《定向凝固及其應(yīng)用》PPT課件

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1、定向凝固及其應(yīng)用丁國華2006年12月11日一定向凝固的原理二定向凝固技術(shù)的發(fā)展三定向凝固的理論基礎(chǔ)四定向凝固在凝固理論研究中的應(yīng)用五定向凝固在新材料研究與開發(fā)中的應(yīng)用六自制定向凝固裝置介紹七我的研究內(nèi)容定向凝固基本原理定向凝固是在凝固過程中采用強(qiáng)制手段，在凝固金屬和未凝固熔體中建立起特定方向的溫度梯度，從而使熔體沿著與熱流相反的方向凝固，獲得具有特定取向柱狀晶的技術(shù)。定向凝固技術(shù)是在高溫合金的研制中建立和完善起來的。該技術(shù)最初用來消除結(jié)晶過程中生成的橫向晶界，甚至消除所有晶界，從而提高材料的高溫性能和單向力學(xué)性能。在定向凝固過程中溫度梯度和凝固速率這兩個(gè)重要的凝固參數(shù)

2、能夠獨(dú)立變化，可以分別研究它們對(duì)凝固過程的影響。這既促進(jìn)了凝固理論的發(fā)展，也激發(fā)了不同定向凝固技術(shù)的出現(xiàn)。定向凝固技術(shù)的發(fā)展傳統(tǒng)定向凝固技術(shù)新型定向凝固技術(shù)發(fā)熱鑄型法功率降低法快速凝固法液態(tài)金屬冷卻法區(qū)域熔化液態(tài)金屬冷卻法激光超高溫度梯度快速定向凝固電磁約束成形定向凝固技術(shù)深過冷定向凝固技術(shù)側(cè)向約束下的定向凝固技術(shù)對(duì)流下的定向凝固技術(shù)重力場(chǎng)作用下的定向凝固技術(shù)Insituandreal-timeimaging發(fā)熱鑄型法和功率降低法將熔化好的金屬液澆入一側(cè)壁絕熱，底部冷卻，頂部覆蓋發(fā)熱劑的鑄型中，在金屬液和己凝固金屬中建立起一個(gè)自上而下的溫度梯度，使鑄件自上而下進(jìn)行凝固，

3、實(shí)現(xiàn)單向凝固。石墨感應(yīng)發(fā)熱器放在分上下兩部分的感應(yīng)圈內(nèi)。加熱時(shí)上下兩部分感應(yīng)圈全通電，在模殼內(nèi)立起所要求的溫度場(chǎng)．然后注入過熱的合金熔液。此時(shí)下部感應(yīng)圈停電，通過調(diào)節(jié)輸入上部感應(yīng)圈的功率，使之產(chǎn)生一個(gè)軸向溫度梯度。這種方法由于所能獲得的溫度梯度不大，并且很難控制，致使凝固組織粗大，鑄件性能差，因此，該法不適于大型、優(yōu)質(zhì)鑄件的生產(chǎn)。但其工藝簡單、成本低，可用于制造小批量零件?？焖倌谭ê鸵簯B(tài)金屬冷卻法快速凝固法是鑄件以一定的速度從爐中移出或爐子移離鑄件，采用空冷的方式，而且爐子保持加熱狀態(tài)。這種方法由于避免了爐膛的影響，且利用空氣冷卻，因而獲得了較高的溫度梯度和冷卻速度,

4、，所獲得的柱狀晶間距較長，組織細(xì)密挺直，且較均勻，使鑄件的性能得以提高，在生產(chǎn)中有一定的應(yīng)用。液態(tài)金屬冷卻法是在快速凝固法的基礎(chǔ)上，將抽拉出的鑄件部分浸入具有高導(dǎo)熱系數(shù)的高沸點(diǎn)、低熔點(diǎn)、熱容量大的液態(tài)金屬中。這種方法提高了鑄件的冷卻速度和固液界面的溫度梯度，而且在較大的生長速度范圍內(nèi)可使界面前沿的溫度梯度保持穩(wěn)定，結(jié)晶在相對(duì)穩(wěn)態(tài)下進(jìn)行，得到比較長的單向柱晶。常用的液態(tài)金屬有Ga-In合金和Ga-In-Sn合金，以及Sn液，前二者熔點(diǎn)低，但價(jià)格昂貴，因此只適于在實(shí)驗(yàn)室條件下使用。Sn液熔點(diǎn)稍高(232℃)，但由于價(jià)格相對(duì)比較便宜，冷卻效果也比較好，因而適于工業(yè)應(yīng)用。該法已

5、被美國、前蘇聯(lián)等國用于航空發(fā)動(dòng)機(jī)葉片的生產(chǎn)。區(qū)域熔化液態(tài)金屬冷卻法該方法將區(qū)域熔化與液態(tài)金屬冷卻相結(jié)合，利用感應(yīng)加熱集中對(duì)凝固界面前沿液相進(jìn)行加熱，從而有效地提高了固液界面前沿的溫度梯度。最高溫度梯度可達(dá)1300K/cm，最大冷卻速度可達(dá)50K/s。激光超高溫度梯度快速定向凝固激光能量高度集中的特性,使它具備了在作為定向凝固熱源時(shí)可能獲得比現(xiàn)有定向凝固方法高得多的溫度梯度的可能性。在激光表面快速熔凝時(shí)，凝固界面的溫度梯度可高達(dá)5×104K/cm,凝固速度高達(dá)數(shù)米每秒。但一般的激光表面熔凝過程并不是定向凝固，因?yàn)槿鄢貎?nèi)部局部溫度梯度和凝固速度是不斷變化的，且兩者都不能獨(dú)立

6、控制；同時(shí)，凝固組織是從基體外延生長的，界面上不同位置的生長方向也不相同。深過冷定向凝固技術(shù)基本原理是將盛有金屬液的坩堝置于一激冷基座上，在金屬液被動(dòng)力學(xué)過冷的同時(shí)，金屬液內(nèi)建立起一個(gè)自下而上的溫度梯度，冷卻過程中溫度最低的底部先形核，晶體自下而上生長，形成定向排列的樹枝晶骨架，其間是殘余的金屬液。在隨后的冷卻過程中，這些金屬液依靠向外界散熱而向已有的枝晶骨架上凝固，最終獲得了定向凝固組織。一旦形核,生長速率很快,基本上不受外界散熱條件的影響?？梢悦獬龔?fù)雜的抽拉裝置。另外,凝固速度快,時(shí)間短,可大幅度提高生產(chǎn)效率。電磁約束成形定向凝固技術(shù)該技術(shù)利用電磁感應(yīng)加熱熔化感應(yīng)器

7、內(nèi)的金屬材料，并利用在金屬熔體表層部分產(chǎn)生的電磁壓力來約束已熔化的金屬熔體成形。同時(shí)，冷卻介質(zhì)與鑄件表面直接接觸，增強(qiáng)了鑄件固相的冷卻能力，在固液界面附近熔體內(nèi)可以產(chǎn)生很高的溫度梯度，使凝固組織超細(xì)化，顯著提高鑄件的表面質(zhì)量和內(nèi)在綜合性能。電磁約束成形定向凝固工藝將成為一種很有競(jìng)爭力的定向凝固技術(shù)。但該技術(shù)涉及電磁流體力學(xué)、冶金、凝固以及自動(dòng)控制等多學(xué)科領(lǐng)域，目前還處于研究階段。側(cè)向約束下的定向凝固技術(shù)隨著試樣截面的突然減小，合金凝固組織由發(fā)達(dá)的粗枝狀很快轉(zhuǎn)化為細(xì)的胞狀。隨著凝固的繼續(xù)進(jìn)行，胞晶間距繼續(xù)增加，之后胞晶間距保持基本恒定，凝固