Al-4%Cu合金定向凝固枝晶_胞晶转变速率的研究

2012年 序号 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13 14 15 16 17 18 19 20 21 22 23 24 25 26 27
科研热词 形核 非平衡效应 长大 镍基单晶高温合金 过冷度 竞争 磁致伸缩 热力学深过冷 次生相 显微结构 快速凝固 平衡分配系数 均匀化处理 固态相变 取向多晶 初生相 凝固速率 凝固组织 凝固特征温度 凝固机制 凝固 再辉 共晶相 三元al合金 ru re fe-ga合金
推荐指数 3 2 2 2 2 2 2 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1
2009年 序号 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13 14 15 1平衡热力学 显微组织 凝固路径 mg-al-zn合金 dsc 非平衡效应 非平衡凝固 金属 过冷度 纯度 相选择 相变 深过冷 晶体结构 快速凝固 微观结构 合金 包晶反应 冷却速率 sn-sb合金 fe-b合金 al-ni合金
2008年 序号 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13 14 15 16 17 18 19 20 21 22 23 24 25 26 27 28 29 30 31 32
科研热词 显微组织 镁合金 锰 钙 界面温度 溶质截留 定向凝固 金属型 过冷 纳米硬度 纳米压痕 硬度 相转变 激光立体成形 溶质平衡分配系数 梯度材料 枝晶/胞晶转变 材料合成与加工工艺 抽拉速率 微铸件 微观组织 微精密铸造 弹性模量 尖端半径 固/液界面 合金微精密铸造 凝固 二元共晶 znal4 ti2alnb ti al-4％cu合金
推荐指数 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1
2011年 序号 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13 14 15 16 17 18 19 20 21 22 23 24 25 26

《Al-Cu-Si三元共晶合金高压凝固组织》篇一一、引言随着现代科技的发展，合金材料因其独特的物理和化学性质在众多领域得到了广泛应用。

Al-Cu-Si三元共晶合金作为一种重要的合金材料，其具有优异的机械性能和良好的耐腐蚀性，被广泛应用于航空航天、汽车制造、电子封装等领域。

本文将重点研究Al-Cu-Si三元共晶合金在高压凝固条件下的组织结构及其性能特点。

二、Al-Cu-Si三元共晶合金的基本性质Al-Cu-Si三元共晶合金是一种由铝、铜和硅三种元素组成的合金。

该合金具有共晶成分，即在一定的温度下，三种元素可以形成共晶组织。

这种组织结构使得合金具有优异的机械性能和良好的耐腐蚀性。

此外，Al-Cu-Si三元共晶合金还具有较好的加工性能，可以满足不同领域的应用需求。

三、高压凝固条件下的组织结构研究高压凝固是一种通过提高凝固过程中的压力来改变合金组织结构的方法。

在Al-Cu-Si三元共晶合金的高压凝固过程中，合金的组织结构会发生显著变化。

通过实验观察和数据分析，我们发现高压凝固条件下，合金的晶粒尺寸减小，晶界更加清晰，同时还会出现一些新的相结构。

这些变化对合金的机械性能和物理性能产生重要影响。

四、组织结构的形成机制Al-Cu-Si三元共晶合金高压凝固组织结构的形成机制主要受到压力、温度和时间等因素的影响。

在高压凝固过程中，压力的作用使得合金的原子排列更加紧密，晶粒尺寸减小。

同时，温度和时间的控制也对组织结构的形成具有重要影响。

适当的温度和时间可以使合金的组织结构更加均匀，提高合金的性能。

五、组织结构与性能的关系Al-Cu-Si三元共晶合金的组织结构对其性能具有重要影响。

通过实验数据和性能测试，我们发现高压凝固条件下形成的组织结构具有更高的硬度、强度和耐磨性。

此外，这种组织结构还具有良好的耐腐蚀性和热稳定性，使得合金在恶劣环境下仍能保持良好的性能。

六、结论本文对Al-Cu-Si三元共晶合金高压凝固组织进行了深入研究。

西北工业大学李建国等人通过改变加热方式，在液态
金属冷却法（LMΒιβλιοθήκη 法）的基础上发展的一种新型定向凝固 技术—区域熔化液态金属冷却法，即ZMLMC法。
33
这种方法将区域熔炼与液态金属冷却相结合，利用
感应加热机中队了凝固洁面前沿液相进行加热，从而有
效地提高了固液前沿的温度梯度。西北工业大些研制的 ZMLMC定向凝固装置，其最高温度梯度可达1300K/cm,最
34
1.试样 2.感应圈 3.隔热板 4.冷却水 5.液态金属 6.拉锭机构 7.熔区 8.坩埚 超高温度梯度定向凝固装置图
35
电磁约束成形定向凝固（DSEMS）
在ZMLMC法基础上，凝固剂属国家重点实验室提出并 探索研究了近十年的电磁约束成形定向凝固技术。该技 术是将电磁约束成型技术与定向凝固技术相结合而产生 的一种新型定向凝固技术。利用电磁感应加热熔化感应 器内的金属材料，并利用在金属熔体部分产生的电磁压 力来约束已熔化的金属熔体成形，获得特定形状铸件的 无坩埚熔炼、无铸型、无污染定向凝固成形。 由于电磁约束成形定向凝固取消了粗厚、导热性能 查的陶瓷模壳、实现无接触铸造，使冷却介质可以直接 作用于金属铸件上，可获得更大的温度梯度，用于生产 无（少）偏析、组织超细化、无污染的高纯难熔金属及 合金，具有广阔的应用前景。
图 2 光学晶体CaF2 (左1:φ220×150mm).
金属单晶具有特殊的力学物理性能
2、 定向凝固原理
—如何实现定向凝固？
10
合金固溶体凝固时的晶体生长形态 a) 不同的成分过冷情况
b) 无成分过冷
C) 窄成分过冷区间
平面晶
胞状晶
d) 成分过冷区间较宽 柱状树枝晶 e) 宽成分过冷 内部等轴晶

Ｅｆｆｅｃｔ ｏｆ ＳＯｌｉｄｉｆｉｃａｔｉＯｎ Ｐｒｅｓｓｕｒｅ ｏｎ Ｍ ｉｃｒＯｓｔｒｕｃｔｕｒｅｓ ａｎｄ Ｍ ｅｃｈａｎｉｃａＩ
Ｐｒｏｐｅｒｔｉｅｓ ｏｆ ＡＩ一４．４Ｃｕ一１．５Ｍｇ一０．４Ｌａ Ａｌｌｏｙ
ＷＡＮＧ Ｙｕ—ｌｏｎｇ，ＨＵＡＮＧ Ｈｏｎｇ－ｊｕｎ，ＺＵＯ Ｘｉａｏ－ｊｉａｏ，ＺＨＡＮＧ Ｙｕｅ，ＤＵ Ｋａｉ，ＹＵＡＮ Ｘｉａｏ－ｇｕａｎｇ
为此 ，本 研 究先 熔 ￥１ ＪＡ１．４．４Ｃｕ．１．５Ｍｇ．０．４Ｌａ合 金 ，
体数 量 少 ，其结 晶温度 范 围较 宽导 致 了合 金 在凝 固过 然 后合
程 中形 核长 大时 间较 长 ，晶粒形 貌极 易 形成 发达 的树 金 组织 与性 能 的影 响 ，以期改 善合 金组织 ，提 高力 学 枝 晶 ，合 金液 的流 动性 较 差 ，液 固收缩率 也 比Ａｌ—Ｓｉ等 性 能。
，ｅｎ ｔｈｅ ｐｒｅｓｓｕｒｅ ｒｅａｃｈｅｓ １ ２０ Ｍ Ｐａ ｔｈｅ ｔｅｎｓｉｌｅ ｓｔｒｅｎｇｔｈ ｉｓ ｉｍｐｒｏｖｅｄ ｗｈｉｌｅ ｔｈｅ ｅｌｏｎｇａｔｉｏｎ ｉｓ ｄｅｃｒｅａｓｅｄ 纾 ｅｎ ｔｈｅ ｐｒｅｓｓｕｒｅ ｉＳ ８０ Ｍ Ｐａ．ｔｈｅ ｔｅｎｓｉｌｅ ｓｔｒｅｎｇ ｔｈ ａｎｄ ｅｌｏｎｇａｔｉｏｎ ｏｆ ｔｈｅ ａｌｌｏｙ ｃａｎ ｒｅａｃｈ ２ ｌ ７－２３ ＭＰａ ａｎｄ １ ０．６ １％ ． ｒｅｓｐｅｃｔｉｖｅｌｙ． Ｋｅｙ ｗｏｒｄｓ： ｐｒｅｓｓｕｒｅ；Ａ１．Ｃｕ—Ｍ ｇ ａｌｌｏｙ；ｍ ｅｃｈａｎｉｃａｌ ｐｒｏｐｅｒｔｉｅｓ；ｍ ｉｃｒｏｓｔｒｕｃｔｕｒｅ
铝合 金 要大 ，与 较差 的流 动性共 同作 用使 得 合金 凝 固 后 易产 生热 裂 、缩孔 、偏 析等铸 造 缺 陷［２－３］。Ａ１．Ｃｕ．Ｍｇ 系合金 的应 用 因此受 到极 大的 限制 。此外 ，Ｃｕ元 素在 常规铸 造 中的偏 析 问题也 是造 成Ａｌ—Ｃｕ．Ｍｇ系合金 性能 偏低 的主 要 因素 ［４］。研 究 表 明对 凝 固中 的Ａ１．Ｃｕ．Ｍｇ合 金施 加 较高 的压 力 ，可 有效 防止气孔 及缩 松 等缺 陷产 生 ，能 得到 较为 致密 的铸 件 ，并且 施 加压 力后 金 属 液 与模 具 内壁 紧密接 触 ，导热 系数 远大 于重 力铸 造使

Ａｂ ｔ ａ ｔ ｓｒ ｃ ：Ｅｆ ｅ ｔ ｆ ｒ ｔｏｎ ｔ ｍ ｐ ｒ ｔ ｒ ｎｄ ｓ ｒ ｉ ａ ｅ ｏ ｅ ｏｒ ｔｏ ｈａ ｉ ｒ０｛ｓ ｍｉｓ ｉ — ｆ ｃ ｓｏｆｄｅ ｏ ｍａ ｉ ｅ ｅ ａ ｕ ｅａ ｔ ａ ｎ ｒ ｔ ｎ ｄ ｆ ｍａ ｉ ｎ ｂｅ ｖ ｏ ｅ ｏｌ Ａ１ ｄ ４ — ｇ ａ ｌ ｙ ｗｅ ｅ ｉ ｓ ｉ ｔ ｄ． Ｔｈ ｅ ｕ ｔ ｈｏ ｔ ａ ｆ ｒ ａ ｉ ｎ ｔ ｍｐｅ ａ ｕｒ ｎ ｓ ｒ ｉ ｒ ｔ ｒ Ｃｕ Ｍ ｌｏ ｒ ｎｖｅ ｔｇａ ｅ ｅ ｒ ｓ ｌｓ ｓ ｗ ｈ ｔ ｄｅ ｏ ｍ ｔｏ ｅ ｒ ｔ ｅ ａ ｄ ｔ ａｎ ａ ｅ ａ ｅ
分 离 现 象 以半 固态 热模 拟 压 缩 实 验 为基 础 ， 立 了 反 映 半 固 态 ＡＩ Ｃ — 建 一 ｕ Ｍｇ合 金 变形 行 为 的 本 构 关 系 模 型 ， 过 验 证 ４ 通 可知该模 型具有较好的精度 。 关 键 词 ：半 固态 ； 一Ｃ — Ａｌ ｕ Ｍｇ合 金 ；变 形 行 为 ；模 型 化 ４ 中图分类号 ： １６２ ＴＧ ４ ． 文 献 标 识 码 ：Ａ 文 章 编 号 ：１ ０ － ３ １ ２ ０ ） ５０ ４ － ５ ０ １ ４ ８ （ ０ ７ ０ — ０ ３ ０
ｄ ｆｅ ｅ ｅ ｏｒ ｔｏ ｃ ｎ ｓ ｉｆ ｒ ｎｔｄ ｆ ｍａ ｉ ｎ ｍｅ ｈａ ｉ ｍ． Ａｔｔ ｇｉ ｎ ｆｃ ｍ ｐ ｅ ｓｏ ｈｅ ｂｅ ｎｎｉ ｇ ｏ ｏ ｒ ｓ ｉ ｎ，ｔ ｆ ｍａ ｉ ｎ ｍｅ ｈａ ｉ ｍ ｓ ｌｑ ｈｅｄｅ ｏｒ ｔｏ ｃ ｎ ｓ ｉ ｉ — ｕ ｄ ｆｏ （ ｉ ｌ ｗ ＬＦ）ａ ｌ ｗ ｉ ｉ ｎ ｏ ｐｏ ａ ｉ ｇ ｓ ｉ ｒｉ ｌ ｓ（ ｎｄ ｆｏ ｏｆｌ ｑｕ ｄ ｉ ｃ ｒ ｒ ｔｎ ｏｌ ｐａ ｔｃ ｅ ＦＬＳ） Ｈ ｏ ｖｅ ｄ ． ｗｅ ｒ，ｗｉｈ ｔ ｎｃ ｅ ｓｎｇ ｏ ｔ ｈｅ ｉ ｒ ａ ｉ ｆ ｈｅ ｇ ｅ ｃ ｉ ｉ ｈｔｒ ｄｕ ｔｏｎ，ｓ ｉ ｎ ｔ ｅ ｏ ｉ ａ ｔｃ ｅ （ ｌ ｄｉ ｇ ｂｅ ｗｅ ｎ ｓ ｌｄ ｐ ｒ ｉ ｌｓ ＳＳ）ａ ｌ ｓ ｉ ｅ ｏ ｍ ａ ｉ ｎ ｏｆｓ ｌｄ ｐ ｒ ｉ ｌ ｓ（ ｎｄ ｐ ａ ｔｃ ｄ ｆ ｒ ｔｏ ｏ ｉ ａ ｔｃ ｅ ＰＤＳ） ａ ｅ ｄｏ ｉ ｔｎ ｎ ｔ ｅ ｓ ｍ ｉｓ ｌｄ ｃ ｍ ｐ ｅ ｓｏ ｒ ｍ ｎａ ｉ ｇ ｉ ｈ ｅ — ｏ ｉ ｏ ｒ ｓ ｉ ｎ． Ｏｎ ｂａ ｉ ｆｔ ｅ ｅ ｅ ｉ ｎｔ ｌｄａ ａ ｏ ｅ — ｏｌ — Ｃｕ ｓｓ ｏ ｈ ｘｐ ｒｍｅ ａ ｔ ｆｓ ｍｉｓ ｉ Ａ１４ — ｄ Ｍ ｇ ａ ｌ ｙ，ａ ｍｏ ｌｗａ ｓ ａ ｉｈｅ Ｏ ｄ ｓ ｒｂｅ ｔ ｅ ａ ｉ ｎｓ ｐ ｂｅ ｗｅ ｎ ｔ ｏ ｅ ｓｎｇ ｐ ｒ ｍｅ ｅ ｓａ ｌｏ ｄｅ ｓ ｅ ｔ ｂｌｓ ｄ ｔ ｅ ｃ ｉ ｈｅ ｒ ｌ ｔｏ ｈｉ ｔ ｅ ｈｅ ｐｒ ｃ ｓ ｉ ａ ａ ｔ ｒ ｎｄ ｆｏ ｓ ｒ ｓ ｌ ｗ ｔ ｅ ｓ，ｗｈ ｃ ｈｏ ｏ ａ ｃ ｔ ｘ ｒｍｅ ｔ ｌｄａ ａ ｉ ｈ ｓ ｗｓ ｇｏ ｄ ｍ ｔ ｈ ｗｉｈ ｅ ｐｅ ｉ ｎ ａ ｔ ． Ｋｅ ｒ ｓ： ｅ — ｏ ｉ ｙ ｗｏ ｄ ｓ ｍｉｓ ｌｄ；Ａ １４ — ｇ ａ ｌ — Ｃｕ Ｍ ｌｏｙ；ｄ ｆ ｍａ ｉ ｎ ｂｅ ａ ｉ ；ｍｏ ｌ ｅ ｏｒ ｔｏ ｈ ｖ ｏｒ ｄｅ

定向凝固Fe-Mn-C-Al系TWIP钢枝晶生长行为的研究丁浩;刘建华;闫柏军;刘洪波;申耀祖【期刊名称】《河南冶金》【年(卷),期】2017(025)006【摘要】采用定向凝固技术结合光学显微镜对Fe-Mn-C-Al系TWIP钢的枝晶生长行为进行了研究,通过建立不同的数学模型对生长速率为25 μm/s、50 μm/s、100 μm/s定向凝固TWIP钢试样中的一次和二次枝晶臂间距进行了预测,并与实验结果进行了比较,结果发现,在实验速度范围内,实验用钢的凝固组织都为枝晶组织,并且随着抽拉速度的增加,枝晶被明显细化.3种一次枝晶臂间距模型的计算值与实验值的综合误差率分别是22.45%、35.64%、78.49%,其中Hunt模型预测效果最好.3种二次枝晶臂间距模型的计算值与实验值的综合误差率分别是8.27%、19.70%、41.94%,其中Masana Imagumbai模型可以准确的预测SDAS值.【总页数】5页(P1-4,38)【作者】丁浩;刘建华;闫柏军;刘洪波;申耀祖【作者单位】北京科技大学工程技术研究院;北京科技大学工程技术研究院;北京科技大学冶金与生态工程学院;北京科技大学工程技术研究院;北京科技大学工程技术研究院【正文语种】中文【相关文献】1.DZ125定向凝固高温合金在不同状态下的超高周疲劳行为研究 [J], 顾玉丽;陶春虎;佘力;何玉怀;曲士昱2.应变比对定向凝固高温合金DZ125低循环疲劳行为影响的研究 [J], 刘金龙;石多奇;杨晓光;包宇;王井科3.定向凝固Fe-6.5wt%Si合金热压缩变形行为研究 [J], 房现石;梁永锋;任松波;林均品;叶丰4.DZ125定向凝固高温合金的超声疲劳行为研究 [J], 顾玉丽;陶春虎;何玉怀;胡春燕5.定向凝固TWIP钢的微观组织及力学行为 [J], 汪聃; 王新福因版权原因，仅展示原文概要，查看原文内容请购买。

温度场及其耦合作用的基础上 " 将电磁约束成形技 术与定向凝固技术相结合 " 设计了无接触电磁约束 成形与凝固控制 &A’(>’ 和 软 接 触 电 磁 约 束 成 形 与 凝固控制 &A’>((’% A’(> 和 A’>(( 分别可以实现 高熔点 ( 大密度合金的无污染或低污染约束成形 " 对 于诸如钛合金 ( 高温合金 ( 难熔金属 ( 高合金钢 ( 各类 金属间化合物以及其它难加工成形先进材料的制备
&G ’ 深过冷 &O ’ 深过冷定向凝固
图:
深过冷及深过冷定向凝固实验原理简图
)’&’( 定向凝固装置 " 最高温度梯度可达 "*++, ./ " 最 大 冷 却 速 度 可 达 0+, - 1" 凝 固 速 率 可 在 23 "+++!/ - 1 内
调节 ! 但是 " 这 种方法单纯采 用强制加热来 提高 温 度 梯 度" 从而提高 凝固速度"仍 不能获得很大 的冷却速度" 因为需要散发 掉的热量相对 而言更多了" 故冷却速率提 高有限" 一般 很难达到快速 凝固! 目前这 方面的研究还 一步的努力和改进 !
#$%&
的出现 ! 使得所有国家的先进新型发动机几乎无一 例外地选用铸造高温合金制作最高温区工作的叶 片 ! 目前几乎所有先进航空发动机都以采用单晶叶 片 为 特 色 ! 正 在 研 制 中 的 推 重 比 为 $) 的 发 动 机
.//( $ 美 %!./-0 $ 美 %!12(0 $ 美 %!23-000 $ 英 # 德 # 意 # 西 %!4%%5- $ 法 %!6-000 $ 俄 % 以及其他新型发动机都

面不光滑，存在很多由晶界造成的凹陷．当晶粒足够 大时，在固液界面上形核所需形核功大于在已有表 面键合生长的焓变，此时不再有新的晶粒形成．
制备的高纯铝锭在电阻保温炉中处理后，剥离 出立体的晶粒，通过实际观察对比发现，在拉伸前保 温时间越长，等轴晶的层数越少，如图３所示．熔化 完毕直接拉伸的情况下，明显存在几层等轴晶，不同 层的晶粒相互交叉，上层晶粒的形核部位完全被下 层晶粒所包围．保温时间为３０ ｍｉｎ时，只有紧靠结 晶台的一层还保留为等轴晶，其余均为柱状晶．当保 温时间达到６０ ｍｉｎ后，则几乎看不到等轴晶的存 在，柱状晶为晶体存在的主要形式． ２．２晶粒的强制生长 ２．２．１ 临界生长速度 由成分过冷公式，可计算出 试验条件下铝锭定向凝固平界面生长的临界速度：
下引停止时，晶粒的生长并没有完全停止，只是 速度变得缓慢．由于温度梯度变大，在此条件下新生 的晶粒在形核及逐渐长大过程中出现了晶粒合并现 象．新的晶粒形核及长大并不是以某个晶粒的晶格 结构为基础的，而是在多细柱状晶顶端重新开始，新
万方数据
图６合并后的晶粒直径与暂停时间的关系
Ｆｉｇ．６
Ｔｈｅ ｄｅｐｅｎｄｅｎｃｅ ｏｆ ｄｉａｍｅｔｅｒ ｏｆ ｔｈｅ ｃｏｍｂｉｎｅｄ ｇｒａｉｎ ｏｎ ｈａｌｔｉｎｇ ｔｉｍｅ
在合金的定向凝固中，新的晶粒在固液界面前 沿形核是可能的．在纯铝定向凝固中，溶质元素含量 较低，在界面前沿的液相中不可能产生大的成分过 冷区，所以在界面前沿直接形核的可能性很小．但由 于偏析溶质元素在晶界处和界面前沿聚集ｎ］，在晶 粒夹角处易于局部形成成分过冷．以夹角处为基底 形核，可大大减小形成固液界面所需的界面能，故新 晶粒在晶界夹角处形核．这也说明此时固液界面表
（４）将制备的试样放人保温炉中，在６５０。Ｃ保 温２ ｈ，取出后马上施以冲击力，晶粒即可剥离．

5.1 定向凝固旳发展历史 5.2 定向凝固基本原理 5.3 定向凝固工艺 5.4 应用实例
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5.1定向凝固旳发展历史
定向凝固过程旳理论研究旳出现是在 1953年，那是Charlmers及其他旳同事们 在定向凝固措施考察液/固界面形态演绎旳 基础上提出了被人们称之为定量凝固科学 旳里程碑旳成份过冷理论。
而当界面前沿存在成份过冷时，界面前沿 因为不稳定原因而形成旳凸起会因为处于过 冷区而发展，平界面失稳，造成树枝晶旳形 成。
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成份过冷理论提供了判断液固界面 稳定性旳第一种简要而合用旳判据，对 平界面稳定性，甚至胞晶和枝晶形态稳 定性都能够很好地做出定性地解释。
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1、成份过冷理论
纯金属旳凝固过程
在正旳温度梯度下，固液界面 前沿液体几乎没有过冷，固液 界面以平面方式向前推动，即 晶体以平面方式向前生长。
在负旳温度梯度下， 界面前方旳液体强烈过冷， 晶体以树枝晶方式生长。
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成份过冷理论能成功旳鉴定低速生长条件下 无偏析特征旳平面凝固，防止胞晶或枝晶旳生 长。
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单晶在生长过程中绝对要防止固—液界面不稳定 而生出晶胞或柱晶。故而固—液界面前沿不允许有 温度过冷或成份过冷。固液界面前沿旳熔体应处于 过热状态，结晶过程旳潜热只能经过生长着旳晶体 导出。定向凝固满足上述热传播旳要求，只要恰当 旳控制固—液界面前沿熔体旳温度和速率，是能够 得到高质量旳单晶体旳。
但是这一判据本身还有某些矛盾，如：
成份过冷理论把平衡热力学应用到非平衡动力学过程中，必然带 有很大旳近似性;

工艺比较
工艺比较
几种新型定向凝固技术
区域熔化液态金属冷却法 超高梯度定向凝固技术(ZMLMC) 深过冷定向凝固技术 电磁约束成形定向凝固技术 激光超高温度梯度快速定向凝固技术
区域熔化液态金属冷却法(ZMLMC)
ZMLMC法是采用区域熔化和液态金属 冷却相结合的方法。它利用感应加热,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。由于冷 却速率明显提高,导致凝固组织细化,大幅 度提高了合金的力学性能。
与传统定向凝固相比,深过冷定向凝固 有下述特点: (1)深过冷凝固与快淬急冷液态金属具 有相似的凝固机制,本质上均属快速凝固。 (2)定向凝固组织形成过程中的晶体 生长速度高,组织结构细小,微观成分偏析 程度低,促使铸件的各种力学性能大幅度提 高。目前,深过冷的研究还局限于纯金属或 简单的二元合金,如何获得具有一定外形的 零件是关系到该技术能否实用化的主要问 题。
第7章 定向凝固技术
定向凝固技术
定向凝固技术的特点
定向凝固设备与方法
定向凝固中温度场分布
定向凝固中浓度场分布 定向凝固界面稳定性
定向凝固技术的发展
从七十年代后期开始,与能源相关的设备, 如核电站设备、压力容器等的需求量增加,相 应地用于这些设备的大型板类件激增。这些板 类件不仅趋于大重量、超厚度,而且对疏松、 偏析、非金属夹杂物的要求极为严格,甚至还 要求有较好锻造性能和焊接性能。这些苛刻的 要求对普通锭生产工艺提出了挑战。 正是在上述背景下,法国和日本在七十年 代末相继提出了小高径比、高冷却强度的定向 凝固锭技术。
液态金பைடு நூலகம்冷却法
影响因素： 冷却剂的温度 模壳传热性、厚度和形状 挡板位置 熔液温度 液态金属冷却剂的选择条件： 有低的蒸气压，可在真空中使用 熔点低，热容量大，热导率高 不溶解在合金中 价格便宜

定向凝固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。

定向凝固是研究凝固理论和金属凝固规律的重要手段，也是制备单晶材料和微米级(或纳米级)连续纤维晶高性能结构材料和功能材料的重要方法。

自20世纪60年代以来，定向凝固技术发展很快。

由最初的发热剂法、功率降低法发展到目前广泛应用的高速凝固法、液态金属冷却法和连续定向凝固技术。

现代航空发动机的涡轮叶片和导向叶片是用铸造高温合金材料制成，这类材料晶界在高温受力条件下是较薄弱的地方，这是因为晶界处原子排列不规则，杂质较多，扩散较快，于是人们设想利用定向凝固方法制成单晶，消除所有晶界，结果性能明显提高了。

定向凝固技术广泛应用于高温合金、磁性材料、单晶生长、自生复合材料的制备等力面，并且在类单晶金属间化合物、形状记忆合金领域具有极广阔的应用前景。

制备方法：1. 发热剂法定向凝固技术的起始阶段。

基本原理:将铸型预热到一定温度后，迅速放到水冷铜底座上并立即进行浇注，顶部覆盖发热剂，侧壁采用隔热层绝热，水冷铜底座下方喷水冷却，从而在金属液和已凝固金属中建立起一个自下而上的温度梯度，实现定向凝固。

2. 功率降低法铸型加热感应圈分两段，铸件在凝固过程中不动，在底部采用水冷激冷板。

加热时上下两部分感应圈全通电，在加入熔化好的金属液前建立所要的温度场，注入过热的合金液。

然后下部感应圈断电，通过调节输入上部感应圈的功率，在液态金属中形成一个轴向温度梯度。

热量主要通过已凝固部分及底盘由冷却水带走。

由于热传导能力随着离水冷平台距离的增加而明显降低，温度梯度在凝固过程中逐渐减小，所以轴向上的柱状晶较短。

并且柱状晶之间的平行度差，合金的显微组织在不同部位差异较大，甚至产生放射状凝固组织。

3. 高速凝固法装置和功率降低法相似，多了拉锭机构，可使模壳按一定速度向下移动，改善了功率降低法温度梯度在凝固过程中逐渐减小的缺点；另外，在热区底部使用辐射挡板和水冷套，挡板附近产生较大的温度梯度，局部冷却速度增大，有利于细化组织，提高力学性能。

ＪＡＮ ｎ － ｅ， ｉ ｏ ｇ Ｓ Ｇ Ｃｈ ｎ －ａ ｇ ＧＡ Ｙ － ｉ Ｈ －ｅ Ｉ Ｇ Ｍｉｇｗ ｉＤＵＷｅ－ ｎ ， ＯＮ ａ ｇｊ ｎ ， Ｏ ｕｌ， ＡＩ ｊ ｄ ｉ ａＺ Ｑｉｉ
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ｃ ｕ ｅ ｙ ｃ ｕ ｉ ｌ ｌ ａ ｓ ｄ ｂ ｒ ｃ ｂ ｅ ｗａ １ ．
关键词 ： 自然对 流 ；Ａ１ ．％Ｃ 合金 ；定 向凝 固 ；凝 固组织 ．５ ｕ ４ 中图分 类号 ：Ｔ ４ ．１ 文 献标识 码 ：Ａ 文章编 号 ：１０ —９７ （０７ ２ １０— ３ Ｇ１６２ ０ １４７ ２０ ）１—３７ ０
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熔体过热处理对Al-4.7%Cu合金定向凝固力学性能及晶体取向的影响司乃潮;孙克庆【期刊名称】《铸造》【年(卷),期】2007(056)007【摘要】在熔体过热温度Ts分别为750、850、950、1 050 ℃时,研究熔体过热温度对Al-4.7%Cu合金定向凝固组织及力学性能的影响,利用综合热分析仪测定Al-4.7%Cu合金熔体结构特征及变化过程,用扫描电镜观察断口形貌.结果表明,定向凝固试样力学性能与非定向凝固的相比,强度提高60%,断后伸长率提高近1倍.断口形貌观察表明,富Cu相明显减少,韧窝数量显著增加.随熔体过热温度提高及过热时间延长,试样强度及塑性提高,随低温保持时间延长,试样强度及塑性变差.Al-4.7%Cu合金枝晶沿择优方向〈100〉生长,且随熔体过热温度提高,(100)晶面衍射强度减弱,表明晶面取向产生分支.Al-4.7%Cu合金过热处理会使熔体结构(即团簇结构)发生一定变化.【总页数】4页(P683-686)【作者】司乃潮;孙克庆【作者单位】江苏大学材料科学与工程学院,江苏镇江,212013;江苏大学材料科学与工程学院,江苏镇江,212013【正文语种】中文【中图分类】TG132.3;TG14【相关文献】1.熔体过热处理对Al-4.7%Cu合金定向凝固组织的影响 [J], 司乃潮;孙克庆;吴强2.熔体过热处理对定向凝固界面形态及稳定性的影响 [J], 司乃潮;孙克庆;刘海霞3.熔体过热处理对亚共晶Al-Si合金凝固特性和组织的影响 [J], 常芳娥;高玉社;坚增运;周晶;郑超;吕士勇4.探析熔体过热处理对亚共晶Al-Si合金凝固特性和组织的影响 [J], 牛玉5.熔体过热处理对AZ31镁合金凝固组织的影响 [J], 彭建;余欢;王中国;潘复生因版权原因，仅展示原文概要，查看原文内容请购买。

Al-Cu合金凝固微观组织的三维模拟及优化卜晓兵;李落星;张立强;朱必武;王水平【摘要】A 3D cellular automaton-finite element (CA-FE) method was used to predict the solidification structure of Al-Cu alloy at different casting radii, and optimized the solution diffusion coefficient in solid phase. The results show that when the casting radius changes from 10 mm to 30 mm, the proportion of columnar grains changes from 65.2% to 21.4%. With increasing heat transfer coefficient from 500 W/(m2·K) to 5 000 W/(m2·K), the proportion of columnar grains also gradually increases. The simulated results are in accord with the experimental ones well, and can accurately reflect the distribution, proportion, size of equiaxed and columnar grains.%采用CA-FE模型,对同一铸件不同尺寸的Al-2％Cu合金凝固微观组织进行三维模拟及预测,并引入空位形成能对固相扩散系数进行了优化.结果表明,当铸件直径分别为20、40和60 mm时,柱状晶占总晶体比率分别为65.2％、52.1％和21.4％,逐渐减少,而等轴晶所占比率逐渐增加；当换热系数由500 W/(m2.K)增大到5000W/(m2.K)时,同一铸件中不同直径的铸件凝固组织中柱状晶组织比例显著增大.模拟结果与实验结果吻合较好,能够较为准确地反映等轴晶和柱状晶的分布位置、比例和大小.【期刊名称】《中国有色金属学报》【年(卷),期】2011(021)009【总页数】7页(P2195-2201)【关键词】Al-Cu合金;3D元胞自动机;固相,扩散系数;凝固组织【作者】卜晓兵;李落星;张立强;朱必武;王水平【作者单位】湖南大学汽车车身先进设计与制造国家重点实验室,长沙410082;湖南大学材料科学与工程学院,长沙410082;湖南大学汽车车身先进设计与制造国家重点实验室,长沙410082;湖南大学材料科学与工程学院,长沙410082;湖南大学材料科学与工程学院,长沙410082;湖南大学材料科学与工程学院,长沙410082;湖南大学材料科学与工程学院,长沙410082【正文语种】中文【中图分类】TG292铸件中的细小晶粒能够提高材料的强度与韧性，因而预测微观组织形成是控制晶粒尺寸、形貌和铸件产品质量的重要前提。

Al-7Si-0.36Mg合金定向凝固一次枝晶臂间距实验和模拟陈瑞;许庆彦;柳百成【摘要】通过Al-7Si-0.36Mg合金定向凝固实验和元胞自动机模型，开展定向凝固枝晶形貌演化和一次枝晶臂间距选择过程的实验和模拟。

结果表明：在给定的凝固条件下，一次枝晶臂间距范围是一个连续的变化区间。

在恒定温度梯度和不同凝固速度条件下，测得Al-7Si-0.36Mg合金一次枝晶臂间距上限值(λmax)、下限值(λmin)和平均值(λave)以及生长速率之间的关系，且上限值和下限值的比值接近3。

模拟结果与实验结果的吻合程度明显优于Hunt−Lu等解析模型的预测结果，表明CA模型在枝晶定向凝固过程枝晶形貌演化模拟和枝晶臂间距预测等方面的准确性。

结合模拟研究和文献调研分析影响定向凝固一次枝晶臂选择的因素，包括抽拉速度v、温度梯度G、界面能大小、溶质扩散系数DL、枝晶生长取向与热流方向的偏离角度θ等。

%The directional solidification dendritic morphology evolution and primary dendrite arm spacing selection process of Al-7Si-0.36Mg alloy were studied by directional solidification experiments and cellular automaton model. The results indicate that there is a continuous range of primary dendrite arm spacing under the given solidification condition. Under the condition of the given temperature gradient and various solidification velocities, the relationships between the primary dendrite arm spacing parameters (λmax,λave,λmin) of Al-7Si-0.36Mg alloy and growth velocity were expressed, andλmax/λmin≈3. The simulated results show a quite good agreement with the experimental results, whichis better than predicted results of Hunt-Lu model. The comparisons reveal that the present CA model has a high accuracy in simulating the evolutionof dendrite morphology and predicting primary dendrite arm spacing in directional solidification. Based on the predictions and related literatures, the factors influencing the selection of primary dendrite arm spacing, such as growth velocity v, temperature gradient G, interfacial energy effect, solute diffusion coefficient DL, as well as the de viation angleθbetween the dendrite growth direction, and heat flux direction were analyzed.【期刊名称】《中国有色金属学报》【年(卷),期】2015(000)010【总页数】10页(P2613-2622)【关键词】定向凝固;枝晶臂间距;生长速度;元胞自动机;数值模拟【作者】陈瑞;许庆彦;柳百成【作者单位】清华大学材料学院先进成形制造教育部重点实验室，北京 100084;清华大学材料学院先进成形制造教育部重点实验室，北京 100084;清华大学材料学院先进成形制造教育部重点实验室，北京 100084【正文语种】中文【中图分类】TG290定向凝固铸件中枝晶形貌及特征直接影响着铸件最终力学性能，因此，通过深入了解和掌握定向凝固过程中枝晶的演化规律，有助于控制枝晶的形成过程，进而达到对铸件性能进行有效预测和控制的目的[1]。

Al-7Si-0.36Mg合金定向凝固一次枝晶臂间距实验和模拟陈瑞;许庆彦;柳百成【期刊名称】《中国有色金属学报》【年(卷),期】2015(000)010【摘要】通过Al-7Si-0.36Mg合金定向凝固实验和元胞自动机模型，开展定向凝固枝晶形貌演化和一次枝晶臂间距选择过程的实验和模拟。

结果表明：在给定的凝固条件下，一次枝晶臂间距范围是一个连续的变化区间。

在恒定温度梯度和不同凝固速度条件下，测得Al-7Si-0.36Mg合金一次枝晶臂间距上限值(λmax)、下限值(λmin)和平均值(λave)以及生长速率之间的关系，且上限值和下限值的比值接近3。

模拟结果与实验结果的吻合程度明显优于Hunt−Lu等解析模型的预测结果，表明CA模型在枝晶定向凝固过程枝晶形貌演化模拟和枝晶臂间距预测等方面的准确性。

结合模拟研究和文献调研分析影响定向凝固一次枝晶臂选择的因素，包括抽拉速度v、温度梯度G、界面能大小、溶质扩散系数DL、枝晶生长取向与热流方向的偏离角度θ等。

【总页数】10页(P2613-2622)【作者】陈瑞;许庆彦;柳百成【作者单位】清华大学材料学院先进成形制造教育部重点实验室，北京 100084;清华大学材料学院先进成形制造教育部重点实验室，北京 100084;清华大学材料学院先进成形制造教育部重点实验室，北京 100084【正文语种】中文【中图分类】TG290【相关文献】1.温度梯度对定向凝固Al-4.5%Cu合金一次枝晶间距的影响 [J], 司乃潮;许能俊;司松海;李云达;史剑2.合金定向凝固一次枝晶间距模拟 [J], 张显飞;赵九洲3.熔体对流对Pb-26%Bi亚包晶合金定向凝固初生相的一次枝晶间距的影响 [J], 胡小武;李双明;高思峰;刘林;傅恒志4.熔体对流对Pb-26%Bi亚包晶合金定向凝固初生相的一次枝晶间距的影响 [J], 胡小武;李双明;高思峰;刘林;傅恒志5.凝固速率对定向凝固合金DZ22枝晶臂间距和枝晶偏析的影响 [J], 刘忠元;李建国;傅恒志因版权原因，仅展示原文概要，查看原文内容请购买。

··凝固过程中，固-液界面的生长形貌是影响合金组织性能以及缺陷形成的重要因素。

Al-Si 合金具有优异的铸造性能，良好的力学性能及其他物理化学性能，是研究和应用最为广泛的铸造铝合金，占铝铸件产量的85%~90%，且适用于各种铸造方法。

大多数的铸造缺陷往往出现在合金凝固的最后阶段，而铝硅共晶体是铝硅合金凝固最后阶段的主要组织，铝硅共晶体的生长形态是影响合金性能的重要因素。

20世纪60年代，Kim 和Heine [1]对变质和未变质共晶铝硅合金的凝固模式进行了研究，发现变质合金中共晶体倾向于从铸件表层向中心生长，而未变质合金中共晶体在熔体中沿任意方向生长。

A.K.Dahle 等[2-7]对铝硅合金共晶凝固形核与生长进行了大量研究，发现未变质A356合金中有独立形核的共晶团且大部分α-Al 共晶体和树枝状α-Al 晶体取向一致，说明先析出α-Al 相是共晶体有效形核核心；另外还发现未变质工业铝硅合金中共晶体的形核是充分的，而未变质高纯铝硅合金中只有很少共晶团形成。

加入Sr 后，工业铝硅合金中形核率降低，而对高纯铝硅合金无明显影响。

蔡惠民和孙伟成等[8-10]对共晶凝固的机制及组织形态进行了研究，发现凝固条件不同得到的硅晶体形貌差别很大。

然而，他们的研究重点都是共晶组织的微观形成机制，探讨共晶组织中α-Al 相和Si 相的生长形态和相互关系，而没有当成一个整体来研究共晶体的生长形态。

铝硅合金凝固后期往往是共晶体的凝固过程，也是合金中微孔大量形成的阶段，本文研究了不同凝固条件下共晶体的生长形态，这将对研究铝合金中微孔的形成有重大的理论意义和应用价值。

由于凝固过程中固液界面形貌演化是一个涉及热量、质量和动量传输，以及界面动力学和毛细作用效应的自由边界问题，这一问题的复杂性造成目前在试验研究和理论分析上存在许多障碍，故在一黄婉如，廖恒成，吴申庆，孙国雄（东南大学材料科学与工程学院，江苏南京211189）摘要：对Al-13Si-0.2Sr-0.35Mg 合金进行了一系列单向凝固实验，研究了界面前沿温度梯度G L 和生长速度R 对铝硅合金共晶生长形态的影响。