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1、定向凝固技术,一 定向凝固及其原理 二 定向凝固技术的发展 三 定向凝固在新材料研究与开发中的应用,定向凝固,材料的使用性能在很大程度上取决于其组织特征, 包括组织的形态、大小、分布及不同组织的相对含量等。定向凝固技术可较好地控制凝固组织晶粒取向, 消除横向晶界, 获得柱晶或单晶组织, 提高材料的纵向力学性能。因此，定向凝固技术己成为富有生命力的工业生产手段,代表着航空发动机涡轮叶片生产的现代水平。定向凝固技术 除用于高温合金的研制外, 还逐渐应用到半导体材料、磁性材料、复合材料的研制中, 并成为凝固过程理论研究的重要手段之一。,所谓定向凝固，就是指在凝固过程中采用强制手段，在凝固金属样未凝固
2、熔体中建立起沿特定方向的温度梯度，从而使熔体在气壁上形核后沿着与热流相反的方向，按要求的结晶取向进行凝固的技术。,涡轮叶片,光学晶体,光学晶体CaF2(左1:220150mm).,定向凝固原理,定向凝固是在凝固过程中采用强制手段，在凝固金属和未凝固熔体中建立起特定方向的温度梯度，从而使熔体沿着与热流相反的方向凝固，获得具有特定取向柱状晶的技术。 定向凝固技术是在高温合金的研制中建立和完善起来的。该技术最初用来消除结晶过程中生成的横向晶界，甚至消除所有晶界，从而提高材料的高温性能和单向力学性能。 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能够独立变化，可以分别研究它们对凝固过程的影响
3、。这既促进了凝固理论的发展，也激发了不同定向凝固技术的出现。,定向凝固技术的发展,传统的定向凝固技术主有： 1.炉外结晶法(发热铸型法) 2. 炉内结晶法1 功率降低法(PD法)2 快速凝固法(HRS)3 液态金属冷却法(LMC法)。 然而传统定向凝固技术存在着它的不足之处，不论是炉外法，还是炉内法，也不论是功率降低法，还是快速凝固法，它们的主要缺点是冷却速度太慢，即使是液态金属冷却法，其冷却速度仍不够高，这样产生的一个弊端就是使得凝固组织有充分的时间长大、粗化，以致产生严重的枝晶偏析，限制了材料性能的提高。,为了进一步细化材料的组织结构，减轻甚至消除元素的微观偏析，有效地提高材料的性能，就需
4、提高凝固过程的冷却速率。在定向凝固技术中，冷却速率的提高，可以通过提高凝固过程中固液界面的温度梯度和生长速率来实现。在此基础上形成了一些新型定向凝固的方法： 1 超高梯度定向凝固技术(ZMLMC)； 2 深过冷定向凝固 ； 3 电磁约束成形定向凝固技术 ； 4 激光超高温度梯度快速定向凝固 ；,传统定向凝固技术,炉外法,又叫发热剂法，是定向凝固工艺中最原始的一种。 基本原理：将铸型预热至一定温度后，迅速放到激冷板上并进行浇铸，激冷板上喷水冷却，从而在金属液和已凝固金属中建立一个自下而上的温度梯度，实现单向凝固。也有采用发热铸型的，铸型不预热，而是将发热材料充在铸型壁四周，底部采用喷水冷却。,发
5、热剂（炉外法）,缺点：温度梯度不大而且很难控制，不适合大型、优质件的生产 优点：工艺简单、生产成本低,功率降低法（PD法）,工艺流程：把熔融的金属液置于保温炉，保温炉是分段加热的，其底部采用水冷激冷板。自上而下逐段关闭加热器，金属则自下而上逐渐凝固。,功率降低法,缺点：设备较复杂，能耗消耗比较大，温度梯度小 优点：温度梯度容易难控制,高速凝固法（HRS法）,工艺特点：将铸型以一定速度从炉中移出，或者炉子以一定的速度移离铸件，并采用空冷方式。 对流传热辐射传热 避免炉膛的影响而且利用空气冷却，所获得的柱状晶间距小，细密挺直，组织均匀,高速凝固法,液态金属冷却法（LMC法）,以液态金属代替水，作为
6、模壳的冷却介质，模壳直接浸入液态金属冷却剂中，散热大大加强，以至在感应器底部迅速发生热平衡，造成很高的GTL，几乎不依赖浸入速度。,影响因素： 1冷却剂的温度 2 模壳传热性、厚度和形状 3 挡板位置 4 熔液温度 5液态金属冷却剂的选择条件： 6 有低的蒸气压，可在真空中使用 7 熔点低，热容量大，热导率高 8 不溶解在合金中 9 价格便宜,流态床冷却法（FBQ法）,在相同条件下， 液态金属冷却法的温度梯度GTL为100300/cm， 流态床冷却法的温度梯度GTL为100200/cm， 两者的凝固速率和糊状区宽度相同，分别5080cm/h和1cm,工艺比较,新型定向凝固技术,区域熔化液态金属
7、冷却法(ZMLMC),ZMLMC法是采用区域熔化和液态金属冷却相结合的方法。它利用感应加热,集中对凝固界面前沿液相进行加热,从而有效地提高了固液界面前沿的温度梯度。由于冷却速率明显提高,导致凝固组织细化,大幅度提高了合金的力学性能,深过冷定向凝固技术,过冷熔体中的定向凝固首先由B.Lux等人在1981年提出 基本原理：将盛有金属液的坩锅置于一激冷基座上,在金属液被动力学过冷的同时,金属液内建立起一个自下而上的温度梯度,冷却过程中温度最低的底部先形核,晶体自下而上生长,形成定向排列的树枝晶骨架,其间是残余的金属液。在随后的冷却过程中,这些金属液依靠向外界散热而向已有的枝晶骨架上凝固,最终获得了定
8、向凝固组织。,电磁约束成形定向凝固技术,电磁约束成形定向凝固技术是利用电磁感应加热金属材料,并利用在金属熔体表层部分产生的电磁压力来约束已熔化的金属熔体成形。同时,冷却介质与铸件表面有直接接触,增强铸件固相的冷却能力,在固液界面附近熔体内可以产生很高的温度梯度,使凝固组织超细化。,电磁约束成形定向凝固技术,它是提高金属材料产品性能和成材率的重要方向之一。 电磁成形是一种先进的材料成形加工技术,应用该技术,不仅可以实现金属的无坩锅熔化,而且还可以达到无铸型成形的效果,避免了材料在冶炼和成形中的污染。 该技术是一项涉及电磁流体力学、冶金、凝固以及自动控制等学科的技术,各种工艺参数如电磁压力、加热密
9、度、抽拉速度的选择将决定铸件的表观质量和性能。 电磁约束成形定向凝固工艺将成为一种很有竞争力的定向凝固技术,但还需研究解决靠近固液界面处熔体的侧向是否有横向传热等问题。,激光超高温度梯度快速定向凝固,定向凝固方法,由于受加热方法的限制,温度梯度不可能再有很大提高,要使温度梯度产生新的飞跃,必须寻求新的热源或加热方式。激光具有能量高度集中的特性,这使它具备了在作为定向凝固热源时可能获得比现有定向凝固方法高得多的温度梯度的可能性。 利用激光表面熔凝技术实现超高温度梯度快速定向凝固的关键在于:在激光熔池内获得与激光扫描方向一致的温度梯度;根据合金凝固特性选择适当的工艺参数以获得胞晶组织。利用激光快速
10、熔凝方法可以实现与Bridgman法相似的超高温度梯度快速定向凝固,其温度梯度可高达106K/m,速度可高达24mm/s,冷却速度较区熔液态金属冷却法大大提高(约为三个数量级)。,(a) 新型定向凝固方式 (b) 传统连铸技术的凝固方式 1-合金液；2-电加热器；3-热铸型；4-铸锭；5-冷却水；6-水冷铸型；7-二次水冷,新型定向凝固技术与传统连铸技术的比较,定向凝固与普通铸造显微组织示意图,(a) 定向凝固组织,(b) 普通铸造组织,定向凝固在新材料研究与开发中的应用,目前，定向凝固技术的最主要应用是生产具有均匀柱状晶组织的铸件，特别是在航空领域生产高温合金的发动机叶片，与普通铸造方法获得
11、的铸件相比，它使叶片的高温强度、抗蠕变和持久性能、热疲劳性能得到大幅度提高。对于磁性材料，应用定向凝固技术，可使柱状晶排列方向与磁化方向一致，大大改善了材料的磁性能。定向凝固技术也是制备单晶的有效方法。定向凝固技术还广泛用于自生复合材料的生产制造，用定向凝固方法得到的自生复合材料消除了其它复合材料制备过程中增强相与基体间界面的影响，使复合材料的性能大大提高。,(a) 超细无氧铜丝（19.7mm） (b)超细Al-Si丝（25mm）,定向凝固和低温强加工技术相结合制备产品,这种组织的材料由于不存在垂直于长度方向的横向晶界，因此具有优良的物理与力学性能：电导率高，信号保真性能好，强度与延伸率大幅度
12、提高，加工性能好。,新型定向凝固技术下研发出的产品图列,（a）17mm纯铜杆 (b) 5mmAl-1%Si合金杆,采用连续定向凝固技术成功制备了具有连续柱状晶组织的17mm纯铜杆，其相对电导率可达103%；采用该技术成功制备了具有连续柱状晶组织的5mmAl-1%Si 合金杆，所制取的合金杆表面光亮、组织致密、且具有优异塑性，晶体取向为。,(a) 391.8mm铜管 (b) 16mm单晶铜棒 取向（100）,真空熔炼和连续定向凝固相结合制备产品,利用此技术 生产工序大大地减少，生产成本和能源消耗大幅度降低，并且可充分发挥铜管坯的定向凝固组织及冷加工性能的优势，提高管坯的加工效率和成材率，管坯表面质量和性能稳定。,定向凝固技术在医学新材料方向的运用,临床上对长骨损伤的修复中, 人们希望找到一种像母骨那样高性能且带有孔隙的物资即多孔质材料, 使骨组织能长入其中, 直接牢固地将人工骨固定在母骨上。采用定向凝固技术生产多孔金属, 就是利用气体原子在金属中的溶解度差, 对液态金属加压, 提高发泡气体原子在液态金属中的溶解度, 然后设置冷却方向, 使液态金属沿一个方向发生凝固。定向凝固多孔金属可以在保持较高力学性能的同时实现人骨所需的较大的空孔率, 同时它具有减震性、耐磨性和化学稳定性, 这对绝大多数不具备自恢复效应的人工骨材料来说是极为重要的。,谢谢！,