其他超常規(guī)條件下凝固的技術

第十章液態(tài)金屬在特殊條件下的凝固及成型1精選課件教學內(nèi)容：快速凝固，微重力凝固，超重力凝固，定向凝固。教學要求：1.理解快速凝固根本原理，了解急冷凝固技術及特點、快速凝固晶態(tài)合金的組織和性能特征、快速凝固非晶材料的性能特征；2.了解微重力環(huán)境特點及微重力條件下的凝固；3.了解超重力場的產(chǎn)生原理，了解超重力下熔體的結(jié)晶；4.了解定向凝固工藝方法，了解定向凝固技術的應用。重點：特殊條件下液態(tài)金屬的凝固特點2精選課件所謂特殊條件，是指與傳統(tǒng)的鑄件〔錠〕凝固過程不同的條件。本章限于篇幅，只介紹快速凝固、失重條件下的凝固和定向凝固，其它一些特殊條件下的凝固〔包括連續(xù)鑄造、半固態(tài)成形等〕本章將不涉及。3精選課件第一節(jié)快速凝固快速凝固簡介快速凝固是指采用急冷技術或深過冷技術獲得很高的凝固前沿推進速率的凝固過程，通常其界面推進速率大于10mm/s。包括：急冷凝固技術和大過冷凝固技術4精選課件快速凝固使金屬材料發(fā)生一些前所未有的結(jié)構(gòu)變化：1、形成溶解度比通常情況下大得多的過飽和固溶體，固溶體中合金元素的含量大大超過平衡相圖上合金元素的極限溶解度；2、形成亞穩(wěn)相或新的結(jié)晶相；3、形成非晶態(tài)合金，又稱為金屬玻璃，即固態(tài)金屬中的原子沒有長程有序結(jié)構(gòu)只有短程有序結(jié)構(gòu)。5精選課件一急冷凝固技術急冷凝固技術核心－－－－－提高熔體的冷速要求：〔1〕減少單位時間內(nèi)金屬凝固時產(chǎn)生的結(jié)晶潛熱〔2〕提高凝固過程中的傳熱速度原理：減小同一時刻凝固的熔體體積并減少熔體體積與其散熱外表積之比，并設法減小熔體與熱傳導性能很好的冷卻介質(zhì)的界面熱阻主要通過傳導的方式散熱

6精選課件主要方法有：1〕把金屬或合金熔體分散成小液滴〔霧化技術、乳化技術或噴射成形技術〕以使這些小液滴在凝固前到達很大的過冷度。2〕使液流保持一個很小的截面，并與高效冷卻〔散熱〕器接觸〔熔體旋轉(zhuǎn)法或薄截面連續(xù)鑄造法〕。3〕使材料的一個薄層快速熔化并與無限大散熱器緊密接觸，散熱器通常是同一種材料或相關的材料〔如電子或激光束外表脈沖/移動熔化〕。7精選課件模冷技術途徑：使熔體與冷漠接觸并以傳導的方式散熱方法：“槍〞法、雙活塞法、熔體旋轉(zhuǎn)法、平面流鑄造法、電子束急冷淬火法、熔體提取法及急冷模法等8精選課件熔體旋轉(zhuǎn)法9精選課件優(yōu)點：冷卻速度較高，微觀組織結(jié)構(gòu)和性能比較均勻缺點：必須先粉碎技術關鍵：冷模提高傳熱速度應用：熔體旋轉(zhuǎn)法、平面流鑄造法及熔體提取法10精選課件霧化技術途徑：熔體別離霧化對流方式凝固方法：雙流霧化、離心霧化和機械霧化優(yōu)點：本錢較低便于大批量生產(chǎn)缺點：冷卻速度不如模冷技術高11精選課件12精選課件外表熔化與沉積技術途徑：應用激光束、電子束或等離子束逐行掃描外表使表層熔化層深一般為10-1000um外表熔化法示意圖13精選課件14精選課件三凝固組織和性能組織〔1〕顯著擴大合金的固溶極限?！?〕超細顆粒〔3〕少偏析或無偏析〔4〕形成亞穩(wěn)相〔5〕高的點缺陷密度15精選課件性能〔自學〕1、晶界強化2、改善了合金的強度延性和韌性3、位錯強化4、較高的超導轉(zhuǎn)變溫度5、良好的磁學性能6、很好的電學性能16精選課件四金屬玻璃的性能特征近年來隨著材料研究工作的深入，塊體金屬玻璃的研究得到了越來越多的重視。所謂塊體金屬玻璃，就是指在三維方向上均具有宏觀尺寸的金屬玻璃。目前已經(jīng)在Pd、Cu、La、Zr、Mg、Ti、Fe等合金體系中獲得了塊體金屬玻璃，金屬玻璃具有特殊的光澤。17精選課件塊體金屬玻璃具有高強度、高硬度、高耐腐蝕性以及良好的電磁、貯能等特性，因此采用合理的方法制備塊體金屬玻璃具有重要的科學意義和巨大的應用價值。18精選課件第二節(jié)微重力條件下的凝固微重力條件就是空間技術為人們提供的特殊材料加工條件之一，它與其它特殊條件的實驗設施〔如巨磁場、高能激光、超高真空等〕相似，設備不僅復雜而且十分昂貴。研究發(fā)現(xiàn)，在失重條件下出現(xiàn)了與重力條件下完全不同的現(xiàn)象，如無容器條件下的形核、流體行為以及由密度梯度引起的對流等。19精選課件凝固過程多組元液態(tài)懸浮-----復合材料無對流-----顆粒粗大20精選課件二、環(huán)境的獲得落塔、落管、飛機、火箭和軌道飛行中關村新景--110米高“落塔〞21精選課件第三節(jié)超重力凝固

超重力的獲得：離心機22精選課件結(jié)晶減少條紋缺陷23精選課件第四節(jié)定向凝固定向凝固-----組織在一個特定的方向上生長定向凝固技術在共晶凝固、定向柱狀晶生長和單晶鑄造等方面都有重要的意義。對于凝固溫度范圍寬的合金，定向凝固通過在鑄件的不同部位放置冷鐵實現(xiàn)。這時凝固界面的溫度梯度很陡，糊狀凝固區(qū)域也明顯減小，因此補縮得到改善、鑄件完整性變好，同時鑄件的機械性能也得以提高。24精選課件主要方法：發(fā)熱劑法其原理是水冷模底部采用水冷銅底座，頂部覆蓋發(fā)熱劑，側(cè)壁采用隔熱層絕熱，澆入金屬液后，在金屬液和已凝固金屬中建立起一個自下而上的溫度梯度，使鑄件自下而上，實現(xiàn)定向凝固。由于所能獲得的溫度梯度小和沿高度不斷減小，而且很難控制。因此，該法只可用于制造要求不高的零件。25精選課件功率降低法：自下而上順序關閉加熱線圈，調(diào)節(jié)功率，使金屬建立一個自下而上的溫度梯度場，實現(xiàn)定向凝固26精選課件快速凝固法27精選課件液態(tài)金屬冷卻法1．浸入機構(gòu)2真空室3．坩堝4．爐管5．擋板6，加熱線圈7．冷卻劑8．模殼28精選課件常用的液態(tài)金屬Ga—In合金和Ga—In—Sn合金，以及sn液和Al液，前二者熔點低，但價格昂貴，因此只適于在實驗室條件下使用。sn液熔點稍高(232℃)，但由于價格相比照較廉價，冷卻效果也比較好，因而適于工業(yè)應用。該法已被美國、前蘇聯(lián)等國用于航空發(fā)動機葉片的生產(chǎn)。29精選課件目前，定向凝固技術的最主要應用是生產(chǎn)具有均勻柱狀晶和單晶組織的鑄件，特別是在航空領域生產(chǎn)高溫合金的發(fā)動機葉片，與普通鑄造方法獲得的鑄件相比，該技術使葉片的高溫強度、抗蠕變和持久性能、熱疲勞性能得到大幅度提高30精選課件〔一〕柱狀晶的生長1、溫度梯度2、熱流方向定向31精選課件〔二〕單晶生長控制熔體溫度和生長速度----不出現(xiàn)成分過冷和溫度過冷單晶生長的方法：坩堝移動法爐體移動法和晶體提拉法

32精選課件坩堝下降法，從熔體中生長晶體的方法。通常，坩堝在結(jié)晶爐中下降，通過溫度梯度較大的區(qū)域時，熔體在坩堝中自下而上結(jié)晶為整塊晶體。這個過程也可以用結(jié)晶爐沿著坩堝上升，或者坩堝和結(jié)晶爐都不動通過結(jié)晶爐緩慢降溫來實現(xiàn)33精選課件晶體提拉法這是一種直接從熔體中拉出單晶的方法。熔體置柑塌中，籽晶固定于可以旋轉(zhuǎn)和升降的提拉桿上。降低提拉桿，將籽晶插入熔體，調(diào)節(jié)溫度使籽晶生長。提升提拉桿，使晶體一面生長，一面被慢慢地拉出來。這是從熔體中生長晶體常用的方法。用此法可以拉出多種晶體，如單晶硅、白鎢礦、釔鋁榴石和均勻透明的紅寶石等。

34精選課件區(qū)熔法懸浮區(qū)熔法是在20世紀50年代提出并很快被應用到晶體制備技術中。在懸浮區(qū)熔法中，使圓柱形硅棒固定于垂直方向，用高頻感應線圈在氬氣氣氛中加熱，使棒的底部和在其下部靠近的同軸固定的單晶籽晶間形成熔滴，這兩個棒朝相反方向旋轉(zhuǎn)。然后將在多晶棒與籽晶間只靠外表張力形成的熔區(qū)沿棒長逐步向上移動，將其轉(zhuǎn)換成單晶。水平區(qū)熔法