材料成形理论基础4章2016版

第四章液态金属充型与宏观凝固组织

4.1凝固温度场、凝固方式及实现原则一、温度场数学解析方法数学模型的建立求解几何条件边界条件初始条件第四章液态金属充型与宏观凝固组织

4.1凝固温度场、凝固方式及实现原则

半无限大铸件在铸型中冷却

温度分布a)砂型b)金属型a)b)第四章液态金属充型与宏观凝固组织

4.1凝固温度场、凝固方式及实现原则数值计算法对数学模型进行离散连续的变化过程转化为离散的数值点有限差分有限元第四章液态金属充型与宏观凝固组织

4.1凝固温度场、凝固方式及实现原则试验法

Al-42.4Zn合金温度--时间曲线

铸件断面上的温度场第四章液态金属充型与宏观凝固组织

4.1凝固温度场、凝固方式及实现原则温度场的影响因素金属的导温系数结晶潜热金属的凝固温度

金属性质的影响

铸型性质的影响铸型的蓄热系数铸型的预热温度

浇注条件的影响铸件的壁厚铸件的形状

浇注温度

铸件结构的影响第四章液态金属充型与宏观凝固组织

4.1凝固温度场、凝固方式及实现原则二、凝固方式

铸件凝固动态曲线【x/R--t】坐标上液相边界固相边界应用厚大断面球铁1.凝固动态曲线第四章液态金属充型与宏观凝固组织

4.1

凝固温度场、凝固方式及实现原则凝固区域结构

液-固部分倾出边界

固-液部分补缩边界凝固区结构示意图

固相区

液相区第四章液态金属充型与宏观凝固组织

4.1凝固温度场、凝固方式及实现原则凝固方式及影响因素

逐层凝固方式体积凝固方式中间凝固方式取决于凝固区域的宽度第四章液态金属充型与宏观凝固组织

4.1凝固温度场、凝固方式及实现原则

逐层凝固方式

纯金属共晶合金合金结晶温度范围很小或温度梯度很大

逐层凝固方式a)纯金属或共晶合金成分b)合金结晶温度范围很小或温度梯度很大第四章液态金属充型与宏观凝固组织

4.1凝固温度场、凝固方式及实现原则

体积凝固方式a)温度梯度较小b)凝固温度区间大

体积凝固（糊状凝固）温度梯度较平坦合金的结晶温度范围很宽凝固的某一段时间内，其凝固区域很宽，甚至贯穿整个铸件断面第四章液态金属充型与宏观凝固组织

4.1凝固温度场、凝固方式及实现原则中间凝固方式

中间凝固方式合金的结晶温度范围较窄温度梯度较大凝固区域介于前二者之间第四章液态金属充型与宏观凝固组织

4.1凝固温度场、凝固方式及实现原则金属凝固方式与金属化学成分及外部冷却条件的关系合金结晶温度范围的影响温度梯度的影响第四章液态金属充型与宏观凝固组织

4.1凝固温度场、凝固方式及实现原则一、窄结晶温度范围的合金纯金属和共晶合金逐层凝固方式激冷晶垂直于型壁的柱状晶凝固前沿纯金属铸件的凝固过程金属的凝固方式与铸件质量的关系第四章液态金属充型与宏观凝固组织

4.1凝固温度场、凝固方式及实现原则一、窄结晶温度范围的合金窄结晶温度范围的合金逐层凝固方式凝固前沿不是平滑的锯齿形窄结晶温度范围合金的凝固过程第四章液态金属充型与宏观凝固组织

4.1凝固温度场、凝固方式及实现原则

逐层凝固方式的缩孔特点得到液体的补充产生分散性缩松的倾向性小在最后凝固的部位产生集中缩孔热裂倾向性小充型能力好第四章液态金属充型与宏观凝固组织

4.1凝固温度场、凝固方式及实现原则一、宽结晶温度范围的合金形成小晶体，布满整个凝固区域过冷度小，数量少形成树枝发达的粗大等轴晶宽结晶温度范围合金的凝固过程形成分散的缩孔，缩松热裂倾向性大高温强度低充型能力差第四章液态金属充型与宏观凝固组织

4.1凝固温度场、凝固方式及实现原则体积凝固方式的缩松形成分散的缩孔，缩松热裂倾向性大高温强度低充型能力差第四章液态金属充型与宏观凝固组织

4.1凝固温度场、凝固方式及实现原则三、中等结晶温度范围的合金中碳钢高锰钢一部分黄铜白口铁中等结晶温度范围合金的凝固过程补缩特性介于窄结晶温度和宽温度范围合金之间凝固初期

凝固方式近于窄结晶温度范围的合金一定时间后

凝固方式近似宽温度范围的合金第四章液态金属充型与宏观凝固组织

4.2凝固过程中的流动现象一、浇注和凝固过程中的液体流动第四章液态金属充型与宏观凝固组织

4.2凝固过程中的流动现象一、浇注和凝固过程中的液体流动强烈冲刷浇道和铸型的型壁型腔内液体中的自然对流温度差密度差温度起伏

凝固收缩、液体收缩及重力等引起液体在枝晶间的流动

液体中的自然对流上部晶体的沉积已凝固层晶体的脱落分枝的熔断及晶体的增殖第四章液态金属充型与宏观凝固组织

4.2凝固过程中的流动现象二、液体流动对铸件结晶过程的影响顶部晶体的沉积顶部凝固层脱落或分枝下沉成为以后的晶核

a)铸型示意图b)铸件宏观组织第四章液态金属充型与宏观凝固组织

4.2凝固过程中的流动现象二、液体流动对铸件结晶过程的影响型壁上晶体的脱落

a)型壁晶体的脱落b)晶体增殖过程型壁晶体缩颈冲刷作用下及温度起伏下熔断或脱落晶体增殖一个晶体碎化成几部分，各自生长ab第四章液态金属充型与宏观凝固组织

4.3宏观凝固组织特征与形成液体对型壁的冲刷Macrograhpsofcastingsproducedbydifferentpouringtechniquesa)pouredinthecenterofthegauzeandb)pouredbetweenthemouldwallandthegauze第四章液态金属充型与宏观凝固组织

4.2凝固过程中的流动现象二、液体流动对铸件结晶过程的影响枝晶分枝的熔断脱落

分枝出现缩颈温度起伏下熔断或脱落

枝晶分枝“缩颈”的形成a)b)c)分枝缩颈形成示意图d)环已烷枝晶流体流动及其所引起的晶体或分枝的脱落，沉积和晶体增殖将大大增大流体中的有效晶核，促进等轴晶的获得增加磁场消除液体金属内部的对流和

温度起伏第四章液态金属充型与宏观凝固组织

4.3宏观凝固组织特征与形成铸态组织铸件的晶粒组织晶粒的形状晶粒的尺寸晶粒的取向晶体的完整性铸件中元素的分布偏析夹杂物第四章液态金属充型与宏观凝固组织

4.3宏观凝固组织特征与形成

a)全部柱状晶b)表面细等轴晶+内部柱状晶c)表面细等轴晶+内部柱状晶+中心等轴晶d)全部细等轴晶表面细晶区的形成内部柱状晶中心等轴晶

abcd第四章液态金属充型与宏观凝固组织

4.3宏观凝固组织特征与形成铸锭第四章液态金属充型与宏观凝固组织

4.3宏观凝固组织特征与形成表面细晶区的形成特点：无方向性细等轴晶形成机理

早期理论表面激冷作用(ChillZone)

激冷区大量形核形成表面细等轴晶后来的研究液体的流动对表面细等轴晶的形成起决定作用无对流时，即使冷却速度很大也不会出现表面细晶区形成稳定的凝固层，晶体不易脱落表面细晶区大小的影响因素浇注温度铸型温度铸型导热能力合金生核能力合金成分全部柱状晶第四章液态金属充型与宏观凝固组织

4.3宏观凝固组织特征与形成内部柱状晶区的形成实质：表面层区晶体向内单向延伸生长，具有方向性。形成机理

对流减弱凝固层晶体脱落减少结晶潜热的析出使界面前温度升高温度梯度较大，成分过冷区小表面细晶区的晶体转为单向延伸生长生长方式择优生长柱状区形成的影响因素

固体的导热系数液体的导热系数浇注温度

合金的结晶温度范围流体流动的抑制合金中有效质点的多少穿晶穿晶的形成界面前沿成分过冷小没有新的晶核形成第四章液态金属充型与宏观凝固组织

4.3宏观凝固组织特征与形成中心等轴晶区的形成实质：液体内部的独立生核和长大形成机理

成分过冷理论过冷熔体非自发生核理论

1954年

WinegrandandChalmers

提出溶质再分配成分过冷过冷度大于非自发生核所需过冷生核长大第四章液态金属充型与宏观凝固组织

4.3宏观凝固组织特征与形成成分过冷的局限性

很难解释非匀质生核所需的微小过冷度为什么迟到柱状晶区已充分长大以后才能生核无法解释有关内部等轴晶形成的试验现象第四章液态金属充型与宏观凝固组织

4.3宏观凝固组织特征与形成中心等轴晶区的形成形成机理激冷等轴晶型壁脱落与游离理论

1963年Chalmers提出浇注过程及凝固初期激冷等轴晶自型壁脱落与游离促进等轴晶的形成浇注过程中浇注系统和型壁处形成大量晶核等轴晶从型壁脱落随浇注液流分布整个铸件少量熔化，大部分留下来成为等轴晶的晶核

浇注过程种激冷晶的游离第四章液态金属充型与宏观凝固组织

4.3宏观凝固组织特征与形成中心等轴晶区的形成浇注完毕凝固的开始阶段在型壁处形成的晶体由于密度差引起对流使型壁处产生的晶体脱落且游离到铸件的内部a)晶体密度比熔体小的情况b)晶体密度比熔体大的情况纯金属几乎得不到等轴晶合金浓度越大，越不容易得到柱状晶而是等轴晶第四章液态金属充型与宏观凝固组织

型壁上晶体的脱落

a)型壁晶体的脱落b)晶体增殖过程型壁晶体缩颈冲刷作用下及温度起伏下熔断或脱落晶体增殖一个晶体碎化成几部分，各自生长ab第四章液态金属充型与宏观凝固组织

4.3宏观凝固组织特征与形成中心等轴晶区的形成形成机理枝晶熔断及结晶雨理论

Jackson等人提出生长着的柱状晶在凝固界面前方的熔断、游离和增殖导致了内部等轴晶的形成SouthinandRosenhain

液面冷却产生的晶粒下雨似地沉积到柱状晶区前方的液体中，下落过程中发生熔断和增殖。第四章液态金属充型与宏观凝固组织

4.3宏观凝固组织特征与形成中心等轴晶区的形成研究的焦点

等轴晶晶核的来源等轴晶区的具体形成过程

每种理论都有自己的试验根据都有其局限性

上述机理都是存在的它们的相对作用取决于凝固的实际条件一种条件下某种机理或几种机理起主导作用第四章液态金属充型与宏观凝固组织

4.3宏观凝固组织特征与形成铸件结晶组织对铸件性能的影响表面细晶区较薄对铸件的性能影响较小柱状晶择优生长的细长晶体，比较粗大，晶界面积较小柱状晶排列位向一致，具有明显的方向性在柱状晶与柱状晶柱状晶与等轴晶的交界处形成性能的弱面易形成热裂

通常情况下铸件不希望获得粗大的柱状晶特殊条件下采用定向凝固技术获得全部单向排列的柱状晶组织，提高铸件的性能和可靠性第四章液态金属充型与宏观凝固组织

4.3宏观凝固组织特征与形成铸件结晶组织对铸件性能的影响内部等轴晶晶粒位向各不相同晶界面积大偏析元素、非金属夹杂物和气体的分布分散等轴晶彼此嵌合结合比较牢固性能比较均匀没有方向性

等轴晶发达,显微缩松多凝固组织不够致密性能降低细化等轴晶第四章液态金属充型与宏观凝固组织

4.3宏观凝固组织特征与形成

获得细等轴晶的措施等轴晶组织的获得及细化第四章液态金属充型与宏观凝固组织

4.3宏观凝固组织特征与形成浇注方式对铸件组织的影响加强液体在浇注和凝固期间的流动利用液体对型壁的冲刷第四章液态金属充型与宏观凝固组织

4.3宏观凝固组织特征与形成加强液体在浇注和凝固期间的流动利用液体对型壁的冲刷实验所用模具示意图SchematicdiagramofmoldusedMacrograhpsofcastingsproducedbydifferentpouringtechniquesa)Pouredinthecenterofthegauzeandb)pouredbetweenthemouldwallandthegauze第四章液态金属充型与宏观凝固组织

4.3宏观凝固组织特征与形成增大冷却速度及降低浇注温度提高铸型的冷却能力不同冷却速度的显微组织（浇注温度，左：720℃，右：605℃，(AZ91alloy)从下至上的显微组织对应于1、2、3和4点）.Differnentmicrostructureswithvariedcoolingrates(Pouringtemperature,Left:720℃andright:605℃,fromthebottomtothetopcorrespondingto1,2,3and4pointsmeasured)第四章液态金属充型与宏观凝固组织

4.3宏观凝固组织特征与形成增大冷却速度及降低浇注温度提高铸型的冷却能力冷却速度对晶粒尺寸的影响Grainsizeasafunctionofcoolingrate第四章液态金属充型与宏观凝固组织

4.3宏观凝固组织特征与形成增大冷却速度及降低浇注温度提高铸型的冷却能力（改变铸型的预热温度）模具预热温度对宏观晶粒尺寸影响(浇注温度625℃)EffectofpreheatedtemperatureofmoldonmacrostructureofA356alloycastat625℃(a)100℃(b)300℃(c)500℃(d)550℃(e)600℃Grainsizeasafunctionofpreheattemperatureofmould第四章液态金属充型与宏观凝固组织

4.3宏观凝固组织特征与形成用旋转磁场使金属液体转动利用电磁场控制晶粒组织pureAl单相合金固溶体的初生相共晶合金不适合旋转磁场中的液体切割磁力线旋转的液体不断冲刷铸型和凝固层铸件的不同部位获得不同的组织第四章液态金属充型与宏观凝固组织

4.3宏观凝固组织特征与形成金属液流经震动的浇注槽或浇口杯金属遇到温度较低的浇口槽或浇口杯，形成固相或凝固层震动有利于晶体的脱落

用偏心轮使铸型产生惯性震动使铸型变速或不断改变方向第四章液态金属充型与宏观凝固组织

孕育处理

在浇注之前或浇注过程中向液体金属添加少量物质以达到细化晶粒、改善宏观组织目的的一种工艺方法4.3宏观凝固组织特征与形成

孕育（Inoculaiton)

变质(modification)孕育作用机理

外加晶核

浇注时向金属液流中加入与欲细化相具有共格对应关系的高熔点物质或同类金属的碎片作为有效质点促进非自发生核第四章液态金属充型与宏观凝固组织

4.3宏观凝固组织特征与形成孕育作用机理采用生核剂

少量能与熔体中某元素组成稳定的化合物，此化合物与欲细化相具有界面共格对应、促进非自发生核少量能在液体中造成很大富集区，迫使结晶相提前弥散析出孕育衰退现象时间推移孕育作用很快减弱以致消失第四章液态金属充型与宏观凝固组织

4.3宏观凝固组织特征与形成孕育作用机理

采用强成分过冷元素熔点低显著降低合金的液相线温度原子半径大在金属中固溶量很小阻碍晶体的生长

形成较大的成分过冷促进生核促进分枝形成缩颈，易于熔断脱落

Tashis第四章液态金属充型与宏观凝固组织

4.3宏观凝固组织特征与形成铸件晶粒的局部细化

采用机械、物理的方法加强铸件局部的液体运动表面细化在铸型或熔模铸造的蜡模表面涂刷含有生核剂的涂料，能使该铸件的表面层内晶粒细化，提高其疲劳强度。Ni基和Co基合金熔模铸造高合金钢40%Fe3O420%TiC第四章液态金属充型与宏观凝固组织

Al合金晶粒细化

晶粒细化剂1.Al-Ti2.Al-Ti-B3.Al-Ti-C4.Al-Ti-B-Re5.Al-Ti-Sr6.Al-Ti-Be

晶粒细化机理包晶理论粒子理论а-Al晶体增殖理论包晶残骸理论双形核理论等这些理论都企图解释铝合金晶粒细化机理，但是迄今为止，没有一种理论能完全解释所有的晶粒细化现象第四章液态金属充型与宏观凝固组织

Mg合金晶粒细化航空油泵壳体机匣机匣主壳体滑油泵隔板滑油泵隔盖

汽车60多个汽车零件采用镁合金，座椅骨架、仪表盘、转向盘和转向柱、轮圈、发动机气缸盖、变速器壳、离合器壳每年以15%增加移动电话、笔记本电脑外壳、精密仪器、照相机、麦克、耳机、CD机外壳及电视等家电的装饰件等第四章液态金属充型与宏观凝固组织

Mg合金晶粒细化Mg-Zrbinaryphasediagram不含铝的镁合金（Mg-Zn,Mg-RE,Mg-Ca)采用Zr晶粒细化

а-Mg:α=0.32nm,

c=0.512nm

а-Zr

:α=0.323nm,c=0.514nm

两者具有良好的共格关系，а-Zr能成为а

–Mg的结晶核心，镁液中形成的大量的а-Zr弥散质点使晶粒显著细化Zr以Mg-Zr中间合金的方式加入镁合金未变质处理晶粒粗大第四章液态金属充型与宏观凝固组织

含铝镁合金过热处理和碳素材料添加过热处理(superheating)

加热到液相线以上250-300℃，过热10mins，然后以大于100℃/min的速度快冷到浇注温度进行浇注。

过热处理晶粒细化机理尚不清楚缺点过热温度高在钢坩埚中镁液与铁发生反应，铁渗透到镁合金中降低镁合金的耐蚀性第四章液态金属充型与宏观凝固组织

合金成分的影响

Mg-Al合金，高含铝量（>8%）比低含铝量的合金过热晶粒细化效果更好

Fe和Mn的影响含Fe和Mn效果明显少量Si利于过热晶粒细化，Be、Zr、Ti不利于晶粒细化第四章液态金属充型与宏观凝固组织

加碳变质法

加入一定量的MgCO3、CaCO3、C2Cl6等含碳的化合物，高温下分解还原出碳，碳与铝生成大量弥散分布的Al4C3。Al3C4与δ-Mg同属密排六方晶格，晶格常数与δ-Mg仅差4%，作为外来晶核，使基体晶粒细化。

MgCO3==MgO+CO2C2Cl6==C2Cl4+

Cl2

CO2+2Mg==2MgO+CC2Cl4+4Mg==4MgCl+2C3C+4Al==Al4C33C+4Al==Al4C3第四章液态金属充型与宏观凝固组织

4.4特种条件下凝固状态与组织控制机理特种条件下凝固快速凝固定向凝固半固态外场与传统的铸件（铸锭）凝固不同的条件第四章液态金属充型与宏观凝固组织

4.4特种条件下凝固状态与组织控制机理

快速凝固

常规凝固的缺点

★组织上：

组织粗大，偏析严重，缩孔，缩松，应力★成分设计上:受到限制★性能上：低★原因：冷却速度低（＜102K/s）第四章液态金属充型与宏观凝固组织

4.4特种条件下凝固状态与组织控制机理快速凝固快速凝固的定义快速凝固技术：

是指从液相到固相的相变过程进行的非常快，从而获得普通铸件或铸锭无法获得的成分、相结构和显微结构的过程。快速凝固过程偏离了平衡凝固状态，不但可以克服传统铸造过程中的偏析、缩孔、疏松等缺陷，而且在获得新的微观组织结构和优异性能合金方面，具有巨大潜力。快速凝固合金已经广泛应用于航空、航天、核工业、机械、电子等许多重要部门。第四章液态金属充型与宏观凝固组织

快速凝固的特征

偏析形成倾向减小无论溶质分配系数K>1还是K<1，实际溶质分配系数总是随着凝固速率的增大向1趋近。非平衡相的形成平衡相被抑制，析出非平衡的亚稳定相细化凝固组织形核速率的增大而使晶粒细化，晶粒尺寸减小，获得微晶、纳米晶微观凝固组织的变化绝对稳定的凝固条件下，可获得无偏析的凝固组织；相同的成分在不同的冷却条件下可获得不同的组织非晶态的形成特殊的力学性能及物理性能冷却速度/(K/S)受化学成分及工艺因素的影响常规显微组织熔体改善的显微组织新型显微组织粗大的树枝晶、共晶及其它显微组织细化的树枝晶、共晶及其它显微组织扩大的固溶极限，超细晶粒，无偏析或少偏析，亚稳相直至非晶态组织及成分的均匀性100102104106108第四章液态金属充型与宏观凝固组织

1952年Falkenhagen的工作1950年许Turnbull的工作(熔滴弥散法)1960年Duwez著名实验，学科的诞生60～70年代：非晶态功能材料（Pond和陈鹤寿）70～80年代：晶态结构与功能材料80年代中叶：准晶的出现(陈鹤寿)90年代：大块非晶的发展（井上，张涛，Johnsonm）本世纪初开始：微晶、非晶、纳米材料快速凝固发展史第四章液态金属充型与宏观凝固组织

快速凝固分类

主要包括两大类，急冷凝固法与深过冷法急冷凝固法（模冷、雾化、表面熔化与沉积）单辊法、双辊法、熔体旋转法、气体雾化法、水雾化法、离心雾化法、喷射沉积法、激光或电子束表面处理技术等。(通过铸型的导热能力，增大热流的导出速率可使凝固界面快速推进，实现快速凝固）深过冷法大致可以分为两类，（1）熔滴弥散法，即在细小熔滴中获得大凝固过冷度的方法，包括乳化法、落管法、熔滴-基底法等；（2）较大体积熔体中获得大的凝固过冷度，包括玻璃体包裹法、电磁悬浮熔炼法等。第四章液态金属充型与宏观凝固组织

1－细粉2－气体3－气源4－合金液5－真空感应加热器6－喷嘴7－雾化室8－收集室9－粉末第四章液态金属充型与宏观凝固组织

（1）快速凝固粉末材料具有的基本特征：细小的亚结构（枝晶与包晶）极大的溶质过饱和度小的晶粒尺寸（2）粉末材料快速凝固技术的关键首先，要使液态金属克服界面张力而分散成微小的颗粒（即雾化技术）；其次，在保证材料尽可能不发生氧化、污染的条件下获得尽可能大的冷却速率。

粉末尺寸和凝固速率是标志粉末材料快速凝固技术水平的主要指标。第四章液态金属充型与宏观凝固组织

离心雾化法旋转电极雾化法1-真空计2-传送带3-电动机4-电刷5-电极6-送料7-旋转器8-粉末收集室9-钨电极工作原理：

将合金首先预制成棒状电极，在预制电极高速旋转的同时，采用等离子束或电弧使其端部熔化，熔化的合金液膜在离心力的作用下，立即被高速抛出发生雾化。

优点粉末纯净度高粉末为球体，尺寸均匀材料无污染

不足之处生产效率低设备及运行成本高粉末尺寸大第四章液态金属充型与宏观凝固组织

雾化基本原理：将熔融的合金液浇注在高速旋转的圆杯或圆盘中，在离心力的作用下被高速抛出而发生雾化。图c是将杯的侧壁用多孔网代替，利用网的分散作用进行合金液的雾化旋转圆杯/盘法a旋转圆盘b旋转圆杯

c旋转多孔杯第四章液态金属充型与宏观凝固组织

美国Duwez于1960年首次采用溅射法获得快速凝固组织，开始了快速凝固研究的历史。溅射法的快凝原理：母合金在石英管种感应熔化，高压室突然通入高压气流，高、低压室产生冲击波，熔体被分离成细小液滴，以每秒几百米的速度喷射到铜模凝固成箔片。凝固冷速高达109K/s。溅射法示意图1.高压室2.聚酯薄膜3.感应线圈4.低压室5.铜模第四章液态金属充型与宏观凝固组织

进入70年代，薄膜材料快速凝固技术得到迅速发展，并实现了连续批量生产。主要包括单辊法、双辊法、溢流法、甩出法等。第四章液态金属充型与宏观凝固组织

单辊法（singleroller)又称熔体旋转法（Meltspinning)。a、b的区别在于熔体的喷嘴到单辊的距离不同。前者是合金液通过喷枪射到高速旋转的激冷辊上，形成薄膜并快速凝固。后者在单辊与喷嘴之间形成一个熔池，熔池对合金液的流出有缓冲作用因而获得更均匀的薄膜。a自由喷射甩出法b平面流动铸造法1-激冷辊2-感应加热炉3-排气阀4-压力表5-带材6-喷嘴7-合金液8-激冷基底（单辊表面）第四章液态金属充型与宏观凝固组织

基本原理：将熔融合金液喷射到两个反相高速旋转的轧辊之间，并实现快速凝固。双辊法快速凝固技术1-带材2-合金液流3-加热炉4-坩锅5-漏出孔6-双辊第四章液态金属充型与宏观凝固组织

双辊法快速凝固技术优点：双面冷却，获得带材其两面的表面质量相同并且均匀不足之处：存在类似于单辊法的各种工艺问题，其工艺过程控制的难度甚至更大。理论上双辊法的冷速应大于单辊法，但工程实际并非如此两个轧辊的平行度对带材的质量影响很大只能制备毫米甚至更厚的带材，而单辊法可制备数十到100m的薄带第四章液态金属充型与宏观凝固组织

基本原理：利用特制的坩锅与激冷单辊的配合，使合金液从坩锅的特定形状的边沿溢出，并由高速旋转的单辊拉成薄膜，获得快速凝固带材。溢流法实际上是单辊法快速凝固技术的一种改进。溢流法快速凝固第四章液态金属充型与宏观凝固组织

与单辊法相比，具有以下特点：采用坩锅边沿溢出的方式取代喷嘴的喷射方式，因而不存在喷射的紊流，流动更加平稳，利于获得均匀的带材可采用溶剂对合金液进行表面保护，因此可在非真空并无保护气氛的条件下进行易氧化材料薄带的快速凝固。第四章液态金属充型与宏观凝固组织

基本原理：首先将合金制成棒，并将其置于玻璃管中。端部采用感应加热将合金及其表面玻璃管同时熔化，在一定的拉力下拉成很细的纤维，经过冷却器的冷却，经缠绕后获得连续的线材。1-绕线机2-绕线导管3-冷却器4-高频加热线圈5-玻璃管6-合金棒玻璃涂覆熔液纺绩法（Taylor法）第四章液态金属充型与宏观凝固组织

基本原理：将熔融合金液通过喷嘴注入冷却液中，通过导管使合金液流与冷却液同步流动并被激冷，获得快速凝固线材。成功用于多种合金直径20～600m线材的制备。合金液流注入液体冷却液法1-导流管2-喷嘴3-合金液4-感应加热器5-稳流罩6-分散器7-导流管8-泵第四章液态金属充型与宏观凝固组织

深过冷快速凝固技术的主要原理，是采取一定的措施抑制合金液中固相的形核，从而达到很大的过冷度，使合金液中的大量热量在凝固之前被排出，凝固过程中需要导出的热流大大减少。其核心是抑制合金液中的异质形核。通过抑制大体积液态金属异质形核并获得深过冷的主要途径，有熔融玻璃净化法和悬浮熔炼法。第四章液态金属充型与宏观凝固组织

熔融玻璃净化法该方法实现合金液深过冷的机理：（1）熔化合金液中的异质结晶核心通过物理或化学作用与熔融玻璃反应而被除去（2）熔融玻璃可使合金液与环境气体隔离，防止表面氧化形成的氧化膜而起到异质形核作用。而熔融玻璃本身为玻璃态，不可能成为异质形核的基底（3）粘性的玻璃作为一种高阻尼隔离层，可以消除外界随机振动的干扰，而这些干扰可能是促进均质形核的因素

消除异质核心

采用措施

悬浮线圈的结构与主要设计参数下部为主绕组，产生高频磁场对试样悬浮；上部为环形稳定控制绕组，抑制试样的侧向漂移。主绕组与控制绕组是反相串连的。由于二者的磁场方向相反，试样就稳定地悬浮在熔炼线圈产生的高频磁场中。悬浮线圈的设计主要是磁场悬浮力的计算，同时要考虑悬浮力与加热功率的匹配。第四章液态金属充型与宏观凝固组织

非晶材料的特性高强度高硬度高耐腐蚀性良好的导电性优异的软磁性较高的热稳定性较低的表面活性应用：机械结构材料磁性材料声学材料仿生材料光学材料体育器材电子材料第四章液态金属充型与宏观凝固组织

喷射沉积产品b德国PEAK公司c丹麦DanSpray公司a喷射沉积过程铝合金锭合金钢第四章液态金属充型与宏观凝固组织

*快速凝固组织特征*含氧量低（与铸锭冶金比）*工艺简单生产周期短*适用性强（柔性加工）*热加工性能得到改善*半固态与近终形

第四章液态金属充型与宏观凝固组织

定向凝固定向凝固生产的背景

材料的使用性能是由其组织形态来决定的。因此．包括成分调整在内,人们通过控制

材料的制备过程以获得理想的组织从而使材料具有所希望的使用性能，控制凝固过程已成为提高传统材料的性能和开发新材料的重要途径。

定向凝固技术由于能得到一些具有

特殊取向的组织和优异性能的材料，因而自它诞生以来得到了迅速的发展，目前已广泛

地应用于高温合金、半导体材料、磁性材料以及自身复合材料的生产。同时，由于定向凝固技术

的出现，也为凝固理论的研究和发展提供了实验基础(由于理论处理过程的简单化)，因为

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，从而可以

分别研究它们对凝固过程的影响第四章液态金属充型与宏观凝固组织

定向凝固条件

保证金属单向散热，绝对避免在侧面型壁生核及长出新晶体减小成分过冷提高浇注温度提高铸型温度加热固-液界面前沿的液体减小金属液体的生核能力提高液体的纯洁性减少氧化吸氧或夹杂第四章液态金属充型与宏观凝固组织

定向凝固

传统的定向凝固技术

发热剂金属熔体固液界面结晶器铸锭水冷铜盘冷却水（一）发热剂法

发热剂法是定向凝固中最原始的一种方法，为了造成一个温度梯度，零件模壳放在一个水冷铜底座上，并在顶部加发热剂。成本低但无法保证重复性难以生产高质量的发

动机高温合金叶片第四章液态金属充型与宏观凝固组织

定向凝固加热器受热体陶瓷模金属液水冷铜底冷却水（二）功率降低法

加热时上下两部分感应圈全部通电，在模壳内建立起所需要的温度场，然后浇入过热的合金溶液。

下部感应圈停电，调节输入上部感应圈的功率，使之产生一个轴向温度梯度。

这种工艺可达到的温度梯度最小，在10oC/cm左右，制出的合金叶片长度受到限制，并且柱状晶之间的平行度差第四章液态金属充型与宏观凝固组织

（三）快速凝固法第四章液态金属充型与宏观凝固组织

定向凝固（四）液态金属冷却法第四章液态金属充型与宏观凝固组织

定向凝固传统定向凝固技术存在的问题

炉外法功率降低法快速凝固法

主要缺点是冷却速度太慢，即使是液态金属冷却法，其冷却速度仍

不够高

这样产生的一个弊端就是使得凝固组织有充分的时间长大、粗化，

以致产生严重的枝晶偏析，限制了材料性能的提高。造成冷却速度慢的主要原因是凝固界面与液相中最高温度面距离太远，固液界面并不处于最佳位置，因此所获得的温度梯度不大，这样为了保证界面前液相中没有稳定的结晶核心的形成，所能允许的最大凝固速度就有限。第四章液态金属充型与宏观凝固组织

定向凝固为了进一步细化材料的组织结构，减轻甚至消除元素的微观偏析，

有效地提高材料的

性能，就需提高凝固过程的冷却速率。在定向凝固技术中，冷却速率的提高，可以通过提高

凝固过程中固

液界面的温度梯度和生长速率来实现。因而如何采用新工艺、新方

法去实现高温度梯度和大生长速率的定向凝固，是当今众多研究者

追求的目标。

第四章液态金属充型与宏观凝固组织

定向凝固试样熔区加热体隔热板陶瓷管冷却剂水浴器抽拉杆液态金属冷却法（一）区域重熔GTL=1270K/cm半固态成形半固态成形的特点应用范围广充形平稳、无湍流和喷溅加工温度低，凝固收缩小，零件尺寸精度高，可实现净近成形凝固时间短，提高生产率半固态成形模具寿命提高零件缺陷少可形成十分复杂的零件半固态成形

Technologiesforcomponentshaping半固态成形半固态加工技术的工业应用情况

国外应用现状

美国欧洲日本国内应用现状东南大学北京有色金属研究总院北京科技大学哈尔滨工业大学东北大学清华大学沈阳金属所重庆大学半固态成形

半固态加工成形的零件半固态成形半固态坯料的生产方法

机械搅拌法电磁搅拌法应变熔化法化学晶粒细化法形变热处理法近液相线铸造法双螺杆半固态金属流变注射成形法剪却-冷却-轧制法(Shear-coolingrool)

新MIT法冷却斜槽法

NRP(NewRheocastingProcessing)法不同液体混合法半固态成形电磁搅拌法电磁搅拌法示意图1.连续馈送合金液2.电磁搅拌圈3.合金液4.冷却管5.铸