1、金属凝固理论文献阅读报告连续定向凝固技术研究姓名：左锦荣学号：s20111912班级：国重 2011硕连续定向凝固技术研究左锦荣北京科技大学 新金属材料国家重点实验室 北京 100083 摘 要 针对日趋活跃的金属定向凝固技术,阐述定向凝固技术的基本原理,以及其特点。简要说明了金属定向凝固技术的应用。介绍了目前金属定向凝固技术在国内外的发展状况,存在的问题及未来的前景。关键词 金属；定向凝固；基本原理；技术特点；应用分类号 TD 123Continuous Unidirectional Solidification Technology ZuojinrongAMM, University of
2、 Science and Technology Beijing, Beijing 100083, ChinaABSTRACT Directional solidification technology of metal has become ncreasingly act ive.Its basic principle and characteristics are descri bed.Its applications are also overviewed .The development state at home and abroad , problems and future pro
3、spects of directional solidification are summ arized.KEY WORDS Metal； directional solidification ； basic principle ； technicalcharacteristic ； application绪论：金属的凝固，从传热学的角度是液态金属转变为固态的过程；从物理化学、金属学的观点就是结晶，即：形核和生长。形核过程对金属材料晶粒的大小起着至关重要的作用；晶体生长关系到凝固后微观组织的形态，由于组成金属材料的晶体形态与金属材料的性质有关，如何控制晶体生长已成为控制金属材料性能的重要手段。
4、凝固组织的控制包括两方面的内容：(l)凝固组织形态的选择(2)控制凝固组织的尺寸、间距。材料的使用性能是由其组织形态来决定的。因此，包括调整成分在内，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，控制凝固过程己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。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，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。此外，定向凝固组织非常规则，便于准确测量
5、其形态和尺度特征。定向凝固技术是控制晶体生长、研究晶体生长行为最有效的方法，实现定向凝固的总原则为金属熔体中的热量严格的按单一方向导出，使金属或合金按柱状晶或单晶的方式生长。金属熔体在凝固过程中，为了达到单一方向生长为柱状晶的目的，除满足上述总原则外，还必须满足以下两个条件：一是凝固过程中固液界面保持为平面，在界面前沿保持足够高的温度梯度，并且使此温度梯度与柱状晶生长速度的比值足够大；二是未凝固的液体有足够的过热度，避免型壁形核，防止型壁上形成的晶体脱落形成等轴晶的核心。1. 传统的定向凝固技术1.1 发热剂法(EP 法)这是最原始的定向凝固方法，金属熔体内的温度梯度小，单向传热不易保证，凝固
6、一旦开始就无法对凝固过程进行控制。其具体工艺为将熔化好的金属液浇入一侧壁绝热，底部冷却，顶部覆盖发热剂的铸型中，在金属液和已凝固金属中建立起一个自上而下的温度梯度，使铸件自上而下进行凝固，实现单向凝固。这种方法由于所能获得的温度梯度不大，并且很难控制，致使凝固组织粗大，铸件性能差，因此，该法不适于大型、优质铸件的生产。但其工艺简单、成本低，可用于制造小批量零件。图 1 发热剂法定向凝固示意图1.2. 功率降低法(PD 法)功率降低法发展于加世纪 60 年代，其原理如图 2 所示。保温炉分段加热，当熔融的金属液置于保温炉内后，在从底部对铸件冷却的同时，自下而上顺序关闭加热器，金属则自下而上逐渐凝
7、固，从而在铸件中实现定向凝固。通过选择合适加热器件，可以获得较大的冷却速度，这种方法在凝固过程中温度梯度是逐渐减小的，致使所能允许获得的柱状晶区较短，柱状晶在高度上的粗化比较严重，组织不够理想。加之设备相对复杂不易控制，能耗大，限制了该方法的应用。图 2 功率降低法定向凝固原理1.3 快速凝固法(HRS)HRS 法，即 “HighRatesolidificatfon，又称铸型移动法，如图 3 所示。为了改善功率降低法在加热器关闭后，冷却速度慢的缺点，在 Bridgman 晶体生长技术的基础上发展成了一种新的定向凝固技术，即快速凝固法。由于加热与冷却装置之间用隔热板隔开，固液界面始终靠近冷却区，
8、使固液界面前沿金属熔体冷却强度保持不变。该方法的特点是铸件以一定的速度从炉中移出或炉子移离铸件，采用空冷的方式，而且炉子保持加热状态。这种方法由于避免了炉膛的影响，且利用空气冷却，因而获得了较高的温度梯度和冷却速度，所获得的柱状晶组织细密挺直，且较均匀，使铸件的性能得以提高，在生产中有一定的应用。图 3 快速定向凝固法（HRS ）示意图1.4 液态金属冷却法(LMc 法)HRS 法是利用辐射换热来冷却的，所能获得的温度梯度和冷却速度都很有限。为了获得更高的温度梯度和生长速度，在 HRS 法的基础上，将抽拉出的铸件部分浸入具有高导热系数的高沸点、低熔点、热容量大的液态金属中，形成了一种新的定向凝
9、固技术，即 LMC法。这种方法提高了铸件的冷却速度和固液界面的温度梯度，而且在较大的生长速度范围内可使界面前沿的温度梯度保持稳定，结晶在相对稳态下进行，能得到比较长的单向柱状晶。液态金属冷却法(Liquld metal cooling）采用液态金属作为冷却介质，其冷却效果远远大于其他冷却介质，月前，常用的金属浴有：锡液、嫁锢合金、稼锢锡合金等。稼、锢熔点低，价格昂贵，因此只适于在实验室使用。Sn 液熔点稍高(232 oC)，但价格相对便宜，冷却效果也比较好，因而适于工业应用。LMC 法设备复杂，操作麻烦，在工业上未广泛应用1。美国、前苏联等国应用该工艺制造航空发动机叶片。图 4 液态金属冷却法
10、示意图传统的定向凝固技术在结晶器抽拉速度不变的情况下，温度梯度在是变化的。在单晶的生长过程中，热量的传递主要通过两种方式：传导和辐射来完成。在凝固初期，即在起始端部分，热量主要以热传导方式传递，由于距水冷结晶器较近，传导路径较短，温度梯度较大。随着凝固的进行，传导路径增大，热传导的作用逐渐减弱，温度梯度也随之降低。随着凝固的进一步进行，热传导所起的作用越来越小，而辐射散热面积增大，壳型表面辐射散热逐渐占据主导地位，但辐射散热能力较热传导作用低，故总的散热能力减弱，导致温度梯度降低。糊状区宽度随着凝固的进行逐渐增大，这与温度梯度逐渐减小有关。传统的定向凝固技术存在以下弊端：(l)从强制性晶体生长
11、方式来看，冷却速度受控于固相热量的导出，冷却速度随抽拉距离及铸件长度的增加而变化，均匀冷却速度的获得必须依赖于牵引系统的计算机控制和多区加热等复杂手段。(2)追求高的温度梯度造成生产成本的不断增加，以及获得缓慢的牵引速度而造成生产率低下 2。不论是功率降低法，还是快速凝固法，它们的主要缺点是温度梯度小，冷却速度太慢，由于晶体生长所需的过冷度小于形核所需的过冷度，晶粒有充分的时间长大，用上述方法制备的组织粗大，会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温度梯度不大，这样为了保证固液界面前沿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。表 1 为不同定向
12、凝固方法的主要冶金参数。表 1 DS-mar-M200 高温合金在不同定向凝固方法时的主要冶金参数为了进一步细化材料的组织结构，减轻甚至消除微观偏析，有效地提高材料的性能，就需要提高冷却速率。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前沿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的生长速率是当今众多定向凝固技术研究者追求的目标。2. 新型定向凝固技术2.1 ZMLMC法为了进一步提高温度梯度，李建国等人把区域熔炼技术(zoneMelting)和液态金属冷却法(LMC) 相结合发展了一种新型定向凝固技术一区域熔化液态金属冷却法，即 ZMLMC
13、 法。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的温度梯度。据报道 zMLMc 最高温度梯度可达 1300k/cm，最大冷却速度可达 50k/s。与传统定向凝固相比，枝晶组织明显得到细化。定向凝固技术的发展直接推动了凝固理论的发展和深入。从成分过冷理论到界面稳定动力学理论(MS 理论)，人们对凝固过程有了更深刻的认识，MS 理论成功地预言了：随着生长速度的提高，固液界面形态将经历从平界面、胞晶*树枝晶*胞晶*带状组织*绝对稳定平界面的转变。对大多数合金，实现高梯度绝对稳定性的临界温度梯度在 5000K/cm 以上，远远超过常规的定向凝固方法包括 ZMLMC 方法所
14、能达到的温度梯度。为了实现高温度梯度绝对稳定性，揭示在这种极端条件下凝固过程的规律，人们想到激光具有加热温度高，能量高度集中等特点，选用激光作加热源，在激光表面熔化快速定向凝固条件下，高密度激光源辐照材料表面使表面薄层(熔层深度一般不大于 0.5mm)熔化，熔融金属与未熔基体接触良好，温度梯度和冷却速度高达 106 数量级，当用 30Ps 的激光脉冲表面淬火时，晶体生长速率高达 230m/s3，冷却速度较区域熔化液态金属冷却法大大提高(约为三个数量级)。定向凝固技术发展的历史就是不断提高温度梯度和凝固速率的历史 4。2.2 连续定向凝固技术连续定向凝固技术可获得理想的柱状晶组织，它的出现标志着
15、定向凝固技术及晶体生长技术进入了一个崭新的阶段。连续定向凝固方法大致可分为两种：(l) OCC 法：日本千叶工业大学的大野笃美教授依据“晶体游离学说”发明了 OCC(Ohn Coniinuous casting Proeess)方法； OcC 方法的原理是将结晶器的温度保持在熔体的凝固温度以上，绝对避免在型壁上形核，熔体的凝固只在脱离结晶器的瞬间进行。随着铸锭不断离开结晶器，晶体的生长方向与热流方向相反。OCC 方法三种形式及特点见表 25。表 2 occ 法三种形式及其特点(2)高温度梯度法：Flemings 教授依据等轴晶形成机理“成分过冷学说”发明了HGqHighTemperatureG
16、radientcasting)方法；这种方法追求高的温度梯度，实现的方法是使金属熔体达到近似于薄膜的程度，HGC 法定向凝固原理图见 5。图 5 HGC 法定向凝固原理图它们共同的特点是保持固液界面为平面；固液界面前沿液相中不形核；已经凝固的固相连续离开铸型；熔体的热量连续沿铸锭轴向传出。随着凝固的进行，出现晶体的竞争生长，晶粒的数量逐渐减少，残留下来的只是与热流方向平行的柱状晶。制备定向排列柱状晶组织铸锭的关键是：合金凝固时，热流方向是单向的；在固一液界面应有足够高的温度梯度，避免在凝固界面的前沿成分过冷或外来核心，使柱状晶横向生长受到限制；另外保证单向散热，绝对避免在侧面型壁形核、生长。因
17、此，要尽量抑制液态合金的形核能力，提高液态合金的纯洁度，避免氧化、吸气形成的杂质。3. 热型连续定向凝固原理及实验方法热型连续定向凝固技术又称大野式连续铸造，简称 ocC(ohnoContinuousCasting)，于1978 年由日本千叶工业大学大野笃美教授(A.ohno)发明，并于 1986 年首次发表 6。它是一项把先进的定向凝固技术与高效的连铸技术相结合的新型金属近净成型(near 一 net 一ShaPe)技术。它通常是采用一个加热铸型和一个与之分离的冷却器代替连铸设备中的冷铸型，加热铸型使铸型内壁温度高于所铸金属的熔点以上，避免型壁形核。直接冷却铸锭，使冷却器与铸型出口之间造成一
18、个轴向温度梯度，以形成定向凝固条件，金属液在铸锭中心先凝固，铸锭外表面层金属液在脱离铸型后的瞬间凝固，可以得到单向生成的柱状晶组织。通过各工艺参数的优化控制，使其有利于晶粒的竞争生长，则可以实现单晶连铸。3.1 热型连续定向凝固的基本原理与方法3.1.1 热型连续定向凝固的基本原理大野笃美在研究铸锭组织的形成过程中，通过对金属熔体凝固过程的直接动态观察，提出了“结晶游离论” 7。该理论的要点为：在型壁上形核的晶粒，由于溶质的偏析，使其根部的成长受到了抑制，这样，在稳定的凝固壳形成之前产生游离；这些游离的晶粒是铸锭中心区等轴晶的起始核心。根据此理论，大野笃美教授提出了控制铸锭组织的基本原理：如果
19、要得到等轴晶铸锭，就要找到等轴晶生成的场所，使结晶大量地生成、游离和沉淀；如果要得到柱状晶铸锭，则要阻止晶粒从其生成场所游离，使之迅速形成稳定的凝固壳。如果将传统连铸中的冷铸型改为热铸型，则阻止了晶粒在铸型壁上的形核，可获得单向凝固的柱状晶连续铸锭。此外，由于单向凝固过程中晶粒的竞争生长机制，若条件控制适合，就可以获得单晶铸锭，实现单晶的连铸生产。热型连续定向凝固技术的原理如图 6 所示。图 6 热型连续定向凝固与传统连铸的原理示意图热型连续定向凝固技术与传统连铸工艺的区别在于其铸型是加热的，而不是冷却的。传统的连铸过程铸型同时起到结晶器的作用，合金液首先在铸型的激冷作用下凝固，并逐渐向中心生
20、长，如图所示。因此，在最后凝固的铸锭中心容易产生气孔、缩松、缩孔及低熔点合金元素与杂质元素的偏析。同时，己凝固的固体壳层与铸型之间有较大的摩擦力。而热型连续定向凝固过程中铸型温度高于合金液的凝固温度。铸型只能约束合金液的形状，而不会在表面发生金属的凝固。其凝固方式如图所示，凝固过程的进行是通过热流沿固相的导出维持的。凝固界面通常是凸向液相的。这一凝固界面形态利于获得定向或单晶凝固组织。此外，热型连续定向凝固过程中固相不与铸型接触，固液界面是一个自由表面，在固相与铸型之间是靠合金液的界面张力维持的。因此，可获得镜面的铸锭表面。同时，由于不存在固相与铸型之间的摩擦力，铸锭可以连续抽拉，并且牵引力很
21、小。热型连续定向凝固技术的核心是避免凝固界面附近的测向散热，维持很强的轴向热流，保证凝固界面是凸向液相的。维持这样的导热条件需要在离开凝固界面的一定位置强制冷却。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。由于热型连续定向凝固法依赖于固相的导热，适合于具有大热导率的铝合金及铜合金。同时，由于随着铸锭尺寸的增大，固相导热的热阻增大，维持一维散热条件变得更加困难，因而热型连续定向凝固技术对铸锭的尺寸有一定的限制，它只适用于小尺寸铸锭的连续铸造。3.1.2 基本热型连续定向凝固方法热型连续定向凝固技术的构想始于 1978 年，目的是为了连续地制造表面异常光洁
22、的铸锭。基本热型连续定向凝固技术的连铸方法有上引法、下引法和横引法 8三种方法。1.下引法下引法是最简单的一种方法，其优点是冷却均匀，凝固条件优越，凝固过程中的夹杂易上浮，不易被卷入铸锭。但该法的最大缺点是铸型出口处的压力难以控制，液体压力大，使铸型出口处和铸锭之间的液膜难于成型和保持，故易发生漏液事故。为了克服下引法的缺点，将供液管设计成虹吸管式，但这种方法使得设备的制作及操作非常困难，因此，在实际实验中没有得到发展。2.上引法上引法中，气体和夹杂在浮力的作用下，始终滞留在液一固界面处，易被卷入铸锭。同时，该法冷却装置设计复杂，尤其对热容量大、熔点高的金属，当需要用液体冷却剂冷却时，有冷却剂
23、漏到金属液上发生爆炸的危险。但这种方法凝固界面处的液体金属压力易控制，不会发生跑火事故，有利于成形，故实际中仍有采用。3 水平横引法水平横引法的优点则介于前两者之间，设备简单，冷却装置易于制造和安装。但该法由于重力的作用，铸件在上下方向的尺寸受到限制，铸件中容易加入杂质，冷却上下不均匀，故适合于生产细棒材、小直径管材及薄壁板类型材。水平横引法是目前研究和应用最多的，而且也是最为成功的。在水平横引法的基础上，为了适应大规模生产的需要，在 80年代末期又发明了回转加热铸型法 9，和上面开放水平加热铸型法 10两种带材连铸设备，可以制备定向凝固组织和单晶带材。采用回转加热铸型设备成功制造出了宽 10
24、0mm，厚3mm 的单晶锌板材。但由于该设备需要加热的铸型面积很大，且凝固后的板材与铸型的分离需要一个模型块，操作与控制较困难，故又改进为上面开放水平加热铸型的带材连铸设备(ohnoStripContinuouSCasting，简称 OSCC 法)，在该装置上己成功地制出了宽 50mm，厚2mm 的铝带材。90 年代初又发明了双金属连铸装置 11，可以铸造内外层不同金属材质的棒状、管状材料。3.2热型连续定向凝固的组织演化过程3.2.1 形核与生长当引晶棒插入型口与过热的金属熔体接触时，熔体由于引晶棒的传热吸热作用，将在引晶棒前端附近的金属熔体中造成过冷，引晶棒前端熔体中的过冷带如图 7 所示
25、。首先，将在冷的引晶棒前端生成大量取向各异的晶核。由于过冷度在引晶棒端部处最大，形成的晶核将首先在引晶棒端面不受任何约束地生长，直至和相邻的晶粒接触而形成凝固壳，之后凝固壳向熔体中生长。因此，单晶铸锭的始端是明显的枝晶凝固，并且这些枝晶具有方向性。图 7 凝固壳在型壁上形成示意图从凝固壳上延伸出的柱状树枝晶，由于各枝晶主干方向不可能完全相同，而那些主干方向与热流方向相平行的枝晶，较之取向不利的相邻枝晶生长得更为迅速。因此，它们将优先生长并抑制相邻枝晶的生长，从而逐渐淘汰取间不利的晶粒。这个相互竞争淘汰的晶体生长过程称为晶体的“择优生长”。3.2.2 单晶组织的演化过程从枝晶的形核与生长过程来看
26、，单晶铸锭的晶粒淘汰过程主要是依靠柱状晶的“择优生长”机制。但这种晶体生长机制具有一定的偶然性，在晶粒生长过程中有可能出现一个以上择优条件完全相同的晶粒。但是根据实验结果，只要满足一定的工艺参数条件，单晶铸锭凝固壳上最初杂乱无章的晶粒，通过晶粒的竞争生长，最终总能得到单晶体。单晶组织的演化过程要经历三阶段 12，如图 8 所示。1.晶粒迅速淘汰阶段：首先金属熔体在引晶棒端部形成凝固壳。该过程是枝晶凝固，形成许多枝晶主干方向杂乱无章的枝晶。然后，凝固壳上延伸出柱状树枝晶，依靠柱状枝晶的“择优生长 ”机制，迅速淘汰，只剩下数个主干方向与热流方向平行的柱状晶，这一阶段至铸锭的凝固演化为柱状晶平面生长
27、时结束。2.晶粒缓慢淘汰阶段：这一阶段是从柱状晶平面生长至刚刚演化为单晶阶段。在这一阶段中少数几个单向发展的柱状晶粒逐渐缓慢竞争生长，演化为一个晶粒，即单晶体。3.单晶生长阶段：以演化为单晶体的铸锭在个工艺参数不变的情况下，因其生长条件保持恒定，因而单晶体可以一直生长，实现单晶连铸。图 8 单晶铸锭生长模型实际热型连续定向凝固过程中，晶粒的淘汰速率除了与晶粒的晶体学取向有关外，还与凝固界面的宏观形貌密切相关。凸出的界面利于晶粒淘汰过程的进行，如图 9(C)所示。图 9(b)所示的平面凝固界面晶粒的淘汰过程只与晶粒的取向相关。当多个晶粒具有相同的择优取向时，各个晶粒将同时平行生长。但实际上，择优
28、条件完全相同的情况是少见的。在凝固过程进行了足够长的时间后，晶粒的淘汰总会发生。而凹陷的凝固界面则不利于晶粒的淘汰，如图 9(a)所示。图 9 固液界面形状对晶粒淘汰的影响在凝固的初期，晶粒的淘汰过程完成以后，只要温度场及界面的位置控制合理，则能维持单晶生长的连续进行。只有当凝固截面凹陷，并在铸型表面发生凝固，才可能由于铸型表面的形核作用生成杂晶。4. 连续定向凝固技术研究进展4.1 国外研究状况最初的 OCC 技术采用简单的下引方式，仅拉出长度 50mm 左右形状不规整的镜面铸锭, 直到 1980 年, 才开发出三种方法, 即下引法、上引法和水平法。下引法排气排渣容易, 冷却措施也容易实现,
29、 只要控制下引法的合金液不发生泄漏, 这种方法所得的铸坯质量是最好的； 将供液管设计成虹吸管式， 可解决拉漏问题。但虹吸式方法的设备的制作及操作非常困难, 所以没能发展起来； 上引法不会产生拉漏现象,有利于成形, 但排气、排渣与冷却水的密封困难, 此法在实际实验中仍有采用；水平法的优点介于前二者之间, 其设备简单, 容易实现连续单向凝固, 但是凝固时排气排渣较困难, 它适于生产细线、棒材、直径较小的管材及薄壁板类型材, 该法是目前应用最多、最为成功的技术, 日本和加拿大铸造界大部分是在水平连续定向凝固设备上开展 OCC 的研究 13。在水平法的基础上又发展了两种带材水平连铸方法 回转带材连铸法
30、 14和开放水平带材连铸法(OSC 连铸法) , 可以制备定向凝固组织和单晶带材。采用回转带材连铸法成功制造了宽 100mm、厚 3mm 的单晶 Zn 板材。由于该设备需要加热铸型面积很大, 且凝固后的板材与铸型的分离需要一个模型块, 操作与控制较困难, 故又改进为开放水平带材连铸法, 成功地制造了宽 50mm, 厚 2mm 的铝带材。在不断完善和改进连续定向凝固设备的同时,对连续定向凝固工艺特性方面也作了大量的研究工作。加拿大与韩国等国家主要工作集中在定向晶体生长过程的数值模拟方面, 目前对各参数的交互作用机理及控制的研究尚未见报道。 Soda.H 和 McLean.A14推导出了单晶生长的
31、传热系数, 建立了单晶生长的模型； Y.H.Wang 和 Y.J.Kim 等人测定了熔体和结晶体中心的温度曲线, 并通过采用传热方程和流函数的方法建立了晶体生长的计算模型, 初步模拟了 OCC 法 的 凝 固 过 程 ；J.C.Liu, J.D.Hwang、 K.L.Su 和 Lce Y- J 等人也做了类似的工作 15。在早期的连续定向凝固技术的研究中, 一般选用低熔点的非铁纯金属或共晶合金作为实验研究材料, 如 Sn 及 Sn 合金, Zn 及 Zn 合金, Bi 及 Bi 合金等 16, 其特点是设备制造难度小、工艺参数易于控制和实现, 主要为探索 OCC 法的工艺特性积累数据；随后的研
32、究逐步选用具有较强应用价值、中等熔点的 Al 及 Al 合金、 Au 以及具有较宽凝固区间的合金作为研究对象 17, 并成功地制备出 Sn、 Mg、 Bi、 Al 及 Sn - Pb、 Sn - Zn, A1 - Cu 等具有单向排列柱状晶组织的合金材料以及单晶型材。自 OCC 技术发明以来, 世界各国的研究主要集中在铅、 锌、 铝、 铜等金属合金的成型及应用方面。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
33、有广泛应用前途的 Cu 及 Cu 合金单晶型材, 并取得了一定成效, 同时 , 更高熔点的材料如 Mo, Co, 不锈钢、 耐磨合金、Ni 基高温合金的定向凝固工艺研究也在展开。目前国外应用连续定向凝固法已成功拉制出了具有各种圆形截面及异形截面形状, 如圆棒、圆管、椭圆管、多边形棒、 异形棒等的单晶型材； 另外也可生产出有芯材料或同轴异质等复合材料。4.2 国内研究状况近年来, 国内研究连续定向凝固的工作者在以往 OCC 技术的基础上, 对其设备进行了不断的完善和改进, 开发了几种新的连续定向凝固方法。如上海大学毛协民等人采用的超高温度梯度连续定向凝固；北京科技大学常国威等人开发的电渣感应连续
34、定向凝固；西北工业大学凝固技术国家重点实验室开展的单晶连铸技术方面的研究工作等； 大连理工大学、广东工业大学、 甘肃工业大学以及我国台湾等地区也对这一技术展开了研究。上海大学毛协民等人研究自生复合 Cu- Cr 合金电车线的制备技术时, 考虑到普通 OCC 法存在的液相温度梯度较低的缺陷,在工业生产无氧铜杆的上引法技术中引入了超高温度梯度技术, 研制了上引式高温度梯度连续定向凝固装置。并在此基础上开展亚快速定向凝固连续铸造理论与技术研究, 以及研制单晶铜线和自生复合铜电车线的连续制备技术。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,该方法引入电渣
35、重熔技术以提高铸型的加热温度和熔体的净化能力, 金属液最高加热温度可达 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探索, 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。北京科技大学谢建新、王自东在此基础上又提出了将连续定向凝固技术和低温强加工技术相结合, 在材料的凝固成形与固态加工处理过程中积极发展、 强化组织异向性, 制备无成分偏析、 高性能金属材料的新方法, 即采用连续定向凝固方法制备具有轴向连续柱状晶组织的坯料, 然后在低于再结晶温度下进行大变形量的塑性加工与热处理, 最终得到具有连续纤维状晶粒组织( 纤维
36、直径为几个至十几个(m 级) 的线状材料。这种组织的材料由于不存在垂直于长度方向的晶界(横向晶界 ) , 具有优良的物理与力学性能：电导率高, 信号保真性能好, 强度与伸长率大幅度提高, 加工性能好。目前已成功研制出 25m 超细 Al- Si 丝和 19.7 m 超细无氧铜丝, 为了提高材料的纯净度, 王自东等人又将真空熔炼和连续定向凝固相结合, 成功研制出了 16mm 铜单晶和铝单晶以及 39mm 1.8mm 铜管, OCC 技术的进一步发展形成了单晶连铸技术,该技术可以消除所有晶界, 使金属材料的性能得到进一步提高。在 OCC 工艺中, 通过优化工艺参数, 控制固液界面形态及凝固金属的热
37、流场分布, 促进竞争生长, 即可逐步由一个晶粒控制整个铸锭, 从而实现单晶连铸。单晶连铸技术的理论依据是晶体生长过程中的竞争原则, 既优先生长方向与热流方向相一致, 处于最有利条件的晶体将优先生长, 逐步淘汰其余的晶体。单晶晶体生长的淘汰机制如下所述：连续定向凝固开始时, 晶体竞相生长, 首先在引晶棒表面形成等轴晶组织； 随着过程的继续, 在等轴晶的基底上形成定向凝固的多晶组织； 然后经历逐渐淘汰过程, 直至形成单晶组织。由于热铸型和冷却水的作用, 在固液界面前形成定向凝固的条件, 同时由于加热铸型的温度高于金属的熔点, 避免了型壁上的形核, 固液界面呈凸向金属熔体的形状。晶体的竞相生长是由控
38、制固液界面的形状来达到的, 当固液界面为凸形时, 其晶体竞相生长过程,由于晶体生长受到固液界面前沿温度分布的影响, 杂晶生长(箭头所示方向) 受到基体的限制, 不能长大,逐渐被淘汰, 因此, 凸形的固液界面有利于晶体生长过程的淘汰, 能够实现单晶连铸； 反之, 当固液界面为凹向凝固金属的形状时, 其晶体竞相生长过程 , 固液界面前沿的温度分布与凸形界面相反,所示的杂晶生长( 箭头所示方向) 不受基体的限制, 反而基体的生长受到杂晶的限制, 从而生长出定向凝固的柱状晶杆坯。 为一种单晶连铸设备结构示意图。单晶连铸技术在国内研究较多, 西北工业大学凝固技术国家重点实验室自 1994 年开始选用铝合
39、金材料为对象进行单晶连铸技术方面的研究, 研制了一台小型水平式单晶连铸设备, 建立了水平连铸时决定单晶形成的两大因素 液面高度和固液界面位置的静力学模型, 完成了原理性工艺试验, 目前已能成功地每炉拉制出长 710m, 直径 8mm, 表面呈镜面光滑的铝单晶铸锭, 同时对铜单晶连铸技术也进行了研究。单晶连铸设备结构示意图5 展望影响连续定向凝固组织的主要因素是温度梯度 GL 和凝固速度 R (或称晶体生长速率) , 在提高 GL 的前提下, 增大凝固速度 R, 可以细化组织, 获得优异性能的铸坯, 同时有利于提高生产效率。合金在凝固过程中, 最初的晶粒取向是任意分布的 , 晶粒间的相互竞争,
40、使晶粒取向渐趋一致, 晶粒数量减少, 残留下来的是与凝固方向平行的柱状晶。该技术具有如下特点：理论上可以制备具有无限长柱状晶组织或者单晶组织的杆坯；铸坯的表面质量可以接近或达到镜面状态,断面形状不受限制； 铸坯组织致密。因铸坯中心先于表面凝固, 不存在铸坯中心补缩问题, 利于消除疏松、 缩孔等缺陷, 故所得铸坯缺陷少,组织致密, 纯净度高； 铸坯的性能显著提高。由于铸坯缺陷少, 组织致密, 并且消除了横向晶界, 所以铸坯塑性加工性能好, 可以减少甚至消除中间退火等工序, 减少能源损耗, 提高生产率, 抗腐蚀性能、 抗疲劳性能以及导电性能等均得到显著改善。如何获得具有一定外形的铸件是关系到该技术
41、能否实用化的主要问题, 目前该技术生产效率低, 从影响连续定向凝固组织的主要因素看, 要增大凝固速度 R, 应提高温度梯度 GL, 目前所使用的冷却剂基本都是水, 冷却能力有限, 应开发冷却能力强的冷却剂, 例如研究如何利用液氮作为冷却剂等来提高温度梯度, 以致加大生产效率。还应组织有限力量 , 集中优势兵力, 加大国内外交流, 加快新型近终金属成型技术在国内工程化和实用化。纵观定向凝固技术发展的历史就是温度梯度和凝固速度不断提高的历史, 随着实验技术的改进和人们的努力, 新一代连续定向凝固技术必将为新材料的制备和新加工技术的开发提供广阔的前景, 也必将使凝固理论得到完善和发展。参 考 文 献
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