第二部分 液态成形技术c

《第二部分 液态成形技术c》由会员分享，可在线阅读，更多相关《第二部分 液态成形技术c（48页珍藏版）》请在金锄头文库上搜索。

1、第二章第二章 材料液态成形材料液态成形 液态成形概论液态成形概论 材料液态成形工艺技术基础材料液态成形工艺技术基础 液态成形技术及其最新进展液态成形技术及其最新进展2.3 2.3 液态成形技术及其最新进展液态成形技术及其最新进展 定向凝固和单晶铸造定向凝固和单晶铸造 挤压铸造挤压铸造 半固态铸造半固态铸造 连续铸造连续铸造 复合铸造复合铸造 快速铸造快速铸造2.3.1 2.3.1 定向凝固和单晶铸造定向凝固和单晶铸造汽轮机和燃气轮机的动叶片。高温作用下发生蠕变， 导致失效，严重时带来灾难性的后果，希望提高热强性 和抗蠕变性能。 提高航空涡轮发动机性能 提高涡轮进口处的温度 提高叶片的高温性能一

2、、定向凝固技术的发展背景下面以高温叶片成形技术发展历史为例，说明定向 凝固技术的提出过程。 高温叶片成形技术发展历史：定向凝固技术可较好地控制凝固组织晶粒取向，消除横向晶界，获得柱晶或单晶组织，提高材料的纵向力学性能。定向凝固技术已成为富有生命力的工业生产手段，代表着航空发动机涡轮叶片生产的现代水平，除了用 于高温合金的研制外，还逐渐应用到半导体材料、磁性材料和复合材料的研制中，并成为凝固过程理论研究的重要手段之一。定向凝固技术的提出：定向凝固技术在共晶凝固、定向柱状晶生长和单晶铸 造等方面具有重要的意义。对于凝固温度范围宽的合金，定向凝固通过在铸件的不同部位放置冷铁实现。这时凝固界面的温度梯

3、度 大，糊状凝固区域明显减小，因此补缩得到改善，铸件完整性变好，同时铸件的机械性能也得以提高。定向凝固的合金柱状晶粒结构使得材料沿凝固方向的 抗蠕变和抗疲劳性能提高，这种技术常用来制造柱状晶或单晶叶片。定向凝固技术的意义：2.3.1 2.3.1 定向凝固和单晶铸造定向凝固和单晶铸造热流控制是定向凝固技术的重要环节，获得并保持单向热流是定向凝固成功的 重要保证。二、实现单向凝固的条件2.3.1 2.3.1 定向凝固和单晶铸造定向凝固和单晶铸造二、实现单向凝固的条件 严格保证单向散热，使成正的温度梯度 提高G/R比值 提高液体的纯净度，减小金属液体的形核能力 避免液态金属的对流、搅拌和振动当合金熔

4、液注入型壳，首先与水冷结晶器相 遇，靠近结晶器的合金熔液迅速冷却至结晶温度 以下而开始结晶，此时形成晶粒的位向是混乱的。 在随后的凝固过程中，又由于热流是通过已结晶 的固体合金单方向地向结晶器散热且结晶前沿是 正向温度梯度。由于立方晶系的金属及合金(Ni、Fe、Co等及其高温合金)在结晶过程中 为晶体的择优取向，长大速度最快；从而使那些具有方向的晶 粒择优长大，结果抑制其他方向晶粒的生长。只要这种定向凝固条件保持 不变，则取向为的柱状晶继续生长，直到整个铸件。2.3.1 2.3.1 定向凝固和单晶铸造定向凝固和单晶铸造发热铸型法-早期研究用，已淘汰炉内单向凝固法（温度梯度依次提高）功率下降法高

5、速凝固法-最为常用液态金属冷却法-实验室和小批量生产阶段三、定向凝固铸造的主要方法和设备2.3.1 2.3.1 定向凝固和单晶铸造定向凝固和单晶铸造发热铸型法 - 建立自上而下的凝固三、定向凝固铸造的主要方法和设备早期研究定向凝固技术时采用的方法。为了 控制冷却速度，用发热材料填充在铸型壁周围， 并采用水冷结晶器冷却。合金液注入后，由于水 冷结晶器的激冷导热，底部开始结晶，形成细小 等轴晶层以后晶粒择优取向，取向晶粒优 先生长，开始柱晶长大。在柱晶长大过程中，铸 型周围的发热剂放热补充热流，使柱晶继续长 大，直至过热逐渐消失，温度梯度G值减小，开 始等轴晶的生长。发热铸型法简单便宜，其主要 缺

6、点是随凝固界面与水冷结晶器距离增大，G与 R值均迅速下降，使凝固界面形态发生变化。由 于温度梯度在凝固过程中无法很好控制，同时其 温度梯度相对较小，所以只是在早期研究中采用 过此方法，目前工业生产上不采用这种方法。2.3.1 2.3.1 定向凝固和单晶铸造定向凝固和单晶铸造功率下降法 三、定向凝固铸造的主要方法和设备最初用于生产规模的定向凝固叶片 铸造。采用上下两段分开的感应圈并分 别控制其功率，感应体一般由石墨制 成，型壳置于水冷结晶器上并置于感应 体中，合金的熔化、铸型预热、浇注及 铸件的凝固等均在真空下进行。型壳预 热到合金的浇注温度后浇入合金熔液， 首先停止下部线圈的功率而急速形成温

7、度梯度，铸件在上高下低的温度梯度条 件下从水冷结晶器处开始结晶并向上生 长。随后逐渐降低上部感应圈的功率， 保证柱状晶的生长直到全部凝固结束。2.3.1 2.3.1 定向凝固和单晶铸造定向凝固和单晶铸造功率下降法 三、定向凝固铸造的主要方法和设备PD法的温度梯度一般为7-11/cm。随着枝晶生长前沿与水冷结晶器之间的距离逐渐增大，温度梯度不断减小。 叶片状铸件定向凝固的传热计算结果 表明，温度梯度是逐渐减小的，从铸 件根部的15/mm左右降至铸件尖部的2/mm左右。实际测试结果表明：与计算结果相比，实际测试的温度梯度 明显减小。采用最高的合金过热温度 (约1600 )时，距水冷结晶器100mm

8、 处的典型温度梯度为l /mm 。2.3.1 2.3.1 定向凝固和单晶铸造定向凝固和单晶铸造功率下降法 三、定向凝固铸造的主要方法和设备PD法可以根据预定的冷凝曲线控制凝固生长速率R，从而得到较满意的柱晶组织。 缺点：周期长，生产效率低。由于凝固过程中凝固区前方发生合金熔液的局部对流，容易 在铸件表面产生链状分布的“雀斑缺陷。随着柱状晶的生长，凝固区逐渐远离水冷结晶器，温度梯度G 和凝固生长速率R逐渐变小，铸件水平方向出现温度差，侧壁的型壳散热造成铸件组织在垂直和水平方向上的不均匀性。2.3.1 2.3.1 定向凝固和单晶铸造定向凝固和单晶铸造高速凝固法三、定向凝固铸造的主要方法和设备为提高

9、定向凝固速率，发展了HRS法。 在感应加热体下部安装一隔热挡板，并在 水冷结晶器下有一个型壳抽出机构，使浇 注后型壳随同水冷结晶器逐渐下移。隔热 挡板挡住了感应体的辐射热，使型壳内未 凝固区处于热区的高温下，而型壳移出部 分的凝固区处于冷区，热流则由水冷结晶 器通过传导传出，一部分热流则通过辐射 向四周散热，从而使合金凝固界面前沿的 温度梯度G值和凝固生长速率R值比PD法 提高数倍。铸件质量和生产效率均显著提 高，适合制造较长的定向叶片。2.3.1 2.3.1 定向凝固和单晶铸造定向凝固和单晶铸造高速凝固法三、定向凝固铸造的主要方法和设备温度梯度主要取决于辐射挡板下的热辐射特性和铸件的形状与

10、尺寸，一般为26-30/cm。如果采用其他更有效的散热方法，将 可提高温度梯度。提高辐射挡板上方的型壳温度可提高温度梯度。 将铸模加热方式从单区加热改为双区加热或三区加热，温度梯度 可高达90/cm，且使辐射挡板上方的型壳温度更加均匀，定向凝 固工艺得到进一步改进。 优点： 可以更好地控制冷凝曲线，很好的控制凝固生长速率R，显著改 善了生产的稳定性和可重复性； 缩短周期，提高生产效率； 凝固过程中温度梯度G和凝固生长速率R保持相对稳定，明显提 高了铸件组织在垂直和水平方向上的均匀性； 凝固过程基本不受铸件尺寸影响，铸件尺寸受工艺的限制较小。2.3.1 2.3.1 定向凝固和单晶铸造定向凝固和单

11、晶铸造液态金属冷却法三、定向凝固铸造的主要方法和设备一种高温度梯度定向凝固方法。有一冷却剂槽，要求冷却剂熔点低、沸点高、蒸气压低且对高温合金的物理化学和力学等性能无影响。通常用的冷却剂 为液态Sn，其熔点只有505K，沸点高达2540 K。浇注后的型壳从加热器中移 出，逐渐浸入到低于约300 的液态Sn熔池中，使合金凝固界面上形成很大的温度梯度和凝固生长速率，一般情况下其 温度梯度可达到73-198/cm。2.3.1 2.3.1 定向凝固和单晶铸造定向凝固和单晶铸造液态金属冷却法三、定向凝固铸造的主要方法和设备采用在较低温度下仍能保持流动状态的冷却介质，可进一步 改善定向工艺。在实验室用静止状

12、态和搅拌状态的低熔点金属 (约70)作冷却介质进行定向凝固试验，结果表明，当制造直径 为12.5mm的圆棒时，冷却金属为静态和搅拌态情况下铸件的温 度梯度分别为150/cm左右和250 /cm左右，并能用来生产定 向凝固的共晶复合材料和高温合金。冷却剂的选择是必须注意的一个问题。如果选择的冷却剂中 含有Bi、Pb、Ga、In等对高温合金有害的元素，控制不当会造成 合金污染，反而对合金不利。目前主要选择液态Sn作为冷却剂， 也可选用液态A1、Ga-In-Sn等作冷却剂进行LMC法研究以及生产 铸件。2.3.1 2.3.1 定向凝固和单晶铸造定向凝固和单晶铸造液态金属冷却法三、定向凝固铸造的主要方

13、法和设备主要特点温度梯度比前两者高很多，广泛用于单晶合金的研制和单晶铸造理论研究，并用于小批量研制和生产。用于规模生产的设备价格较为昂贵。 冷却剂的选择控制不当会造成合金污染。四、定向凝固技术的应用 定向凝固铸造柱晶组织2.3.1 2.3.1 定向凝固和单晶铸造定向凝固和单晶铸造2.3.1 2.3.1 定向凝固和单晶铸造定向凝固和单晶铸造 四、定向凝固技术的应用 定向凝固铸造单晶组织与柱晶工艺相比，主要差别在于为保证铸件由一个晶粒构成而进行晶粒生长过程 控制。目前，主要有两种浇注系统。一种是增设晶粒选择器，使一定数量的晶粒进人 晶粒选择器的底部，而只有一个晶粒从晶粒选择器的顶部露出并长满整个铸

14、件型腔。 晶粒选择器一般采用小直径向上角度的螺旋体或几个直角转弯的通道。2.3.1 2.3.1 定向凝固和单晶铸造定向凝固和单晶铸造四、定向凝固技术的应用2.3.1 2.3.1 定向凝固和单晶铸造定向凝固和单晶铸造 四、定向凝固技术的应用 定向凝固铸造共晶组织定向凝固工艺用于制造定向凝固共晶高温合金铸 件。这种合金是具有共晶成分的高温合金，属于自生 增强的金属基复合材料，所以也可称为自生共晶复合 材料。定向凝固共晶合金存在横向剪切强度低、抗氧化 性能差以及生产率低、成本高等问题目前没有进入 工程化应用阶段。2.3.1 2.3.1 定向凝固和单晶铸造定向凝固和单晶铸造五、先进定向凝固技术 超高梯

15、度定向凝固 电子束区熔定向凝固 深过冷定向凝固 电磁约束成形定向凝固 经熔体热处理的定向凝固 外场作用下的定向凝固先进定向凝固技术在提高凝固冷却速率，获得少（无）偏析、超细化定向凝固组织以及提高生产效率的同时，还将充分利用熔体结构对凝固组织以及外场对凝固过程的影响，为挖掘材料的性 能潜力，开发新型功能材料，降低材料制造成本作出贡献。2.3.2 2.3.2 挤压铸造挤压铸造挤压铸造也称“液态模锻”，是对充入铸型的液态或半固态金属施以高的机械压力，并使其在高压下凝 固成形的一种铸造技术。按挤压方式，挤压铸造分为直接挤压、间接挤压。2.3.2 2.3.2 挤压铸造挤压铸造1819年由一个英国专利最先提出，接着前苏联人Chernov在报告中提出挤压 铸造的应用前景。 1931年德国进行了第一次挤压铸造试验，原材料为Al-Si合金。 20世纪30年代，前苏联对黄铜和青铜的挤压铸造进行了系统的研究。之后， 通过对铁及有色合金的研究得出了挤压铸造的基本规则。 20世纪60年代中叶，前苏联进行了150多次挤压铸造实验并生产了200多种挤 压铸件。同时，Uram在美国第一次用1.7MPa的压力生产挤压铸造铝合金，发 现铸件中微气孔量降低，但并不能提高合金的机械性能，原因在于压力太低。 20世纪60年代早期，Resis和Kron在北美首次用340MPa和690MPa高压