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凝固技术大作业


凝固技术大作业

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1、凝固过程中有哪几类重要的传输过程?试述它们对凝固过程的影响。
凝固过程包含了三类重要的传输过程:热量传输;质量传输;动量传输。 热量传输主要有三种基本方式:热传导;热对流;热辐射。热传输的影响:金属的凝固 温度区间影响凝固过程中固液两相区

的宽度,一般情况下,凝固温度区间增大,则相应的固 液两相区变宽,金属趋向于体积凝固方式。质量传输包括扩散传质、对流传质、相间传质。 其对凝固过程的影响:溶质再分配过程不能充分完成,扩散不均匀,则产生成分偏析,金属 凝固结束后,各处成分不完全相同。动量传输即为液态金属的流动,包括动量对流和自然对 流。对凝固过程的影响:当对流达到紊流程度时,会冲刷枝晶壁造成晶粒繁殖,促使等轴晶 的发展,特别是溶质浓度较高的合金容易借助流动形成等轴晶。

2、试述等轴晶的形核机理并给出等轴晶的晶粒细化方法。
等轴晶形核机理:枝晶熔断,枝晶生长过程中,由于根部溶质的富集产生缩颈熔断、脱 落,当两相区的液相流动按碳钢凝固过程的方式发生时,被熔断的枝晶被液流带入液相区, 成为中心等轴晶区晶核的来源。 晶粒细化方法: (1) 添加晶粒细化剂,即向液态金属中引入很多形核能力很强的异质 晶核,达到细化晶粒的目的; (2) 添加阻止生长剂以降低晶核生长速度,使形核率相对提高,获得细小的等轴晶组织; (3) 采用机械搅拌、电磁搅拌、铸型振动等力学方法,使枝晶折断、破碎,使晶粒数量增 加,尺寸减小; (4) 提高冷却速率使液态金属获得大过冷度,提高形核率; (5) 去除液相中的异质晶核,抑制低过冷度下的形核,使合金液获得很多的过冷度,并在 大过冷度下突然大量形核,获得细小等轴晶组织。

3. 详述固液界面形态选择成分过冷理论和的绝对稳定理论,写出相关理论推导。
成分过冷理论:在凝固过程中,固液界面前沿液相内的溶质浓度,随距离固液界面的距 离增大而减小,与此相对应,液相线温度 T(L)则由低变高,当液相线温度 T(L)的分布曲线 高于液相内的实际温度 T(q)分布线时,就会在固液界面的前沿液相中形成成分过冷区。 界面稳定性动力学理论的判别式为:

S ?w ? ? ?Tm ?w2 ?

1 ? 2

?v? w* ? ? ? ?D? g ? g ' ? ? m Gc ?v? w* ? ? ??1 ? k0 ? ?D?

函数 S(w)的正负决定着干扰振幅是增长还是衰减,从而决定固液界面的稳定性。函数 S(w)由三项组成,第一项是由界面能决定的,因为界面能不可能为负值,所以这一项始终是 负值, 也就是说界面能的增加有利于固液界面的稳定, 其原因是任何频率的干扰总是趋于使 界面积增加,而界面能总是使界面积缩小,故界面能对界面稳定性总是有贡献的,特别在高 频短波长的干扰下, 界面能的作用更为突出。 第二项是由温度梯度决定的, 若温度梯度为正, 界面稳定,温度梯度为负,界面不稳定,这一点与成分过冷准则是一致的。第三项恒为正, 表明该项总使界面不稳定。

4. 什么是定向凝固?简要叙述定向凝固技术的发展历程和各种技术的工艺过程。 请结合涡轮叶片的制备工艺给出实现高梯度定向凝固的基本原理和主要方法。
定向凝固又称定向结晶, 是使金属或合金由熔体中定向生长晶体的一种工艺方法。 用于 制备单晶、柱状晶和自生复合材料。定向凝固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的温度梯度,从而使熔体沿着与热流相反的方向凝固,最 终得到具有特定取向柱状晶的技术。 定向凝固技术的发展历史是不断提高设备温度梯度的历 史。定向凝固技术经历了由炉外法、功率降低法、快速凝固法到液态金属冷却法等的发展历 程。 炉外法又叫发热剂法,工艺过程:为了造成一个温度梯度,将零件模壳放在一个水冷铜 底座上, 并在顶部加发热剂。 这样将在金属液与已凝固金属之间建立一个自上而下的温度梯 度,实现金属或合金的定向凝固; 功率降低法(PD 法) ,工艺过程:提出的.是把一个开底的模完放在水冷底盘上.石墨 感应发热器放在分上、下两部分的感应因内。加热时上、下两部分感应因全通电、在模壳内 建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 部感应团的功率、使之产生一个轴向温度梯度; 高速凝固法(HRS 法) ,工艺过程:将底部开 H 的模壳置于水冷底座上,并置于石墨加 热器中。加热模壳后,注入过热的合金熔液.侥注后保持几分钟,使达到热稳定状态.并开 始在冷却底座表面生成一荫层固态金属。 然后模壳以预定速度经过感应器底部的辐射挡板从 加热器中移出; 液态金属冷却法(LMC 法) ,工艺过程:工艺过程和高速凝固法相似。当金属熔液浇注 入核壳后, 按预定速度将棋壳逐渐浸入液态金属液中, 使液态金属冷却剂的液面保持在合金 凝固面附近,在一定的温度范围内,传热不因凝固的进行而变小,也不受模壳形状的影响。 液态金属液可以是流动的或静止的。 原理:在热源的作用下,热源的能量集中在很小的区域,则会产生很高的温度梯度。 主要方法:激光超高温度梯度快速定向凝固,激光具有能量高度集中的特性,这使它具 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的温度梯度的可能性。

5. 请给出主要的单晶熔体生长技术的基本原理和工艺方法。 阐述高温合金的发展 历程,说明单晶高温合金叶片制备技术的发展方向。
单晶熔体生长的方法可以分为正常凝固法和区熔法。 1)正常凝固法中最常用的有坩埚移动、炉体移动及晶体提拉等定向凝固方法。 坩埚移动或炉体移动单向凝固法基本原理和工艺方法: 都是由坩埚的一端开始, 坩埚可 以垂直放置在炉内,熔体自下而上凝固或自上而下凝固,也可以水平放置。最常用的是将尖 底坩埚垂直沿炉体逐渐下降, 单晶体从尖底部位缓慢向上生长; 也可以将籽晶放在坩埚底部, 当坩埚向下移动时,籽晶处开始结晶,随着固液界面移动,单晶不断长大。这类方法的主要 缺点是晶体和坩埚壁接触,容易产生应力或寄生成核,因此,在生产高完整性的单晶时,很 少采用。 晶体提拉法基本原理和工艺方法: 它能在较短的时间里生长出大而无位错的晶体。 将欲 生长的材料放在坩埚里熔化,然后将籽晶插入熔体中,在适当的温度下,籽晶既不熔掉,也 不长大;然后,缓慢向上提拉和转动晶杆。旋转一方面是为了获得好的晶体热对称性,另一 方面也搅拌熔体。用这种方法生长高质量的晶体,要求提拉和旋转速度平稳,熔体温度控制 精确。单晶体的直径取决于熔体温度和拉速;减少功率和降低拉速,晶体直径增加,反之直 径减小。

2)区熔法包括水平区熔法和悬浮区熔法,其原理是区域熔炼,使多晶体从一端开始铸 件熔化,使整个晶体成分逐渐均匀,通过多次区熔,晶体纯度提高。a. 水平区熔法工艺方 法: 将材料置于水平舟内, 通过加热器加热, 首先在舟端放置的籽晶和多晶材料间产生熔区, 然后以一定的速度移动熔区,使熔区从一端移至另一端,使多晶材料变成单晶体。 b. 悬浮 区熔法工艺方法:方法与水平区熔法类似,可以看做垂直区熔法,都是移动熔区,使多晶材 料变成单晶体。 近半个世纪以来,中国高温合金的发展取得了显著的成绩,合金从无到有,品种由少到 多,建立起了自己的高温合全体系。现如今已有了变形高温合金、铸造高温合金、弥散强化 高温合金以及金属间化合物高温合金五大类。特别是近 10 年来,个国高温合全在航空、航 天、石化、能源等工业需求的牵引下更是得到了迅速的发展。 单晶高温合金叶片在弹性、塑性、抗蠕变性、抗疲劳性等方面具有突出特点,可以往高 温耐热性方面发展。 6. 试述快速凝固的基本原理、特征和主要技术手段。 基本原理:在 10 - 10 K / s 的冷却速度或很大的过冷度下,合金能以极快的速度(常大 于 10cm/s,甚至高达 100m/s)凝固。 特征: (1) 偏析形成倾向减小。随着凝固速率的增大,溶质的分配因数将偏离平衡。 总的趋势是,不论溶质分配因数 k>1 还是 k<1,实际溶质分配因数总是随着凝固速率的增大 向 1 趋近,偏析倾向减小。 (2) 非平衡相的形成。在快速凝固条件下,平衡相的析出可能被抑制,析出非平衡的 亚稳定相。 (3) 细化凝固组织。大的冷却速率不仅可以细化枝晶,而且由于形核速率的增大而使 晶粒细化。随着冷却速率的增大,晶粒尺寸减小,获得微晶,乃至纳米晶。 (4) 围观凝固组织的变化。定向凝固过程中,冷却速率的变化对凝固组织的影响已经 在前面提及。当达到绝对稳定的凝固条件时,可获得无偏析的凝固组织。 (5) 非晶态的形成。 当冷却速率极高时, 结晶过程将被完全抑制, 获得非晶态的固体。 主要技术手段: (1) 激冷法,凝固速率是由凝固潜热及物理热的导出速率控制的。通 过提高铸型的导热能力,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。 (2) 深过冷法, 减小凝固过程中的热流导出量是在大尺寸试件中实现快速凝固的唯一 途径。通过抑制凝固过程的形核,使合金液获得很大的过冷度,从而凝固过程释放的潜热被 过冷熔体吸收,可大大较少凝固过程需要导出的热量,获得很大的凝固速率。深过冷快速凝 固主要见于液相微粒的雾化法快速凝固和经过特殊净化处理的大体积液态金属的快速凝固。
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7. 请给出相关技术原理图, 详细论述普通钢锭连铸技术和 OCC 技术的工艺过程、 各自的特点和二者的差别。

普通钢锭连铸技术工艺过程: 在连铸过程中, 将液体金属连续地浇入到通水强制冷却的 金属型〔即结晶器〕中;又不断地从金属型的另一端连续地拉出已凝固或具有一定结壳厚度 的铸件。 当铸件从金属型中拉出达到一定长度时, 可以在不间断浇注的情况下, 将铸件切断; 也可以在铸件达到一定长度时,停止浇注,以获得一定长度的铸件。特点: (1) 连续坯凝 固实质上是动态传热过程。铸坯边运行,边放热,边凝固形成了很长的液相穴。 (2) 连铸 坯凝固实质上是沿着液相穴在凝固温度区间把液体转变为固体的加工过程。 (3) 连铸坯运 行过程中坯壳所承受的外力作用,对铸坯裂纹的生成有决定性的影响。 (4) 连铸坯是分阶 段凝固的,即结晶器形成初生坯壳,二冷区接受喷水冷却坯壳稳定生长,液相穴末端凝固结 束。 (5) 已凝固坯壳在连铸机运行过程中接受喷水冷却,同时液芯热量又传给坯壳,因此 可把凝固坯壳看成经历形变热处理的过程, 因此相变和质点在晶界的析出对铸坯裂纹有重要

影响。 O.C.C 技术的工艺过程:要避免凝固界面附近的侧向散热,维持很强的轴向热流,保证 凝固界面是凸向液相的, 可采用类似于普通连铸过程二次冷却区的喷水冷却方式, 而在凝固 界面附近的液相一侧进行加热。O.C.C.连铸技术的特点: (1)得到完全单方向凝固的无限长的柱状晶组织 (2)存在液相隔离,摩擦力小,牵引力小,利于进行任意复杂形状截面型材的连铸 (3)凸向液面,气体和杂质难以进入液相 (4)缺陷少,组织致密,消除了横向晶界,塑性加工性好 二者的区别:O.C.C 法的铸型是加热的,而普通钢锭连铸法中铸型是激冷的。

8. 请结合相关文献,谈谈你对凝固技术在先进材料研究发展过程中的作用的理 解。
凝固是一种极为普遍的物理现象, 物质凡由液态到闭念的转变一般都经历凝固过程, 它 广泛存在于自然界和工程技术领域。 从雪花凝结到火山熔岩固化, 从铸锭的制造到工农业用 铸件及历史文物中各类艺术铸品的生产,以及超细晶、非晶、微晶材料的快速凝固,半导体 及各种功能晶体从液相的生长均属凝固过程, 可以说几乎一切金属制品在其生产流程中都要 经历一次或多次的凝固过程。 很多材料都是多元合金, 其性能由凝固和随后处理阶段发展的 组织所决定。所以,对凝固过程的研究与控制是获得材料良好性能的基础。人类从石器时代 进入青铜器时代再进入铁器时代, 每一次生产力的巨大进步都是伴随着冶金技术及凝固技术 的飞跃,可以说是凝固技术的突破促进了人类的进步。 9. 通过本课程的学习, 你对凝固技术有哪些认识?本课程需要在哪些方面做进一

步的改善?
凝固技术就是对凝固过程进行控制, 从而获得需要的组织的工艺技术。 凝固技术的基础 是凝固原理, 只有深入了解和研究了凝固的基本原理, 我们才能有坚实的理论基础在工艺改 良的道路上走的更远。现在,由于凝固理论研究的深入和发展,带来了对材料和机械工程有 深刻影响的新方法和新技术的出现, 例如, 悬浮铸造、定向凝固、 快速凝固、 电磁搅拌凝固、 压力凝固等。在本课程的学习过程中,新型凝固技术的介绍内容很多,充分拓宽了我们的知 识面,激发了大家的学习兴趣。但是,个人感觉对凝固理论的讲解内容不够多,我们以前并 没有系统的深入的学习过凝固理论, 所以在了解那些新型凝固技术的时候就有知其然而不知 其所以然的感觉,我觉得可以在凝固理论方面适当增加一点比重。


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