合成与制备-定向凝固研讨.ppt

* 图5.25 不同凝固条件下Cu-1.0%Cr合金的横截面组织形态 * * OCC法连续铸造技术与传统连续铸造技术凝固过程的比较 * 5.3.2 定向凝固过程的生产设备 HRS生产设备 LMC工艺设备 ZMLMC定向凝固装置 电磁约束成形定向凝固装置 连续凝固装置原理 * 1.HRS生产设备 定向凝固技术是对金属材料进行凝固过程研究的重要手段之一，可用于研究凝固界面形态、凝固组织、定向自生复合材料和单晶，同时也是制备高质量航空发动机定向和单晶叶片、磁性材料以及某些功能材料的一种十分有效的工艺方法。 * 快速凝固法（HRS法）是在最初的功率降低法的基础上吸取了Bridgman-Stockbarger晶体生长技术发展而来的，其设备原理图如图5.11所示。 图5.11 HRS装置示意图 * 2.LMC工艺设备 在快速凝固法的基础上，Tschinkel等人发明了液态金属冷却法，该方法采用低熔点金属或合金作为冷却介质，使温度梯度在原有基础上得到了进一步提高，其工作原理如图5.12所示。 * 当合金液浇入型壳时，以一定的速度将型壳拉出炉体，浸入金属浴中，用作冷却剂的液态金属水平面摆出在凝固的固液界面附近处，作为冷却剂的液态金属必须具有：熔点低，有良好的热学性能；不溶于合金中；在高真空条件下蒸汽压低；价格便宜的特点。 图5.12 LMC法定向凝固装置示意图 * 3.ZMLMC定向凝固装置 定向凝固技术从功率降低法（PD）到快速凝固法（HRS）再到液态金属冷却法（LMC），温度梯度都有不同程度的提高；但是，这几种方法在温度梯度的改善上都没有产生质的飞跃，难以满足现代工业发展的需要，特别是现代航空工业的发展需要。 傅恒志等经过十多年的研究，在LMC技术基础上，采用高频电磁场加热固态金属，将电磁区熔与液态金属冷却相结合，发展了超高温度梯度定向凝固技术，又称区域熔化液态金属冷却法（Zone Melting Liquid Metal Cooling，简称ZMLMC） 。 * 定向凝固技术的不足 工业上广泛应用的快速凝固法，其温度梯度只能达到100K/cm左右，凝固速率很低，导致凝固组织粗大，偏析严重，致使材料的性能潜力没有得到充分发挥；ZMLMC法虽然可以达到较高的温度梯度，使组织细化，性能显著提高，但尚只能使用于实验室研究，无法实现工业生产。 而且目前凝固工艺都是利用熔模精铸型壳室合金成形的，粗厚、导热性能的陶瓷模壳一方面严重降低合金熔体中的温度梯度及凝固速率，另一方面，模壳材料在高温条件下对合金产生污染，降低材料性能。 * 4. 电磁约束成形定向凝固装置 西北工业大学凝固技术国家重点实验室傅恒志等人在研究超高温度梯度定向凝固技术的基础上，提出了电磁悬浮熔炼技术和电磁铸造技术的研究成果，在国际上首次提出旨在通过提高定向凝固过程的温度梯度，实现合金组织超细化并满足高熔点、高活性材料定向凝固要求的电池约束成形技术。 该技术包括无接触电磁约束和软接触电磁约束两种方案，与电磁铸造技术不同，其主要特点是固态合金坯料的加热溶化与金属熔体成形同步进行，是对定向凝固技术和电磁住在技术的继承和发展，具有重要的理论研究价值和广泛工程应用前景。 * 图5.14 电磁约束近终成形原理示意图 接触电磁约束成形时利用交变电磁场在金属中产生的涡流和电磁力使金属熔化并约束成特定性状，因此，具有无坩埚熔炼、无铸型成形的特点，同时还有超强加热和冷却能力，可以对凝固组织进行控制。 * 5. 连续凝固装置原理 OCC技术的发展虽然只有三十来年的时间，但发展速度很快，在日本已经投入小批量的工业生产。在加拿大、美国和韩国等国家也都开展了这一技术的开发与应用研究。近年来，随着定向凝固连铸工艺的成熟，人们的研究逐步转向研制在电子行业具有广泛应用前途的Cu及Cu合金单晶材料，并取得了一定成效 。 * 图5.15 电磁约束近终成形原理示意图 * 北京科技大学常国威等人研制了一种不同于其它定向凝固连铸方法的技术——电渣感应连续定向凝固技术，其装置原理如图5.16所示。该方法引入电渣重熔技术以提高铸型的加热温度和熔体的净化能力。金属液最高热温度可达1700℃，并研究了QA19-4合金及近共晶铸铁的定向凝固连铸工艺，同时，对黑色金属的连续铸造也进行了大量收索，已可以成形具有连续单向柱状晶组织的不锈钢和铸铁制品。 * 1.自耗电极 2. 熔渣 3.坩埚 4.金属熔体 5. 固液界面6. 铸型 7. 高频感应线圈 8. 加热铸型用石墨 9. 喷水装置 10 铸锭 图5.16 电渣感应连续定向凝固方法原理图 * 6.3.