材料合成与制备新技术课件第五章定向凝固.ppt

（1）发热剂法发热剂法是定向凝固技术发展的起始阶段，是最原始的一种。是将铸型预热到一定温度后迅速放到激冷板上并立即进行浇注，冒口上方覆盖发热剂，激冷板下方喷水冷却，从而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，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四周，底部采用喷水冷却。这种方法由于所能获得的温度梯度不大，并且很难控制，致使凝固组织粗大，铸件性能差，因此该法不适于大型、优质逐渐的生产。但其工艺简单、成本低，可用于制造小批量零件。*第62页，共106页，星期日，2025年，2月5日（2）功率降低法（PD法）在这种工艺过程中，铸型加热感应圈分两段，铸件在凝固过程中不移动，其底部采用水冷激冷板。当模壳内建立起所要求的温度场时，铸入过热的合金液，切断下不电源，上部继续加热，通过调节上部感应圈的功率，使之产生一个轴向的温度梯度，以此控制晶体生长。该工艺可以根据预定的冷却曲线来控制凝固速率，可以获得较大的冷却速率。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，限制了该法的应用。*第63页，共106页，星期日，2025年，2月5日（3）快速凝固法（HRS）快速凝固法是对功率降低法的进一步改进，是在借鉴Brindgman晶体生长技术特点的基础上发展起来的。它与功率降低法的主要区别是：铸型加热器始终被加热，凝固是铸件与加热器相对移动。另外，在热区底部使用辐射挡板和水冷套，从而在挡板附近产生较大的温度梯度。其主要特点是：铸型以一定速度从炉中一处，或者炉子以一定速度移离铸件，并采用空冷方式。*第64页，共106页，星期日，2025年，2月5日（4）液态金属冷却法（LMC法）为了获得更高的温度梯度和生长速度，在HRS法的基础上，发展了液态金属冷却法。当合金液浇入铸型后，按选择的速度将铸件拉出炉体浸入金属浴。液态金属冷却剂要求熔点低、沸点高、热容量大和导热性能好。通常的液态金属有Ga-In合金和Ga-In-Sn合金。二者熔点低但价格昂贵，因此只适用于在实验室条件下使用。由于液态金属与已凝固界面之间换热系数很大，这种方法加大了铸件冷却速度和凝固过程中的温度梯度，而且在较大的生长速度范围内可使界面前沿温度梯度保持稳定，使结晶在相对稳定的条件下进行，得到长的单向柱晶。*第65页，共106页，星期日，2025年，2月5日（5）流态床冷却法（FBQ法）Nakagawa等首先用流态床法来获得很高的GL，进行定向凝固。用流态化的150号ZrO2粉作为冷却介质。Ar气用量大于4000cm3/min，冷却介质温度保持在100-120℃。在相同条件下，液态金属冷却法的温度梯度为100-300℃/cm，而流态床冷却法为100-200℃/cm，FBQ法基本可以得到也太金属冷却法那样高的温度梯度。*第66页，共106页，星期日，2025年，2月5日2.新型定向凝固技术超高温度梯度定向凝固（ZMLMC）电磁约束成形定向凝固（DSEMS）深过冷定向凝固激光超高温梯度快速凝固技术（LRM）连续定向凝固技术（OCC法）*第67页，共106页，星期日，2025年，2月5日超高温度梯度定向凝固（ZMLMC）加热和冷却是定向凝固过程的两个基本环节，对固液界面前沿温度梯度具有决定性的影响。西北工业大学李建国等人通过改变加热方式，在液态金属冷却法（LMC法）的基础上发展的一种新型定向凝固技术—区域熔化液态金属冷却法，即ZMLMC法。*第68页，共106页，星期日，2025年，2月5日1.试样2.感应圈3.隔热板4.冷却水5.液态金属6.拉锭机构7.熔区8.坩埚图5.8超高温度梯度定向凝固装置图*第69页，共106页，星期日，2025年，2月5日电磁约束成形定向凝固（DSEMS）在ZMLMC法基础上，凝固剂属国家重点实验室提出并探索研究了近十年的电磁约束成形定向凝固技术。该技术是将电磁约束成型技术与定向凝固技术相结合而产生的一种新型定向凝固技术。利用电磁感应加热熔化感应器内的金属材料，并利用在金属熔体部分产生的电磁压力来约束已熔化的金属熔体成形，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。由于电磁约束成形定向凝固取消了粗厚、导热性能查的陶瓷模壳、实现无接触铸造，使冷却介质可以直接作用于金属铸件上，可获得更大的温度梯度，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，具有广阔的应