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[原创] 定向凝固技术

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发表于 2008-9-17 14:59:19 | 显示全部楼层 |阅读模式

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随着航空工业的发展,航空发动机的性能不断得到提高,这就要求一些材料在高温下具有良好的综合性能(包括抗氧化和抗腐蚀性能),这促使了高温合金的诞生和发展。航空燃气涡轮发动机的发展一直依赖于高温合金性能的提高,同时也推动了高温合金发展[1]。
从高温合金的发展历史可以看出,高温合金的发展是通过发展新的合金成分和新的制造技术来达到性能的进一步提高,两者始终处于并行发展的状态。合金化的发展要求制造技术的不断改进,而新的制造技术的应用又为合金化创造了条件[2]。
高温合金制造技术的发展可以分为三个主要的阶段。第一阶段,熔模精铸技术的应用,使铸造高温合金得到了广泛的应用,可以制造形状复杂的零件。第二阶段,真空熔炼技术的应用。该项技术的应用给高温合金的发展带来了重大的突破,是高温合金最重大的一项技术发展。在此之前,高温合金中存在的有害杂质严重妨碍了高温合金的发展。采用真空熔炼技术可以消除合金中的杂质,可以对活性强化元素进行精确控制,也可以改进合金总体化学成分并做出形状复杂的铸件,为人们控制合金的组织和性能提供了新的途径。第三阶段,从60年代开始,高温合金技术进入了蓬勃发展时期。在此期间,出现了定向凝固、氧化物弥散强化(ODS)等新的技术[3]。
定向凝固技术使高温合金叶片的制造进入了新的时期,是高温合金发展过程中很重要的一方面。定向凝固技术产生于六十年代后期。当时VerSnyder等发现,普通铸造多晶高温合金中和应力轴垂直的晶界是高温应力下产生裂纹的主要场所,将晶界定向排列并平行应力轴方向后,高温下作用在脆弱晶界上的应力将会最小,从而延缓裂纹形核并增加蠕变持久寿命,在这种思想的指导下产生了高温合金的定向凝固(DS)技术,并在此基础上产生的新型定向凝固合金(DS)、单晶(SC)和DS共晶合金。通常采用DS工艺的目的是,使晶界平行于凝固方向,最终组织则由全与凝固方向平行的柱状晶组成。每个晶粒的低模量<001>取向都与其晶轴平行。由于消除了与应力主轴相垂直的晶界,定向凝固高温合金具有优异蠕变强度;同时由于DS工艺形成了低模量的<001>织构,因而其热疲劳性能也十分优异[4-8]。
所谓定向凝固,就是指在凝固过程中采用强制手段,在凝固金属和未凝固熔体中建立起特定方向的温度梯度,从而使熔体在型壁上形核后沿着与热流方向相反的方向,按要求的结晶取向进行凝固的技术。该技术最初是在高温合金的研制中建立和完善起来的。采用、发展该技术最初用来消除结晶过程中生成的横向晶界,从而提高材料的单向力学性能。该技术运用于燃汽涡轮发动机叶片的生产,所获得的具有柱状乃至单晶组织的材料具有优良的抗热冲击性能、较长的疲劳性能、较高的蠕变抗力和中温塑性,因而提高了叶片的使用寿命和使用温度,成为当时震动冶金界和工业界的重大事件之一[9]。
定向凝固技术的重要工艺参数:凝固过程中固液界面前沿液相中的温度梯度GL和固/液界面向前推进速度,即晶体生长速率R。GL/R值是控制晶体长大形态的重要判据。在提高GL的条件下增加R,才能获得所要求的晶体形态、细化组织,改善质量,并且提高定向凝固铸件的生产率。定向凝固技术和装置不断改进,其中技术关键之一是致力于提高固/液界面前沿的温度梯度GL。其发展大致经历了如下几个阶段:发热剂法、功率降低法、高速凝固法、液态金属冷却法以及后来的区域熔化-液态金属冷却法等先进的定向凝固技术。
发热剂法(EP)
发热剂法是定向凝固技术发展的起始阶段,是定向凝固工艺中最原始的一种,为了造成一个温度梯度,将模壳预热到一定温度后,迅速放到一个水冷铜底座上并立即进行浇注,并在顶部加发热剂,激冷板下方喷水冷却,这样在金属液和已凝固金属中建立起一个自下而上的温度梯度,从而实现定向凝固,也有采用发热铸型的,铸型不预热,而是将发热材料填充在铸型壁周围,底部采用喷水冷却。如图1所示。这种工艺无法调节温度梯度和凝固速度,单向热流条件很难保证,无法保证重复性,故不适合大型优质铸件的生产,但是该工艺简单,生产成本低,可用于小批量零件的生产 【10,11】。


图1 发热剂法装置示意图
             1-起始段  2-隔热层  3-光学测温架  4-浇口杯
                5-浇道  6-发热剂  7-零件  8-水冷铜底座
功率降低法(PD)
图2为功率降低法(Power Down,简称PD)定向凝固装置示意图。把一个开底的模壳放在水冷底盘上,石墨感应发热器放在分为上下两部分的感应器内,加热时上下两部分感应器全通电,在模壳内建立起所要求的温度场,然后注入过热的合金液。此时下部感应器停电,通过调节输入上部感应器的功率,使之产生一个轴向温度梯度。在功率降低法中,热量主要通过已凝固部分及冷却底盘由冷却水带走。由于其散热条件无明显改善,因此其组织仍不是很理想,所获得的柱状晶区较短,并且柱状晶之间的平行度差,甚至产生放射形凝固组织。合金的微观组织在不同部位差异较大。这种工艺的温度梯度最小,在10 K•cm-1左右,故应用不是很广泛[12,13,14]。
高速凝固法(HRS)
高速凝固法 (High Rapid Solodification,简称HRS),装置示意图如图3所示。高速凝固法与功率降低法的主要区别是:铸型加热器始终加热,在凝固时,

















铸件与加热器之间产生相对移动。另外在热区底部使用辐射挡板和水冷套。在
挡板附近产生较大的温度梯度。这种方法可以大大缩小凝固前沿两相区,局部冷却速度增大,有利于细化组织,提高力学性能。
高速凝固法与功率降低法相比,有以下几个优点:①有较大的温度梯度,能改善柱状晶质量和补缩条件,在约300 mm高度内可以全是柱状晶;②由于局部凝固时间和糊状区都变小,使显微组织致密、减小偏析,从而改善了合金组织;③提高凝固速率2~3倍, 可达300 mm•h-1。它的主要缺点仍然是温度梯度不够大;而且在凝固阶段初期热量散失以通过水冷底座的对流传热为主,随着铸型的下降凝固界面与水冷底座距离增大,对流传热方式减小,转为凝固层的辐射散热为主。因此高速凝固法凝固过程中温度场不稳定,并且凝固层辐射散热起主导作用时,温度梯度有所下降,凝固速率随之下降 [10,15]。
液态金属冷却法(LMC)
1974年出现了一种新的定向凝固方法—液态金属冷却法(Liquid Metal Cooling,简称LMC)。LMC法是目前工业应用较为理想的一种定向凝固技术。这种方法的工艺过程与HRS法基本相同,是以液态金属代替水作为冷却介质。其工作原理如图4所示[16]。由于液态金属与已凝固界面之间的换热系数很大,





因此这种方法提高了铸件冷却速度和凝固过程中的温度梯度,而且在较大的生长范围内可使界面前沿温度梯度保持稳定,结晶在相对稳定的温度梯度下进行,可获得比较长的单向柱状晶。
液态金属冷却法与前两种定向凝固方法相比,局部凝固时间、糊状区宽度都是最小的。而且液态金属冷却法的GL(高达100~300 K•cm-1)和R最大,从而使冷却速率最大。因此液态金属冷却定向凝固法的显微组织比较理想,该方法已被美国、前苏联等国用于航空发动机叶片的生产[9]。
表1 生产Mar-M200合金得三种定向凝固工艺比较[17]

工艺参数    工 艺 方 法
    功率降低法    高速凝固法    液态金属冷却法
过热度/℃    120    120    140
循环周期/min    170    45    15
模子直径/cm    3.2    3.2    1.43
Gl/℃.cm-1    7~11    26~30    73~103
R/cm.h-1    3~12    23~30    53~61
糊状区宽度/cm    10~15    3.8~5.6    1.5~2.5
局部冷却时间/min    85~88    8~12    1.2~1.5
冷却速率/℃.h-1    90    700    4700

为了进一步提高定向凝固过程中的温度梯度,从而提高凝固速度,最终提高材料的各项使用性能和综合性能,研究者对传统定向凝固技术进行了改造,在充分吸收其它凝固技术如快速凝固等优点的基础上开发出了新型的定向凝固技术。
区域熔化-液态金属冷却法(ZMLMC)
西北工业大学凝固技术国家重点实验室在LMC法的基础上发展了一种新型的定向凝固技术—区域熔化液态金属冷却法(Zone Melting & Liquid Metal Cooling,简称ZMLMC),见图5。该方法将区域熔化法与液态金属冷却法相结合发展起来的超高梯度定向凝固技术。它的冷却部分和LMC法相同,加热部分可采用电子束或者高频感应电场,集中对凝固界面前沿液相加热,充分发挥过热度对梯度的贡献,有效地提高了固液界面前沿的温度梯度,其值可达1300 K•cm-1,所允许的凝固速率也大大提高,达到了亚快速或快速凝固水平。亚快速定向凝固技术的一个显著特点是,通过提高温度梯度,扩大所允许的凝固速度范围,从而提高冷却速度,达到细化组织、减小偏析和提高使用性能的目的。利用该技术得到了侧向分枝受到抑制,一次枝晶间距超细化(22μm)的高温合金定向凝固组织,即超细柱晶或超细胞晶(单晶)组织,枝晶间距是传统定向凝固组织的1/8~1/5.。具有超细柱晶组织的K10高温合金性能与普通铸造的相比,1073K持久强度提高18%,166.6MPa持久寿命提高300%,段面收缩率和持久延伸率分别提高420%和270%;单晶高温合金CMSX-2在高梯度定向凝固条件下,当冷却速率大于15K/s时,形成超细胞枝组织,其一次枝晶间距达38μm,是该合金传统HRS法单晶高温合金的1/10,1050℃、160MPa铸态高温持久寿命比HRS法单晶提高近1倍,经1315℃×1h+1080℃×4h+  870℃×20h固溶处理的高温持久寿命比相同状态下HRS法单晶高温合金提高近56%;NASAIR100单晶高温合金的持久强度可提高到1050℃时,160MPa,228.3h,其持久寿命提高7倍【2,18~27】。
深过冷定向凝固(DUDS)
ZMLMC法的一个显著特点是通过提高温度梯度,扩大所允许的抽拉速率,从而达到亚快速凝固水平,实现组织超细化。但是,单纯采用强制加热的方法增大温度梯度来提高凝固速率,仍不能获得很大的冷却速率,因为此时要求散发的热量更多了。一般来说采用这样的技术很难实现快速凝固【27】。
快速凝固技术一般是通过急冷获得很大的动力学过冷度。当过冷度很大时,生长的驱动力也很大,因而生长速率很快。
过冷熔体中的定向凝固首先由B.Lux等在1981年提出,其基本原理是将盛有金属液的坩埚置于一激冷基座上,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,最终获得了定向凝固组织。与传统定向凝固工艺相比,深过冷定向凝固法具有下述特点:
(1)铸件和炉子间无相对运动,省去了复杂的传动和控制装置,大大降低了设备要求;
(2)凝固过程中热量散失快,铸件生产率高。传统的定向凝固技术是一端加热,一端冷却,需要导出的热量不仅包括结晶潜热和熔体的过热热量,还要导出加热炉不断传输该铸件热端的热量,且传热过程严格限制在一维方向,故生产率极低。在深过冷定向凝固中,导出的热量只包括结晶潜热和熔体的过热热量,而且铸件的散热可在三维方向进行,故铸件的生产周期短;
(3)更重要的是,定向凝固组织形成过程中的晶体生产速度高,组织结构细小,微观成分偏析程度低,促使铸件的各种力学性能大幅度提高。如用深过冷定向凝固法生产的MAR-M-200叶片,获得了近100K的动力学过冷度,并施加很小的温度梯度,最终得到了φ21mm,长70~80mm的定向凝固叶片试样,其常温极限抗拉强度提高14%,高温极限抗拉强度提高40%,抗高温蠕变能力也得到了改善【28,29,30】。
电磁约束成形定向凝固技术(DSEMS)
在ZMLMC法基础上,西北工业大学凝固技术国家重点实验室傅恒志等人提出并探索研究了近十年的电磁约束成形定向凝固技术,是利用电磁场作用于合金熔体的电磁力来实现对熔体形状约束,获得特定形状铸件的无坩埚熔炼、无铸型、无污染定向凝固成形技术。如图6所示。

1真空室  2固态坯料  3金属熔体  4感应电流  5感应器  6冷凝器  7底托
图6 无接触电磁成形定向凝固原理示意图

由于电磁约束成形定向凝固取消了粗厚、导热性能差的陶瓷模壳,实现无接触铸造,使冷却介质可以直接作用于金属铸件上,增强了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,用于生产无(少)偏析、组织超细化、无污染的高纯难熔金属及合金。利用该技术开展了不同材料(铝、铜、钢)多种截面形状(圆形、扁矩形、弯月面形等)电磁约束成形试验,已实现圆形、简单形状以及变截面的电磁约束成形,成功地抽拉出Φ25mm、表面质量良好、内部为均匀柱晶组织的不锈钢样件。同时也获得电磁成形宽厚比为4:1的K403高温合金样件,并首次在保护性气氛下成功地制备出γ-TiAl金属间化合物和NdFeB磁性材料样件。ZMLMC法只限于实验室研究使用,无法实现工业化。因此,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[14,28,31,32,33]。
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发表于 2008-9-17 18:52:43 | 显示全部楼层
欢迎多多的转载好的文章,学习新技术
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发表于 2016-9-25 11:43:24 | 显示全部楼层
这文章不错
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发表于 2016-12-24 10:09:38 | 显示全部楼层
看了好多遍了,确实是好东西
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