定向凝固及其应用.pptVIP

定向凝固时界面失稳的临界条件定向凝固时界面失稳的临界条件（1）低R时，服从成分过冷理论平界面向胞状转化条件为（2）高R时，服从绝对稳定理论，胞晶向平界面转化条件（3）低R时，胞晶向枝晶转化条件为（4）高R时，枝晶向胞晶转化条件为第29页，共43页，星期日，2025年，2月5日等温界面下的枝晶生长等温界面下的枝晶生长Bower、Flemings等提出枝晶尖端的过冷度为假设在任何枝晶间空间的一个体积元中液相组成是接近均匀的，而且为相图中的液相线所限定；其次固液界面上温度是一样的。这个公式只在高的温度梯度和低的生长速率时适用。支持等温界面的有2种模型：枝晶尖端是半球形；另一种是回转抛物面。第30页，共43页，星期日，2025年，2月5日不等温界面下的枝晶生长Burden和Hunt提出一个说明凝固速率和温度梯度对胞晶和枝晶尖端温度影响的模型。Trivedi充分考虑了界面曲率和界面动力学的作用，认为确定枝晶界面特性的三个主要因素为：热流、溶质原子扩散和表面张力的作用。Laxmanan提出过冷度由枝晶间溶质浓度梯度形成的过冷度、枝晶尖端溶质扩散形成的过冷度、枝晶尖端曲率造成的过冷度、动力学过冷度。并循着Burden和Hunt的思路，推导出适合于低速和快速生长两种平面凝固条件。从目前理论进展和实验观察，以不等温界面的枝晶生长较可靠。第31页，共43页，星期日，2025年，2月5日定向凝固及其应用第1页，共43页，星期日，2025年，2月5日一定向凝固的原理二定向凝固技术的发展三定向凝固的理论基础四定向凝固在凝固理论研究中的应用五定向凝固在新材料研究与开发中的应用六自制定向凝固装置介绍七我的研究内容第2页，共43页，星期日，2025年，2月5日定向凝固基本原理定向凝固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，获得具有特定取向柱状晶的技术。定向凝固技术是在高温合金的研制中建立和完善起来的。该技术最初用来消除结晶过程中生成的横向晶界，甚至消除所有晶界，从而提高材料的高温性能和单向力学性能。在定向凝固过程中温度梯度和凝固速率这两个重要的凝固参数能够独立变化，可以分别研究它们对凝固过程的影响。这既促进了凝固理论的发展，也激发了不同定向凝固技术的出现。第3页，共43页，星期日，2025年，2月5日定向凝固技术的发展传统定向凝固技术新型定向凝固技术发热铸型法功率降低法快速凝固法液态金属冷却法区域熔化液态金属冷却法激光超高温度梯度快速定向凝固电磁约束成形定向凝固技术深过冷定向凝固技术侧向约束下的定向凝固技术对流下的定向凝固技术重力场作用下的定向凝固技术Insituandreal-timeimaging第4页，共43页，星期日，2025年，2月5日发热铸型法和功率降低法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，在金属液和己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。石墨感应发热器放在分上下两部分的感应圈内。加热时上下两部分感应圈全通电，在模壳内立起所要求的温度场．然后注入过热的合金熔液。此时下部感应圈停电，通过调节输入上部感应圈的功率，使之产生一个轴向温度梯度。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、优质铸件的生产。但其工艺简单、成本低，可用于制造小批量零件。第5页，共43页，星期日，2025年，2月5日快速凝固法和液态金属冷却法快速凝固法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。液态金属冷却法是在快速凝固法的基础上，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。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，得到比较长的单向柱晶。常用的液态金属有Ga-In合金和Ga-In-Sn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。第6页，共43页，星期日，2025年，2月5日区域熔化液态金属冷却