快速凝固技術論文(2)
快速凝固技術論文
快速凝固技術論文篇二
定向凝固技術的發展概況
摘要：簡要回顧了傳統定向凝固技術及其存在的問題，介紹了幾種新近發展起來的新型定向凝固技術，并指出了定向凝固技術今后的發展方向。
關鍵詞：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。該技術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性能。
1.傳統定向凝固技術的發展過程
傳統的定向凝固技術經歷了由發熱鑄型法(EP法)、功率降低法(PD法)、快速凝固法(HRS法)、液態金屬凝固法(LMC法)、流態床冷卻法(FBQ法)等的發展過程。
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間長大、粗化，以致產生嚴重的枝晶偏析，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，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定的結晶核心的形成，所能允許的最大凝固速度就有限。為了更進一步提高材料的各項使用性能和綜合性能，有必要對傳統定向凝固技術進行改造。在充分吸收其他凝固技術如快速凝固等優點基礎上出現了許多新型的定向凝固技術。
2.新型定向凝固技術
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加熱使合金熔融，然后用在金屬熔體表層部分產生的電磁壓力來約束已熔化的金屬熔體成形，同時,由于冷卻介質與鑄件表面有的直接接觸, 鑄件固相的冷卻能力得到增強,使得固液界面附近熔體內可以產生很高的溫度梯度,使凝固組織超細化。但該技術涉及電磁流體力學、冶金、凝固以及自動控制等多學科領域，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高頻線圈中循環加熱，通過蒸發與分解或加入凈化劑去除、吸附和鈍異質核心，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，凝固時間很短，可大幅度提高生產效率，改善組織和性能。
2.3單晶連鑄技術[3]
單晶連鑄技術，即O.C.C法。其基本原理是：將結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晶器的瞬間進行。隨著鑄錠不斷離開結晶器， 晶體的生長方向沿熱流的反方向進行。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實現超高溫度梯度快速定向凝固。其關鍵在于：在激光熔池內獲得與激光掃描方向一致的溫度梯度;根據合金凝固特性選擇適當的工藝參數以獲得胞晶組織。激光能量高度集中的特性，使,其溫度梯度可高達106K/m,速度可高達24mm/s,冷卻速度，較區熔液態金屬冷卻法大大提高(約為三個數量級)。
2.5特種定向凝固技術[5]
2.5.1側向約束下的定向凝固
側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生變化時對凝固過程和組織的影響。以施加側向約束使試樣截面突然減小，模擬葉片的變截面時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，合金凝固組織由發達的粗枝狀很快轉化為細的胞狀。隨著凝固的繼續進行，胞晶間距逐漸增加，之后胞晶間距趨于恒定，凝固進入新的穩態。最后當試樣截面由小突然增大時，凝固狀態也由胞狀很快轉化為粗枝狀。對存在截面變化的實際單晶合金鑄件，在生產過程中不應采用恒定的鑄型抽拉速度，而應在其整個凝固過程中適時調節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技術裝置(ACRT)。在加速旋轉過程中液相強迫對流，由于極大的改變熱質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，合金組織中枝晶發達，糊狀區寬度變大。ACRT狀態下的糊狀凝固區寬度較靜態下的要小得多。對Al-Si共晶合金，在定向凝固開始時就讓坩堝旋轉，則強烈的對流導致Si相得斷裂。Si碎片可進一步破碎并生長，最后形成塊狀Si共晶組織。施加坩堝的變速旋轉，則Si相在坩堝加速旋轉階段變得更加規則。只有當坩堝旋轉方式與定向凝固參數合理配合時，才能獲得理想的定向組織。在通常情況下，提高GTL/υ的值，當GTL過高時，Si相雖然定向生長，但粗化現象明顯。
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
雖然定向凝固技術能獲得小偏析甚至無偏析的超細化的組織等，具有廣闊的應用前景，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，在對凝固組織進行定量分析時造成困難。
第二，深過冷還需解決在不同過冷度條件下，過冷熔體激發形核后晶體的生長方式和組織形成規律; 確定適用于形成枝晶陣列微觀組織的試驗條件和工藝因素。
第三，快速定向凝固技術只適合于制備一維或二維小尺度材料，在應用上受到一定限制。如何解決大體積深過冷熔體激發快速定向凝固技術，利用該技術獲得具有一定外形的零件。
綜上述說，合理調節溫度梯度和過冷度是定向凝固發展的一個方向。另外，采取不同控制措施以獲得細小的定向組織，便成為新一代定向凝固技術發展的又一方向。在今后較長一段時間內，材料加工技術的研究將傾向于：性能設計與工藝設計的一體化和材料設計、制備、成型與加工處理的全過程中隊材料組織性能和形狀尺寸進行精確控制等方面。
參考文獻
[1]謝建新等.材料加工新技術與新工藝[M].冶金工業出版社.2004.3:61
[2]李金山.鋼的電磁約束成型定向凝固研究.西北工業大學[博士論文].1998.
[3]范新會.魏朋義.李建國等.單晶連鑄技術原理及試驗研究[J].中國有色金屬學報.1996.6(4):106
[4]李雯霞等.定向凝固技術現狀與展望[J].中國鑄造裝備與技術.2009.2:9~13
[5]謝建新等.材料加工新技術與新工藝[M].冶金工業出版社.2004.3:86~91.
作者簡介：陳冬麗(1981——)，女，漢族，四川攀枝花，助教，主要研究方向為金屬材料方向。
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