史夢穎凝固理論作業(yè)

1、單向凝固技術(shù)又稱為單向結(jié)晶，是在鑄型中建立特定方向的溫度梯度，使熔體合金沿著與熱流相反的方向，按照要求的結(jié)晶取向進行凝固的鑄造工藝。是使金屬或者合金由熔體中定向生長晶體的一種工藝方法。單向凝固技術(shù)起源于1925年，布里奇曼首先使用定向凝固方法制備鉍單晶。后來斯托克巴杰（1936、1949）進一步發(fā)展了定向凝固技術(shù)。20世紀(jì)60年代，用于高溫合金的生產(chǎn)，如渦輪葉片。其抗熱沖擊性能、疲勞壽命、蠕變抗力和中溫塑形等性能優(yōu)良，從而提高葉片的使用

2、壽命及使用溫度。該技術(shù)用于制備單晶、柱狀晶和自生復(fù)合材料。根據(jù)成分過冷理論要使單相合金在定向凝固過程中得到平界面凝固組織主要取決于合金的性質(zhì)和凝固工藝參數(shù)。前者包括溶質(zhì)量、液相線斜率和溶質(zhì)在液相中的擴散系數(shù)后者包括液相溫度梯度和凝固速率。如果被研究的合金成分已定則靠工藝參數(shù)的選擇來控制凝固組織其中固液界面液相一側(cè)的溫度梯度是關(guān)鍵的因素可以說定向凝固技術(shù)的發(fā)展是不斷提高設(shè)備溫度梯度的歷史。1傳統(tǒng)的單向凝固技術(shù)1.1爐外結(jié)晶法(發(fā)熱鑄型法)

3、[1]所謂的爐外結(jié)晶法就是將熔化好的金屬液澆入一側(cè)壁絕熱，底部冷卻，頂部覆蓋發(fā)熱劑的鑄型中，在金屬液和已凝固金屬中建立起一個自上而下的溫度梯度，使鑄件自上而下進行凝固，實現(xiàn)單向凝固。這種方法由于所能獲得的溫度梯度不大，并且很難控制，致使凝固組織粗大，鑄件性能差，因此，該法不適于大型、優(yōu)質(zhì)鑄件的生產(chǎn)。但其工藝簡單、成本低，可用于制造小批量零件。1.2爐內(nèi)結(jié)晶法1.2.1功率降低法(PD法)[2]將保溫爐的加熱器分成幾組，保溫爐是分段加熱的

4、。當(dāng)熔融的金屬液置于保溫爐內(nèi)后，在從底部對鑄件冷卻的同時，自下而上順序關(guān)閉加熱器，金屬則自下而上逐漸凝固，從而在鑄件中實現(xiàn)定向凝固。通過選擇合適的加熱器件，可以獲得較大的冷卻速度，但是在凝固過程中溫度梯度是逐漸減小的，致使所金屬冷卻相結(jié)合，利用感應(yīng)加熱集中對凝固界面前沿液相進行加熱，從而有效地提高了固液界面前沿的溫度梯度。他們研制的ZMLMC定向凝固裝置，最高溫度梯度可達(dá)1300K／cm，最大冷卻速度可達(dá)50k／s。采用該裝置在Ni—C

5、u、Al—Cu合金系的工作，發(fā)現(xiàn)了高速枝胞轉(zhuǎn)變現(xiàn)象，據(jù)此提出了高速枝胞轉(zhuǎn)變的時空模型。K5、K10以及NASAIR100高溫合金的定向凝固實驗結(jié)果表明：在高溫度梯度條件下，可得到一次枝晶間距僅為24μm的超細(xì)柱晶，與傳統(tǒng)單向凝固相比，枝晶組織細(xì)化5一10倍以上，枝晶間元素偏析比趨于l。對性能的測試表明：高溫度梯度使鑄造NASA!R100單晶的持久壽命提高7倍，使K5、K10高溫合金1073k時的強度提18％，壽命提高300％，斷面收縮率

6、分別提高420％和270％。采用ZMLMC方法制備Tb—Dy—Fe磁致伸縮材料，在8104A／m磁場下，磁致伸縮系數(shù)達(dá)103以上，壓應(yīng)力下的飽和磁致伸縮系數(shù)達(dá)17103，比采用其它方法制備的同一材料的性能高得多。由此可見，高溫度梯度單向凝固技術(shù)在現(xiàn)代凝固理論特別是高性能材料制備中已經(jīng)發(fā)揮了重要作用。2.2深過冷單向凝固(DUDS)[78]過冷熔體中的單向凝固首先由BIux等在1981年提出，其基本原理是將盛有金屬液的沒渦置于一激冷基座上

7、，在金屬液被動力學(xué)過冷的同時，金屬液內(nèi)建立起一個自下而上的溫度梯度，冷卻過程中溫度最低的底部先形核，晶體自下而上生長，形成定向排列的樹枝晶骨架，其間是殘余的金屬液。在隨后的冷卻過程中，這些金屬液依靠向外界散熱而向已有的枝晶骨架上凝固，最終獲得了定向凝固組織。與傳統(tǒng)單向凝固工藝相比，深過冷單向凝固法具有下述特點：(1)鑄件和爐子間無相對運動，省去了復(fù)雜的傳動和控制裝置，大大降低了設(shè)備要求；(2)凝固過程中熱量散失快，鑄件生產(chǎn)率高。(3)更