[科普中國]-定向凝固

簡述

定向凝固是在凝固過程中采用強制手段，在凝固金屬樣未凝固熔體中建立起沿特定方向的溫度梯度，從而使熔體在氣壁上形核后沿著與熱流相反的方向，按要求的結(jié)晶取向進行凝固的技術(shù)。該技術(shù)最初是在高溫合金的研制中建立并完善起來的。采用、發(fā)展該技術(shù)最初是用來消除結(jié)晶過程中生成的橫向晶界，從而提高材料的單向力學(xué)性能。該技術(shù)運用于燃氣渦輪發(fā)動機葉片的生產(chǎn)，所獲得的具有柱狀乃至單晶組織的材料具有優(yōu)良的抗熱沖擊性能、較長的疲勞壽命、較高的蠕變抗力和中溫塑性，因而提高了葉片的使用壽命和使用溫度，成為當(dāng)時震動冶金界和工業(yè)界的重大事件之一。

定向凝固技術(shù)對金屬的凝固理論研究與新型高溫合金等的發(fā)展提供了一個極其有效的手段。但是傳統(tǒng)的定向凝固方法得到的鑄件長度是有限的，在凝固末期易出現(xiàn)等軸晶，且晶粒易粗大。為此出現(xiàn)了連續(xù)定向凝固技術(shù)，它綜合了連鑄和定向凝固的優(yōu)點，又相互彌補了各自的缺點及不足，從而可以得到具有理想定向凝固組織、任意長度和斷面形狀的鑄錠或鑄件。它的出現(xiàn)標(biāo)志著定向凝固技術(shù)進入了一個新的階段。

定向凝固技術(shù)的最大優(yōu)勢在于，其制備的合金材料消除了基體相與增強相相界面之間的影響，有效地改善了合金的綜合性能。同時，該技術(shù)也是學(xué)者們研究凝固理論與金屬凝固規(guī)律的重要手段。1

原理實現(xiàn)定向凝固需要兩個條件：首先，熱流向單一方向流動并垂直于生長中的固-液界面；其次，在晶體生長前方的熔液中沒有穩(wěn)定的結(jié)晶核心。為此，在工藝上必須采取措施避免側(cè)向散熱，同時在靠近固一液界面的熔液中應(yīng)造成較大的溫度梯度，這是保證非定向柱晶和單晶生長停止、取向正確的基本要素。

實現(xiàn)定向凝固應(yīng)滿足凝固界面具有穩(wěn)定的定向生長要求，抑制固一液界面前方可能出現(xiàn)的較大成分過冷區(qū)，而導(dǎo)致自由晶粒的產(chǎn)生。根據(jù)成分過冷理論，固一液界面要以單向的平面生長方式進行長大時，需要保證 足夠大（ 為晶體生長前沿液相的溫度梯度，R為界面的生長速度），這就需要通過以下幾個基本工藝措施來保證：①嚴格的單向散熱，要使凝固系統(tǒng)始終處于柱狀晶生長方向的正溫度梯度作用之下，并且要絕對阻止側(cè)向散熱，以避免界面前方型壁及其附近的形核和長大；②要減小熔體的異質(zhì)形核能力以避免界面前方的形核現(xiàn)象，即要提高熔體的純凈度；③要避免液態(tài)金屬的對流、攪動和振動，以阻止界面前方的晶粒游離。對于晶粒密度大于液態(tài)金屬的合金，避免自然對流的最好方法就是自下而上地進行單向結(jié)晶。2

方法發(fā)熱劑法所謂的發(fā)熱劑法就是將熔化好的金屬液澆入一側(cè)壁絕熱，底部冷卻，頂部覆蓋發(fā)熱 劑的鑄型中，在金屬液和已凝固金屬中建立起一個自上而下的溫度梯度，使鑄件自下而上進行凝固，實現(xiàn)單向凝固。這種方法由于所能獲得的溫度梯度不大，并且很難控制，致使凝固組織粗大，鑄件性能差，因此，該法不適于大型、優(yōu)質(zhì)鑄件的生產(chǎn)。但其工藝簡單、成本低，可用于制造小批量零件。

功率降低法將保溫爐的加熱器分成幾組，保溫爐是分段加熱的。當(dāng)熔融的金屬液置于保溫爐內(nèi)后，在從底部對鑄件冷卻的同時，自下而上順序關(guān)閉加熱器，金屬則自下而上逐漸凝固，從而在鑄件中實現(xiàn)定向凝固。通過選擇合適的加熱器件，可以獲得較大的冷卻速度，但是在凝固過程中溫度梯度是逐漸減小的，致使所能允許獲得的柱狀晶區(qū)較短，且組織也不夠理想。加之設(shè)備相對復(fù)雜，且能耗大，限制了該方法的應(yīng)用。

高速凝固法為了改善功率降低法在加熱器關(guān)閉后，冷卻速度慢的缺點，在Bridgman晶體生長技術(shù)的基礎(chǔ)上發(fā)展成了一種新的定向凝固技術(shù)，即快速凝固法。該方法的特點是鑄件以一定的速度從爐中移出或爐子移離鑄件，采用空冷的方式，而且爐子保持加熱狀態(tài)。這種方法由于避免了爐膛的影響，且利用空氣冷卻，因而獲得了較高的溫度梯度和冷卻速度，所獲得的柱狀晶間距較長，組織細密挺直，且較均勻，使鑄件的性能得以提高，在生產(chǎn)中有一定的應(yīng)用。

液態(tài)金屬冷卻法HRS法是由輻射換熱來冷卻的，所能獲得的溫度梯度和冷卻速度都很有限。為了獲得更高的溫度梯度和生長速度。在HRS法的基礎(chǔ)上，將抽拉出的鑄件部分浸入具有高導(dǎo)熱系數(shù)的高沸點、低熔點、熱容量大的液態(tài)金屬中，形成了一種新的定向凝固技術(shù)，即LMC法。這種方法提高了鑄件的冷卻速度和固液界面的溫度梯度，而且在較大的生長速度范圍內(nèi)可使界面前沿的溫度梯度保持穩(wěn)定，結(jié)晶在相對穩(wěn)態(tài)下進行，能得到比較長的單向柱晶。

常用的液態(tài)金屬有Ga-In合金和Ga-In-Sn合金，以及Sn液，前二者熔點低，但價格昂貴，因此只適于在實驗室條件下使用。 Sn液熔點稍高（232℃），但由于價格相對比較便宜，冷卻效果也比較好，因而適于工業(yè)應(yīng)用。該法已被美國、前蘇聯(lián)等國用于航空發(fā)動機葉片的生產(chǎn)。

應(yīng)用普通鑄造獲得的是大量的等軸晶，等軸晶粒的長度和寬度大致相等，其縱向晶界與橫向晶界的數(shù)量也大致相同。對高溫合金渦輪葉片的事故分析發(fā)現(xiàn)，由于渦輪高速旋轉(zhuǎn)時葉片受到的離心力使得橫向晶界比縱向晶界更容易開裂。應(yīng)用定向凝固方法，得到單方向生長的柱狀晶，不產(chǎn)生橫向晶界，較大地提高了材料的單向力學(xué)性能。應(yīng)用單晶鑄造獲得的單晶葉片可顯著提高現(xiàn)代航空對于磁性材料，應(yīng)用定向凝固技術(shù)，可使柱狀晶排列方向與磁化方向一致，大大改善了材料的磁性能。定向凝固技術(shù)還廣泛用于自生復(fù)合材料的生產(chǎn)制造，用定向凝固方法得到的自生復(fù)合材料消除了其他復(fù)合材料制備過程中增強相與基體間界面的影響，使復(fù)合材料的性能大大提高。3