定向凝固技術.doc

大連交通大學材料科學與工程學院定向凝固技術1、 定向凝固的研究狀況定向凝固成形技術是伴隨高溫合金的發(fā)展而逐漸發(fā)展起來的，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，以獲得具有特定取向柱狀晶的技術。定向凝固技術很好的控制了凝固組織的晶粒取向，消除橫向晶界，提高了材料的縱向力學性能，因而自美國普拉特惠特尼航空公司采用高溫合金定向凝固技術以來，這項技術得到廣泛的應用。1.1定向凝固理論的研究定向凝固理論的研究，主要涉及定向凝固中液-固界面形態(tài)及其穩(wěn)定性，液-固界面處相變熱力學、動力學，定向凝固過程晶體生長行為以及微觀組織的演繹等，其中包括成分過冷理論、MS 界面穩(wěn)定性、線性擾動理論、非線性擾動理論等。從Chalmers1等的成分過冷理論到Mullins2等的界面穩(wěn)定動力學理論(MS理論)，人們對凝固過程有了更深刻的認識。下面主要分析一下成分過冷理論和界面穩(wěn)定性理論。（1） 成分過冷理論成分過冷理論是針對單相二元合金凝固過程界面成分的變化提出的，如對于平衡分配系數(shù)小于1的合金在冷卻下來時，由于溶質在固相和液相中的分配系數(shù)不同，溶質原子隨著凝固的進行，被排擠到液相中去，并形成一定的濃度梯度，與這種溶質梯度相對應的液相線溫度與真實溫度分布之間有不同的值，其差值大于零時，意味著該部分熔體處于過冷狀態(tài)，有形成固相的可能性而影響界面的穩(wěn)定性。Chalmers等人通過分析得出了成分過冷的判據(jù)，確定了合金凝固過程中固液界面前沿的形態(tài)取決于兩個參數(shù)：GL/v和GLv，即分別為界面前沿液相溫度梯度和凝固速度的商和積。前者決定了界面形態(tài)，而后者決定了晶體的顯微組織（即枝晶間距或晶粒大?。?。成分過冷理論能成功的判定無偏析特征的平面凝固的條件，避免胞晶或枝晶的生成。但是成分過冷理論只考慮了溫度梯度和濃度梯度這兩個具有相反效應的因素對界面穩(wěn)定性的影響，忽略了非平面界面的表面張力、凝固時的結晶潛熱及固相中溫度梯度等的影響。4（2） MS穩(wěn)定性理論針對成分過冷理論存在的問題，Mullins等研究人員研究了溫度場和濃度場的干擾行為、干擾振幅和時間的依賴關系以及它們對界面穩(wěn)定性的影響，在1964年提出了界面穩(wěn)定性的動力學理論（MS穩(wěn)定性理論），總結出平界面絕對穩(wěn)定性判據(jù)。MS穩(wěn)定性理論成功的預言了5：隨著生長速度的增加，固液界面形態(tài)將經(jīng)歷從平界面-胞晶-樹枝晶-胞晶-帶狀組織-絕對穩(wěn)定平界面的轉變。近年來對MS理論界面穩(wěn)定性條件所做的進一步分析表明，MS理論還隱含著另一種絕對性現(xiàn)象，即當溫度梯度G超過一臨界值時，溫度梯度的穩(wěn)定化效應會完全克服溶質擴散的不穩(wěn)定化效應，這時無論凝固速度如何，界面總是穩(wěn)定的，這種絕對穩(wěn)定性稱為高梯度絕對穩(wěn)定性。但是這種理論只適合稀溶液，即低溶質質量分數(shù)的情況，并且忽略了凝固速率對溶質分配因數(shù)的影響。1.2定向凝固技術的研究熔體中的熱流垂直于固/液界面并嚴格的單向導出，是定向凝固成功的關鍵。伴隨著對熱流控制技術的發(fā)展，研究者對定向凝固技術進行多種方法的改進，不斷細化材料的結構組織，大大提高了溫度梯度和凝固速度，制備出的材料性能大幅度提高。伴隨著對熱流控制（不同的加熱、冷卻方式）技術的發(fā)展，傳統(tǒng)定向凝固技術經(jīng)歷了發(fā)熱劑法（EP）、功率降低法(PD)、高速凝固法(HRS)、液態(tài)金屬冷卻法(LMC)、流態(tài)床冷卻法(FBQ)等多種方法的發(fā)展。傳統(tǒng)定向凝固工藝的主要缺點6是冷卻速度慢，這樣就使得凝固組織有充分的時間長大、粗化，以致產(chǎn)生嚴重的枝晶偏析，限制了材料性能的提高。造成冷卻速度慢的主要原因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(wěn)定的結晶核心的形成，所能允許的最大凝固速度就有限。為了進一步提高定向凝固過程中的溫度梯度，從而提高凝固速度，最終提高材料的性能，研究者在傳統(tǒng)定向凝固技術的基礎上，吸收了其它凝固技術如快速凝固等的優(yōu)點，開發(fā)出了一些新的定向凝固技術。這些新型定向凝固技術7包括區(qū)域熔化液態(tài)金屬冷卻法（ZMLMC）、深過冷定向凝固(DUDS）、電磁約束成形定向凝固技術(DSEMS）、激光超高溫度梯度快速定向凝固（LRM）。新型定向凝固技術提高了凝固速度，進而得到組織性能更加優(yōu)越的材料，使得定向凝固技術的使用范圍更廣。2、 定向凝固的特征及應用2.1定向凝固的特征根據(jù)定向凝固的理論研究和技術研究，可知定向凝固的熱流是單向的，因此其性能是各向異性、晶間雜質少、組織致密、縮松少。定向凝固技術所得到的材料綜合性能提高很多，更有利于定向凝固技術的廣泛應用。但是定向凝固技術凝固時枝晶相向生長的界面雜質多，性能較差，因此其不能應用于要求橫向性能良好的場合?，F(xiàn)在定向凝固技術正朝著無鑄型、無污染、成本低等方向發(fā)展，這使得定向凝固技術更符合現(xiàn)代綠色生產(chǎn)的發(fā)展。2.2定向凝固的應用2.2.1制備高溫合金定向凝固技術最初就是應用于高溫合金的研制，自從定向凝固和單晶合金出現(xiàn)以后，所有國家的先進新型發(fā)動機幾乎無一例外地選用鑄造高溫合金制作最高溫區(qū)工作的葉片，目前幾乎所有先進航空發(fā)動機都以采用單晶葉片為特色，正在研制中的許多新型發(fā)動機都采用單晶高溫合金制作渦輪葉片8。西北工業(yè)大學凝固技術國家重點實驗室9利用特殊設計的雙頻雙感應器成功地實現(xiàn)了多種截面形狀的無接觸電磁約束成形。同時，他們利用軟接觸電磁約束成形定向凝固技術，制備出了不同尺寸的高溫合金葉片模擬樣件。中國科學院金屬研究所10應用定向凝固工藝成功研制出一種性能優(yōu)異的低成本定向凝固鎳基高DZ417G。DZ417G 合金從室溫至高溫瞬時拉伸性能良好，無缺口敏感性，橫向性能優(yōu)異，其中最突出的優(yōu)點是室溫至高溫的拉伸塑性優(yōu)異，且室溫沖擊韌性高。這種合金綜合性能優(yōu)異，可用作先進航空發(fā)動機低壓渦輪葉片等零件。2.2.2制備磁性材料深過冷快速凝固是目前國內外制備塊體納米磁性材料的研究熱點之一，采用該工藝可先制備出大塊磁性非晶，再將其進行退火熱處理而獲得納米磁性材料，也直接將整塊金屬進行晶粒細化至納米級而獲得納米磁性材料。深過冷快速凝固方法所制備塊體納米材料的厚度及平均晶粒尺寸在很大程度上是由合金成分以及液態(tài)金屬獲得的過冷度決定的。蔣成保等11人采用JSL-500區(qū)域熔化真空定向凝固裝置，對TbDyFe超磁致伸縮合金定向凝固的磁致伸縮性能的研究表明：胞枝晶組織是制備高性能TbDyFe合金樣品的關鍵，因為胞狀枝晶方式生長的樣品軸向擇優(yōu)取向為時，磁致伸縮性能優(yōu)越。2.2.3制備共晶復合材料定向凝固共晶復合材料是一種自生纖維(或片層)增強的金屬基復合材料，它的纖維或片層是在合金熔體定向凝固時和基體同時生長的。這種方法是原位生成法中的一種，采用定向凝固技術制備的復合材料增強體和基體的結合良好，不會出現(xiàn)界面反應問題和增強體與基體之間潤濕性的問題，所得到的復合材料增強相的排列取向較好。定向凝固技術制備復合材料在鎳基和鋯基復合材料上應用較多，得到的共晶型復合材料具有優(yōu)異的韌性、抗疲勞性能、抗蠕變性能和持久強度，并且對熱循環(huán)影響很不敏感，所以這種新型復合材料在航空發(fā)動機方面的應用前景極為美好。12西北工業(yè)大學13在自行研制的具有高真空、高溫度梯度、寬抽拉速度等特點的定向凝固設備上制備出自生Cu-Cr 復合材料棒，復合材料的綜合性能得到提高。2.2.4制備多孔材料金屬中的氣孔一般都被認為是一種缺陷，但是利用金屬中的氣體可以制備出多孔材料，現(xiàn)在使用最多的方法是金屬-氣體共晶定向凝固法，所得到的氣體-固體共晶結構為圓柱形氣孔規(guī)則定向排列于金屬基體中的材料。這種工藝所得到的多孔金屬不僅具有比相同材質的整塊致密金屬高的綜合力學性能（密度低，比模量、比強度高），而且與傳統(tǒng)方法制造的多孔材料比較起來，也具有很多優(yōu)異的性能特點。14清華大學劉源等15利用金屬-氣體共晶定向凝固新工藝，在自行開發(fā)的Gasar裝置上，成功制備了具有規(guī)則氣孔分布的藕狀多孔金屬Mg，并研究了鑄型預熱溫度和氣體壓力等工藝參數(shù)對氣孔率、氣孔大小和分布的影響。 2.2.5制備其他新型材料隨著社會的發(fā)展，各種材料應運而生，因此定向凝固技術的使用在不斷地擴大，如制備高溫超導體材料、功能材料、納米材料形狀記憶合金、單晶連鑄坯等。由此可以看出：定向凝固技術必將為新材料的制備和新加工技術的開發(fā)提供廣闊的前景，也必將使凝固理論得到完善和發(fā)展。 3、 定向凝固研究中存在的問題雖然初步的實驗表明定向凝固技術的應用前景非常廣闊，但是目前仍然存在一些問題需要解決。（1） 定向凝固技術制備單晶渦輪葉片時，易形成葉片凸臺邊緣的雜晶缺陷、成分偏析引起的斑點缺陷等16。此外，葉身的小角度晶界不得超過6，這使得在生產(chǎn)中不易控制。（2） 定向凝固技術中的深過冷技術局限于純金屬或簡單的二元合金，如何應用深過冷技術獲得性能優(yōu)良的復雜合金材料是一個亟待解決的問題17。（3） 電磁約束成形定向凝固技術是一項涉及電磁流體力學、冶金、凝固以及自動控制等多學科的技術，各種工藝參數(shù)如電磁壓力、加熱密度、抽拉速度的選擇將決定鑄件的表觀質量和性能，目前還處于研究階段。（4） 激光超高溫度梯度快速定向凝固技術存在的主要問題18是如何控制熱流的方向使固液界面的生長方向與激光束的掃描方向一致，實現(xiàn)傳統(tǒng)意義上的定向凝固，目前該工作正在進行之中。參考文獻1Rutter J W，Chalmers B. 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