结晶组织的形成及控制课件.ppt

结晶组织的形成及控结晶组织的形成及控制制第1页，此课件共25页哦导入案例导入案例目目前前国国内内小小型型航航空空叶叶片片工工业业生生产产中中普普遍遍应应用用的的是是高高速速凝凝固固法法(HRS)(HRS)定定向向凝凝固固工工艺艺。随随铸铸型型尺尺寸寸增增加加，定定向向凝凝固固中中的的温温度度梯梯度度显显著著降降低低，较较易易出出现现斑斑点点、等轴晶等铸造缺陷，同时在高温下合金与模壳、陶瓷型芯容易发生反应。等轴晶等铸造缺陷，同时在高温下合金与模壳、陶瓷型芯容易发生反应。20102010年年中中国国科科学学院院金金属属研研究究所所依依托托大大中中型型LMCLMC设设备备，突突破破了了一一系系列列关关键键技技术术，包包括括低低熔熔点点合合金金污污染染的的控控制制、隔隔热热层层装装置置选选材材及及配配置置、大大型型铸铸件件稳稳定定悬悬臂臂拉拉伸伸系系统统、大大型型LMCLMC设设备备半半连连续续工工作作、高高强强防防裂裂型型壳壳等等，成成功功制制备备出出了了长长度为度为430mm430mm的大型定向结晶铸件和叶片样件。的大型定向结晶铸件和叶片样件。第2页，此课件共25页哦 铸件的宏观组织通常由铸件的宏观组织通常由激冷晶区、柱状晶区和内部等轴晶激冷晶区、柱状晶区和内部等轴晶区所组成。区所组成。1 1 铸件宏观凝固组织的特征及形成机理铸件宏观凝固组织的特征及形成机理第3页，此课件共25页哦现现下下图图所所示示的的四四种种情情况况：只只有有柱柱状状晶晶（图图a a）；表表面面细细等等轴轴晶晶加加柱柱状状晶晶（图图b b）；三三个个晶晶区区都都有有（图图c c）；只只有有等等轴轴晶晶（图图d d）。甚甚至至由由激激冷冷区区和和柱柱状状区区所所组组成成。即即使使是是具具有有三三个个晶晶区区的的宏宏观观组组织织，其其各各个个晶晶区区所所占占的的比比例例因因凝凝固固条条件件不不同同往往往往也也是是不不一一样样的的，这这造造成成铸铸件件宏宏观观组组织织多样化多样化。柱状晶（图柱状晶（图a a）表面细等轴晶加表面细等轴晶加柱状晶（图柱状晶（图b b）等轴晶（图等轴晶（图d d）1 1）铸件宏观凝固组织的特征）铸件宏观凝固组织的特征第4页，此课件共25页哦一、表面细晶区的形成一、表面细晶区的形成 表面细晶区中的晶粒通常是表面细晶区中的晶粒通常是无方向性的细等轴晶无方向性的细等轴晶。根据根据传统理论，当液态金属浇入温度较低的铸型中时，型壁附传统理论，当液态金属浇入温度较低的铸型中时，型壁附近熔体由于受到强烈的激冷作用，近熔体由于受到强烈的激冷作用，产生很大的过冷度而大量产生很大的过冷度而大量非均质生核非均质生核。这些晶核在过冷熔体中也采用枝晶方式生长，。这些晶核在过冷熔体中也采用枝晶方式生长，由于其结晶潜热即可从型壁导出，也可以向过冷熔体中散由于其结晶潜热即可从型壁导出，也可以向过冷熔体中散失，从而形成了无方向性的细等轴晶组织。失，从而形成了无方向性的细等轴晶组织。2 2）铸件宏观凝固组织的形成机理）铸件宏观凝固组织的形成机理第5页，此课件共25页哦二、柱状晶区的形成二、柱状晶区的形成 对于对于纯金属纯金属，其凝固前沿基本上呈，其凝固前沿基本上呈平面生长平面生长，故其，故其择优生长并不明显，凝固前沿以平面生长的方式择优生长并不明显，凝固前沿以平面生长的方式逆着逆着热流方向向内伸展热流方向向内伸展而成为而成为柱状晶组织柱状晶组织。对于。对于合金合金，当，当溶质元素在固溶质元素在固-液界面前沿富集而逐渐增多时，柱状晶液界面前沿富集而逐渐增多时，柱状晶区的亚组织能呈现出从区的亚组织能呈现出从平面生长、胞状生长直到树枝平面生长、胞状生长直到树枝状生长状生长等各个阶段的结构形态。等各个阶段的结构形态。2 2）铸件宏观凝固组织的形成机理）铸件宏观凝固组织的形成机理第6页，此课件共25页哦由于固由于固-液界面处液界面处单向的散热条件单向的散热条件（垂直于界（垂直于界面方向），处于凝固界面前沿的晶粒在垂直于面方向），处于凝固界面前沿的晶粒在垂直于型壁的单向热流作用下，便转而以枝晶状单向型壁的单向热流作用下，便转而以枝晶状单向延伸生长，由于各枝晶主干方向各不相同，那延伸生长，由于各枝晶主干方向各不相同，那些主干取向与热流方向些主干取向与热流方向平行的枝晶平行的枝晶，较之较之取取向不利的相邻枝晶生长更为向不利的相邻枝晶生长更为迅速迅速，它们优，它们优先向内伸展并先向内伸展并抑制相邻枝晶抑制相邻枝晶的生长，在逐渐的生长，在逐渐淘汰取向不利的晶体过程中发展成柱状晶组织，淘汰取向不利的晶体过程中发展成柱状晶组织，这个相互竞争淘汰的晶体生长过程称为这个相互竞争淘汰的晶体生长过程称为晶体晶体的择优生长。的择优生长。2 2）铸件宏观凝固组织的形成机理）铸件宏观凝固组织的形成机理第7页，此课件共25页哦三、内部等轴晶区的形成三、内部等轴晶区的形成内内部部等等轴轴晶晶区区的的形形成成是是由由于于熔熔体体内内部部晶晶核核自自由由生生长长的结果的结果。（一）、过冷熔体非自发生核理论（一）、过冷熔体非自发生核理论（二）、激冷形成的晶核卷入理论（二）、激冷形成的晶核卷入理论等等轴轴晶晶体体即即便便在在浇浇注注过过程程中中没没有有来来得得及及形形成成，那那么么浇浇注注完完毕毕凝凝固固的的开开始始 阶阶段段，在在型型壁壁处处形形成成的的晶晶体体，由由于于其其密密度度或或大大于于母母液液或或小小于于母母液液也也会会产产生生对对流流，依依靠靠对流可将型壁处产生的晶体脱落且游离到铸件的内部。对流可将型壁处产生的晶体脱落且游离到铸件的内部。2 2）铸件宏观凝固组织的形成机理）铸件宏观凝固组织的形成机理第8页，此课件共25页哦产生这种对流的示意图。产生这种对流的示意图。此外，型壁处和铸件心部的此外，型壁处和铸件心部的液体温度差造成的热温对液体温度差造成的热温对流流也使晶体由型壁处向内部熔体游离。也使晶体由型壁处向内部熔体游离。2 2）铸件宏观凝固组织的形成机理）铸件宏观凝固组织的形成机理第9页，此课件共25页哦 对那些对那些溶质偏析严重溶质偏析严重而易于产生较细脖颈的晶体来说，在而易于产生较细脖颈的晶体来说，在某些区域可能发生某些区域可能发生脖颈根部的熔断脖颈根部的熔断而使一个晶体分离成几个晶而使一个晶体分离成几个晶体，使游离晶数量增加，即晶体发生增殖。体，使游离晶数量增加，即晶体发生增殖。2 2）铸件宏观凝固组织的形成机理）铸件宏观凝固组织的形成机理第10页，此课件共25页哦（三）、（三）、枝晶熔断及结晶理论枝晶熔断及结晶理论JacksonJackson等等人人提提出出，生生长长着着的的柱柱状状枝枝晶晶在在凝凝固固界界面面前前方方的的熔熔断断、游游离离和和增增值值导导致致了了内内部部等等轴轴晶晶晶核的形成晶核的形成，称为，称为“枝晶熔断枝晶熔断”理论理论。（四）、（四）、“结晶雨结晶雨”游离理论游离理论液液面面冷冷却却产产生生的的晶晶粒粒下下雨雨似似地地沉沉积积到到柱柱状状晶晶区区前前方方的的液液体体中中，下下落落过过程程中中也也发发生生熔熔断断和和增增殖殖，是是铸铸锭锭凝凝固固时时内内部部等等轴轴晶晶晶晶核核的的主主要要来来源源，称称为为“结晶雨结晶雨”理论理论。2 2）铸件宏观凝固组织的形成机理）铸件宏观凝固组织的形成机理第11页，此课件共25页哦一、铸件结晶组织对铸件性能的影响一、铸件结晶组织对铸件性能的影响铸铸件件的的结结晶晶组组织织对对铸铸件件的的性性能能具具有有直直接接影影响响。但但影影响响程程度度不不同同，表表面面细细晶晶粒粒区区由由于于比比较较薄薄，对对铸铸件件的的性性能能影影响响较较小小，柱柱状状晶晶区区和和等等轴轴晶晶区区的的宽宽度度及及两两者者的的比例、晶粒的大小比例、晶粒的大小才是决定铸件性能的才是决定铸件性能的主要因素主要因素。柱柱状状晶晶是是晶晶体体择择优优生生长长形形成成的的细细长长晶晶体体，比比较较粗粗大大，晶晶界界面面积积较较小小，柱柱状状晶晶体体排排列列位位向向一一致致。内内部部等等轴轴晶晶区区的的等等轴轴晶晶粒粒之之间间位位向向各各不不相相同同，晶晶界界面面积积大大，而而且且偏偏析析元元素素、非非金金属属夹夹杂杂物物和和气气体体的的分分布布比比较较分分散散，等等轴轴枝枝晶晶彼彼此此嵌嵌合合，结结合合比比较较牢牢固固，性性能能比比较较均匀，即所谓各向同性。均匀，即所谓各向同性。2 2 铸件宏观结晶组织的控制铸件宏观结晶组织的控制第12页，此课件共25页哦二、铸件宏观组织的控制途径和措施二、铸件宏观组织的控制途径和措施铸铸件件中中三三个个晶晶区区的的形形成成是是相相互互联联系系、彼彼此此制制约约的的。从从本本质质上上说说，晶晶区区的的形形成成和和转转变变乃乃是是过过冷冷熔熔体体独独立立生生核核的的能能力力和和各各种种形形式式晶晶粒粒游游离离、增增殖殖或或重重熔熔的的程程度度这这两两个个基基本本条条件件综综合合作作用用的的结结果果，铸铸件件中中各各晶晶区区的的相相对对大大小小和和晶晶粒粒的的粗粗细细就就是是由由这这个个结结果果所所决决定定的的。通通常常在在技技术术上上采采取如下几方面的措施：取如下几方面的措施：2 2 铸件宏观结晶组织的控制铸件宏观结晶组织的控制第13页，此课件共25页哦1.向熔体中加入向熔体中加入强强形核形核剂剂控控制制金金属属和和合合金金铸铸态态组组织织重重要要方方法法之之一一是是控控制制形形核核。在在实实际际铸铸件件生生产产中中应应用用的的主主要要方方法法是是向向液液态态金金属属中中添添加加形核剂或称孕育剂，进行形核剂或称孕育剂，进行孕育处理孕育处理。加加入入形形核核剂剂的的目目的的是是强强化化非非均均质质形形核核。根根据据形形核核质质点点的作用过程，形核剂主要有以下几类：的作用过程，形核剂主要有以下几类：直接作为外加晶核的形核剂直接作为外加晶核的形核剂能形成较高熔点稳定化合物的形核剂能形成较高熔点稳定化合物的形核剂通通过过在在液液相相中中微微区区富富集集使使结结晶晶相相提提前前弥弥散散析析出出形形成成的的形形核核剂剂含强成分过冷元素的形核剂含强成分过冷元素的形核剂 2 2 铸件宏观结晶组织的控制铸件宏观结晶组织的控制第14页，此课件共25页哦2.控制控制浇浇注工注工艺艺和增大和增大铸铸件冷却速度件冷却速度 （一）采用较低的浇注温度（一）采用较低的浇注温度大大量量试试验验及及生生产产实实践践表表明明，降降低低浇浇注注温温度度是是减减少少柱柱状状晶晶、获获得得细细等等轴轴晶晶的的有有效效措措施施之之一一，尤尤其其是是对对于于高高锰锰钢钢那那样样导导热热性性较较差差的的合合金金而而言言，其其效效果果更更为为显显著著。较较低低的的浇浇注注温温度度一一方方面面有有利利于于从从型型壁壁上上脱脱离离的的晶晶粒粒、枝枝晶晶熔熔断断产产生生的的晶晶粒粒以以及及自自由由表表面面产产生生的的晶晶粒粒雨雨更更多多地地残残存存下下来来，减减少少被被重重新新熔熔化化的的数数量量；另另一一方方面面，由由于于熔熔体体的的过过热热度度小小，易易于于产产生生较较多多的的游游离离晶晶粒粒。这这两两个个方方面面均均对对等等轴轴晶晶的的形形成成和和细细化化有有利利。但但是是浇浇注注温温度度不不能能过过低低、否否则则会会由由于于液液态态金金属属流流动动性性的的降降低低而而产产生生浇浇不不足足或或冷冷隔隔、夹夹杂杂等等缺缺陷陷。因此，应通过试验来确定合适的浇注温度。因此，应通过试验来确定合适的浇注温度。2 2 铸件宏观结晶组织的控制铸件宏观结晶组织的控制第15页，此课件共25页哦（二）采用合适的浇注工艺（二）采用合适的浇注工艺 根根据据第第一一节节所所述述的的激激冷冷游游离离晶晶理理论论，等等轴轴晶晶的的晶晶核核来来源源于于浇浇注注期期间间和和凝凝固固初初期期的的激激冷冷游游离离晶晶。而而游游离离晶晶体体的的产产生生与与液液态态金金属属的的流流动动密密切切相相关关。因因此此，凡凡是是能能够够增增加加液液流流对对型型壁壁的的冲冲刷刷和和促促进进液液态态金金属属内内部部产产生生对对流流的的浇浇注注工工艺艺均均能能扩扩大大并并细细化化等轴晶区。等轴晶区。2 2 铸件宏观结晶组织的控制铸件宏观结晶组织的控制第16页，此课件共25页哦（三）（三）铸型性质和铸件结构铸型性质和铸件结构铸型激冷能力的影响铸型激冷能力的影响 铸型激冷能力对凝固组织铸型激冷能力对凝固组织的影响与铸件壁厚和液态金属的导热性有关。对的影响与铸件壁厚和液态金属的导热性有关。对于薄壁铸件而言，激冷可以使整个断面同时产生于薄壁铸件而言，激冷可以使整个断面同时产生较大的过冷。铸型蓄热系数越大，整个熔体的生较大的过冷。铸型蓄热系数越大，整个熔体的生核能力越强，因此这时采用金属型铸造比采用砂核能力越强，因此这时采用金属型铸造比采用砂型铸造更易获得细等轴晶的断面组织。型铸造更易获得细等轴晶的断面组织。2 2 铸件宏观结晶组织的控制铸件宏观结晶组织的控制第17页，此课件共25页哦（三）（三）铸型性质和铸件结构铸型性质和铸件结构液态金属与铸型表面的润湿角液态金属与铸型表面的润湿角 试验表明，液态金属与铸型试验表明，液态金属与铸型表面的润湿性好，即润湿角表面的润湿性好，即润湿角 小，在铸型表面易于形成稳定小，在铸型表面易于形成稳定的凝固壳层，有利于柱状晶的形成与生长。反之，则有利于的凝固壳层，有利于柱状晶的形成与生长。反之，则有利于等轴晶的形成与细化。等轴晶的形成与细化。铸型表面的粗糙度铸型表面的粗糙度 大野笃美还做了表面粗糙度对柱状晶大野笃美还做了表面粗糙度对柱状晶尺寸和铸锭纵剖面等轴晶面积率的影响。结果表明，随着尺寸和铸锭纵剖面等轴晶面积率的影响。结果表明，随着表面粗糙度的提高，柱状晶尺寸减少，等轴晶面积率提高。表面粗糙度的提高，柱状晶尺寸减少，等轴晶面积率提高。2 2 铸件宏观结晶组织的控制铸件宏观结晶组织的控制第18页，此课件共25页哦 动力学细化方法动力学细化方法主要是采用主要是采用机械力或电磁力机械力或电磁力引起固相引起固相和液相的相对运动，导致枝晶的破碎或与铸型分离，在液和液相的相对运动，导致枝晶的破碎或与铸型分离，在液相中形成大量结晶核心，达到细化晶粒的效果。常用的动相中形成大量结晶核心，达到细化晶粒的效果。常用的动力学细化方法如下：力学细化方法如下：1 1铸型振动铸型振动 2 2超声波振动超声波振动 3 3液相搅拌液相搅拌 4 4流变铸造流变铸造2 2 铸件宏观结晶组织的控制铸件宏观结晶组织的控制第19页，此课件共25页哦 熔焊条件下的液态金属凝固过程与第三章和第四章所阐述的熔焊条件下的液态金属凝固过程与第三章和第四章所阐述的一般液态金属凝固过程在本质上没有区别，都是一般液态金属凝固过程在本质上没有区别，都是晶核生成和晶晶核生成和晶核长大核长大的过程。然而，由于焊接熔池凝固条件的特殊性，其的过程。然而，由于焊接熔池凝固条件的特殊性，其凝固过程还存在着自己的一些特征。凝固过程还存在着自己的一些特征。3 3 熔池凝固及焊缝金属组织熔池凝固及焊缝金属组织第20页，此课件共25页哦1.焊接熔池的特征焊接熔池的特征1 1）.熔池金属的熔池金属的体积小，冷却速度快体积小，冷却速度快 ；2 2）.熔熔池池金金属属中中不不同同区区域域温温差差很很大大、中中心心部部位位过过热热温温度度最最高高 因因加加热热与与冷冷却速度很快，熔池中心和边缘存在却速度很快，熔池中心和边缘存在较大的温度梯度较大的温度梯度；3 3）.凝凝固固过过程程是是一一个个动动态态过过程程 ，如如图图5-9 5-9 所所示示，处处于于热热源源移移动动方方向向前端（前端（abcabc）的母材不断熔化，熔池后部的液态金属降温凝固；）的母材不断熔化，熔池后部的液态金属降温凝固；4 4）.液液态态金金属属对对流流激激烈烈 熔熔池池中中存存在在电电弧弧的的机机械械力力、气气流流吹吹力力、电电磁磁力力，以及液态金属中密度差，使熔池金属产生强烈的以及液态金属中密度差，使熔池金属产生强烈的搅拌和对流搅拌和对流。3 3 熔池凝固及焊缝金属组织熔池凝固及焊缝金属组织第21页，此课件共25页哦2.熔池凝固的特点熔池凝固的特点 1.联联生生结结晶晶 从熔池从熔池边边界未熔母材晶粒表面非自界未熔母材晶粒表面非自发发形核，以柱状晶的形形核，以柱状晶的形态态向向焊缝焊缝中心生中心生长长，这这种种结结晶特征称晶特征称为联为联生生结结晶晶(也称外延生也称外延生长长)。2.晶体成晶体成长长的的选择选择性与弯曲柱状晶性与弯曲柱状晶。3.熔池凝固熔池凝固组织组织形形态态的的多多样样性性。3 3 熔池凝固及焊缝金属组织熔池凝固及焊缝金属组织第22页，此课件共25页哦3.焊缝焊缝金属凝固金属凝固组织组织的形的形态态在在焊焊接接凝凝固固过过程程中中，凝凝固固组组织织的的形形态态具具有有柱柱状状晶晶及及其其多多种种亚亚结结构构，通通常常有有平平面面晶晶、胞胞状状晶晶、胞胞状状树树枝枝晶和晶和树树枝晶以及等枝晶以及等轴轴晶等多种形晶等多种形态态。柱状晶柱状晶1）平面晶（又称平滑晶）平面晶（又称平滑晶）2）胞状晶胞状晶3）胞状胞状树树枝晶枝晶4）树树枝状晶（柱状枝晶）枝状晶（柱状枝晶）3 3 熔池凝固及焊缝金属组织熔池凝固及焊缝金属组织第23页，此课件共25页哦 3 3 熔池凝固及焊缝金属组织熔池凝固及焊缝金属组织 a）b）平面结晶形态a）成分过冷条件 b）结晶形态 第24页，此课件共25页哦 3 3 熔池凝固及焊缝金属组织熔池凝固及焊缝金属组织Cr25Ni35AlTi合金TIG焊时胞状晶Cr25Ni35AlTi合金TIG焊时胞状树枝晶Cr25Ni35AlTi合金TIG焊时树枝晶第25页，此课件共25页哦