第五章+定向凝固讲解.pptx

1、,第五章 定向凝固技 术,材料制备与加工技术的发展对新材料的研 发、应用和产业化具有决定性作用。同时还可 有效的改进和提高传统材料的使用性能。对传 统材料的产业更新和改造具有重要作用。定向 凝固技术被广泛应用于获得具有特殊取向的组,2,织和优异性能的材料。,定向凝固的发展历史定向凝固基本原理 定向凝固工艺应用实例,3,5.1定向凝固的发展历史,4,定向凝固过程的理论研究的出现是在1953 年，那是Charlmers及其他的同事们在定向凝固 方法考察液/固界面形态演绎的基础上提出了被 人们称之为定量凝固科学的里程碑的成分过冷理 论。,在20世纪60年代，定向凝固技术成功的应用 于航空发动机涡轮叶

2、片的制备上，大幅度提高了 叶片的高温性能，使其寿命加长，从而有力地推 动了航空工业发展。近20年来，不仅开发了许多先进的定向凝固 技术，同时对定向凝固理论也进行了丰富和发展，从Charlmers等的成分过冷理论到Mullins等的固/液界面稳定动力学理论（MS理论），人们对凝固 过程有了更深刻的认识，从而又能进一步指导凝 固技术的发展。,5,随着其他专业新理论的出现和日趋成熟及 实验技术的不断改进，新的凝固技术也将被不 断创造出来。定向凝固技术必将成为新材料的 制备和新加工技术的开发提供广阔前景，也必 将使凝固理论得到完善和发展。,6,5.2 定向凝固基本原理,7,定向凝固技术 的基本定义定向

3、凝固理论定向凝固技术的适用范围,在凝固过程中采用强制手段，在 凝固金属和为凝固熔体中建立起 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，,8,获得具有特定取向柱状晶的技术。,定向 凝 固,定向凝固技术的工艺参数,9,凝固过程中固液界面前沿液相中的温度梯度GL固液界面向前推进的速度RGL/R值是控制晶体长大形态的重要判据。,5.2.2 定向凝固理论,10,定向凝固技术实验的发展推动了凝固理论的 发展和深入。Charlmers、Tiller等人在研究 中发现在合金中液固界面前沿由于溶质富集 将会产生“成分过冷”导致平衡界面失稳而 形成胞晶核枝晶。首次提出了成分过冷理论。,纯金属的凝固

4、过程,正温度梯度下，固液界面前 沿液体几乎没有过冷，固液 界面以平面方式向前推进，即晶体以平面方式向前生长。,负的温度梯度下，界面前方的液体强烈过冷，晶体以树枝晶方式生长。,11,1、成分过冷理论,成分过冷理论能成功的判定低速生长条件下无 偏析特征的平面凝固，避免胞晶或枝晶的生长。,12,20世纪50年代Charlmers、Tiller等人首次提出单晶二元合金成分理论。,固液界面液相区内形成成分过冷条 件,13,一是由于溶质在固相和液相中的固溶度不同，,即溶质原子在液相中固溶度大，在固相中固溶度,小，当单向合金冷却凝固时，溶质原子被排挤到,液相中去，在固液界面液相一侧堆积着溶质原子，,形成溶质

5、原子的富集层。随着离开固液界面距离,增大，溶质质量分数逐渐降低。,二是在凝固过程中，由于外界冷却作用，在,固液界面固相一侧不同位置上的实际温度不同，,外界冷却能力强，实际温度低；相反实际温度高。,如果在固液界面液相一侧，溶液中的实际温度低,于平衡时液相线温度，出现过冷现象。,在此基础上，Charlmers、Tiller等人首次 提出了著名的“成分过冷”判据：,式中：GL为液固界面前沿液相温度梯度（K/mm）；V为界面生长速度（mm/s）；mL为液相线斜率；C0为合 金平均成分；k0为平衡溶质分配系数；DL为液相中溶质 扩散系数；T0为平衡结晶温度间隔。,14,图5.1 成分过冷,15,据此，可

6、以得到平衡界面生长的临界速度。,式中，T0=mLC0(k0-1)，T0是合金平衡结晶温度间隔。,16,在晶体生长过程中，当不存在成分过冷时，如果 在平直的固液界面上由于不稳定因素扰动产生凸起，也 会由于过热的环境将其熔化而继续保持平面界面。而当界面前沿存在成分过冷时，界面前沿由于不稳 定因素而形成的凸起会因为处于过冷区而发展，平界面 失稳，导致树枝晶的形成。,17,成分过冷理论提供了判断液固界面稳定性的 第一个简明而适用的判据，对平界面稳定性，甚 至胞晶和枝晶形态稳定性都能够很好地做出定性 地解释。,18,但是这一判据本身还有一些矛盾，如：成分过冷理论把平衡热力学应用到非平衡动力 学过程中，必

7、然带有很大的近似性;在固液界面上引入局部的曲率变化要增加系统的 自由能，这一点在成分过冷理论中被忽略了；成分过冷理论没有说明界面形态的改变机制。随着快速凝固新领域的出现，上述理论已不能适用。,19,2、绝对稳定性理论,20,MullniS和skeerka鉴于成分过冷理论存在 不足，提出一个考虑溶质浓度场和温度场、固液界面能以及界面动力学的绝对稳定理论(MS理论)。对于平界面生长，Ms理论可表示 为：,式中，,21,22,其中，L、S分别是液固相的热扩散系数，KL、KS分别是液固相的导热系数，GL、GS是液固相温 度梯度，为Gibbs-Thompson系数，LV为凝固潜 热，为几何干扰频率，为扰

8、动振幅，的符号就 决定了平界面是否稳定。在上式中，右端的分母 恒为正值，因而临界稳定性条件实际上取决于分 子的符号。,23,由于通常凝固条件下，金属中的热扩散长度 远大于空间扰动波长，上式中的分子可简化为：,式中,24,表达式中三个项分别代表了温度梯度、界面能、溶质边界层这三方面的因素对界面 稳定性的贡献，其中界面能的作用总是使界 面趋于稳定，溶质边界层的存在总是使界面 趋于失稳，而温度梯度对稳定性的作用则取 决于梯度的方向。,25,由此可见，MS理论实际上扩展了“成分 过冷”理论对界面稳定性的分析，在低速端，如果忽略界面张力效应，固液相热物性差异，溶质沿界面扩散效应及结晶潜热等因素，MS理论

9、就回到了“成分过冷”理论。,26,而在高速端，MS理论则预言了高速绝对稳定性 这一全新的现象，并可以给出产生这种绝对稳定性的 临界条件：,式中,27,为非平衡液固相线温差,为非平衡修正后的溶质分配系数,此外，黄卫东等通过对MS理论的进一步分析，发现还存在高梯度绝对性现象，并给出了高梯度绝对 稳定性实现的临界条件：,MS理论是一个线性理论，而凝固过程是一个复 杂的非线性问题，因此严格的稳定性判据应由非线性动力学分析给出。但由于非线性问题非常复杂，目前，还只能进行弱非线性动力学分析。,28,1970年，Wollkind和Segel首先对凝固界面稳定 性进行了弱非线性动力学分析，提出了一个弱非线性

10、动力学模型：,式中,29,为k阶扰动振幅,是线性稳定性参数，表达式由MS理论给出,按照MS理论，a0=0为平胞转变分叉点，即当 a00时，平界面失稳成 为胞状结构。但由上式可知，界面形态的稳定性还 取决于a1的性质，当a10，不存在从平界面到无限小振幅的 连续转变。当a10时，平胞转变具有超临界分叉性质，这时只有当a00时才能发生平界面的失稳，并且出现从平界面到无限小振幅的连续转变。,30,6.2.3 定向凝固技术的适用范围,31,应用定向凝固方法，得到单方向生长的柱状晶，甚至单晶，不产生横向晶界，较大提高了材料的单 向力学性能，热强性能也有了进一步提高，因此，定向凝固技术已成为富有生命力的工

11、业生产手段，应用也日益广泛。,1.单晶生长,32,晶体生长的研究内容之一是制备成分准确，尽 可能无杂质，无缺陷（包括晶体缺陷）的单晶体。晶体是人们认识固体的基础。定向凝固是制备单晶 最有效的方法。为了得到高质量的单晶体，首先要 在金属熔体中形成一个单晶核：可引入粒晶成自发 形核，而在晶核和熔体界面不断生长出单晶体。,单晶在生长过程中绝对要避免固液界面不稳定而 生出晶胞或柱晶。故而固液界面前沿不允许有温度过 冷或成分过冷。固液界面前沿的熔体应处于过热状态，结晶过程的潜热只能通过生长着的晶体导出。定向凝固 满足上述热传输的要求，只要恰当的控制固液界面前 沿熔体的温度和速率，是可以得到高质量的单晶体

12、的。,33,2.柱状晶生长,34,柱状晶包括柱状树枝晶和胞状柱晶。通常采用 定向凝固工艺，使晶体有控制的向着与热流方向相 反的方向生长。共晶体取向为特定位向，并且大部 分柱晶贯穿整个铸件。这种柱晶组织大量用于高温合金和磁性合金的铸件上。,定向凝固柱状晶铸件与用普通方法得到的铸件 相比，前者可以减少偏析、疏松等，而且形成了取 向平行于主应力轴的晶粒，基本上消除了垂直应力 轴的横向晶界，是航空发动机叶片的力学性能有了 新的飞跃。,35,另外，对面心立方晶体的磁性材料，如铁等，当铸态柱晶沿晶向取向时，因与磁化方向一致，而 大大改善其磁性。,获得定向凝固柱状晶的基本条件是：,36,合金凝固时热流方向必

13、须是定向的。在固液界 面应有足够高的温度梯度，避免在凝固界面的前沿出 现成分过冷或外来核心，使径向横向生长受到限制。另外，还应该保证定向散热，绝对避免侧面型壁生核 长大，长出横向新晶体。因此，要尽量抑制液态合金的形核能力。提高 液态金属的纯洁度，减少氧化、吸气形成的杂质的 污染是用来抑制形核能力的有效措施。但是，对于 某些合金系，常规化学组成中含有很多杂质，以致 即使采用很高的GL/R比值，都不足以使液体合金的形核得到抑制。,除了净化合金液外，还可采用添加适当的合金元素 或添加物，使形核剂失效。晶体长大的速度与晶向有关。在具有一定拉出速度的铸型中形成的温度梯度场内，取 向晶体竞相生长，在生长过

14、程中抑制了大部分晶体的生 长，保留了与流方向大体平行的单一取向的柱晶继续生 长，有的直至铸件顶部。在柱状晶生长过程中，只有在高的GL/R比值条件下，柱晶的实际生长方向和柱晶的理论生长方向才越接近，否则，晶体生长会偏离轴向排列方向。,37,采用高速凝固法定向凝固可以保证柱晶的取向分 散度较小。柱晶材料使用于特定的受力条件，当主应 力方向与柱晶生长方向一致时，才能最大限度的显示 柱晶力学性能上的优越性。衡量柱晶组织的标志，除 了取向分散度外，还有枝晶臂间距和晶粒的大小。随着晶粒和枝晶臂间距变小，力学性能提高。GL/R值决定着合金凝固时组织的形貌，GL/R值又影响 着各组成的尺寸大小。由于在很大程度

15、上受到设备条 件的限制，因此，凝固速度R就成为控制柱晶组织的主 要参数。,38,3.高温合金制备,高温合金是现在航空燃气涡 轮.舰船燃气轮机、地面和火箭发 动机的重要金属材料，在先进大 航空发动机中，高温合金的用量 占40%60%，因此这种材料被 喻为燃气轮的心脏。,高温合金,39,采用定向凝固技术生产的高温合金基本上消除 了垂直于应力轴的横向晶界，并以其独特的平行于 零件主应力轴择优生长的柱晶组织以及有意的力学 性能而获得长足的发展。MARM200中温性能尤其是中温塑性很低，作为 涡轮叶片在工作中常发生无预兆的断裂。,40,在MARM200基础上研究成功的定向凝固 高温合金PWA1422不仅

16、具有良好的中高温蠕变断 裂强度和塑性,而且具有比原合金高5倍的热疲劳 性能，在先进航空航天发动机上获得广泛的应用。在激光超高温度梯度定向凝固条件下，超高 温梯度和较快凝固速度共同作用，使镍基高温合 金高度细化，同常规凝固相比，组织细化36倍，而且得到了新颖的超细胞状晶组织，该组织是镍 基合金的定向凝固组织，组织的微观偏析大大得 到改善，甚至消除。,41,在定向凝固的合金基础上发展出的完全消除晶 界和晶界元素的单晶高温合金，热强性能有了进一 步的提高。采用高梯度定向凝固技术，在较高的冷 却速率下，可以得到具有超细枝晶组织的单晶高温 合金材料。定向凝固技术促进了航空等领域的发展，目前 几乎所有现金航空发动机都采用单晶叶片为特色，第三代的单晶合金制造的涡轮叶片，工作温度可达 1240。另外，新的单晶合金成分中Re的加入以及 Hf、Y、La、Ru等元素的合理应用使合金的持久性 能和抗环境性能有明显提高。,42,4.磁性材料的制备,磁性材料是古老而年轻的功能材 料，指具有可利用的磁学性质的 材料。深过冷快速凝固是目前国 内外制备块体纳米磁性材料的研 究热点，采用该工艺可先制备出 大块磁性非晶，再