凝固组织与技术精.ppt

凝固组织与技术第1页，本讲稿共18页 凝固技术1快速凝固技术2定向凝固技术3半固态凝固技术4均衡凝固技术第2页，本讲稿共18页快速凝固技术1 背景：2 定义：快速凝固技术一般指以大于105K/s-106K/s的冷却速率进行液相凝固成固相，是一种非平衡的凝固过程，通常生成亚稳相(非晶、准晶、微晶和纳米晶)，使粉末和材料具有特殊的性能和用途。3 方法：a 气枪法：这种方法的基本原理是将熔解的合金液滴，在高压(50 atm)惰性气体流(如Ar 或He)的突发冲击作用下，射向用高导热率材料(经常为纯铜)制成的急冷衬底上，由于极薄的液态合金与衬底紧密相贴，因而获得极高的冷却速度(109/S)。第3页，本讲稿共18页快速凝固技术 b 旋铸法(chill block melt-spinning)：旋铸法是将熔融的合金液自钳锅底孔射向一高速旋转的、以高导热系数材料制成的辊子表面。c 工作表面熔化与自淬火法(surface melting and self-quenching)：用激光束或电子束扫描工件表面，使表面极薄层的金属迅速熔化，热量由下层基底金属迅速吸收，使表面层(108/S)下重新凝固。第4页，本讲稿共18页快速凝固技术 d雾化法(atomization)：普通雾化法其冷却速度不超过102103/S。为加快冷却速度，采取冷却介质的强制对流，使合金液在N2、Ar、He等气体的喷吹下，雾化凝固为细粒，或使雾化后的合金在高速水流中凝固。4 快速凝固技术在镁合金中的应用 5 快速凝固技术在铝合金上的应用第5页，本讲稿共18页定向凝固技术1 定义：定向凝固是在凝固的过程中采用强制手段，在凝固金属和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，获得具有特定柱状晶的技术。2 方法：a 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。第6页，本讲稿共18页定向凝固技术b 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。c 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，即高速凝固法。第7页，本讲稿共18页定向凝固技术d 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。e 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。f 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。第8页，本讲稿共18页定向凝固技术g 电磁约束成形定向凝固技术（DSEMS）:f 激光超高温度梯度快速定向凝固（LRM）:3 在航空工业的应用第9页，本讲稿共18页均衡凝固技术1 均衡凝固技术是用于铸件充填补缩设计和浇冒口设计的理论和技术。均匀凝固原理 ABC：铸件在凝固过程总的收缩量 ACD：铸件在凝固过程总的膨胀量 ABE：铸件的表观收缩量；AC：铸件总的凝固时间AE：铸件达到表观收缩为零所需的时间；E点：均衡点EC：外部补缩时间第10页，本讲稿共18页半固态固成形技术1 背景：半固态金属成形技术是70年代初美国麻省理工学院的M.Flemigs 和D.Spencer发现的，处于固-液相区间的合金经过连续搅拌后呈现出低的表观粘度，此时在结晶过程中形成的树枝晶被粒状晶代替。这种浆料很容易变形，只要加很小的力就可以充填复杂的型腔，从而开发出一种新的金属成形方法半固态金属成形。2 定义：在金属处于液相线和固相线之间进行的成型加工。3 半固态的流变特性：半固态金属的流变特性是指在外力作用 下半固态金属的流动、变形性能。4 半固态金属的形成机理：第11页，本讲稿共18页半固态固成形技术 1 枝晶臂根部断裂机制 2 枝晶根部熔断机制 3 枝晶弯曲机制 5 半固态金属的制备方法：1 机械搅拌法 2 电磁搅拌法 3 应变激活法 4 电磁机械复合搅拌法 6 半固态金属的成形工艺：第12页，本讲稿共18页发展与展望1 凝固是一个跨学科的工程与科学领域2 随着对新材料需求的增长，新的制备加工技术不断涌现3 凝固加工工程作为新材料发展及其加工制备领域的重要组成，其发展重点是：高性能、高纯净、复合化、精细化、环境友好的材料及其加工制备与过程的精确控制第13页，本讲稿共18页凝固组织1 宏观组织：指用肉眼观察到的铸坯内部的组织情况，通常包括晶粒的形态、大小、取向和分布等情况。2 显微组织：是指借助于显微镜观察到的晶粒内部的结构形态，如树枝晶、胞状晶以及枝晶间距等。一 铸坯凝固的特点二 凝固区域：固相区 液相区 两相区三 铸坯典型宏观组织第14页，本讲稿共18页凝固组织一 形成理论介绍1 传统观点2 现代理论二 铸坯凝固过程中的晶粒游离理论1 过冷钢液中的非均质生核第15页，本讲稿共18页凝固组织2 铸型壁上晶粒脱落3 树枝晶上的枝晶分枝熔断4 游离晶的晶粒增殖5 液面晶粒沉积所引起的晶粒游离第16页，本讲稿共18页凝固组织三 钢液流动对组织的影响自然对流 强制对流 钢液流动对晶粒游离作用途径四 表面等晶粒区的形成 传统理论 现代理论第17页，本讲稿共18页凝固组织五 柱状晶区的形成形成机理铸坯中柱状晶的特点六 内部等轴晶区的形成成分过冷理论 晶粒游离理论第18页，本讲稿共18页