第五章+铸件凝固组织的形成及控制课件.ppt

1、第五章 铸件凝固组织的形成与控制一、铸件宏观凝固组织的特征及形成机理一、铸件宏观凝固组织的特征及形成机理二、铸件宏观凝固组织的控制二、铸件宏观凝固组织的控制NoImage一、铸件宏观凝固组织的特一、铸件宏观凝固组织的特征及形成机理征及形成机理（一）铸件的宏观组织（二）表面激冷区及柱状晶区的形成（三）内部等轴晶的形成机理（一）（一）铸件的宏观组织铸件的宏观组织u激冷晶区由无激冷晶区由无规则的细小等轴规则的细小等轴晶组成晶组成;u柱状晶区的晶柱状晶区的晶粒垂直于型壁排粒垂直于型壁排列，且平行于热列，且平行于热流方向流方向.u内部等轴晶区内部等轴晶区的晶粒较为粗大，的晶粒较为粗大，各向同性各向同性;

2、表层急冷细晶区表层急冷细晶区中间柱状晶区中间柱状晶区内部等轴晶区内部等轴晶区图图5-2 几种不同类型的铸件宏观组织示意图几种不同类型的铸件宏观组织示意图（a）只有柱状晶）只有柱状晶;（b）表面细等轴晶加柱状晶）表面细等轴晶加柱状晶;（c）三个晶区都有）三个晶区都有;（d）只有等轴晶）只有等轴晶 大多数工业应用情况下，希望铸件宏观组织获得大多数工业应用情况下，希望铸件宏观组织获得各向同性的等轴细晶粒组织。为此，应创造条件各向同性的等轴细晶粒组织。为此，应创造条件抑制晶体的柱状长大，而促使内部等轴晶的形成抑制晶体的柱状长大，而促使内部等轴晶的形成和等轴晶细化。和等轴晶细化。就断裂而论，裂纹最易沿晶

3、界扩展就断裂而论，裂纹最易沿晶界扩展(特别是存在着特别是存在着溶质及杂质偏析时溶质及杂质偏析时)。柱状晶相碰的地带溶质及杂。柱状晶相碰的地带溶质及杂质聚积严重，造成强度、塑性、韧性在柱状晶的质聚积严重，造成强度、塑性、韧性在柱状晶的横向方向大幅度下降，对热裂敏感，腐蚀介质中横向方向大幅度下降，对热裂敏感，腐蚀介质中易成为集中的腐蚀通道。易成为集中的腐蚀通道。u柱状晶的特点是各向异性，对于诸如磁性柱状晶的特点是各向异性，对于诸如磁性材料、发动机和螺旋浆叶片等这些强调单方材料、发动机和螺旋浆叶片等这些强调单方向性能的情况，采用定向凝固获得全部柱状向性能的情况，采用定向凝固获得全部柱状晶的零件反而更

4、具优点。晶的零件反而更具优点。u如何在技术上有效地控制铸件的宏观组织如何在技术上有效地控制铸件的宏观组织十分重要。因此有必要学习各晶区组织的形十分重要。因此有必要学习各晶区组织的形成机理。成机理。返回（二）表面激冷区及柱状晶区的形成u 表面激冷区的形成表面激冷区的形成u 柱状晶区的形成柱状晶区的形成表面激冷区的形成 传统理论：传统理论：型壁附近熔体由于型壁附近熔体由于受到强烈的受到强烈的激冷激冷作用，产生很大作用，产生很大的过冷度而的过冷度而大量非均质生核大量非均质生核,各种各种形式的形式的游离晶粒游离晶粒也是形成表面细也是形成表面细等轴晶的等轴晶的“晶核晶核”来源。这些晶来源。这些晶核在过冷

5、熔体中采取枝晶方式生核在过冷熔体中采取枝晶方式生长，由于其结晶潜热既可从型壁长，由于其结晶潜热既可从型壁导出，也可向过冷熔体中散失，导出，也可向过冷熔体中散失，从而形成了从而形成了无方向性无方向性的表面细等的表面细等轴晶组织。轴晶组织。浇注时液流的冲刷和浇注结束液体内外温度场引起的对流，引起晶体脱落和增殖溶质再分配引起的颈缩 一旦型壁附近的晶粒互相连结而一旦型壁附近的晶粒互相连结而构成构成稳定的凝固壳层稳定的凝固壳层，凝固将转为，凝固将转为柱状晶区由外向内的生长，表面激柱状晶区由外向内的生长，表面激冷细晶粒区将不再发展。因此稳定冷细晶粒区将不再发展。因此稳定的凝固壳层形成得越早，表面细晶的凝固

6、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，粒区向柱状晶区转变得也就越快，表面激冷区也就越窄。表面激冷区也就越窄。铸型冷却能力的双重性！铸型冷却能力的双重性！无对流时，即使冷却速度很大也不出现表面细晶层。大野笃美Al-0.1%Ti750浇注到用冰水激冷的薄壁不锈钢杯中，铸锭外部为柱状晶。表面细晶区的大小与浇注温度、铸型温度、铸型导热能力、合金生核能力及合金成分有关。浇注温度高、铸型导热能力弱，金属开始凝固时的温度已大为均匀，铸型表面生核和形成的晶体少。脱落后被高温液体重熔的几率大，细晶区小，晶粒粗大，甚至消失。铸型冷却能力过强，细晶区减小甚至消失。溶质元素多，晶体与型壁之间和分枝的根

7、部颈缩更细，晶体和分枝更容易脱落，细晶区就大。表面激冷区的形成柱状晶区的形成稳定的凝固壳层一旦形成，柱状晶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向与热流方向平行的枝晶生长迅速，并且抑制取向不利的晶体生长，这并且抑制取向不利的晶体生长，这个互相竞争淘汰的晶体长大过程称个互相竞争淘汰的晶体长大过程称为为“晶体的择优生长晶体的择优生长”。柱状晶区开始于稳定凝固壳层的产柱状晶区开始于稳定凝固壳层的产生，

8、而结束于内部等轴晶区的形成。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，将会有效地抑产生等轴晶的晶核，将会有效地抑制柱状晶的形成。制柱状晶的形成。柱状晶生长过程的动态演示柱状晶生长过程的动态演示如果界面前沿始终不利于等轴晶的形成与生长，柱状晶区就可以一直延伸到铸件的中心，直到与对面型壁生长出的柱状晶相遇为止，从而形成“穿晶组织”浇铸温度提高，柱状区的宽度增大；浇铸条件一定，合金元素含量增加，游离晶粒增加，柱状区

9、减小。柱状晶生长过程的动态演示铸铸型型液液态态金金属属（三）内部等轴晶的形成机理 “成分过冷成分过冷”理论理论 激冷等轴晶型壁脱落与游离理论激冷等轴晶型壁脱落与游离理论 枝晶熔断及结晶雨理论枝晶熔断及结晶雨理论“成分过冷”理论 该理论认为，随着凝固层向内推移，固相散热能该理论认为，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溶质原子越来越富集，从而使界面前方成分过冷逐渐增大。渐增大。当成分过冷大到足以发生非均质生核时，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便

10、导致内部等轴晶的形成。如：采用很强的生核剂。如：采用很强的生核剂时，可使整个铸件断面获得细等轴晶。时，可使整个铸件断面获得细等轴晶。激冷等轴晶型壁脱落与游离理论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。图5-5 型壁处形成的激冷晶向铸件内部的游离a)晶体密度比熔体小的情况;b)晶体密度比熔体大的情况溶质的偏析溶质的偏析容易使晶体在与型壁的交会处产生产生“脖颈脖颈”，具有“脖颈”的晶体不易于沿型壁方向与其相邻晶体连接形成凝固凝固壳壳,另一方面，在浇注过程和凝固初期存在的对流容易冲断冲断“脖颈脖颈”，使晶体脱落并游离出去。图5

11、-6 晶体与型壁交会处产生“脖颈”促使晶体发生脱落而游离 图5-7 游离晶体的生长、局部熔化与增殖枝晶熔断及结晶雨理论枝晶熔断及结晶雨理论生长着的柱状枝晶柱状枝晶在凝固界面前方的熔断熔断、游离游离和增殖增殖导致了内部等轴晶内部等轴晶晶核的形成，称为“枝晶熔断枝晶熔断”理论。液面冷却产生的晶粒下雨似地沉积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熔断和增殖增殖，是铸锭凝固时内部等轴晶晶核的主要来源，称为“结晶雨结晶雨”理论。晶粒游离现象大多发生在大型铸锭的凝固过程中，而一般铸件凝固过程中较少发生。a)7500C水淬,摇动 b)在坩埚中置一不锈钢筛网大野笃美的实验等

12、轴晶等轴晶不锈钢筛网不锈钢筛网等轴晶等轴晶目前比较统一的看法是内部等轴晶区的形成很可能是多种途径起作用多种途径起作用。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。二、二、铸件宏观结晶组织的控制铸件宏观结晶组织的控制思路思路:晶区的形成和转变乃是晶区的形成和转变乃是过冷熔体独立生核的能力过冷熔体独立生核的能力和和各种形式各种形式晶粒游离晶粒游离、增殖增殖或或重熔重熔的程度这两个基本条件综的程度这两个基本条件综合作用的结果，铸件中各晶区的相对大小和晶粒的粗细就合作用的结果，铸件中各晶区的相对大

13、小和晶粒的粗细就是由这个结果所决定的。凡能是由这个结果所决定的。凡能强化熔体独立生核强化熔体独立生核，促进晶促进晶粒游离粒游离，以及，以及有助于游离晶的残存与增殖有助于游离晶的残存与增殖的各种因素都将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，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。并细化等轴晶组织。一、合理地控制浇注工艺和冷却条件二、孕育处理三、动力学细化合理的浇注工艺冷却条件的控制合理的浇注工艺浇注温度浇注方式 合理降低浇注温度是减少柱状晶、获得合理降低浇注温度是减少柱状晶、获得及细化等轴晶的有效措施。但过低的浇及细化等轴晶的有效措施。但过低

14、的浇注温度将降低液态金属的流动性，导致注温度将降低液态金属的流动性，导致浇不足和冷隔等缺陷的产生。浇不足和冷隔等缺陷的产生。通过改变浇注方式强化对流对型壁激通过改变浇注方式强化对流对型壁激冷晶的冲刷作用，能有效地促进细等冷晶的冲刷作用，能有效地促进细等轴晶的形成。但必须注意不要因此而轴晶的形成。但必须注意不要因此而引起大量气体和夹杂的卷入而导致铸引起大量气体和夹杂的卷入而导致铸件产生相应的缺陷。件产生相应的缺陷。铸型中间浇注铸型中间浇注 单孔上注单孔上注 沿型壁六孔浇注沿型壁六孔浇注 图图5-8 不同浇注方法引起不同的铸件凝固组织不同浇注方法引起不同的铸件凝固组织 低温铸造低温铸造水流冷却的斜

15、板浇注方法水流冷却的斜板浇注方法 冷却条件的控制控制冷却条件的目的是形成宽的凝固区域和获得大的过冷，控制冷却条件的目的是形成宽的凝固区域和获得大的过冷，从而促进熔体生核和晶粒游离。从而促进熔体生核和晶粒游离。小的温度梯度小的温度梯度GL和和高高的冷却速度的冷却速度R可以满足以上要求。但就铸型的冷却能力可以满足以上要求。但就铸型的冷却能力而言，而言，除薄壁铸件外，这二者不可兼得除薄壁铸件外，这二者不可兼得。对薄壁铸件，可采用高蓄热、快热传导能力的铸型。对薄壁铸件，可采用高蓄热、快热传导能力的铸型。对厚壁铸件，一般采用冷却能力小的铸型以确保等轴晶对厚壁铸件，一般采用冷却能力小的铸型以确保等轴晶的形

16、成，再辅以其他晶粒细化措施以得到满意的效果。的形成，再辅以其他晶粒细化措施以得到满意的效果。对厚壁铸件表层激冷作用小，只作用于表面，容易造成对厚壁铸件表层激冷作用小，只作用于表面，容易造成内部温度梯度大，反而促进柱状晶形成。内部温度梯度大，反而促进柱状晶形成。悬浮浇注法可同时满足小的悬浮浇注法可同时满足小的GL与高的与高的R的要求。的要求。悬浮浇注法是在浇注悬浮浇注法是在浇注过程中过程中将一定量的将一定量的固态金属颗粒加固态金属颗粒加入到金属液中入到金属液中，从，从而改变金属液凝固过而改变金属液凝固过程，达到细化组织、程，达到细化组织、减小偏析、减小铸造减小偏析、减小铸造应力的目的的一种工应力

17、的目的的一种工艺方法。艺方法。悬浮浇注用涡流导入法的浇注系统悬浮浇注用涡流导入法的浇注系统料斗料斗离心集液包离心集液包直浇道直浇道悬浮浇注法的特点悬浮浇注法的特点 1)显著细化铸件组织，提高力学性能，改善铸件厚大断面力显著细化铸件组织，提高力学性能，改善铸件厚大断面力学性能均匀性；学性能均匀性；2)减小凝固收缩，使冒口减小减小凝固收缩，使冒口减小1535%；3)减少缩松，提高铸件致密性；减少缩松，提高铸件致密性；4)减小铸造应力，减小铸件热裂倾向；减小铸造应力，减小铸件热裂倾向；5)改善宏观偏析；改善宏观偏析；6)提高凝固速度，改善铸型受热状况；提高凝固速度，改善铸型受热状况；7)可以实现浇注

18、过程合金化。可以实现浇注过程合金化。技术原理技术原理：通过加入金属颗粒与金属液的物理化学、通过加入金属颗粒与金属液的物理化学、晶体学和热作用，强制金属液生核，并改变铸型中晶体学和热作用，强制金属液生核，并改变铸型中金属液的温度分布，从而改变金属凝固方式。金属液的温度分布，从而改变金属凝固方式。适用范围适用范围：各种铸钢件、铸铁件、及有色合金件。各种铸钢件、铸铁件、及有色合金件。不需要特殊设备，仅要求简单辅助工装。不需要特殊设备，仅要求简单辅助工装。二、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加少

19、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。一种工艺方法。孕育孕育(Inoculation)主要是影响生核过程和促进晶粒游离以细主要是影响生核过程和促进晶粒游离以细化晶粒；而变质（化晶粒；而变质（Modification）则是改变晶体的生长机理，）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用的则是孕育方法。用的则是孕育方法。孕育剂作用机理孕育主要起非孕育主要起非自发形核作用自发形核作用u通过在生长

20、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。缩颈，促进枝晶熔断和游离而细化晶粒。u促使界面前沿熔体内的非匀质形核促使界面前沿熔体内的非匀质形核u成分过冷，溶质富集会抑制晶体生长速度，使晶粒细化。成分过冷，溶质富集会抑制晶体生长速度，使晶粒细化。孕育剂含有直接作为非自发生核的物质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孕育剂能与液相中某些元素反应反应生成较生成较稳定的稳定的化合物化合物而产生非自发生核而产生非自发生核在液相中造成很大的在液相中造成很大的微区富集微区富集而迫使

21、结而迫使结晶相提前弥散析出而生核晶相提前弥散析出而生核 含强成分过冷元素的生核剂含强成分过冷元素的生核剂在浇注瞬间加入具有和金属液共格界面的高熔点颗粒，且在液体凝固前不被完全熔化，如高锰钢中加锰铁，高铬钢加铬铁。如钢中加入V、Ti，能形成碳化物和氮化物细化钢的晶粒Si在铁水中瞬间形成富集区，造成局部过共晶迫使石墨提前析出，另外si的脱氧产物SiO2可作为石墨析出的衬底。合金种类合金种类孕育剂主要组元孕育剂主要组元加入量加入量wt%加入方法加入方法碳钢及合金钢碳钢及合金钢Ti0.10.2铁合金铁合金V0.060.30B0.0050.01铸铁铸铁Si-Fe，Ca,Ba,Sr0.11.0，与与Si-

22、Fe复合复合铁合金铁合金铝合金铝合金Ti,Zr,Ti+B,Ti+C Ti:0.15;Zr:0.2；复合复合:Ti0.01B或或C0.05;Al-Ti,Al-Zr,Al-Ti-B,Al-Ti-C中间合金中间合金过共晶过共晶Al-Si合金合金P0.02Al-P，Cu-P，Fe-P中间合金中间合金铜合金铜合金Zr,Zr+B,Zr+Mg,Zr+Mg+Fe+P0.020.04纯金属或中间合金纯金属或中间合金镍基高温合金镍基高温合金WC,NbC碳化物粉末碳化物粉末表表5-1 合金常用孕育剂的主要元素情况合金常用孕育剂的主要元素情况 孕育衰退（孕育效果逐渐减弱）孕育剂加入合金液后要经历一个孕育期和衰退期。孕

23、育剂加入合金液后要经历一个孕育期和衰退期。在孕育期内，作为孕育剂的中间合金的某些组分完在孕育期内，作为孕育剂的中间合金的某些组分完成熔化过程，或与合金液反应生成化合物，起细化成熔化过程，或与合金液反应生成化合物，起细化作用的异质固相颗粒均匀分布并与合金液充分润湿，作用的异质固相颗粒均匀分布并与合金液充分润湿，逐渐达到最佳的细化效果。逐渐达到最佳的细化效果。当细化效果达到最佳值时浇注是最理想的，随合金当细化效果达到最佳值时浇注是最理想的，随合金熔化温度和孕育剂种类的不同，达到最佳细化效果熔化温度和孕育剂种类的不同，达到最佳细化效果所需要的时间也不同。所需要的时间也不同。u几乎所有的孕育剂都有在孕

24、育处理后一段时间出现几乎所有的孕育剂都有在孕育处理后一段时间出现孕育衰退现象，因此孕育效果不仅取决于孕育剂的本孕育衰退现象，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。身，而且也与孕育处理工艺密切相关。u一般处理温度越高，孕育衰退越快，在保证孕育剂一般处理温度越高，孕育衰退越快，在保证孕育剂均匀散开的前提下，应尽量降低处理温度。均匀散开的前提下，应尽量降低处理温度。u孕育剂的粒度也要根据处理温度、被处理合金液量孕育剂的粒度也要根据处理温度、被处理合金液量和具体的处理方法来选择。和具体的处理方法来选择。铸型涂覆层的处理1.铸型涂覆剂与铸件金属同种材料。2.铸型涂覆层与铸件金

25、属具有相似的晶体结构。用Co金属粉末，细化白口铸铁初生奥氏体组织。3.挥发性涂料。促使等轴晶从型壁脱落及使枝晶破碎。含Zn涂料处理砂型，用于铸铁件细化晶粒，Zn能在高温下汽化，搅动晶粒从型壁脱落。三、动力学细化 1铸型振动铸型振动2超声波振动超声波振动3液相搅拌液相搅拌4流变铸造流变铸造1铸型振动在凝固过程中振动铸型可在凝固过程中振动铸型可使液相使液相和固相发生相对运动和固相发生相对运动，导致，导致枝晶枝晶破碎破碎形成结晶核心。形成结晶核心。离心铸造离心铸造时时若周期改变旋转方向可获得细小若周期改变旋转方向可获得细小等轴晶，说明液相和固相发生相等轴晶，说明液相和固相发生相对运动所起的细化晶粒作

26、用。对运动所起的细化晶粒作用。振动还可引起振动还可引起局部的温度起伏局部的温度起伏，有利于枝晶熔断有利于枝晶熔断。振动铸型可振动铸型可促使促使“晶雨晶雨”的形成的形成。立式离心铸造机2超声波振动 超声波振动可在液相中产生超声波振动可在液相中产生空化作用，形成空隙，当这些空空化作用，形成空隙，当这些空隙崩溃时，液体迅速补充，液体隙崩溃时，液体迅速补充，液体流动的动量很大，产生很高的压流动的动量很大，产生很高的压力。当压力增加时凝固的合金熔力。当压力增加时凝固的合金熔点温度也要增加，从而提高了凝点温度也要增加，从而提高了凝固过冷度，造成形核率的提高，固过冷度，造成形核率的提高，使晶粒细化。使晶粒细

27、化。3液相搅拌 采用机械搅拌、电磁搅拌或气泡搅拌均可造成液相相对固采用机械搅拌、电磁搅拌或气泡搅拌均可造成液相相对固相的运动，引起枝晶的折断、破碎与增殖，达到细化晶粒的相的运动，引起枝晶的折断、破碎与增殖，达到细化晶粒的目的。目的。连铸过程采用电磁搅拌的主要作用是提高连铸坯的质量，连铸过程采用电磁搅拌的主要作用是提高连铸坯的质量，例如去除夹杂物、消除皮下气泡、减轻中心偏析、提高连例如去除夹杂物、消除皮下气泡、减轻中心偏析、提高连铸坯的等轴晶率。在浇铸断面较大的铸坯以及浇铸质量要铸坯的等轴晶率。在浇铸断面较大的铸坯以及浇铸质量要求较高时，电磁搅拌技术便成为首选。求较高时，电磁搅拌技术便成为首选。

28、4流变铸造 流变铸造又称半固态铸流变铸造又称半固态铸造，这种方法是当液体金造，这种方法是当液体金属凝固达属凝固达5060时，在时，在氩气保护下进行高速搅拌，氩气保护下进行高速搅拌，使金属成为半固态浆液，使金属成为半固态浆液，将半固态浆液凝固成坯料将半固态浆液凝固成坯料或挤压至铸型凝固成形。或挤压至铸型凝固成形。其固态晶体随搅拌转速的其固态晶体随搅拌转速的增加趋于细小而圆整，机增加趋于细小而圆整，机械性能显著提高。械性能显著提高。这种细小圆整的半固这种细小圆整的半固态金属浆液由于具有态金属浆液由于具有较好的流动性而容易较好的流动性而容易成形。因为它的温度成形。因为它的温度远低于液相线温度，远低于

29、液相线温度，所以对于黑色金属的所以对于黑色金属的压铸件来说，能大大压铸件来说，能大大减轻金属对模具的热减轻金属对模具的热冲击，提高压铸模具冲击，提高压铸模具的寿命，扩大黑色金的寿命，扩大黑色金属压铸的应用范围。属压铸的应用范围。传统铸造a）和流变铸造b）所获得的显微组织 液态金属在特殊条件下的凝固成形一、快速凝固一、快速凝固二、定向凝固二、定向凝固一、快速凝固（一）快速凝固简介（一）快速凝固简介（二）快速凝固方法（二）快速凝固方法（三）快速凝固显微组织（三）快速凝固显微组织（四）金属玻璃（四）金属玻璃（一）快速凝固简介 快速凝固是指采用急冷技术或深过冷技术获得很高的凝固前沿推进速率的凝固过程。

30、快快完全扩散平衡固-液界面局部平衡非稳定界面局部平衡界面不平衡凝固中的固、凝固中的固、液界面溶质液界面溶质成分成分定义定义：在比常规工艺过程：在比常规工艺过程(冷速不超过冷速不超过102/s)快得多的冷速下，合快得多的冷速下，合金以极快的速度从液态转变为固态的过程。金以极快的速度从液态转变为固态的过程。冷速冷速 快速凝固的组织特征快速凝固的实质在于通过某种技术手段，使液态合金在很大的冷快速凝固的实质在于通过某种技术手段，使液态合金在很大的冷却速度下达到足够大的过冷度，使凝固过程尽可能按无溶质再分却速度下达到足够大的过冷度，使凝固过程尽可能按无溶质再分配、无扩散、无偏析的模式进行。配、无扩散、无

31、偏析的模式进行。显著扩大合金的固溶极限；显著扩大合金的固溶极限；超细的晶粒度；超细的晶粒度；少偏析或无偏析；少偏析或无偏析；形成亚稳相；形成亚稳相；形成非晶相；形成非晶相；高的点缺陷密度。高的点缺陷密度。快速凝固合金的性能特点高强度及高韧性；高强度及高韧性；高耐蚀性；高耐蚀性；高抗蠕变能力；高抗蠕变能力；使不锈钢成为理想的核反应内壁的结构材料；使不锈钢成为理想的核反应内壁的结构材料；某些晶态合金也与非晶合金一样具有良好的磁学、电学和超导某些晶态合金也与非晶合金一样具有良好的磁学、电学和超导能力；能力；非晶合金具有一系列极有价值的性能特点。非晶合金具有一系列极有价值的性能特点。动力学激冷凝固技术

32、热力学深过冷凝固技术液相微粒的雾化法；液相微粒的雾化法；经过特殊处理的块体经过特殊处理的块体材料快速凝固；材料快速凝固；（二）快速凝固方法1、把金属或合金熔体、把金属或合金熔体分散成小液滴分散成小液滴 也称之为雾化技术、也称之为雾化技术、乳化技术或喷射成形乳化技术或喷射成形技术，以使这些小液技术，以使这些小液滴在凝固前达到很大滴在凝固前达到很大的过冷度。的过冷度。液态金属 气体 雾化法的装置雾化法的装置 加热线圈 旋转辊 坩埚及金属 急冷条带 熔体旋转法熔体旋转法表面熔化法表面熔化法深过冷法深过冷法深过冷法是另一类快速凝固方法，其核心深过冷法是另一类快速凝固方法，其核心是是:消除合金液中的异质

33、形核核心消除合金液中的异质形核核心。（三）快速凝固显微组织 凝固在很大的过冷度和很高的冷却速率凝固在很大的过冷度和很高的冷却速率下进行，凝固组织中会出现非平衡相下进行，凝固组织中会出现非平衡相。可以把温度梯度可以把温度梯度G和生长速率和生长速率R联系起联系起来，用来，用GR空间表示显微组织的变化和枝晶空间表示显微组织的变化和枝晶间距（偏析间距）的变化：间距（偏析间距）的变化：TdtdTdtdxdxdTGR 对铸件和铸锭，通常对铸件和铸锭，通常GR=10-3101K/s，但对雾化法，但对雾化法，GR=102106K/s。相应地，偏析间距。相应地，偏析间距从从1000m减小到减小到0.01m。1T

34、1T2T 图图6-7 Zn-1.8at%Ag合合金金在在不不同同冷冷却却速速率率下下的的显显微微组组织织(a、b、c、d生生长长速速率率分分别别为为12mm/s、3.54mm/s、2.06mm/s、0.48mm/s)（四）金属玻璃金属玻璃（也称金属玻璃（也称非晶态合金非晶态合金）是）是DuwezDuwez等等人在人在19601960年首先发现的，他们通过对熔融年首先发现的，他们通过对熔融Au80Si20Au80Si20合金合金快速冷淬快速冷淬获得了金属玻璃。获得了金属玻璃。快速凝固的Al-Fe-V-Si合金组织 金属玻璃的拉伸强度可高金属玻璃的拉伸强度可高达达 3 4GPa，并具有很好的，并具

35、有很好的耐腐蚀性能、优异的软磁性能、耐腐蚀性能、优异的软磁性能、优良的超导性能、较高的热稳优良的超导性能、较高的热稳定性和较低的表面活性，已经定性和较低的表面活性，已经或可望应用于机械结构材料、或可望应用于机械结构材料、磁性材料、声学材料、仿生材磁性材料、声学材料、仿生材料、光学材料、体育器材以及料、光学材料、体育器材以及电子材料等多个方面。电子材料等多个方面。形成金属玻璃的临界厚度随年代的变化关系 能否发生玻璃化转变的影能否发生玻璃化转变的影响因素主要有冷却速率、形响因素主要有冷却速率、形核密度和材料特性。核密度和材料特性。对应于一定的合金熔体，对应于一定的合金熔体，欲发生玻璃化转变需要有足

36、欲发生玻璃化转变需要有足够高的冷却速率。够高的冷却速率。部部分分块块体体金金属属玻玻璃璃的的实实物物照照片片 二、定向凝固二、定向凝固定向凝固技术在共晶凝固、定向柱状晶生长和单晶定向凝固技术在共晶凝固、定向柱状晶生长和单晶铸造等方面都有重要的意义。铸造等方面都有重要的意义。对于凝固温度范围宽的合金，定向凝固通过在铸件对于凝固温度范围宽的合金，定向凝固通过在铸件的不同部位放置冷铁实现。这时凝固界面的温度梯的不同部位放置冷铁实现。这时凝固界面的温度梯度很大，糊状凝固区域明显减小，因此补缩得到改度很大，糊状凝固区域明显减小，因此补缩得到改善，铸件完整性变好，同时铸件的机械性能也得以善，铸件完整性变好

37、，同时铸件的机械性能也得以提高。提高。二、定向凝固二、定向凝固定向凝固的合金柱状晶粒结构使得材料沿凝固方向定向凝固的合金柱状晶粒结构使得材料沿凝固方向的抗蠕变和抗热疲劳特性明显提高，这种技术常用的抗蠕变和抗热疲劳特性明显提高，这种技术常用于制造具有柱状晶结构或单晶的发动机叶片。于制造具有柱状晶结构或单晶的发动机叶片。1.1.定向凝固定向凝固定义定义：使物质在熔体中定向生长晶体的一种方法；：使物质在熔体中定向生长晶体的一种方法；目的：目的：获得具有一定方向的柱状晶或单晶组织的材料或零件。获得具有一定方向的柱状晶或单晶组织的材料或零件。定向凝固原理及技术定向凝固原理和条件：严格保证单向散热，使成正

38、温度梯度；严格保证单向散热，使成正温度梯度；提高提高G/LG/L比值；比值；提高液体的纯净度；提高液体的纯净度；避免液态金属的对流、搅拌和震动；避免液态金属的对流、搅拌和震动；l发热剂法：l炉内单向凝固法定向凝固原理及技术建立自下而上的凝固建立自下而上的凝固功率下降法：功率下降法：快速凝固法：快速凝固法：液态金属冷却法：液态金属冷却法：获得单晶的条件和单晶制造方法定义定义：由一个晶粒组成的毛坯或产品。：由一个晶粒组成的毛坯或产品。目的：目的：性能优良的零件。性能优良的零件。获得单晶的条件：在金属熔体中只能形成一个晶核；在金属熔体中只能形成一个晶核；凝固前沿的熔体应处于过热状态，且单向凝固；凝固

39、前沿的熔体应处于过热状态，且单向凝固；凝固前沿不允许有温度过冷和成分过冷；凝固前沿不允许有温度过冷和成分过冷；获得单晶的条件和单晶制造方法定向凝固获得单晶的方法定向凝固获得单晶的方法：正常凝固法正常凝固法区熔法区熔法坩埚移动或炉体移动法坩埚移动或炉体移动法晶体提拉法晶体提拉法 柱状晶、螺旋选择器及生长的单晶柱状晶、螺旋选择器及生长的单晶 等轴晶、柱状晶和单晶的发动机叶片比较等轴晶、柱状晶和单晶的发动机叶片比较 小知识：定向凝固定向凝固技术在航空中的应用定向凝固技术在航空中的应用在熔模铸造型壳中建立特定方向的温度梯度，使熔融合金沿着与热流相反的方向按照要求的结晶取向凝固的一种铸造工艺。定向凝固技

40、术最突出的成就是在航空工业中的应用。美国普拉特美国普拉特惠特尼航空公司采用凝固技术惠特尼航空公司采用凝固技术自1965年美国普拉特惠特尼航空公司采用高温合金定向凝固技术以来，这项技术已经在许多国家得到应用。采用定向凝固技术可以生产具有优良的抗热冲击性能较长的疲劳寿命较好的蠕变抗力和中温塑性的薄壁空心涡轮叶片。应用这种技术能使涡轮叶片的使用温度提高1030，涡轮进口温度提高2060，从而提高发动机的推力和可靠性，并延长使用寿命。铸件定向凝固需要两个条件：首先，热流向单一方向流动并垂直于生长中的固-液界面；其次,晶体生长前方的熔液中没有稳定的结晶核心。为此，在工艺上必须采取措施避免侧向散热,同时在

41、靠近固-液界面的熔液中应造成较大的温度梯度。这是保证定向柱晶和单晶生长挺直，取向正确的基本要素。以提高合金中的温度梯度为出发点，定向凝固技术已由功率降低法、快速凝固法发展到液态金属冷却法。定向凝固成形技术是伴随高温合金的发展而逐渐发展起来的，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，以获得具有特定取向柱状晶的技术。由于该技术较好地控制了凝固组织的晶粒取向，消除了横向晶界，大大提高了材料的纵向力学性能。因此，将该技术用于燃气涡轮发动机叶片的生产，所获得的柱状晶组织具有优良的抗热冲击性能、长的疲劳寿命、高的高温蠕变抗力和中温塑

42、性，进而提高了叶片的使用寿命和使用温度。该技术的进一步发展是单晶生产，它除了用于高温合金单晶叶片的研制外，还逐渐推广到半导体材料、磁性材料、复合材料的研究中，成为现代凝固成形的重要手段之一。定向凝固过程中温度梯度和凝固速率这两个凝固参数能够独立变化，成为凝固理论研究的重要手段。下面简单介绍定向凝固的几种工艺。1传统的定向凝固技术传统的定向凝固技术1.1 发热剂法（EP法）所谓的发热剂法就是将熔化好的金属液浇入一侧壁绝热，底部冷却，顶部覆盖发热 剂的铸型中，在金属液和已凝固金属中建立起一个自上而下的温度梯度，使铸件自上而下进行凝固，实现单向凝固。这种方法由于所能获得的温度梯度不大，并且很难控制，

43、致使凝固组织粗大，铸件性能差，因此，该法不适于大型、优质铸件的生产。但其工艺简单、成本低，可用于制造小批量零件。1.2 功率降低法（PD法）将保温炉的加热器分成几组，保温炉是分段加热的。当熔融的金属液置于保温炉内后，在从底部对铸件冷却的同时，自下而上顺序关闭加热器，金属则自下而上逐渐凝固，从而在铸件中实现定向凝固。通过选择合适的加热器件，可以获得较大的冷却速度，但是在凝固过程中温度梯度是逐渐减小的，致使所能允许获得的柱状晶区较短，且组织也不够理想。加之设备相对复杂，且能耗大，限制了该方法的应用。1.3 高速凝固法（HRS法）为了改善功率降低法在加热器关闭后，冷却速度慢的缺点，在Bridgman

44、晶体生长技术的基础上发展成了一种新的定向凝固技术，即快速凝固法。该方法的特点是铸件以一定的速度从炉中移出或炉子移离铸件，采用空冷的方式，而且炉子保持加热状态。这种方法由于避免了炉膛的影响，且利用空气冷却，因而获得了较高的温度梯度和冷却速度，所获得的柱状晶间距较长，组织细密挺直，且较均匀，使铸件的性能得以提高，在生产中有一定的应用。1.4 液态金属冷却法（LMC法）HRS法是由辐射换热来冷却的，所能获得的温度梯度和冷却速度都很有限。为了获得更高的温度梯度和生长速度。在HRS法的基础上，将抽拉出的铸件部分浸入具有高导热系数的高沸点、低熔点、热容量大的液态金属中，形成了一种新的定向凝固技术，即LMC

45、法。这种方法提高了铸件的冷却速度和固液界面的温度梯度，而且在较大的生长速度范围内可使界面前沿的温度梯度保持稳定，结晶在相对稳态下进行，能得到比较长的单向柱晶。常用的液态金属有GaIn合金和GaInSn合金，以及Sn液，前二者熔点低，但价格昂贵，因此只适于在实验室条件下使用。Sn液熔点稍高(232)，但由于价格相对比较便宜，冷却效果也比较好，因而适于工业应用。该法已被美国、前苏联等国用于航空发动机叶片的生产。新型的定向凝固技术新型的定向凝固技术2.1 区域熔化液态金属冷却法（ZMLMC法）该方法采用在距液固界面极近的位置处设置感应线圈进行强制加热，使金属局部熔化过热，产生的熔化区很窄，从而将液固

46、界面位置下压，同时使液相中的最高温度尽量靠近凝固界面，启动抽拉装置，不断地向下抽拉熔化的试样进入液态合金中冷却。ZMLMC定向凝固装置最高温度梯度可达1300K/cm，最大冷却速度可达50K/s，凝固速率可在61000m/s内调节。目前这方面的研究还都处于试验阶段，要进一步广泛应用，还有待于进一步的努力和改进。2.2 深过冷定向凝固（DUDS法）过冷熔体中的定向凝固法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

47、依靠向外界散热而在已有的枝晶骨架上凝固。该法大大降低了设备要求，热量散失快，铸件生产率高，铸件组织结构细小，微观成分偏析程度低，各种力学性能大幅提高。谢发勤等人采用深过冷定向凝固方法制备的Cu-Ni合金定向凝固样件，其一次枝晶间距比LMC法获得的组织还要细。目前，深过冷的研究还局限于纯金属或简单的二元合金，对复杂合金的深过冷的获得还存在着许多需要解决的问题。2.3 电磁约束成形定向凝固技术（DSEMS）电磁约束成形定向凝固技术是西北工业大学傅恒志等人将电磁约束成形技术和高梯度定向技术相结合而提出的新型材料制备技术。该技术利用电磁感应加热熔化感应器内的金属材料，并利用在金属熔体表层部分产生的电磁

48、压力来约束已熔化的金属熔体成形。10同时，冷却介质与铸件表面直接接触，增强了铸件固相的冷却能力，在固-液界面附近熔体内产生很高的温度梯度，使凝固组织超细化，可显著提高逐渐的表面质量和内在综合性能。电磁约束成形定向凝固技术为先进材料成形加工技术的发展开辟了一个新的领域，对高熔点、易氧化及高活性特种合金的成形制备具有特别重要的意义。此技术目前还处于研究阶段。2.4 激光超高温度梯度快速定向凝固（LRM）杨森等人认为激光能量高度集中的特性，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。激光超高温度梯度快速定向凝固能够获得比常规定向凝固包括ZMLMC技术高得多的温度

49、梯度和凝固速率。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速度方向一致的温度梯度。根据合金凝固特性选择适当的激光工艺参数，以获得包晶组织。目前激光超高温度梯度快速定向凝固还处于探索性实验阶段。小知识：单晶叶片定义：只有一个晶粒的铸造叶片。定向结晶叶片消除了对空洞和裂纹敏感的横向晶界，使全部晶界平行于应力轴方向，从而改善了合金的使用性能。单晶叶片消除了全部晶界，不必加入晶界强化元素，使合金的初熔温度相对升高，从而提高了合金的高温强度，并进一步改善了合金的综合性能。单晶叶片整个铸件由一个晶粒组成的铸造高温合金。这是继定向凝固铸造高温合金之后，进一步提高合

50、金强度和使用温度的一条途径。单晶叶片铸件的理想组织是叶根、叶身和叶冠，都由毫无缺陷的多相单晶体组成。晶体取向应是100方向，并与叶片主应力轴方向之间的偏离不应大于10度。单晶铸件可以用与定向凝固相同的设备和工艺制备，与定向凝固铸件的区别只在于在水冷底盘的上部加入选晶器或仔晶，以便控制单一晶体进入铸件。简史初期的单晶铸造高温合金采用普通铸造高温合金成分，在此情况下，单晶铸造高温合金与定向凝固铸造高温合金相比，除了改善横向强度和塑性外，其他性能并无明显改善。20世纪70年代末，出现了去掉晶界强化(见高温合金晶界强化)元素的单晶铸造高温合金，如美国的PwAl480、NASAIRl00。碳、硼、锆、铪