定向凝固技术定向凝固技术哈尔滨工业大学资料科学与哈尔滨工业大学资料科学与工程学院工程学院1 1主要内容定向凝固技术的运用定向凝固技术的研讨历程定向凝固技术的新进展定向凝固技术的比较和分析定向凝固实际研讨的进展 资料的运用性能是由其组织形状来决议的。因此包括成分调整在内资料的运用性能是由其组织形状来决议的。因此包括成分调整在内, ,人们经过控制人们经过控制 资料的制备过程以获得理想的组织从而使资料具有所希望的资料的制备过程以获得理想的组织从而使资料具有所希望的运用性能，控制凝固过程已成为提高传统资料的性能和开发新资料的重要途运用性能，控制凝固过程已成为提高传统资料的性能和开发新资料的重要途径。定向凝固技术由于能得到一些具有径。定向凝固技术由于能得到一些具有 特殊取向的组织和优良性能的资料，特殊取向的组织和优良性能的资料，因此自它诞生以来得到了迅速的开展，目前已广泛因此自它诞生以来得到了迅速的开展，目前已广泛 地运用于高温合金、半地运用于高温合金、半导体资料、磁性资料以及本身复合资料的消费。导体资料、磁性资料以及本身复合资料的消费。 同时，由于定向凝固技术同时，由于定向凝固技术 的出现，也为凝固实际的研讨和开展提供了的出现，也为凝固实际的研讨和开展提供了实验根底实验根底( (由于实际处置过程的简单化由于实际处置过程的简单化) )，由于，由于 在定向凝固过程中温度梯度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可以独立变化，从而可以和凝固速率这两个重要的凝固参数可以独立变化，从而可以 分别研讨它们分别研讨它们对凝固过程的影响对凝固过程的影响定向凝固技术的运用定向凝固技术的运用 消除横向晶界消除横向晶界 控制晶体生长方向控制晶体生长方向 控制第二相的外形、大控制第二相的外形、大小和分布小和分布 凝固实际研讨的有力工凝固实际研讨的有力工具具2 2传统的定向凝固技术传统的定向凝固技术根据成分过冷实际，要使合金定向凝固得到平面凝固组织，主要取决于合金的性质和工艺参数的选择。前者包括溶质量、液相线斜率和溶质在液相中的分散系数，后者包括温度梯度和凝固速率。如被研讨的合金成分已定，那么靠工艺参数的选择来控制凝固组织，其中固液界界面液相一侧的温度梯度是最关键，所以人们都努力于提高温度梯度，可以说定向凝固技术的开展历史是不断提高设备温度梯度的历史，大的温度梯度可以得到理想的合金组织和性能，又可以允许加快凝固速率，提高设备利用率。p保证金属单向散热，绝对防止在侧面型壁生核及长出新晶体保证金属单向散热，绝对防止在侧面型壁生核及长出新晶体p减小成分过冷减小成分过冷p提高浇注温度提高浇注温度提高铸型温度提高铸型温度加热固加热固-液界面前沿的液体液界面前沿的液体p减小金属液体的生核才干减小金属液体的生核才干p提高液体的纯真性提高液体的纯真性减少氧化减少氧化吸氧或夹杂吸氧或夹杂一一发热剂法法定向凝固技术研讨历程定向凝固技术研讨历程3 3发热剂发热剂金属熔体金属熔体固液界面固液界面结晶器结晶器铸锭铸锭水冷铜盘水冷铜盘冷却水冷却水 发热剂法是定向凝固中最原始的一种方法，为了呵斥一个温度梯度，零件模壳放在一个水冷铜底座上，并在顶部加发热剂。 本钱低，但无法保证反复性，难以消费高质量的发动机高温合金叶片。二二功功率率降降低低法法4 4加热器受热体陶瓷模金属液水冷铜底冷却水加热时上下两部分感应圈全部通电，在模壳内建立起所加热时上下两部分感应圈全部通电，在模壳内建立起所需求的温度场，然后浇入过热的合金溶液。需求的温度场，然后浇入过热的合金溶液。下部感应圈停电，调理输入上部感应圈的功率，使之产下部感应圈停电，调理输入上部感应圈的功率，使之产生一个轴向温度梯度。生一个轴向温度梯度。这种工艺可到达的温度梯度最小，在这种工艺可到达的温度梯度最小，在10oC/cm左右，制左右，制出的合金叶片长度遭到限制，并且柱状晶之间的平行度出的合金叶片长度遭到限制，并且柱状晶之间的平行度差差三快速凝固法三快速凝固法5 5多出一个拉锭机构，用挪动模壳加强散热条件多出一个拉锭机构，用挪动模壳加强散热条件浇入合金后到达热稳定及开场在冷却底座外表生成一薄层固浇入合金后到达热稳定及开场在冷却底座外表生成一薄层固态金属，然后模壳以预定速度经过感应器底部的辐射挡板从态金属，然后模壳以预定速度经过感应器底部的辐射挡板从加热器中移出。加热器中移出。前段凝固阶段，热量散失是经过水冷底座的对流传热为主，前段凝固阶段，热量散失是经过水冷底座的对流传热为主，分开结晶器一定间隔后，转为以辐射为主。分开结晶器一定间隔后，转为以辐射为主。挡板的作用 模壳挪动时辐射热的损失降至最小，使加热器内维持相对均匀的温度场 使感应圈到铸件凝固部分外表的辐射热坚持最小，从而加强了传热与功率降低法相比有较大的温度梯度，能改善柱状晶质量和补缩条件，在约300mm高度内可全是柱状晶 由于部分凝固时间和糊状区都变小，使显微组织致密，减小偏析，从而改善了合金组织 提高凝固速率2-3倍，R到达300mm/h四液四液态金属冷却法金属冷却法6 6优点：点：高的冷却速率高的冷却速率对于大模于大模组具有一具有一样高的冷却速度高的冷却速度快速加工快速加工缺陷：缺陷：有限的巩固性有限的巩固性原始本原始本钱高高四液四液态金属冷却法金属冷却法6 6液态金属的选择液态金属的选择有低的蒸汽压，可在真空下运用有低的蒸汽压，可在真空下运用熔点低，热容量大，导热率高熔点低，热容量大，导热率高不溶解于合金中不溶解于合金中价钱廉价价钱廉价冷却介质的温度冷却介质的温度模壳的传热性、厚度外模壳的传热性、厚度外形形挡板的位置挡板的位置熔液温度熔液温度五五流流态床床冷冷却却法法7 7流态化的流态化的150号号ZrO2粉作为冷粉作为冷却介质，冷却介却介质，冷却介质温度质温度100-120oC.传统定向凝固技术存在的问题传统定向凝固技术存在的问题不不论论是是炉炉外外法法，还还是是炉炉内内法法，也也不不论论是是功功率率降降低低法法，还还是是快快速速凝凝固固法法，它它们们的的主主要要缺缺陷陷是是冷冷却却速速度度太太慢慢，即即使使是是液液态态金金属属冷冷却却法法，其其冷冷却却速速度度仍仍不不够够高高，这这样样产产生生的的一一个个弊弊端端就就是是使使得得凝凝固固组组织织有有充充分分的的时时间间长长大大、粗粗化化，以以致致产产生生严严重重的的枝枝晶晶偏偏析析，限限制制了资料性能的提高了资料性能的提高传统定向凝固技术存在的问题传统定向凝固技术存在的问题呵斥冷却速度慢的主要缘由：呵斥冷却速度慢的主要缘由：凝固界面与液相中最高温度面间隔太远凝固界面与液相中最高温度面间隔太远固液界面并不处于最正确位置固液界面并不处于最正确位置因因此此所所获获得得的的温温度度梯梯度度不不大大，这这样样为为了了保保证证界界面面前前液液相相中中没没有稳定的结有稳定的结晶中心的构成，所能允许的最大凝固速度就有限。晶中心的构成，所能允许的最大凝固速度就有限。为为了了进进一一步步细细化化资资料料的的组组织织构构造造，减减轻轻甚甚至至消消除除元元素素的的微微观观偏偏析析，有有效效地地提提高高资资料料的的性性能能，就就需需提提高高凝凝固固过过程程的的冷冷却却速速率率。在在定定向向凝凝固固技技术术中中，冷冷却却速速率率的的提提高高，可可以以经经过过提提高高凝凝固固过过程程中中固固液界面的温度梯度和生长速率来实现。液界面的温度梯度和生长速率来实现。因此如何采用新工艺、新方法去实现高温度梯度和大生长因此如何采用新工艺、新方法去实现高温度梯度和大生长速率的定向凝固，是当今众多研讨者追求的目的。速率的定向凝固，是当今众多研讨者追求的目的。定向凝固技术开展展望温度梯度进一步提高温度梯度进一步提高适宜于不同资料的定向凝固技术适宜于不同资料的定向凝固技术与其他技术结合构成复合技术与其他技术结合构成复合技术8 8分析法定向凝固过程分析法定向凝固过程凝固界面并不在最正确位置凝固界面并不在最正确位置凝固界面远离挡板凝固界面远离挡板凝固液相中的最高温度远离液固界面凝固液相中的最高温度远离液固界面在距冷却金属面极近的特定位置加热在距冷却金属面极近的特定位置加热液液态金金属属冷冷却却法法一一区区域域重重熔熔9 9高梯度和超高梯度定向凝固方面高梯度和超高梯度定向凝固方面试样熔区加热体隔热板陶瓷管冷却剂水浴器抽拉杆GTL=1270K/cm1010二激光超高温度梯度快速定向凝固三气冷快速定向凝固1111高冷却效率高冷却效率快速加工快速加工容易控制柔性的容易控制柔性的原始本钱低原始本钱低对于任何定向凝固铸件对于任何定向凝固铸件容易改良提高容易改良提高不同定向凝固技术的不同定向凝固技术的G/R/TG/R/T比较比较1818特殊资料的定向凝固技术特殊资料的定向凝固技术一电磁约束成形定向凝固1919二软接触电磁约束成形定向凝固二软接触电磁约束成形定向凝固1固态料棒固态料棒2磁模磁模3绝热层绝热层4上加热线圈上加热线圈5保温层保温层6约束成形熔体约束成形熔体7下加热成形线圈下加热成形线圈8磁化套磁化套9凝固的金属凝固的金属10水冷铜盘水冷铜盘2020光加热悬浮区熔定向凝固三、冷坩埚软接触定向凝固三、冷坩埚软接触定向凝固21212323四高性能陶瓷四高性能陶瓷资料定向凝固料定向凝固Al2O3单晶定向凝固技术表示图2424定向凝固实际研讨的开展趋势定向凝固实际研讨的开展趋势4444从单相合金和共晶合金向偏晶合金和包晶合金转移从二元向多元合金开展对流对凝固过程影响的定量描画从低温度梯度向高温度梯度开展实现相与组织的自动控制定向凝固过程中晶体择优取向与生长方向的关系定向凝固的模型化与数值模拟谢谢谢谢！4545