快速凝固技術(shù)論文(2)
快速凝固技術(shù)論文
快速凝固技術(shù)論文篇二
定向凝固技術(shù)的發(fā)展概況
摘要：簡要回顧了傳統(tǒng)定向凝固技術(shù)及其存在的問題，介紹了幾種新近發(fā)展起來的新型定向凝固技術(shù)，并指出了定向凝固技術(shù)今后的發(fā)展方向。
關(guān)鍵詞：定向凝固;電磁約束;深過冷;單晶連鑄;激光超高溫度梯度;特種定向凝固
所謂定向凝固[1]，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)。該技術(shù)較好地控制了凝固組織的晶粒取向，消除了橫向晶界，大大提高了材料的縱向力學(xué)性能。
1.傳統(tǒng)定向凝固技術(shù)的發(fā)展過程
傳統(tǒng)的定向凝固技術(shù)經(jīng)歷了由發(fā)熱鑄型法(EP法)、功率降低法(PD法)、快速凝固法(HRS法)、液態(tài)金屬凝固法(LMC法)、流態(tài)床冷卻法(FBQ法)等的發(fā)展過程。
這些方法所獲得的冷卻速度都是很有限的。首先是冷卻速度太慢，使得凝固組織有充分的時(shí)間長大、粗化，以致產(chǎn)生嚴(yán)重的枝晶偏析，限制了材料性能的提高;其次，是凝固界面與液相中最高溫度面距離太遠(yuǎn)，固液界面并不處于最佳位置，因此所獲得的溫度梯度不大，這樣為了保證界面前液相中沒有穩(wěn)定的結(jié)晶核心的形成，所能允許的最大凝固速度就有限。為了更進(jìn)一步提高材料的各項(xiàng)使用性能和綜合性能，有必要對傳統(tǒng)定向凝固技術(shù)進(jìn)行改造。在充分吸收其他凝固技術(shù)如快速凝固等優(yōu)點(diǎn)基礎(chǔ)上出現(xiàn)了許多新型的定向凝固技術(shù)。
2.新型定向凝固技術(shù)
2.1電磁約束成形定向凝固法(DSEMS法)[2]
其原理是利用電磁感應(yīng)加熱使合金熔融，然后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),由于冷卻介質(zhì)與鑄件表面有的直接接觸, 鑄件固相的冷卻能力得到增強(qiáng),使得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。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。
2.2深過冷定向凝固(DUDS法)
過冷熔體中的定向凝固首先由B.Lux 等在1981年提出，其基本原理是將裝有試樣的坩堝裝在一個(gè)高頻線圈中循環(huán)加熱，通過蒸發(fā)與分解或加入凈化劑去除、吸附和鈍異質(zhì)核心，從而獲得深過冷的合金熔體;然后再將坩堝的底部激冷，讓合金熔體底部先形核，晶體自下而上生長，形成定向排列的樹枝晶骨架， 殘余的金屬液向已有的枝晶骨架上凝固，最終獲得了定向凝固組織。深過冷熔體凝固速度很快，凝固時(shí)間很短，可大幅度提高生產(chǎn)效率，改善組織和性能。
2.3單晶連鑄技術(shù)[3]
單晶連鑄技術(shù)，即O.C.C法。其基本原理是：將結(jié)晶器的溫度保持在熔體的凝固溫度以上，絕對避免熔體在型壁上形核，熔體的凝固只在脫離結(jié)晶器的瞬間進(jìn)行。隨著鑄錠不斷離開結(jié)晶器， 晶體的生長方向沿?zé)崃鞯姆捶较蜻M(jìn)行。O.C.C法可以得到完全單方向凝固的無限長柱狀組織;鑄件氣孔、夾渣等缺陷較少;組織致密，消除了橫向晶界。
2.4激光超高溫度梯度快速定向凝固法(LRM法)[4]
利用激光表面熔凝技術(shù)實(shí)現(xiàn)超高溫度梯度快速定向凝固。其關(guān)鍵在于：在激光熔池內(nèi)獲得與激光掃描方向一致的溫度梯度;根據(jù)合金凝固特性選擇適當(dāng)?shù)墓に噮?shù)以獲得胞晶組織。激光能量高度集中的特性，使,其溫度梯度可高達(dá)106K/m,速度可高達(dá)24mm/s,冷卻速度，較區(qū)熔液態(tài)金屬冷卻法大大提高(約為三個(gè)數(shù)量級)。
2.5特種定向凝固技術(shù)[5]
2.5.1側(cè)向約束下的定向凝固
側(cè)向約束下的定向凝固考慮到沿凝固方向，制品的截面形狀與大小發(fā)生變化時(shí)對凝固過程和組織的影響。以施加側(cè)向約束使試樣截面突然減小，模擬葉片的變截面時(shí)得到的單晶鎳基高溫合金凝固組織為例。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，胞晶間距逐漸增加，之后胞晶間距趨于恒定，凝固進(jìn)入新的穩(wěn)態(tài)。最后當(dāng)試樣截面由小突然增大時(shí)，凝固狀態(tài)也由胞狀很快轉(zhuǎn)化為粗枝狀。對存在截面變化的實(shí)際單晶合金鑄件，在生產(chǎn)過程中不應(yīng)采用恒定的鑄型抽拉速度，而應(yīng)在其整個(gè)凝固過程中適時(shí)調(diào)節(jié)抽拉速度及其他冷卻條件，以獲得組織和成分均勻的單晶合金鑄件。
2.5.2對流下的定向凝固
對流下的定向凝固主要利用加速坩堝旋轉(zhuǎn)技術(shù)裝置(ACRT)。在加速旋轉(zhuǎn)過程中液相強(qiáng)迫對流，由于極大的改變熱質(zhì)傳輸過程而引起了界面形貌的顯著變化。在一般定向凝固條件下，合金組織中枝晶發(fā)達(dá)，糊狀區(qū)寬度變大。ACRT狀態(tài)下的糊狀凝固區(qū)寬度較靜態(tài)下的要小得多。對Al-Si共晶合金，在定向凝固開始時(shí)就讓坩堝旋轉(zhuǎn)，則強(qiáng)烈的對流導(dǎo)致Si相得斷裂。Si碎片可進(jìn)一步破碎并生長，最后形成塊狀Si共晶組織。施加坩堝的變速旋轉(zhuǎn)，則Si相在坩堝加速旋轉(zhuǎn)階段變得更加規(guī)則。只有當(dāng)坩堝旋轉(zhuǎn)方式與定向凝固參數(shù)合理配合時(shí)，才能獲得理想的定向組織。在通常情況下，提高GTL/υ的值，當(dāng)GTL過高時(shí)，Si相雖然定向生長，但粗化現(xiàn)象明顯。
2.5.3二維定向凝固
二維定向凝固(bi-directional solidification)的概念是J.Brigme于20世紀(jì)80年代初提出來的，主要用于制備高性能葉片和圓盤件。對圓盤件而言，二維定向凝固的主要原理是控制熱流方向，使得金屬由邊緣向中心定向生長，最后獲得具有徑向柱狀晶(宏觀)和枝晶軸(微觀)組織的材料。目前利用這種方法已制備出鋁合金樣件和高溫鎳基合金的樣件。
2.6存在的問題及展望
雖然定向凝固技術(shù)能獲得小偏析甚至無偏析的超細(xì)化的組織等，具有廣闊的應(yīng)用前景，但仍有一些問題要解決。
第一，激光超高溫度梯度定向凝固技術(shù)的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，在對凝固組織進(jìn)行定量分析時(shí)造成困難。
第二，深過冷還需解決在不同過冷度條件下，過冷熔體激發(fā)形核后晶體的生長方式和組織形成規(guī)律; 確定適用于形成枝晶陣列微觀組織的試驗(yàn)條件和工藝因素。
第三，快速定向凝固技術(shù)只適合于制備一維或二維小尺度材料，在應(yīng)用上受到一定限制。如何解決大體積深過冷熔體激發(fā)快速定向凝固技術(shù)，利用該技術(shù)獲得具有一定外形的零件。
綜上述說，合理調(diào)節(jié)溫度梯度和過冷度是定向凝固發(fā)展的一個(gè)方向。另外，采取不同控制措施以獲得細(xì)小的定向組織，便成為新一代定向凝固技術(shù)發(fā)展的又一方向。在今后較長一段時(shí)間內(nèi)，材料加工技術(shù)的研究將傾向于：性能設(shè)計(jì)與工藝設(shè)計(jì)的一體化和材料設(shè)計(jì)、制備、成型與加工處理的全過程中隊(duì)材料組織性能和形狀尺寸進(jìn)行精確控制等方面。
參考文獻(xiàn)
[1]謝建新等.材料加工新技術(shù)與新工藝[M].冶金工業(yè)出版社.2004.3:61
[2]李金山.鋼的電磁約束成型定向凝固研究.西北工業(yè)大學(xué)[博士論文].1998.
[3]范新會(huì).魏朋義.李建國等.單晶連鑄技術(shù)原理及試驗(yàn)研究[J].中國有色金屬學(xué)報(bào).1996.6(4):106
[4]李雯霞等.定向凝固技術(shù)現(xiàn)狀與展望[J].中國鑄造裝備與技術(shù).2009.2:9~13
[5]謝建新等.材料加工新技術(shù)與新工藝[M].冶金工業(yè)出版社.2004.3:86~91.
作者簡介：陳冬麗(1981——)，女，漢族，四川攀枝花，助教，主要研究方向?yàn)榻饘俨牧戏较颉?/p>
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