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1、第4章 铸件结晶组织的形成与控制,东北大学秦皇岛分校 林晓娉教授,铸件结晶组织形成与控制,4-1 铸件宏观组织的形成及影响因素,4-2 铸件结晶组织的控制,铸件的结晶组织，仅宏观状态而言，指的是铸态晶粒的形成、大小、取向和分布等情况；铸件微观结构的概念包括晶粒内部的结构形态，如树枝晶、胞状晶等亚结构形态，共晶团内部的两相结构形态，以及这些结构形态的细化程度等。 两者表现形式不同，但其形成过程却密切相关，并对铸件的各项性能，特别是力学性能产生强烈的影响。在第三章讲解的基础上，本章我们将主要针对铸件的宏观组织进行讲解及分析。,铸件宏观组织的形成及影响因素,自1954 年Winegand 和Chal
2、mers 提出假设以来，人们对于三个晶区形成机理的认识，经历了一个由浅入深的历史发展过程。直到最近的二三十年间人们才逐步认识到晶粒游离在铸件结晶过程中的重大作用，对三个晶区的形成机理才有一个基本明确的认识。因此在讨论铸件三个晶区的形成机理之前必须深入研究结晶过程中的晶粒游离问题。因此，本节的主要内容可拓展为：,4.1.1 铸件结晶中的晶粒游离,4.1.2 铸件结晶过程表面细晶区的形成,4.1.3 铸件结晶过程柱状晶区的形成,4.1.4 铸件结晶过程内部等轴晶区的形成,4、1.5 影响铸件宏观组织形成的因素,4.1.1铸件结晶中的晶粒游离,液态金属的流动对晶粒游离过程的作用主要是通过影响其传热和
3、传质过程而实现。此外对流本身对凝固层的机械冲刷作用也有一定的影响。,浇注过程中的流动,凝固期间的流动,自然对流,强迫对流,温度差引起的密度不同,溶质再分配引起的成分和密度变化,游离晶体和液体间的密度差,浇注时注入的动量(mv),外加电磁搅拌或机械搅拌,晶粒游离有关的对流,传热方面，金属液的流动宏观上加速了过热热量的散失；微观上紊流带来了强烈的温度起伏，对晶粒游离现象有着极大的影响。,传质方面，金属液的流动最大作用在于导致游离晶粒的漂移和堆积，并促进晶粒游离的进行，加速熔体的均匀化。,4.1.1铸件结晶中的晶粒游离,铸件结晶过程中的晶粒游离，可能存在以下几种形式：,1）游离晶直接来自过冷熔体内的
4、非均质生核 在铸件结晶过程中，只要存在有满足非均质生核条件的过冷熔体和相应有效的生核质点，这种晶粒游离现象总是存在的。2）由型壁晶粒脱落、枝晶熔断和增殖所引起的晶粒游离,依附于型壁的晶粒生长时引起溶质再分配，界面前沿液态凝固点降低，其实际过冷度减小。晶体根部紧靠型壁，溶质不易扩散，偏析严重，生长受到抑制。而远离根部处易于通过扩散和对流而均匀，生长快。这样将在根部产生“缩颈”现象。,在流体的冲刷和温度反复波动所形成的热冲击作用下，熔点最低而又最脆弱缩颈部位极易断开，晶粒自型壁脱落而导致晶粒游离。,4.1.1铸件结晶中的晶粒游离,缩颈现象在树枝晶各次分枝的根部也存在。这是因为枝干生长过程中在其侧面
5、形成的溶质偏析层阻碍了侧面的生长，当偶然产生的凸出部分突破此层后，便进入较大的成分过冷区内，长出较粗大的分枝，从而在分枝根部留下缩颈。 另外，还有一种非常重要的晶粒游离现象晶粒增殖。如图游离晶在漂移过程中不断通过不同的温度区域和浓度区域，不断受到冲击，处于反复局部熔化和反复生长之中，这样分枝根部缩颈就可能断开而破碎成几个晶粒。,铸件结晶过程中的晶粒游离，可能存在以下几种形式：,2）由型壁晶粒脱落、枝晶熔断和增殖所引起的晶粒游离,5.1.1铸件结晶中的晶粒游离,铸件结晶过程中的晶粒游离，可能存在以下几种形式：,3）液面晶粒沉积所引起的晶粒游离,凝固初期在液面处形成的晶粒或顶部凝固层脱落的分枝由于
6、密度比液体大而下沉也能导致晶粒游离的产生。,4.1.2表面细晶区的形成,表面激冷区中的晶粒通常是无方向性的细等轴晶。根据传统理论，当液态金属浇入温度较低的铸型中时，型壁附近熔体由于受到强烈的激冷作用，产生很大的过冷度而大量非均质生核。这些晶核在过冷熔体中迅速生长并互相抑制，从而形成了无方向性的表面细等轴晶组织。故以往常把表面细等轴晶称为“激冷晶”。,现代研究表明，除非均质生核过程以外，各种形式的晶粒游离也是形成表面细晶粒区的“晶核”来源。型壁附近熔体内部的大量生核只是表面细晶粒区形成的必要条件，而抑制铸件形成稳定的凝固壳层则为其充分条件。大量试验证实，表面细晶区的等轴晶粒不仅直接来源于过冷熔体
7、的非均质形核，而且还来自包括型壁晶粒脱落、枝晶熔断和晶粒增值等各种形式的晶粒游离过程。 稳定的凝固壳层形成得越早，表面细晶粒区向柱状晶区转变得也就越快，表面激冷区也就越窄。一旦型壁附近的晶粒互相连结而构成稳定的凝固壳层，凝固将转为柱状晶区由外向内的生长。这时，表面激冷细晶粒区将不再发展。,4.1.2 表面细晶区的形成,4.1.2表面细晶区的形成,750水淬,摇动 ，不锈钢杯子大野笃美的实验,型壁激冷虽然能增大其附近熔体的非均质生核能力，但也使型壁上的晶核数目大大增加，从而促使型壁晶粒很快连接而形成稳定的凝固壳并最终阻止表面细晶粒区的发展。因此，如果在凝固开始阶段不存在强的型壁晶粒游离条件(如高
8、的溶质含量和强烈的液态金属流动等)，那么，过强的型壁激冷能力反而不利于表面细晶粒区的形成。如图b）所示，大野笃美的试验，证实了以上结论。,4.1.3柱状晶区的形成,紧贴铸型表面稳定的凝固壳层一旦形成，柱状晶就直接由表面细等轴晶凝固层某些晶粒为基底向内生长，发展成由外向内生长的柱状晶区。枝晶主干取向与热流方向平行的枝晶生长迅速 。由于各枝晶主干方向互不相同，那些主干与热流方向相平行的枝晶，较之取向不利的相邻枝晶生长得更为迅速。它们优先向内伸展并抑制相邻枝晶的生长。在逐渐淘汰掉取向不利的晶体过程中发展成柱状晶组织(如图)。这个互相竞争淘汰的晶体生长过程称为晶体的择优生长。,铸型,液态金属,4.1.
9、3柱状晶区的形成,柱状晶区开始于稳定凝固壳层的产生，而结束于内部等轴晶区的形成。因此柱状晶区的存在与否及宽窄程度取决于上述两个因素综合作用的结果。如果在凝固初期就使得内部产生等轴晶的晶核，将会有效地抑制柱状晶的形成。 控制柱状晶区继续发展的关键因素是内部等轴晶区的出现。如果界面前方始终不利于等轴晶的形成与生长，则柱状晶区可以一直延伸到铸件中心，直到与对面型壁长出的柱状晶相遇为止，从而形成所谓的穿晶组织。,4.1.4内部等轴晶的形成,从本质上说，内部等铀晶区的形成是由于熔体内部晶核自由生长的结果。但是，关于等轴晶晶核的来源以及这些晶核如何发展并最终形成等轴晶区的具体过程，存在不同的争议。 1、关
10、于等轴晶晶核的来源： （1）过冷熔体直接生核理论 （2）界面前方晶粒游离理论 （3）激冷晶游离理论,4.1.4内部等轴晶的形成,这个理论是Winegand 和Chalmers 于1954 年提出来的该理论认为，随着凝固层向内推移，固相散热能力逐渐削弱，内部温度梯度趋于平缓，且液相中的溶质原子越来越富集，从而使界面前方成分过冷逐渐增大。当成分过冷大到足以发生非均质生核时，便导致内部等轴晶的形成。,（1）过冷熔体直接生核理论（“成分过冷”理论）,等轴晶形貌,4.1.4内部等轴晶的形成,Jackson 等人提出，生长着的柱状枝晶在凝固界面前方的熔断、游离和增殖导致了内部等轴晶晶核的形成，称为“枝晶熔
11、断”理论。 Southin(索辛)、osenhain（罗逊汉）等人则认为，液面冷却产生的晶粒下雨似地沉积到柱状晶区前方的液体中，下落过程中也发生熔断和增殖，是铸锭凝固时内部等轴晶晶核的主要来源，称为“结晶雨”理论。,（2）界面前方晶粒游离理论（枝晶熔断及结晶雨理论）,4.1.4内部等轴晶的形成,在浇注的过程中及凝固的初期激冷,等轴晶自型壁脱落与游离促使等轴晶形成,浇注温度低可以使柱状晶区变窄而扩大等轴晶区。 等轴晶体即便在浇注过程中没有来得及形成，那么浇洼完毕凝固的开始阶段，在型壁处形成的晶体，由于其密度或大于母液或小于母液也会产生对流，依靠对流可将型壁处产生的晶体脱落且游离到铸件的内部，图5
12、-5 是产生这种对流的示意图。,（3）激冷晶游离理论（激冷等轴晶型壁脱落与游离理论）,4.1.4内部等轴晶的形成,2 关于等轴晶区的形成过程：（1）索新（Southin）等人认为不仅要求界面前方存在有等轴晶晶核，而且还要求这些晶核长到一定的大小，并形成网络以阻止柱状晶区的生长。（2）富兰杰克逊（Fredikesson）认为内部等轴晶区的产生并不要求游离晶形成网络阻止柱状晶区的生长，而是由一部分游离晶的沉淀和一部分游离晶被侧面生长着的状状前沿捕获后而形成的。（3）我国学者，认为内部等轴晶区的形成是由于凝固界面的生长速率R与游离晶垂直于界面的运动速率v之间互相作用的结果。当两者之差远大于界面捕获游
13、离晶所必需的临界速率时，即可形成内部等轴晶区。,4.1.4内部等轴晶的形成,无论是关于等轴晶晶核的来源问题，还是等轴晶区形成的具体过程问题，上述各理论与看法均有自己的实验根据，然而也受到各自实验条件的限制。关于等轴晶区的形成过程比较统一的看法是，中心等轴晶区的形成很可能是多种途径的。在一种情况下，可能是这种机理起主导作用；在另一种情况下，可能是另一种机理在起作用，或者是几种机理的综合作用，而各自作用的大小当由具体的凝固条件所决定。,4.1.5影响铸件宏观组织形成的因素,综上所述，铸件中三个晶区的形成是相互联系、彼此制约的。稳定凝固壳层的产生决定着表面细晶粒区向柱状晶区的过渡，而阻止柱状晶区进一
14、步发展的关键则是中心等轴晶区的形成。 凡能强化熔体独立生核，促进晶粒游离及有助于游离晶的残存与堆积的各种因素都将抑制柱状晶区的形成和发展，从而扩大等轴晶区的范围，并细化等轴晶组织。这些因素包括以下几个方面：,1.金属性质方面；,2.浇注条件方面；,3.铸型性质和铸件结构方面。,4.1.5影响铸件宏观组织形成的因素,1 金属性质方面：（1）强生核剂在过冷熔体中的存在；（2）宽结晶温度范围的合金和小的温度梯度；（3）合金中溶质元素含量较高、平衡分配系数k0偏离1较远；（4）熔体在凝固过程中存在长时间的、激烈的对流。,4.1.5影响铸件宏观组织形成的因素,2 浇注条件方面：（1）低的浇注温度 过热度
15、小，能产生大量的游离晶，并有助于游离晶的残存。（2）合适的浇注工艺 凡能强化液流对型壁的冲刷作用的浇注工艺均能扩大并细化等轴晶区。,大野笃美研究比较了几种浇注方法（石墨型，Al-0.2%Cu 合金）对铸件宏观凝固组织的影响。图a所示铸型中间的方法浇注，对型壁无冲刷作用，获得的凝固组织大多为粗大柱状晶。图b所示单孔上注方法，使液流沿型壁冲刷，结果柱状晶区缩小，内部等轴晶区扩大且晶粒细化。进一步使液流分散，采用图c所示的沿型壁六孔浇注，得到全部细小等轴晶。浇注缓慢，并且浇注结束时过冷度较低，越利于晶核的生存。后来大野笃美采用水流冷却的斜板浇注方法，获得比图c更好的晶粒细化效果。,4.1.5影响铸件
16、宏观组织形成的因素,3 铸型性质和铸件结构方面： 对于薄壁铸件而言，激冷可以使整个断面同时产生较大的过冷。铸型蓄热系数越大，整个熔体的生核能力越强。因此这时采用金属型铸造比采用砂型铸造更易获得细等轴晶的断面组织。 对于型壁较厚或导热性较差的铸件而言，铸型的激冷作用只产生于铸件的表面层。在这种情况下，等轴晶区的形成主要依靠各种形式的晶粒游离。这时铸型冷却能力的影响是矛盾的。,4.1.5影响铸件宏观组织形成的因素,3 铸型性质和铸件结构方面：一方面，低蓄热系数的铸型延缓稳定凝固壳层的形成，有助于凝固初期激冷晶的游离，同时也使内部温度梯度GL变小，凝固区城变宽，从而对增加等轴晶有利另一方面，它减慢了
17、熔体过热热量的散失，不利于游离晶粒的残存，从而减少了等轴晶的数量。通常，前者是矛盾的主导团素，因而在一般生产中，除薄壁铸件外，采用金属型铸造比砂型铸造更易获得柱状晶，特别是高温下浇注更是如此。,4.1.5影响铸件宏观组织形成的因素,补充：改善铸件组织的孕育处理,孕育处理是浇注之前或浇注过程中向液态金属中添加少量物质以达到细化晶粒、改善宏观组织目的的一种工艺方法。 孕育( Inoculation)主要影响生核过程和促进晶粒游离以细化晶粒；变质（Modification）则是改变晶体的生长机理，从而影响晶体形貌。变质在改变共晶合金的非金属相的结晶形貌上有着重要的应用，而在等轴晶组织的获得和细化中采
18、用的则是孕育方法。,孕育主要起非自发形核作用,孕育剂含有直接作为非自发生核的物质 孕育剂能与液相中某些元素反应生成较稳定的化合物而产生非自发生核在液相中造成很大的微区富集而迫使结晶相提前弥散析出而生核,4.1.5影响铸件宏观组织形成的因素,合金常用孕育剂的主要元素情况,通过在生长界面前沿的成分富集而使晶粒根部和树枝晶分枝根部产生缩颈，促进枝晶熔断和游离而细化晶粒。,4-2 铸件结晶组织的控制,铸件的质量和性能与其结晶组织密切相关。就宏观组织而言，表面细晶粒区一般比较薄，对铸件的质量和性能影响不大。铸件的质量与性能主要取决于柱状晶区与等轴晶区的比例以及晶粒的大小。 柱状晶在生长过程中凝固区域较窄
19、，其横向生长受到相邻晶体的阻碍，树枝晶得不到充分的发展，分枝较少。因此结晶后显微缩松等晶间杂质少，组织比较致密。但柱状晶比较粗大，晶界面积小，并且位向一致。因而其性能具有明显的方向性：纵向好、横向差。此外，其凝固界面前方常汇集有较多的第二相杂质，特别是当不同方位的柱状晶区相遇而构成晶界时，大量夹杂与气体等在该处聚集将导致铸件热裂，或者使铸锭在以后的塑性加工中产生裂纹。,4-2 铸件结晶组织的控制,等轴晶区的晶界面积大，杂质和缺陷分布比较分散，且各晶粒之间位向也各不相同，故性能均匀而稳定，没有方向性。其缺点是枝晶比较发达，显微缩松较多，凝固后组织不够致密。等轴晶细化能使杂质和缺陷分布更加分散，从
20、而在一定程度上提高各项性能。一般说来，晶粒越细，其综合性能就越好，抗疲劳性能也越高。 除宏观状态外，结晶组织的微观结构对铸件的质量和性能也有强烈的影响。在其他条件相同时，平面生长柱状晶的质量和性能优于胞状结构的柱状晶，更胜过树枝状结构的柱状晶组织；而没有树枝状结构的球状晶组织的质量与性能则比树枝状结构的等轴晶组织更强，树枝晶的枝晶间距(特别是二次枝晶间距)越小，铸件的夹杂和缺陷越分散，致密性就越好，机械性能也就越高。,4.2.2等轴晶组织的获得和细化,通过强化非均质生核和促进晶粒游离以抑制凝固过程中柱状晶区的形成和发展，就能获得等轴晶组织。非均质晶核数量越多，晶粒游离的作用越强，熔体内部越有利
21、于游离晶的残存，则形成的等轴晶粒就越细。根据上节分析，不难总结出如下的具体措施：,4.2.2等轴晶组织的获得和细化,1、利用金属流对型壁的冲刷,大野笃美针对型壁晶体脱落对生核过程的影响进行了一系列试验，证明利用金属流对型壁的冲刷作用可以获得细小等轴晶。,2、用电磁搅拌(electromagnetic stirring)使金属液体旋转,把铸型放入类似于电动机定子的旋转磁场中，则铸型中的液体金属不断切割磁力线，将像转子一样旋转。由于铸型是不动的，凝固层与铸型一起也不参加旋转，依次旋转的液体金属不断地冲刷着型壁和以后的凝固层。这种冲刷作用是由通电来控制的，从理论上说，它可以在凝固过程的任何阶段，产生
22、不同强度的磁场，使铸件的不同部分获得不同的晶粒组织。这种技术在冶金企业已经广泛应用于连铸坯生产中。,4.2.2等轴晶组织的获得和细化,3、孕育处理（inoculation）与变质处理（modification）,孕育处理和变质处理都是在金属液中加入少量物质。孕育处理主要是通过促进液体内部的形核，达到细化晶粒的目的。变质处理主要通过改变晶体的生长方式，从而改变晶体的形貌和生长速度，达到细化晶粒的作用。,孕育和变质作用的原理可归纳为以下三类：,a) 外加晶核,在浇注时向金属液流中加入与欲细化相具有界面共格对应的高熔点物质或同类金属的碎粒，使之在液体中作为有效质点促进非自发生核。,b) 加入生核剂,
23、物质本身不一定能作为晶核，但通过它们与液体金属中某些元素的相互作用，能产生晶核或有效质点，促进非自发生核。分为两类：一是少量元素能与液体中某元素（最好是细化相原子）组成较稳定的化合物，此化合物与欲细化相具有界面共格对应关系，就能促进非自发生核。二是少量元素能在液体中造成很大的微区富集，迫使结晶相提前弥散析出。,c) 采用成分过冷元素,这类元素在晶体产生时，富集在相界面上，既能阻碍已有晶体生长，又能形成较大的成分过冷促进生核，同时又使晶体的分枝形成新的缩颈，易于熔断脱落，形成新的晶核。,4.2.2等轴晶组织的获得和细化,3、孕育处理（inoculation）与变质处理（modification）
24、,试验指出，几乎所有的孕育剂都有一个时间效应的问题，即在处理后存在孕育衰退现象。因此孕育效果不仅取决于孕育剂的本身，而且也与孕育处理工艺密切相关。一般说来，处理温度越高，孕育衰退越快。因此在保证孕育剂均匀溶解的前提下，应尽量降低处理温度。孕育剂的粒度也要根据处理温度和具体的处理方法来选择。 瞬时孕育法液流孕育法和型内孕育法。,2）合理确定孕育工艺,4.2.2 获得柱状晶的条件和单向凝固技术,柱状晶组织虽然有晶粒粗大、杂质偏聚、性能有明显方向性的不足，但在有些情况下人们也利用其平行于晶体生长方向强度高，抗蠕变能力好的特点，制造特种铸件。 例如，具有柱状晶组织的发动机叶片的性能和寿命有大幅度提高，
25、柱状晶组织还在磁性材料中得到应用。 本节我将就有关柱状晶获得的条件及单项凝固技术予以简要的介绍。主要包括以下三方面的内容：,一、单向凝固原理,二、单向凝固技术,三、获得单晶的条件和单晶制造方法,4.2.2 获得柱状晶的条件和单向凝固技术,单向凝固的目的是为了使铸件或铸锭获得按一定方向生长的柱状晶或单晶组织。要得到单向凝固组织需要满足以下条件：,一、单向凝固原理,首先，要在开始凝固的部位形成稳定的凝固壳。凝固壳的形成阻止了该部位的型壁晶粒游离，并为柱状晶提供了生长基础。该条件可通过各种激冷措施达到。,其次，要确保凝固壳中的晶粒按既定方向通过择优生长而发展成平行排列的柱状晶组织。同时，为使柱状晶纵
26、向生长不受限制，并且在其组织中不夹杂有异向晶粒，固-液界面前方不应存在生核和晶粒游离现象。这个条件可通过下述措施来满足：,1、严格的单向散热。要使凝固系统始终处于柱状晶生长方向的正温度梯度作用下，并且要绝对阻止侧向散热以避免界面前方型壁及其附近的生核和长大。,2、有足够大的GL/R，使成分过冷限制在允许的范围内。同时要减少熔体的非均质生核能力，这样就能避免界面前方的生核现象。提高熔体的纯净度，减少因氧化和吸氧而形成的杂质污染，对已有的有效衬底则通过高温加热或加入其它元素来改变其组成和结构等方法均有助于减少熔体的非均质生核能力。,3、要避免液态金属的对流、搅拌和振动，从而阻止界面前方的晶粒游离。
27、对晶粒密度大于液态金属的合金，避免自然对流的最好方法就是自下而上地进行单向结晶。当然也可以通过安置固定磁场的方法阻止其单向结晶过程中的对流。,4.2.2 获得柱状晶的条件和单向凝固技术,根据成分过冷理论，要使合金单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。前者包括溶质含量、液相线斜率和溶质在液相中的扩散系数，后者包括温度梯度和凝固速率。如果被研究的合金成分已定，则靠工艺参数的选择来控制凝固组织，其中固-液界面液相一侧的温度梯度又是最关键的，所以人们都致力于提高温度梯度。可以说，单向凝固技术的发展历史是不断提高设备温度梯度的历史。大的温度梯度一方面可以得到理想的合金组织和性能
28、，另一方面又可以允许加快凝固速率，提高设备利用率。下面简单介绍几种单向凝固工艺。,二、单向凝固技术,5.2.2 获得柱状晶的条件和单向凝固技术,1、炉外单向凝固法（发热剂法）,将铸型加热到高温后，迅速取出放在激冷板上，立即浇注。冒口上方盖以发热剂，激冷板下喷水冷却。由于铸型表面温度升高到熔点以上，能使金属较长时间保持液态，从而创造了自下而上的单向凝固条件。此外也可采用发热铸型的方法。早期的单向凝固技术采用的就是炉外法。其缺点是铸件一经浇注，GL和R就无法控制。由于单向散热能力随界面推进而逐渐减弱，柱状晶组织也逐渐变粗。当其长度超过50100mm后，便出现等轴晶粒。因此不适合制造大型和优质铸件。
29、但由于其简单的工艺和低廉的成本，近年来在简单零件小批单向凝固生产中又重新引起人们的兴趣。,5.2.2 获得柱状晶的条件和单向凝固技术,2、炉内单向凝固法,使铸件在加热器内浇注和冷却。由于可以调节炉内温度梯度及对结晶过程实现程度不同的控制，因此可以获得高质量的复杂铸件。,(a)功率下降法（PD法）,将加热器中的开底铸型放在水冷结晶器上，加热器的感应圈由上下两部分组成。先把铸型加热到浇注温度以上3060，浇注后切断下部感应圈电源。通过合理地调节上部线圈的输入功率，可以实现冷却速度相当大的单向凝固。其缺点是散热条件没有得到较好的改善，因此得到的柱状晶区仍不超过180mm。,(b)高速凝图法(HRS法
30、),该法是在PD法的基础上发展起来的。关键是通过逐步移出铸型加强已凝固部分的散热条件。移出速度应能确保凝固界面处于隔板附近的上方。隔板的作用是将高温区和低温区分隔开，从而有利于GL的进一步提高。与PD法相比，该法优点是：由于具有较高的GL和R，故枝晶间距较小，柱状晶细密挺直，生产率比PD法高23倍；凝固区域较窄，有利于补缩，铸件缺陷大大减少，能在较长期间内保持恒定生长，故组织均匀，柱状晶长度可达300mm以上。,5.2.2 获得柱状晶的条件和单向凝固技术,(c) 液态金属冷却法(L.M.C法),2、炉内单向凝固法,为了进一步加强HRS法的散热能力，可使结晶器连同铸型在移出隔板后尽快浸入低熔点
31、、高沸点的液态金属中，利用液态金属的高散热能力使凝固区激冷。这便是L.M.C法（图）。该法GL可达200/cm以上，且原则上不受凝固层拉长的影响，可得到极长的单向柱状晶。,5.2.2 获得柱状晶的条件和单向凝固技术,分析一下LMC法单向凝固过程不难发现，以下两个问题限制了温度梯度的提高，一是凝固界面并不处于最佳位置，当抽拉速率较低时，界面相对于挡板上移，使凝固界面远离档板；二是未凝固液相中的最高温度面远离凝固界面，界面前沿温度分布平缓。如果改变加热方式，采用在距冷却金属液面较近的特定位置加热，使液相中最高温度区尽量靠近凝固界面，使界面前沿液相中的温度分布变陡，可进一步提高温度梯度。如果采用区域
32、熔化法加热结合液态金属冷却，就形成了区域熔化液态金属冷却单向凝固法。这种方法GTC可达1270k/cm。,(d)区域熔化液态金属冷却法（ZMLMC法）,5.2.2 获得柱状晶的条件和单向凝固技术,凝固是由坩埚的一端开始，坩埚可以垂直放置在炉内，熔体自下而上凝固或自上而下凝固，如图所示，也可以水平放置。最常用的是将尖底坩埚垂直沿炉体逐渐下降，单晶体从尖底部位缓慢向上生长。也可以将“籽晶”放在坩埚底部，当坩埚向下移动时， 从“籽晶”处开始结晶，随着固-液界面的移动，单晶不断长大。这类方法的主要缺点是晶体和坩埚壁接触，容易产生应力或寄生成核，因此，在生产高完整性的单晶时，很少采用。,三、获得单晶的条
33、件和单晶制造方法,(1)坩埚移动或炉体移动单向凝固法,异型高温合金单晶铸件大都是采用垂直坩埚移动单向凝固法获得的，图5-7是铸造单向凝固单晶叶片装置。,5.2.2 获得柱状晶的条件和单向凝固技术,这里以高温合金涡轮叶片为对象来介绍其力学性能。由一个柱状晶构成的铸件称为单晶或准单晶铸件。由于它不存在晶界，没有晶界强化元素，因而具有良好的持久寿命，低的蠕变速度和好的热疲劳性能，并且由于产生偏析的晶界被排除，从而使抗氧化、抗热腐蚀性能大大提高。单晶铸件用于航空涡轮发动机热端零件制造，在性能上无疑优于柱状晶和用普通铸造方法得到的铸件。由图中的低倍组织可以看出,普通铸造高温合金叶片由等轴晶组成，柱晶叶片
34、纵向柱晶贯穿，而单晶叶片是由一颗大晶粒构成。,5.2.2 获得柱状晶的条件和单向凝固技术,三种铸造镍基高温合金MarM200的拉伸性能如图所示。由图可以看出,单晶的拉伸塑性在所有温度下都比较优越，柱状晶的瞬时拉伸强度随着温度升高而提高，在760附近达最高值，超过800时，迅速降低，在760附近柱状晶拉伸强度比等轴晶高出100MPa，在760附近出现拉伸塑性的最低值。镍基高温合金中低温塑性是由其内部组织结构所决定的。,5.2.2 获得柱状晶的条件和单向凝固技术,蠕变和持久性能是衡量高温合金材料性能的重要指标。在这方面，柱状晶和单晶组织显示了突出的优越性。单晶、柱状晶和等轴晶合金在高温下蠕变特征曲线，试验温度980，工作应力205MPa。这一特征对于涡轮热端转动部件尤为重要，它预示着零件是否即将破坏，有利于杜绝发生突然断裂事故。 优良的热疲劳性能是单向凝固柱晶和单晶的特性。试验在201000、周期加热每分钟2次、加压80MPa条件下进行的。试验结果表明，柱晶比等轴晶抗热疲劳性能提高5倍，其热疲劳裂纹扩展速度相当缓慢。柱晶热疲劳裂纹的裂纹源首先产生在枝晶间，裂纹要向前扩展必须反复不断穿过阻力较大的互相平行的枝晶区，因而扩展速度缓慢。,本章结束,