效防止施工对地表干扰，施工速度快，精度高，大大缩短工期、节约工程成本、降低工程风险。 关键词：非开挖、钻导向孔、扩孔、钻头 Abstract: in the pipeline engineering, line project construction, usually adopt the method of embedding excavation construction, however, in the way of the traffic developed, crossing the river, such complex position of excavation method is very reluctantly construction, affect the environment and to the neighboring inconvenience of production and life, then if using an excavation directional drilling technology is level can effectively prevent the construction on the surface interference, construction speed, high precision, greatly shorten the construction period, save the project cost, reduce project risk. Key words: the excavation, pilot hole drilling, reaming, the bit 1 前言 在管道工程、线路工程施工时，通常采用开挖埋设的方法施工，然而在交通发达的道路、路口、河道等复杂位置采用开挖的方法施工则十分勉强，影响环境并对周边生产生活造成不便，此时若采用非开挖水平定向钻进技术则能有效防止施工对地表干扰，施工速度快，精度高，大大缩短工期、节约工程成本、降低工程风险。 图1 钻导向孔 2 准备工作 非开挖水平定向钻进技术施工的三大基本工艺是：钻导向孔——扩孔施工——成品管道拉管。 本文重点论述水平定向钻技术在短距离过路施工中的应用。在钻导向孔之前需要勘察现场施工条件，比如水源条件、土层地质条件、地下管线分布状况
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
地下管线定向钻进技术
燃气管线定向钻进技术规范 施工场地探测技术指南 5、施工场地探测技术指南 5.1 目的 为了规范定向钻进管线铺设施工工程的施工场地探测技术要求，提供确保施工安全和施工质量 的基础资料，特制定本指南。 定向穿越的施工精度对公共管线安全是非常重要的。对与定向穿越有关的以下内容必须掌握， 包括：已有地下管线的定位方法、探测仪器的选择、探测仪器的操作和计算的方法。定向钻进承包 商经常被要求在以前已钻进铺设过管线的附近再铺设新管线。工程技术人员应能解释所有得到的数 据，因而新管线才能安全地完成，而不会损害已有的地下管线。 5.2 范围 本指南适用于探测定向钻进管线铺设施工场地的所有地下管线、地下构筑物、地面建筑物及其 它可能影响施工的全部地上、地下设施（物体）。 本指南所指“定向钻进管线铺设施工场地”包括：所需施工的地下管线区域、设备放置区域、 工作人员活动区域。
项目委托人应找到并提供所有已有地下管线的位置，但是承包人在施工前，有义务进行核实和 现场验证。 5.3 职责 定向钻进管线铺设工程项目的定位与导向探测岗位人员负责现场探测操作、绘制现场探测草图、 填写探测记录，并对探测质量负直接责任。 工程项目技术负责人负责监督、检查探测工作，审核图纸和记录，并对探测质量负间接责任。 工程项目经理对探测质量负领导责任。 5.4 操作程序与规程 5.4.1 施工前的设计——采用图纸定位已有地下管线 对任何成功穿越工程来说，设计步骤是非常关键的。工程初始调查时应有一份综合的地面建筑 物及地下管线汇编图，以用于正确设计钻进的基准线。对已有地下管线初勘的精度是以后铺设精度 的基础。在极个别情况下，资料不充分的铺设施工可能产生对财产的损坏和对生命的伤害。 地下管线工程（SUE）技术的推广应用，提供了更好的绘制地下管线图纸的方法。对工地条件的 掌握程度，表明了确定地下管线准确位置的努力和花费。开始，设计者是依据业主资料和已有地下
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
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