定向凝固技術(shù)

1、大連交通大學(xué)材料科學(xué)與工程學(xué)院0定向凝固技術(shù)定向凝固技術(shù)1、定向凝固的研究狀況定向凝固的研究狀況定向凝固成形技術(shù)是伴隨高溫合金的發(fā)展而逐漸發(fā)展起來的，是在凝固過程中采用強(qiáng)制手段，在凝固金屬和未凝固熔體中建立起特定方向的溫度梯度，從而使熔體沿著與熱流相反的方向凝固，以獲得具有特定取向柱狀晶的技術(shù)。定向凝固技術(shù)很好的控制了凝固組織的晶粒取向，消除橫向晶界，提高了材料的縱向力學(xué)性能，因而自美國普拉特惠特尼航空公司采用高溫合金定向凝固技術(shù)以來，

2、這項技術(shù)得到廣泛的應(yīng)用。1.11.1定向凝固理論的研究定向凝固理論的研究定向凝固理論的研究，主要涉及定向凝固中液固界面形態(tài)及其穩(wěn)定性，液固界面處相變熱力學(xué)、動力學(xué)，定向凝固過程晶體生長行為以及微觀組織的演繹等，其中包括成分過冷理論、MS界面穩(wěn)定性、線性擾動理論、非線性擾動理論等。從Chalmers[1]等的成分過冷理論到Mullins[2]等的界面穩(wěn)定動力學(xué)理論(MS理論)，人們對凝固過程有了更深刻的認(rèn)識。下面主要分析一下成分過冷理論和

3、界面穩(wěn)定性理論。（1）成分過冷理論成分過冷理論是針對單相二元合金凝固過程界面成分的變化提出的，如對于平衡分配系數(shù)小于1的合金在冷卻下來時，由于溶質(zhì)在固相和液相中的分配系數(shù)不同，溶質(zhì)原子隨著凝固的進(jìn)行，被排擠到液相中去，并形成一定的濃度梯度，與這種溶質(zhì)梯度相對應(yīng)的液相線溫度與真實溫度分布之間有不同的值，其差值大于零時，意味著該部分熔體處于過冷狀態(tài)，有形成固相的可能性而影響界面的穩(wěn)定性。Chalmers等人通過分析得出了成分過冷的判據(jù)，確定

4、了合金凝固過程中固液界面前沿的形態(tài)取決于兩個參數(shù)：GLv和GLv，即分別為界面前沿液相溫度梯度和凝固速度的商和積。前者決定了界面形態(tài)，而后者決定了晶體的顯微組織（即枝晶間距或晶粒大?。3]。成分過冷理論能成功的判定無偏析特征的平面凝固的條件，避免胞晶或枝晶的生成。但是成分過冷理論只考慮了溫度梯度和濃度梯度這兩個具有相反效應(yīng)的因素對界面穩(wěn)定性的影響，忽略了非平面界面的表面張力、凝固時的結(jié)晶潛熱及固相中溫度梯度等的影響。[4]（2）MS穩(wěn)

5、定性理論針對成分過冷理論存在的問題，Mullins等研究人員研究了溫度場和濃度場的干擾行為、干擾振幅和時間的依賴關(guān)系以及它們對界面穩(wěn)定性的影響，在大連交通大學(xué)材料科學(xué)與工程學(xué)院2技術(shù)凝固時枝晶相向生長的界面雜質(zhì)多，性能較差，因此其不能應(yīng)用于要求橫向性能良好的場合?，F(xiàn)在定向凝固技術(shù)正朝著無鑄型、無污染、成本低等方向發(fā)展，這使得定向凝固技術(shù)更符合現(xiàn)代綠色生產(chǎn)的發(fā)展。2.22.2定向凝固的應(yīng)用定向凝固的應(yīng)用2.2.12.2.1制備高溫合金制備

6、高溫合金定向凝固技術(shù)最初就是應(yīng)用于高溫合金的研制，自從定向凝固和單晶合金出現(xiàn)以后，所有國家的先進(jìn)新型發(fā)動機(jī)幾乎無一例外地選用鑄造高溫合金制作最高溫區(qū)工作的葉片，目前幾乎所有先進(jìn)航空發(fā)動機(jī)都以采用單晶葉片為特色，正在研制中的許多新型發(fā)動機(jī)都采用單晶高溫合金制作渦輪葉片[8]。西北工業(yè)大學(xué)凝固技術(shù)國家重點實驗室[9]利用特殊設(shè)計的雙頻雙感應(yīng)器成功地實現(xiàn)了多種截面形狀的無接觸電磁約束成形。同時，他們利用軟接觸電磁約束成形定向凝固技術(shù)，制備出了

7、不同尺寸的高溫合金葉片模擬樣件。中國科學(xué)院金屬研究所[10]應(yīng)用定向凝固工藝成功研制出一種性能優(yōu)異的低成本定向凝固鎳基高DZ417G。DZ417G合金從室溫至高溫瞬時拉伸性能良好，無缺口敏感性，橫向性能優(yōu)異，其中最突出的優(yōu)點是室溫至高溫的拉伸塑性優(yōu)異，且室溫沖擊韌性高。這種合金綜合性能優(yōu)異，可用作先進(jìn)航空發(fā)動機(jī)低壓渦輪葉片等零件。2.2.22.2.2制備磁性材料制備磁性材料深過冷快速凝固是目前國內(nèi)外制備塊體納米磁性材料的研究熱點之一，采

8、用該工藝可先制備出大塊磁性非晶，再將其進(jìn)行退火熱處理而獲得納米磁性材料，也直接將整塊金屬進(jìn)行晶粒細(xì)化至納米級而獲得納米磁性材料。深過冷快速凝固方法所制備塊體納米材料的厚度及平均晶粒尺寸在很大程度上是由合金成分以及液態(tài)金屬獲得的過冷度決定的。蔣成保等[11]人采用JSL500區(qū)域熔化真空定向凝固裝置，對TbDyFe超磁致伸縮合金定向凝固的磁致伸縮性能的研究表明：胞枝晶組織是制備高性能TbDyFe合金樣品的關(guān)鍵，因為胞狀枝晶方式生長的樣品軸

9、向擇優(yōu)取向為時，磁致伸縮性能優(yōu)越。2.2.32.2.3制備共晶復(fù)合材料制備共晶復(fù)合材料定向凝固共晶復(fù)合材料是一種自生纖維(或片層)增強(qiáng)的金屬基復(fù)合材料，它的纖維或片層是在合金熔體定向凝固時和基體同時生長的。這種方法是原位生成法中的一種，采用定向凝固技術(shù)制備的復(fù)合材料增強(qiáng)體和基體的結(jié)合良好，不會出現(xiàn)界面反應(yīng)問題和增強(qiáng)體與基體之間潤濕性的問題，所得到的復(fù)合材料增強(qiáng)相的排列取向較好。定向凝固技術(shù)制備復(fù)合材料在鎳基和鋯基復(fù)合材料上應(yīng)用較多，得到