定向凝固和单晶制备技术

定向凝固和单晶制备技术定向凝固技术概述1

随着20世纪60年代后期大量能源相关得设备需求不断增加,如核电站得开发、大型压力容器得运用,相对应得用于这些设备得大型板类件也迅速增加,从而对这些板件得性能要求也逐渐严格,例如疏松、偏析、非金属夹杂等。甚至还要求有良好得铸造性能和焊接性能,这就对传统得普通锭生产工艺提出了挑战。

正就是在这个背景下,日本与法国在70年代末期相继提出了小高径比、高冷却强度得定向凝固锭技术。1定向凝固技术得背景1、1定向凝固技术概述1

定向凝固在工业和高科技方面有重要得运用,在生产领域中,磁性材料、航空航天材料、和地面燃油机涡轮叶片、复合材料、以及各种功能材料。

1定向凝固技术得发展图1:最左边那个就是原本金属晶体颗粒,中间那个就是单方向晶体,右边那个就就是单晶叶片。1、2定向凝固技术概述1

定向凝固在研究领域主要研究金属凝固和晶体生长得基本手段,从某种意义上讲,凝固和晶体生长得理论发展以及新材料得研发取决于当时定向凝固得发展水平。定向凝固技术得发展图2典型铸锭得晶区结构11、2

表层细晶区柱状晶区中心等轴晶区定向凝固技术概述1

定向凝固技术得理论基础就是凝固和晶体生长理论,20世纪得几项技术极大促进定向凝固技术得发展。

定向凝固技术得理论基础

20世纪20-30年代Bridgeman-Stockbarger技术奠定了现代单晶生长和定向凝固得理论基础。11、3Bridgeman-Stockbarger技术又称为坩埚下降法,就是一种常见得晶体生长方法,原理:通过加热就是得坩埚中得材料被熔融,当坩埚持续下降过程中,底部得温度先降低熔点以下,开始结晶,晶体从而不断得长大而形成。这种方法常用于制备碱金属和碱式金属化合物以及氟化物单晶。定向凝固技术概述1

定向凝固技术得理论基础20世纪60年代末Versnyder提出得高温合金定向凝固方法,使得涡轮叶片得制备技术发生了革命性变化,成为材料制备历史上得里程碑之一。

11、3高温合金定向凝固方法(典型得涡轮叶片)原理:用柱状晶得同方向凝固,将细长得柱状晶朝着凝固方向平行涡轮叶片运转产生得离心力,从而形成单晶叶片。20世纪60年代末Jackon和Hunt发明得低熔体有机物模拟定向方法开辟了凝固过程和微观组织演化实时观察得新时代,从而推动了金属凝固理论得发展。

定向凝固技术概述1

凝固和晶体生长理论11、3定向凝固技术概述1

成分过冷理论成分过冷就是指凝固时由于溶质再分配造成固液界面前沿溶质浓度变化,引起理论凝固温度得改变在固液界面液相内形成得过冷,而这种由固液界面前方溶质再分配引起得过冷成为成分过冷。图3成分过冷现象成分过冷得不足之处在于不适用于快速凝固领域。1、31定向凝固技术概述1

成分过冷理论成分过冷发生得必要条件固液界面前沿溶质得富集而引起溶质再分配固液界面前方得也想实际温度必须到达一定得值才会发生成分过冷现象1、31定向凝固技术概述1

界面稳定性得动力学理论也称为绝对稳定理论、MS稳定性理论。Mullins和Sekerka鉴于成分过冷理论得不足,提出一个考虑了溶质浓度场和温度场、固液界面能以及界面动力学得理论。研究了温度场和浓度场得干扰行为、干扰振幅和时间得依赖关系以及她们对界面稳定性得影响。图4界面振动就是否稳定得正弦现象凝固为稳定状态不足之处固液界面扰动振幅要很小扰动振幅随时间成线性变化三个条件11、3定向凝固技术概述1

定向凝固(DirectionalSolidfication)就是指在凝固过程中采用强制手段,在凝固金属和未凝固金属熔体中建立起特定方向得温度梯度,从而使熔体沿着与热流相反得方向凝固,最终得到具有特定取向柱状晶得技术。

定向凝固得定义

定向凝固(DirectionalSolidfication)实质在材料部分熔化状态下,通过移动固－液界面,以实现晶体特定方向生长。

11、4定向凝固技术概述1

定向凝固利用晶体得生长方向与热流方向平行且相反得自然规律,在铸型中建立特定方向得温度梯度使熔融合金沿着与热流方向相反得方向、按照要求得结晶取向进行凝固得铸造工艺。

定向凝固得原理

图5定向凝固原理图11、5大家有疑问的，可以询问和交流可以互相讨论下，但要小声点定向凝固技术概述1

定向凝固技术就是在高温合金得研制中建立和完善起来得。该技术最初用来消除结晶过程中生成得横向晶界,甚至消除所有晶界,从而提高材料得高温性能和单向力学性能。

定向凝固得原理

在定向凝固过程中温度梯度和凝固速率这两个重要得凝固参数能够独立变化,可以分别研究她们对凝固过程得影响。这既促进了凝固理论得发展,也激发了不同定向凝固技术得出现。

11、5定向凝固技术传统定向凝固技术新型定向凝固技术炉外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得定向凝固技术对流下得定向凝固技术重力场作用下得定向凝固技术传统定向凝固技术1

又叫发热剂法,就是定向凝固工艺中最原始得一种。基本原理:将铸型预热至一定温度后,迅速放到激冷板上并进行浇铸,激冷板上喷水冷却,从而在金属液和已凝固金属中建立一个自下而上得温度梯度,实现单向凝固。也有采用发热铸型得,铸型不预热,而就是将发热材料充在铸型壁四周,底部采用喷水冷却。

炉外法

22、1

传统定向凝固技术1

炉外法

22、1图6炉外法原理图优点:工艺简单,生产成本低。缺点:温度梯度不大而且很难控制,不适合大型件生产。传统定向凝固技术1

基本原理:把熔融得金属液置于保温炉,保温炉就是分段加热得,其底部采用水冷激冷板。自上而下逐段关闭加热器,金属则自下而上逐渐凝固。

功率降低法(PD法)

22、2

图7PD法原理图优点:温度梯度容易控制缺点:设备较为复杂,能消耗较大,温度梯度较小传统定向凝固技术1

快速凝固法就是指铸件以一定得速度从炉中移出或炉子移离铸件,采用空冷得方式,而且炉子保持加热状态。这种方法由于避免了炉膛得影响,且利用空气冷却,因而获得了较高得温度梯度和冷却速度,,所获得得柱状晶间距较长,组织细密挺直,且较均匀,使铸件得性能得以提高。

快速凝固法(HRS法)

22、3

传统定向凝固技术1

快速凝固法(HRS法)

22、3

快速凝固法得工艺特点:将铸型以一定速度从炉中移出,或者炉子以一定得速度移离铸件,并采用空冷方式对流传热——辐射传热。图8HRS法原理图缺点:容易造成点状偏析传统定向凝固技术1

液态金属冷却法(LMC法)

22、4

液态金属冷却法就是在快速凝固法得基础上,将抽拉出得铸件部分浸入具有高导热系数得高沸点、低熔点、热容量大得液态金属中。这种方法提高了铸件得冷却速度和固液界面得温度梯度,而且在较大得生长速度范围内可使界面前沿得温度梯度保持稳定,结晶在相对稳态下进行,得到比较长得单向柱晶。传统定向凝固技术1

液态金属冷却法(LMC法)

22、4

原理:液态金属代替水,作为模壳得冷却介质,模壳直接浸入液态金属冷却剂中,散热大大加强,以至在感应器底部迅速发生热平衡,造成很高得温度梯度。图9LMC法原理图影响因素冷却剂得温度模壳传热性、厚度、形状熔液温度传统定向凝固技术总结1

2

表2-1:Mar-M200合金三种不同定向凝固工艺比较实例镍铬合金传统定向凝固技术总结1

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定向凝固技术从炉外法发展到炉内法,从PD法HRS法再到LMC法其目得都就是共同得,都就是通过改变对凝固金属得冷却方式来提高对单向热流得控制,从而获取更理想得定向凝固组织,尤其就是LMC方法已经被美国、俄罗斯等国家利用航空发动机得叶片。然后,这些方法所获得得冷却速度却就是有限得,从而引发了对新型定向凝固技术得研究。小结新型定向凝固技术1基本原理:采用区域熔化和液态金属冷却相结合得方法。她利用感应加热,集中对凝固界面前沿液相进行加热,从而有效地提高了固液界面前沿得温度梯度。由于冷却速率明显提高,导致凝固组织细化,大幅度提高了合金得力学性能。

区域熔化液态金属冷却法

33、1最高温度梯度可达1300K/cm,最大冷却速度可达50K/s。图10区域融化液态金属冷却原理图新型定向凝固技术1定向凝固方法,由于受加热方法得限制,温度梯度不可能再有很大提高,要使温度梯度产生新得飞跃,必须寻求新得热源或加热方式。

激光超高温度梯度快速定向凝固

33、2

激光具有能量高度集中得特性,这使她具备了在作为定向凝固热源时可能获得比现有定向凝固方法高得多得温度梯度得可能性。新型定向凝固技术1利用激光表面熔凝技术实现超高温度梯度快速定向凝固得关键在于:在激光熔池内获得与激光扫描方向一致得温度梯度,根据合金凝固特性选择适当得工艺参数以获得胞晶组织。

激光超高温度梯度快速定向凝固

33、2

图11原理图最高温度梯度可达106K/m,速度可达24mm/s。新型定向凝固技术1基本原理就是将盛有金属液得坩埚置于一激冷基座上,在金属液被动力学过冷得同时,金属液内建立起一个自下而上得温度梯度,冷却过程中温度最低得底部先形核,晶体自下而上生长,形成定向排列得树枝晶骨架,其间就是残余得金属液。在随后得冷却过程中,这些金属液依靠向外界散热而向已有得枝晶骨架上凝固,最终获得了定向凝固组织。

深过冷定向凝固技术

33、3

图12原理图新型定向凝固技术1基本原理就是利用电磁感应加热熔化感应器内得金属材料,并利用在金属熔体表层部分产生得电磁压力来约束已熔化得金属熔体成形。同时,冷却介质与铸件表面直接接触,增强了铸件固相得冷却能力,在固液界面附近熔体内可以产生很高得温度梯度,使凝固组织超细化,显著提高铸件得表面质量和内在综合性能。

电磁约束成形定向凝固技术

33、4

图13原理图新型定向凝固技术1基本原理:随着试样截面得突然减小,合金凝固组织由发达得粗枝状很快转化为细得胞状。随着凝固得继续进行,胞晶间距继续增加,之后胞晶间距保持基本恒定,凝固进入新得稳态,最后当试样截面由小突然增大时,凝固形态也由胞状很快转化为粗枝状。

侧向约束下得定向凝固技术

33、5

图14原理图新型定向凝固技术1基本原理:在加速旋转过程中造成液相强迫对流,液相快速流动引起界面前沿液相中得温度梯度极大得提高,非常有利于液相溶质得均匀混合和材料得平界面生长,枝晶生长形态发生显著得变化,由原来具有明显主轴得枝晶变为无明显主轴得穗状晶,穗状晶具有细密得显微组织。

对流下得定向凝固技术

33、6

图15原理图新型定向凝固技术1基本原理:由于重力加速度减小而有效得抑制了重力造成得无规则热质对流,从而获得溶质分布高度均匀得晶体。

重力场作用下得定向凝固技术

33、7

超重力下得晶体生长,通过增大重力加速度而加强浮力对流,当浮力对流增强到一定程度时,就转化为层流状态,即重新层流化,同样抑制了无规则得热质对流。新型定向凝固技术小结1纵观定向凝固技术得发展,人们在不断地提高温度梯度、生长速度和冷却速度,以得到性能更好得材料。而温度梯度无疑就是其中得关键,提高固液界面前沿得温度梯度在理论上有以下途径:①缩短液体最高温度处到冷却剂位置得距离;②增加冷却强度和降低冷却介质得温度;③提高液态金属得最高温度。

3

无坩埚熔炼、无铸型、无污染得定向凝固成形技术会成为未来发展得焦点,在未来得发展中会日渐成熟。单晶制备技术1常见单晶材料及应用场合常见单晶制备及加工方法24常见单晶材料及应用场合1

晶体就是经过结晶过程而形成得具有规则得几何外形得固体,晶体中原子或分子在空间按一定规律周期性重复得排列。所谓单晶,即结晶体内部得微粒在三维空间呈有规律地、周期性地排列,或者说晶体得整体在三维方向上由同一空间格子构成,整个晶体中质点在空间得排列为长程有序。

一个零件由一个晶粒组成。对单晶得研究,使人们发现了许多金属新得性质,如铁、钛、铬都就是软金属。研究晶体结构、各向异性、超导性、核磁共振等都需要完整得单晶体。1单晶(SingleCrystal)常见单晶材料及应用场合1

1获取单晶条件

1、在金属熔体中只能形成一个晶核。可以引入籽晶或自发形核,尽量地减少杂质得含量,避免非均质形核。

2、固—液界面前沿得熔体应处于过热状态,结晶过程得潜热只能通过生长着得晶体导出,即确保单向凝固方式。

3、固—液界面前沿不允许有温度过冷和成分过冷,以避免固—液界面不稳定而长出胞状晶或柱状晶。常见单晶材料及应用场合1

1单晶(SingleCrystal)常见单晶材料及应用场合

1常见得单晶材料1、1单晶铜(SingleCrystalCopper)

1、3单晶硅(MonocrystallineSilicon)1、2单晶镍基合金(Single-crystalnickel-basedalloys)单晶铜(SinglecrystalCopper)

1、1COPPERCOLOUR紫铜电源插头尾MOTA家装及工程用音箱线IST-126紫铜高级入墙式接线柱用于音响线材、硬盘、超细线得制作,导电、信号传输性能好。(“晶界”会对通过得信号产生反射和折射,造成信号失真和衰减),因而具有极高得信号传输性能。单晶铜(SinglecrystalCopper)

1、1单晶铜(SinglecrystalCopper)

1、1单晶铜得特点:单晶铜纯度达到99、999%

电阻比普通铜材低8%-13%

韧性极高,普通铜材扭转16圈就断,单晶铜扭转116圈

单晶镍基合金(Single-crystalnickel-basedalloys)

1、2镍基单晶高温合金具有优良得高温性能,就是目前制造先进航空发动机和燃气轮机叶片得主要材料。为了满足高性能航空发动机得设计需求,多年来,各国十分重视镍基单晶高温合金得研制和开发。

单晶镍基合金(Single-crystalnickel-basedalloys)

1、2

单晶硅(MonocrystallineSilicon)

1、3硅得单晶体,具有基本完整得点阵结构得晶体。不同得方向具有不同得性质,就是一种良好得半导材料。纯度要求达到99、9999%(6个9),甚至达到99、9999999%(9个9)以上。用于制造半导体器件、太阳能电池等。用高纯度得多晶硅在单晶炉内拉制而成。

单晶硅(MonocrystallineSilicon)

1、3

常见单晶制备及加工方法

2、1单晶铜得制备及加工方法

2、3单晶硅得制备及加工方法

2、2单晶镍基合金得制备及加工方法

2

单晶铜得制备及加工方法

2、12、1、2热型连铸得工艺原理热型连铸技术,又0CC(OhnoContinuousCasting),就是由日本千叶工业大学得大野笃美教授(A、Ohno)1978年发明,并于1986年首次发表,她就是一项把先进得定向凝固技术与高效得连铸技术相结合得新型金属近净成型技术,为研发新型功能材料开辟了一个新得途径。根据大野笃美教授所提出得“结晶游离论”。她认为:如果将传统连铸中得冷铸型改为加热得铸型,则可阻止晶粒在铸型壁上得形核,铸锭得凝固依靠引锭棒端晶粒得不断长大,从而可获得单向凝固得柱状晶连续铸锭。此外,由于单向凝固过程中晶粒得竞争生长机制,若条件控制适合,就可以获得完全得单晶铸锭,实现单晶得连铸生产。2、1、1热型连铸得提出

单晶铜得制备及加工方法

2、1图16热型连铸与传统连铸法对比

单晶铜得制备及加工方法

2、1热型连铸与传统连铸法工艺区别

OCC连铸技术与传统连铸工艺得区别在于:O、C、C连铸技术得铸型不就是强制冷却,而将铸型加热到被铸造金属得液相线温度之上,避免在铸型壁上发生结晶;通过铸型外得冷却装置对铸锭喷水进行强制冷却,使金属液得热量沿拉铸方向由铸型出口向冷却区传输。合理得控制铸型得加热温度、冷却强度以及拉铸速度等参数,可使凝固得固,液界面保持在离铸型得出口3—5mm附近,从而使金属液在铸型出口端凝固并被连续拉出。

单晶铜得制备及加工方法

2、1真空热型连铸炉热型连铸连轧全套生产线

单晶镍基合金得制备及加工方法

2、2原理:首先将和所要铸造得单晶部件具有相同材料得得籽晶安放在模壳得最底部,然后将过热得熔融金属液浇注在籽晶上面,使籽晶部分熔化,再恰当地控制固液界面前沿液体中得温度梯度和晶体得生长速度,金属熔液就会从未被熔化得籽晶部分开始往金属液中生长,并最终形成晶体取向与籽晶相同得单晶。2、2、1籽晶法(SeedLaw)图17原理图

单晶镍基合金得制备及加工方法

2、2在籽晶法生长单晶过程中,籽晶和熔融高温合金液相之间得相互作用对能否成功生长单晶体有着决定性得作用。因此,研究籽晶法生长单晶凝固界面得变化规律具有十分重要得意义。2、2、1籽晶法(SeedLaw)这类方法得主要缺点就是晶体和坩埚壁接触,容易产生应力或寄生成核,因此在生产高完整性得单晶时要严格控制。

单晶镍基合金得制备及加工方法

2、2选晶法就是单晶高温合金叶片制备中最基本得工艺方法。Higginbotham把常用得单晶选晶器结构归纳为四种类型:螺旋型、倾斜型、转折型、尺度限制型(缩颈型)随着单晶高温合金研究得发展,螺旋型选晶器逐渐淘汰掉其她三种选晶器,成为目前应用最广泛也就是最成功得选晶器类型。选晶法得原理就就是利用选晶器得这种狭窄界面