抽拉速度对高温合金DZ125定向凝固中缩松的影响

··

镍基高温合金DZ125具有良好的高温力学性能[1]和工艺性能，在航空、航天等领域有广泛应用，多用于制造航空发动机涡轮叶片。但该合金在凝固过程中容易出现各种缺陷，如偏析、热裂、黑斑、缩松等[2-7]。其中，缩松作为一种重要的凝固缺陷容易在叶片内部产生应力集中，降低叶片的力学性能，成为影响发动机寿命的关键因素。因此，如何通过改变合金凝固过程中的工艺参数（如凝固过程中的抽拉速度[8]、固/液前沿的温度梯度、合金的冷却速率等）以降低组织中的缩松水平就成为当前提高航空发动机涡轮叶片性能的主要任务之一。J.Lecomte Beckers [7]，K.C.Antony 和Q.Z.Chen [14]等人研究了合金中的某些元素对缩松水平的影响规律，认为不同元素对缩松形成有不同的作用。H.S.Whitesell [5]研究了凝固参数变化对定向凝固过程中缩松水平的影响规律，但主要研究的是不同加热温度亦即不同温度梯度与缩松水平之间的关系，而对于抽拉速度与缩松水平之间关系的研究还不够深入，

有必要对其进行更进一步探索。

笔者利用定向凝固技术，研究了抽拉速度大小与镍基高温合金DZ125中缩松水平之间的关系，分析了枝晶组织在缩松形成和发展中的作用，为该合金在实际生产中的应用提供试验参考。

1试验方法

试验采用宽调速定向凝固设备（图1）。该设备上

部利用电磁感应器加热石墨体，再通过高温石墨体的辐射来加热和熔化合金，下部利用多元低熔点的液态合金进行冷却，凝固前沿的温度梯度可由冷却液界面至隔热板底部的距离h 调节。试验中为减少电磁场对定向凝固过程的影响，采用厚度为10mm 的高纯石墨体，以产生足够的屏蔽。

试验选用内径为12mm ，长为120mm 的Al 2O 3陶瓷管坩埚和直径为11.8mm ，长为110mm 的DZ125母料，在保持加热温度、真空度等主要工艺参数不变的情况下，

新材料·新工艺

冯广召，沈军，邹敏佳，刘林

（西北工业大学凝固技术国家重点实验室，陕西西安710072）

摘要：研究了不同抽拉速度下镍基高温合金DZ125定向凝固试样中显微缩松的分布、变化规律。结果表明，在一定抽拉速

度范围内（v ≤100μm/s ），随抽拉速度增加，定向凝固试样中缩松水平降低。v =50μm/s 时试样中缩松水平约为v =5μm/s 时缩松水平的10%，v =100μm/s 时试样中的缩松水平约为v =50μm/s 时缩松水平的70%~90%。随抽拉速度增大，一次枝晶间距和二次枝晶间距减小，枝晶发生细化，抽拉速度对缩松水平的影响主要由枝晶间距的变化引起。

关键词：镍基高温合金；定向凝固；抽拉速度；显微缩松

中图分类号：TG132.3+2文献标识码：A 文章编号：1001-4977（2009）05-0427-04

FENG Guang-zhao,SHEN Jun,ZOU Min-jia,LIU Lin

（State Key Laboratory of Solidification Processing,Northwestern Polytechnical University,

Xi'an 710072,Shaanxi,China

）Abstract ：Directional solidification experiments were carried out on nickel based super-alloy DZ125

under withdrawal rates of 50μm/s,50μm/s and 100μm/s in order to investigate the distribution and variation of the micro-porosity.The results show that with the increasing of withdrawal rate the micro-porosity level of the samples decreases.The micro-porosity level at v =50μm/s is about 10percent of that at v =5μm/s and the micro-porosity level at v =100μm/s is about 70-90percent of that at v =50μm/s.The primary arm spacing and the secondary arm spacing both decrease while the withdrawal rate increases.The influence of withdrawal rate on the micro-porosity level depends on the arm spacing.

Key words ：nickel based super-alloy;directional solidification;withdrawal rate;micro-porosity 抽拉速度对高温合金DZ125定向凝固中缩松的影响

Influence of Withdrawal Rate on the Micro-Porosity of

Super-Alloy DZ125in Directional Solidification

收稿日期：2008-12-08收到初稿，2009-02-23收到修订稿。

作者简介：冯广召（1983-），男，河北辛集人，硕士研究生，主要从事高温合金定向凝固的研究，E-mail ：xinji0243@https://www.wendangku.net/doc/957979326.html,

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铸造

FOUNDRY

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··分别进行抽拉速度为v =5μm/s 、v =50μm/s 和v =100μm/s 的试验。

试验结束后将试样进行纵切和横切，经过打磨、抛光后用腐蚀剂（10g FeCl 3+20ml HNO 3+30ml H 2O ）进行腐蚀，利用Lecia DM4000光学显微镜观察试样的金相组织，记下纵截面中初熔界面位置。随后对枝晶间距进行测量，得到一次枝晶间距和二次枝晶间距与抽拉速度的关系。观察完毕，将纵向截面重新打磨、抛光后用丙酮进行腐蚀，利用Lecia DM4000光学显微镜从初熔界面起沿定向凝固方向连续采集试样图像，并对照片进行拼接，得到凝固部分完整图像，然后从初熔界面处沿定向凝固方向以1mm 为单位进行连续分割，统计出各段的缩松水平。这里对缩松进行观察时，采用丙酮做腐蚀剂是因为FeCl 3强大的腐蚀性容易将缩松腐蚀变形并改变尺寸，

而丙酮由于腐蚀性较差，不会对缩松形态产生影响，可保留缩松原貌。

2

试验结果

2.1

凝固组织

表1表示一次枝晶间距和二次枝晶间距随抽拉速度变化的关系，图2为不同抽拉速度下试样中定向凝固组织。由表1和图2可知，当抽拉速度为5μm/s 时，一次枝晶较粗大，二次枝晶较少。当抽拉速度增大到50μm/s 时，一次枝晶臂变细，同时出现二次枝晶。当继续增大抽拉速度时，一次枝晶臂和二次枝晶臂更加细化。由KURZ-FISHER 公式：

λ1=4.3[m （k -1）D Γ/k 2]0.25c 00.25v -0.25G -0.5（1）

可知，当定向凝固在一定抽拉速度范围内进行时，一次枝晶间距随抽拉速度增加而减少，且与抽拉速度的1/4次方成反比。从表1可看出，当抽拉速度从5μm/s 增大到50μm/s 时，一次枝晶间距从349μm 变为319μm ，降低了30μm 。当抽拉速度从50μm/s 增大到100μm/s 时，一次枝晶间距从319μm 变为297μm ，减少21μm 。与KURZ-FISHER 公式相一致。

抽拉速度/（μm ·s -1）一次枝晶间距/μm 二次枝晶间距/μm

表1一次枝晶间距和二次枝晶间距与抽拉速度的关系Table 1Relationships between primary and secondary arm

spacing and withdrawal rate

10029776

5349∞

5031986

图1定向凝固装置示意图

Fig.1Schematic of directional solidification apparatus

2.2

凝固组织中的缩松

缩松通常以单位面积内的缩松面积或单位体积内的缩松体积表示，称为缩松水平。缩松体积一般由密

度测量法得到，但由于合金凝固过程中沿轴向和径向存在偏析，用密度测量法很难得到准确的缩松水平，所以这里主要采用轴向截面内单位面积中的缩松面积

图2

不同抽拉速度下的定向凝固组织

Fig.2Microstructures of directional solidified samples at different withdrawn rates

（d ）纵截面v =5μm/s

（e ）纵截面v =50μm/s （f ）纵截面v =100μm/s

（a ）横截面v =5μm/s （b ）横截面v =50μm/s （c ）横截面v =100μm/s

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··

来表示，则可得缩松水平的表达公式，即式（2）。

ε=S p S

×100%

（2）

式中：S p 为试样中缩松的面积，S 为试样截面的面积。由式（2）可得不同抽拉速度（v =5μm/s 、v =50μm/s 和v =100μm/s ）下试样中沿定向凝固方向缩松水平分布图，如图3a 所示。为更清楚表示图3a 中底部两组分布的缩松水平，图3b 列出了仅包括v =50μm/s 和v =100μm/s 两种抽拉速度时试样中的缩松水平分布状态。从图3可看到，在定向凝固过程中，随抽拉速度增加，试样中缩松水平逐渐降低，v =50μm/s 时，试样中缩松水平约为v =5μm/s 时的10%，v =100μm/s 时，试样中缩松水平多在v =50μm/s 时缩松水平的70%~90%范围内变化。从图3还可看出，当抽拉速度为v =5μm/s 时，随凝固进行，试样中沿枝晶生长方向的缩松水平由分散趋向集中，主要在0.8%到1.2%间变化；当抽拉速度为v =50μm/s 和v =100μm/s 时，试样中沿枝晶生长方向的缩松水平多在0.05%至0.1%范围间变化，凝固结束时，试样顶端往往会出现面积较大、特征较明显的缩松。

3

讨论

3.1

试样中的缩松

常规铸造中，合金中气体含量和外界气压大小对

缩松形成和分布有很大影响，一般来说，铸件中显微缩松的形成条件可由式（

3）表示。（P g +P s ）-P a ′+2σ+P

H !"

<0（3）

式中：P g 为某温度下金属中气体的析出压力，P s 为显微孔洞补缩的阻力，P a ′为凝固的金属液上的大气压力，σ为气液界面的表面张力，r 为显微孔洞的半径，P H 为孔洞上的金属液头压力。由于本试验是在真空度为0.05P a 的环境下进行的，所以式（3）中P a ′的值很小，可以忽略。又高温合金中气体含量很低，其熔化金属中的气体析出压力P g 也很小，亦可忽略，故高温合金定向凝固过程中气体因素对缩松的形成影响很小。

缩松的形成还与合金凝固过程中的收缩率大小有很大关系。合金凝固过程中，固/液相收缩率的不同将会引起枝晶间微小熔池的形成，如图4所示。如果凝固过程中由于枝晶或其它因素的影响使这些微小熔池不能及时得到流动液相的补充，则凝固结束后会在枝晶间或碳化物周围形成微小孔洞，即显微缩松。作为一种特殊凝固方式的定向凝固，凝固收缩就成为其组织中缩松形成的主要原因。

3.2

抽拉速度对缩松的影响

由以上分析可知，定向凝固过程中的显微缩松主要是由于凝固收缩在枝晶间形成了显微熔池，且由于枝晶对补缩通道的阻力，使这些显微熔池不能及时得到液相补充而发展成的，也即，显微熔池的产生和发展与一次枝晶和二次枝晶的产生和发展有很大关系。

一方面，由KURZ-FISHER 公式可知，当凝固在一定抽拉速度范围内进行时，一次枝晶间距随抽拉速度增大而变小，凝固时液相金属对凝固收缩的补缩通道也变小，从而引起糊状区渗透性降低，则凝固过程中液相金属对凝固收缩的补缩作用受到限制，导致枝晶间的显微熔池不能及时得到流动液相的补充而形成缩松；另一方面，抽拉速度增大时，使一次枝晶间距变小，造成单个缩松尺寸变小和缩松数量增多，但降低总体缩松水平。这是因为抽拉速度变化，还会引起二次枝晶臂粗细变化和二次枝晶臂间距大小的变化，并对缩松形成和发展产生影响。在合金凝固过程中，由于相邻二次枝晶间液相溶质存在浓度梯度，促使溶质

图4枝晶间的显微熔池

Fig.4Microstructure of the interdendritic liquid pool

图3

不同抽拉速度下沿凝固方向的缩松水平

Fig.3Microporosity level along the solidified direction at different

withdraw rates

（a ）抽拉速度为v =5μm/s 、v =50μm/s 和v =100μm/s 时的缩松水平

（b ）抽拉速度为v =50μm/s 和v =100μm/s 时的缩松水平

冯广召等：抽拉速度对高温合金DZ125定向凝固中缩松的影响

铸造

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··从细枝晶处向粗枝处扩散，引发细枝熔化和粗枝变粗。这个过程进行得越充分，枝晶粗化现象越严重，二次

枝晶臂间距越大。由公式λ2=β（GV ）-1/3

可知，随抽拉速

度增加，整个凝固过程在糊状区停留时间变短，凝固时热量散失速度加快，二次枝晶臂间距变小，二次枝晶很细。这样，在一次枝晶臂之间，由二次枝晶臂或三次枝晶臂相交而形成的显微熔池很小，因此最后形成单个缩松的体积也很小。

综合考虑抽拉速度对缩松形成的影响可知，在低抽拉速度下，缩松主要由枝晶粗化形成的数量较少但尺寸较大的孔洞发展而成，而在大抽拉速度下，由于枝晶很细密，缩松由数量多但尺寸很小的、没有充分补缩的微区形成。综合作用的结果是，在更低的抽拉速度下，缩松水平更高，定向凝固试样在沿长度方向不同位置处，缩松分布较均匀，而在更高抽拉速度下，缩松分布开始变得不均匀，主要集中在端部和边缘部分。

4结论

（1）镍基高温合金DZ125定向凝固中形成的缩松水

平与抽拉速度有很大关系，在v ≤100μm/s 范围内，随抽拉速度增大，试样中缩松水平逐渐降低。v =50μm/s 时的缩松水平约为v =5μm/s 时的10%，v =100μm/s 时的缩松水平多在v =50μm/s 时缩松水平70%~90%范围内变化；在抽拉速度小时，缩松沿凝固方向分布较均匀，抽拉速度大时，在凝固末端缩松水平明显提高，集中了更大和更多的缩松。

（2）镍基高温合金DZ125定向凝固中的单个缩松大小和总体缩松水平受一次枝晶间距和二次枝晶间距大小的影响，一次枝晶间距越大，二次枝晶臂粗化水平越大，单个缩松体积越大，缩松水平也越高。

参考文献：

[1]

陈荣章，佘力，张宏炜，等.DZ125定向凝固高温合金的研究[J].航空材料学报，2000，20（4）：14-19.

[2]杜炜，魏朋义，李建国，等.中速生长条件下单晶高温合金组织及偏析究[J].金属学报，1998，34（

4）：356-361.[3]

Voller V R ，Suresh Sundarraj.A model of inverse segregation ：the role of microporosity [J].Int.J.heat Mass Transfer ，1995，38（6）：1009-1018.

[4]

Lee P D ，Chirazi A ，Atwood R C ，et al.Multistate modeling of solidification microstructures ，including microsegregation and microporosity ，in an Al-Si-Cu alloy [J].Materials Science &Engineering A ，2004（

365）：57-65.[5]Whitesell H S ，Overfelt R A.Influence of solidification variables on the microstructure ，macrosegregation ，and porosity of directionally solidified Mar-M247[J].Materials Science &Engineering A ，2001（318）：264-276.

[6]Melo M N M ，Rizzo E M S ，Santos R G.Numerical model to predict the position ，amount and size of microporosity formation in Al-Cu alloys by dissolved gas and solidification shrinkage [J].Materials Science &Engineering A ，2004（374）：351-361.[7]Lecomte-beckers J.Study of microporosity formation in nickel-base superalloys [J].Metallurgical Transactions ，1988，19A ：2341-2348.

[8]吴强，司乃潮，郭毅，等.定向凝固Al-4.5%Cu 合金枝晶组织与抽

拉速率的关系[J].中国有色金属学报，2007，17（7）：1101-1106.[9]

顾根大，安阁英.Al-Cu-Ce 的二次枝晶间距和粗化机理[J].铸造，1990（10）：32-35.

[10]刘立新，安阁英.定向凝固铝铜合金一次枝晶间距的研究[J].宇

航学报，1989（3）：71-76.

[11]Zhou Y Z ，Volek A.Effect of dendrite arm spacing on castability of a

directional solidified nikel alloy [J].Scripta Materialia ，2007，56：537-540.

[12]胡汉起.金属凝固原理[M].北京.机械工业出版社，1991：145-151.

[13]翟慎秋，魏亚杰，吴德海.金属树枝晶的生长行为[J].山东工业

大学学报，1997，27（2）：181-187.

[14]Chen Q Z ，Kong Y H ，Jones C N ，et al.Porosity reduction by

minor additions in RR2086superalloy [J].Scripta Materialia ，2004，51：155-160.

（编辑：田世江，tsj@https://www.wendangku.net/doc/957979326.html, ）FOUNDRY

May 2009

Vol.58No.5

近日在济南市科技进步表彰暨创新型城市建设大会上，为表彰济南圣泉集团股份有限公司在国家标准制定工作中做出的突出贡献，被授予“国家标准制定单位奖”。

济南圣泉集团股份有限公司2008年度主持制定了多项国家标准、行业标准，在2008年发布实施的标准有：国家标准《铸造自硬

呋喃树脂用磺酸固化剂》；行业标准《铸造用自硬呋喃树脂》、《砂型铸造用涂料》。另外，济

南圣泉集团股份有限公司主持制定的多项国家标准正在报批中：《

铸造用砂及混合料试验方法》、《铸造用酚脲烷树脂》、《铸造用泡沫陶瓷过滤器》、《铸造用硅砂化学分析方法》。

（济南圣泉集团股份有限公司

供稿）

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济南圣泉集团股份有限公司荣获济南市“国家标准制定单位奖”

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单晶高温合金与定向凝固的文献综诉

绪论 航空发动机涡轮叶片的运行经验表明，大多数裂纹都是沿着垂直于叶片主应力方向的晶粒间界即横向晶界上产生和发展的。因此消除这种横向晶界，则可大大提高叶片抗裂纹生长能力。定向凝固就是基于这种设想对叶片铸件的凝固过程进行控制，以获得平行干叶片轴向的柱状晶粒组织。柱状晶之间只有纵向晶界而 无横向品界，这就是定向凝固的柱晶叶片，如果采取某些措施，只允许有一个晶粒成长的柱晶，从面消除了一切晶界，这就是单晶叶片。 由于定向凝固技术用于真空熔铸高温合金涡轮叶片，航空发动机的材料和性能有了极大的提高，特别是单晶叶片的性能和使用寿命比普通精铸叶片提高了许多倍，因此自70年代初期，定向凝固高温合金涡轮叶片开始应用以来，世界各先进的军用及民用航空发动机都普遍采用定向凝固或单晶铸造叶片。 1.定向凝固 1.1定向凝固原理 进行定向凝固以得到连续完整的柱状晶组织，必须满足以下两基本条件: (l)在整个凝固过程中，铸件的固一液相界面上的热流应保持单一方向流出，使成长晶体的凝固界面沿一个方向推进; (2)结晶前沿区域内必须维持正向温度梯度，以阻止其他新晶核的形成。 1.1.1定向凝固过程 定向凝固时合金熔液注入壳型，首先同水冷底板相遇，于是靠近板面的那一层合金熔液迅速冷至结晶温度以下而开始结晶，但此时形成的晶粒，其位向是混乱的，各个方向都有。在随后的凝固进行过程中，由于热流是通过已结晶的固体金属合金有方向性地向冷却板散热，且结晶前沿是正向温度梯度，根据立方晶系的金属及合金（Ni、Fe、Co等及其高温合金）在结晶过程中晶体<100>是择优取向，长大速度最快，从而那些具有<100>方向的晶粒择优长大，而将其他方向的晶粒排挤掉。只要上述定向凝固条件保持不变，取向为<100>的柱状晶继续生长，直到整个叶片，如图1-1所示。

高温合金成型方法

高温合金成型方法：熔模精密铸造，铸锭冶金（包括挤压、轧制、锻造等）粉末冶金，定向凝固。 高温合金的几种成型方法的工艺路线 粉末冶金 高温合金如TiAl基合金的室温塑性较差，用常规塑性变形的方法加工极为困难。粉末冶金法可以很好的解决这一问题。这种方法以合金或单质粉末为原材料，通常先采用常规塑性加工方法（如模压、冷等静压等）对粉末进行固结成形，在经烧结就可直接获得特定形状的零件，同时实现制件的近终成型，这样就避免了对TiAl基合金的后续加工。同时，相比于铸造合金，采用粉末冶金法所制得的材料组织更为均匀、细小。 目前基于高温合金粉末冶金的具体方法主要有:机械合金化、反应烧结、预合金粉末法、自蔓燃—高温合成、爆炸合成等。这些方法常常两种或多种方法结合在一起使用，难以严格区分。 但是，粉末冶金方法制得的TiAl基合金部通常含有较多的杂质含量（如氧、氮等），并且粉末冶金制得合金组织不致密，内部经常存在孔隙，这些都严重的限制了粉末冶金方法的应用及推广。部分学者采用热锻以及包套挤压方法在一定程度上减少了孔隙率，较大的提高了TiAl基合金的力学性能。在但由于Ti、Al 元素扩散系数差别太大，元素反应扩散距离大，以及柯肯达尔效应的影响，均匀、高致密度的TiAl基合金仍然比较难以获得。因此，在高纯粉末的制备、烧结工艺

的优化、杂质的控制、提高合金的致密度等方面，粉末冶金还有较长的路要走。 铸锭冶金 铸锭冶金是合金熔炼、铸造、锻造和轧制等技术的综合，是目前TiAl 基合金的典型加工工艺。 一般由铸造出来的铸锭，组织都比较粗大，成分由于偏析的存在而不均匀，并且内部也或多或少的存在缩松、缩孔等缺陷。铸锭在进行塑性加工之前，一般要对其进行热等静压，实现对铸锭的均匀化处理。这样可以一定程度上除合金成分的偏析，同时合金铸锭中的微观缩孔或孔洞也能被压实、焊合，这就可以防止铸锭在后续热加工过程中由于微观缩孔与孔洞引起的应力集中或合金的不均匀流变造成的铸锭的变形开裂。对Al>46%(原子)的合金热等静压多选择在1260℃/175MPa 进行。 通过对铸锭的进行热加工，可以破碎粗大的铸态组织，细化晶粒，进一步减小微观缩孔或孔洞的影响，较大幅度的提高TiAl 基合金的力学性能。通常使用的热加工工艺主要有等温锻造、包套锻造、热轧制或热挤压等。 等温锻造区间一般为1065~1175℃，名义应变速率在10-2~10-3/s之间，压缩比为4:1~6:1；在这种工艺条件可保证铸锭有良好的塑性同时又不开裂，所获得的组织中有超过50%的板条组织球化。在锻造过程中增大保压时间、将锻件在锻模内短暂停留或在两步锻造中间进行热处理都可以促进球化。从而细化组织，提高材料的力学性能。 包套锻造可以在锻坯外设置包套，在锻坯与包套材料之间采用隔热材料，使锻件在的一定范围内保持均匀的温度，从而得到细小、均匀的显微组织及良好的锻坯表面质量。包套材料一般采用不锈钢、TC4合金或工业纯钛，目前最好的隔热材料是SiO2纤维网[38]。包套技术与挤压技术结合起来，形成了包套挤压技术，这种技术也能极大程度的优化TiAl 基合金的组织和性能。 目前比较热门的方向是综合利用铸锭冶金的方法，采用轧制的方法制备TiAl 基合金板材，哈尔滨工业大学陈玉勇教授带领的课题组在这方面做了许多功能工作，取得了较大的成果。 离心铸造 离心铸造是指将液态金属浇入旋转的铸型中，使金属液在离心力作用下完成充填和凝固成型的一种铸造方法。为了实现这种工艺过程，必须采用专门的设备—离心铸造机(简称为离心机)，提供使铸型旋转的条件。根据铸型旋转轴在空间位置的不同，常用的离心机分为立式离心铸造机和卧式离心铸造机两种。立式离心铸造的铸型是绕垂直轴旋转的，卧式离心铸造机的铸型是绕水平轴旋转的。 离心铸造可采用多种的铸型，如金属型、砂型、石膏型、石墨型陶瓷型及熔

压铸件的缩孔缩松问题解决方案-12页文档资料

压铸件的缩孔缩松问题解决方案 1.压铸件缩孔缩松现象存在的原因 压铸件缩孔缩松现象产生的原因只有一个,那就是由于金属熔体充型后,由液相转变成固相时必然存在的相变收缩.由于压铸件的凝固特点是从外向内冷却,当铸件壁厚较大时, 内部必然产生缩孔缩松问题. 所以,就压铸件来说,特别是就厚大的压铸件来说,存在缩孔缩松问题是必然的,是不可以解决的. 2.解决压铸件缩孔缩松缺陷的唯一途径 压铸件缩孔缩松问题,不能从压铸工艺本身得到彻底解决,要彻底解决这个问题,只能超越该工艺,或者说是从 系统外寻求解决的办法. 这个办法又是什么呢? 从工艺原理上说,解决铸件缩孔缩松缺陷,只能按照通过补缩的工艺思想进行.铸件凝固过程的相变收缩,是一种自然的物理的现象,我们不能逆这种自然现象的规律,而只能遵循它的规律,解决这个问题. 3.补缩的两种途径 对铸件的补缩,有两种途径,一是自然的补缩,一是 强制的补缩. 要实现自然的补缩,我们的铸造工艺系统中,就要有能实现“顺序凝固”的工艺措施.很多人直觉地以为,采用低

压铸造方法就能解决铸件的缩孔缩松缺陷,但事实并不是这 么回事.运用低压铸造工艺,并不等于就能解决铸件的缩孔 缩松缺陷,如果低压铸造工艺系统没有设有补缩的工艺措施,那么,这种低压铸造手段生产出来的毛坯,也是可能百分之 一百存在缩孔缩松缺陷的. 由于压铸工艺本身的特点,要设立自然的“顺序凝固”的工艺措施是比较困难的,也是比较复杂的.最根本的原因 还可能是, ”顺序凝固”的工艺措施,总要求铸件有比较长的凝固时间,这一点,与压铸工艺本身有点矛盾. 强制凝固补缩的最大特点是凝固时间短,一般只及”顺序凝固”的四分之一或更短,所以,在压铸工艺系统的基础上,增设强制的补缩工艺措施,是与压铸工艺特点相适应的,能很好解决压铸件的缩孔缩松问题. 4.强制补缩的两种程度:挤压补缩和锻压补缩 实现铸件的强制补缩可以达到有两种程度.一种是 基本的可以消除铸件缩孔缩松缺陷的程度,一种是能使毛坯 内部达到破碎晶粒或锻态组织的程度.如果要用不同的词来 表述这两种不同程度话,那么,前者我们可以用“挤压补缩” 来表达,后者,我们可以用“锻压补缩”来表达. 要充分注意的一个认识,分清的一个概念是,补缩都 是一种直接的手段,它不能间接完成.工艺上,我们可以有一个工艺参数来表达,这就是”补缩压强”.

铸造高温合金发展的回顾与展望

第20卷 第1期2000年3月 航 空 材 料 学 报 JOURNAL OF AERONAUT ICAL M ATERIALS Vol.20,No.1 M arch2000 铸造高温合金发展的回顾与展望 陈荣章1 王罗宝1 李建华2 (1.北京航空材料研究院,北京100095; 2.中国人民大学,北京100872) 摘要:回顾了20世纪40年代以来铸造高温合金发展中的若干重大事件:叶片以铸代锻;真空 熔炼技术;定向凝固及单晶合金;合金成分设计;Ni3Al基铸造高温合金;合金凝固过程数值 模拟;细晶铸造。展望了铸造高温合金21世纪的发展:单晶高温合金仍然是最重要的涡轮叶 片材料;继续靠工艺的发展挖掘合金潜力;发展有希望的替代材料。 关键词:合金发展;铸造高温合金;燃气涡轮叶片 中图分类号:T G24 文献标识码:A 文章编号:1005 5053(2000)01 0055 07 自从20世纪40年代初期第一台航空喷气发动机采用第一个铸造涡轮工作叶片以来,铸造高温合金的发展经历了一段曲折而又辉煌的历程。众所周知,航空发动机的发展与高温合金的发展是齐头并进、密不可分的,前者是后者的主要动力,后者是前者的重要保证。占据着航空发动机中温度最高、应力最复杂的位置的铸造涡轮叶片的合金发展尤其是这样。半个世纪以来,航空发动机涡轮前温度从40年代的730 提高到90年代的1677 ,推重比从大约3提高到10[1],这一巨大进展固然离不开先进的设计思想、精湛的制造工艺以及有效的防护涂层,但是,高性能的铸造高压涡轮叶片合金的应用更是功不可没。40年代以来,标志着铸造高温合金性能水平的在140M Pa/100h条件下的承温能力从750 左右提高到当前的1200 左右(图1),是十分令人鼓舞的巨大成就。在这世纪之初回顾铸造高温合金发展的历程,不能不提到如下几件使人难忘的重大事件。 叶片以铸代锻 1943年,美国GE公司为其J 33航空发动机选用了钴基合金H S 21制作涡轮工作叶片,代替原先用的锻造高温合金H astelloy B。当时为了考核铸造高温合金作为转动件的可靠性,宇航局(NASA)有关部门曾对两种合金叶片同时进行台架试车鉴定。结果表明, HS 21完全可以代替H astelloy B制作涡轮转子叶片,从此开创了使用铸造高温合金工作叶片的历史[2,3]。之后,又谨慎地对X 40,GM R 235等铸造合金进行类似的考核研究,使铸造叶片的应用有所扩大。随着发动机推力的增大,叶片尺寸增大,当时发现叶片的主要失效模式从蠕变断裂转变为疲劳断裂,而铸造叶片由于晶粒粗大且不均匀,疲劳性能远低于锻造合金,加之当时出现了性能较高的沉淀硬化型镍基锻造高温合金,例如Nimonic80A, Udimet500,W aspaloy, 437 , 617等,而且锻造技术有所进步,这就使设计师又把叶片选 收稿日期:1999 09 20 作者简介:陈荣章(1937 ),男,研究员

缩松与缩孔

铸件缩孔、缩松产生的原因 1、铸件结构方面的原因 由于铸件断面过厚，造成补缩不良形成缩孔。铸件壁厚不均匀，在壁厚部分热节处产生缩孔或缩松。 由于铸孔直径太小形成铸孔的砂芯被高温金属液加热后，长期处于高温状态，降低了铸孔表面金属的凝固速度，同时，砂芯为气体或大气压提供了信道，导致了孔壁产生缩孔和绣松。 铸件的凹角圆角半径太小，使尖角处型砂传热能力降低，凹角处凝固速度下降，同时由于尖角处型砂受热作用强，发气压力大，析出的气体可向未凝固的金属液渗入，导致铸件产生气缩孔。 2、熔炼方面的原因 液体金属的含气量太高，导致在铸件冷却过程中以气泡形式析出，阻止邻近的液体金属向该处流动进行补缩，产生缩孔或缩松。 当灰铸铁碳当量太低时，将使铁水凝固时共晶石墨析出量减少，降低了石墨化膨胀的作用，使凝固收缩增加，同时也降低铁水的流动性。认而降低铁水的自补缩能力，使铸件容易产生缩孔或缩松。 当铁水含磷量或含硫量偏高时，磷是扩大凝固温度范围的元素，同时形成大量的低熔点磷共晶，凝固时减少了补缩能力。硫是阻碍石墨化的元素，硫还能降低铁水的流动性。同时，铁水氧化严重，也降低液体金属的流动性，使铸件产生缩孔或缩松。 孕育铸铁或球墨铸铁在浇注前用硅铁等孕育剂进行孕育处理时，如果孕育不良，将导致铁水凝固时析出大量的渗碳体，从而使凝固收缩增加，产生缩孔或缩松。 3、工艺设计的原因 （1）浇注系统设计不合理浇注系统设计与铸件的凝固原则相矛盾时，可能会导致铸件产生缩孔或缩松。主要表现为浇注位置不合适，不利于顺序凝固，内浇口的位置及尺寸不正确。对于灰铸铁和球墨铸铁，如果将内浇口开在铸件厚壁处，同时内浇口尺寸较厚，浇注后，内浇口则长时间处于液体状态。在铁水凝固发生石墨化膨胀的作用下，铁水会经内浇口倒流回直浇道，从而使铸件产生缩孔和缩松。 （2）冒口设计不合理冒口位置、数量、尺寸及冒口颈尺寸未能促进铸件顺序凝固，都可能导致铸件产生缩孔和缩松。如果在暗冒口顶部未放置出气冒口，或冷铁使用不当，也会导致铸件产生缩孔和缩松。 （3）型砂、芯砂方面的原因型砂（芯砂）的耐火度及高温强度太低，热变形量太大。当在金属液的静压力或石墨化膨胀力的作用下，型壁或芯壁会产生移动。使铸件实际需要的补缩量增加或在膨胀部位出现新的热节，导致铸件产生缩孔和缩松。这种现象对大中型铸件是很敏感的。另外，如果型砂中水分含量太高，将使型壁表面的干燥层厚度减少和水分凝聚区的水分增加，范围扩大，从而使型壁的移动能力增加，导致缩孔及缩松的产生。 （4）浇注方面的原因浇注温度太高，使液态金属的液态收缩量增加；太低时，又会降低冒口的补缩能力，特别是采用底注式浇注系统时更明显，铸件

C u- Z r 合金定向凝固组织的研究

图1Cu-12.25Zr合金的X射线衍射曲线 (a)退火前(b)退火后 F ig.1The X RD pa t t e rn of a s-cas t mi cr os t ruc tur e o f Cu-12.25Zr (a)Be f ore annea l ing(b)Af t er annea l ing 2.2生长速度对定向凝固组织的影响 在温度梯度一定的前提下,本实验通过改变生长速度使Cu-12.25Zr合金在不同的生长速度下进行定向凝固,考察了生长速度对定向凝固组织形态的影响.结果发现,当生长速度低于0.6μm　s时,定向凝固组织为层片状(图2a),此时晶体以平面晶方式生长;随着生长速度的增加,平面界面失稳,凝固组织由层片状转化为棒状(图2b),此时晶体以胞晶方式生长;当进一步提高生长速度,胞晶的主枝干两侧出现扰动,继而出现了2次分枝,凝固组织转变为

图2不同生长速度下的定向凝固组织形态 Fi g.2The mo rphol og ies o f di rec t i ona l s ol i di f ica t ion s t ruct ure s under di f fe rent g rowth ve loc i t ies 2.3复合材料中的相组成 图3定向凝固组织中的Cu 5 Zr相 (a)形貌(b)衍射斑点 Fi g.3The TE M images o f Cu 5 Zr i n d i rec t i ona l so l i di f i ca t i on s t ruc tur e (a)Mo rpho l ogy o f Cu5Zr(b)Di f f r act i on pa t t ern (a)形貌(b)衍射斑点 图4定向凝固组织中的Cu 8 Zr 3 相 (a)Morpho logy(b)Di f f r ac t i on pa t te rn Fi g.4The TE M imag ies o f Cu 8 Zr 3 in di rec t iona l so l i di f i ca t i on s t ruct ure (a)形貌(b)衍射斑点 图5定向凝固组织中的Cu 10 Zr 7 相 (a)Morpho logy(b)Di f f r ac t i on pa t te rn Fig.5The TE M imag i es of Cu 10 Zr 7 i n d i r ec t i onal so l id i f ica t ion s t ruc t ure (a)宏观偏析(b)Zr元素分布曲线 图6枝晶端部的溶质偏析 (a)M acr o s eg regat i on(b)Di s t r ibu t ion cur ve o f Zr el ement

定向凝固技术及其应用

定向凝固技术及其应用 1.定向凝固理论基础及方法 定向凝固又称定向结晶，是指金属或合金在熔体中定向生长晶体的一种方法。定向凝固技术是在铸型中建立特定方向的温度梯度，使熔融合金沿着热流相反的方向，按要求的结晶取向进行凝固铸造的工艺。它能大幅度地提高高温合金综合性能。定向凝固的目的是为了使铸件获得按一定方向生长的柱状晶或单晶组织。定向凝固铸件的组织分为柱状、单晶和定向共晶3种。要得到定向凝固组织需要满足的条件，首先要在开始凝固的部位形成稳定的凝固壳，凝固壳的形成阻止了该部位的型壁晶粒游离，并为柱状晶提供了生长基础，该条件可通过各种激冷措施达到。其次，要确保凝固壳中的晶粒按既定方向通过择优生长而发展成平行排列的柱状晶组织，同时，为使柱状晶的纵向生长不受限制，并且在其组织中不夹杂有异向晶粒，固液界面前方不应存在生核和晶粒游离现象。这个条件可通过下述措施来满足：（1）严格的单向散热。要使凝固系统始终处于柱状晶生长方向的正温度梯度作用下，并且要绝对阻止侧向散热，以避免界面前方型壁及其附近的生核和长大。（2）要有足够大的液相温度梯度与固液界面向前推进速度比值以使成分过冷限制在允许的范围内。同时要减少熔体的非均质生核能力，这样就能避免界面前方的生核现象，提高熔体的纯净度，减少因氧化和吸氧而形成的杂质污染，对已有的有效衬底则通过高温加热或加入其他元素来改变其组成和结构等方法均有助于减少熔体的非均质生核能力。（3）要避免液态金属的对流。搅拌和振动，从而阻止界面前方的晶粒游离，对晶粒密度大于液态金属的合金，避免自然对流的最好方法就是自下而上地进行单向结晶。当然也可以通过安置固定磁场的方法阻止其单向结晶过程中的对流。从这三个条件我们可以推断，为了实现定向凝固，在工艺技术上必须采取措施避免侧向散热，同时在靠近固液界面的熔体中维持较高的温度梯度。 定向生长理论和它的应用很大程度上取决于先进定向凝固技术。自从Bridgman和Stockbarger在20世纪20年达提出奠定了现代定向凝固和单晶生长技术基础的Bridgman定向凝固技术，定向凝固就被广泛运用于制备各种结构和功能材料。定向凝固技术最大的一个成果之一就是涡轮叶片的生产，这直接促进了高温合金材料设计上的巨大进步。自从这个突破后，一系列的定向凝固技术，比如：快速凝固技术（HRS），液态金属冷却（LMC）等可以提高定向凝固组织都发展起来。如今，定向凝固理论是一种重要的材料制备方法和一种研究凝固现象的有利工具。因此，研究和开发新的定向凝固方法吸引了世界范围内的材料工程师和科学家。 定向凝固方法主要有以下几种： （1）发热剂法。将型壳置于绝热耐火材料箱中，底部安放水冷结晶器。型壳中浇入金属液后，在型壳上部盖以发热剂，使金属液处于高温，建立自下而上的 凝固条件。由于无法调节凝固速率和温度梯度，因此该法只能制备晓得柱状 晶铸件。 （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移动。当型壳被预热到一定过热度时，向型壳中浇入过热金属液，切断下部电源，上部继续 加热。温度梯度随着凝固距离的增大而不断减少。 （3）快速凝固法。与功率降低法的主要区别是铸型加热器始终加热，在凝固时铸件与加热器之间产生相对移动。另外，在热区底部使用辐射挡板和水冷套。 在挡板附近产生较大的温度梯度。与功率降低法相比，该法可大大缩小凝固

铸钢件缩孔和缩松的形成与预防

F 铸造 oundry 热加工 热处理/锻压/铸造2011年第15期 69 铸钢件缩孔和缩松的形成与预防 宁夏天地奔牛实业集团有限公司 （石嘴山753001） 王福京 缩孔和缩松从本质上来说，是因为型内的金属产生收缩而引起的，但是不同种类的金属，其形成缩孔和缩松的机理有所不同。 1.产生机理 从铸钢件角度来分析，钢液注满型腔后，由于型壁的传热作用，型内钢液形成自型壁表面至铸件壁厚中心温度逐渐升高的温度梯度。随着型壁传热作用不断地进行，型内钢液温度不断降低。当与型壁表面接触的钢液温度降至凝固温度时，铸件的表面就开始凝固，并形成一层固体状态的硬壳。如果这时浇注系统已经凝固，那么硬壳内处于液体状态的钢液就与外界隔绝。 当型内钢液温度进一步降低时，硬壳内的钢液一方面因温度降低而产生液态收缩，另一方面由于硬壳的传热作用，使与硬壳接触的钢液不断结晶凝固，从而出现凝固收缩。这两种收缩的出现，将使硬壳内钢液液面下降。 与此同时，处于固体状态的硬壳，也因温度的降低而产生固态收缩，对于铸钢件来说，由于液态收缩和凝固收缩的总和是大于固态收缩的，因此在重力作用下，硬壳内钢液液面将下降，并且与上部硬壳脱离接触。 随着型内钢液温度不断地降低和硬壳内钢液不断地凝固，硬壳越来越厚，而钢液越来越少。当铸件内最后的钢液凝固后，铸件上部的硬壳下面就会出现一个孔洞，这个孔洞即为缩孔。 虽然凝固后的铸件自高温状态冷却至室温时，还将产生固态收缩，从而使整个铸件和其内部缩孔的体积稍有减小，但并不会改变缩孔体积与铸件体积的比值。由于凝固层厚度的增加和钢液的减少是不断进行的，因而从理论上来说，缩孔的形状是漏斗状的。并且因残存的钢液凝固时不能得到补缩， 所以在产生缩孔的同时，往往也伴随着缩松的出现。用肉眼能直接观察到的缩孔为宏观缩孔，而借助于放大镜或将断面腐蚀以后才能发现的缩孔为微观缩孔。 一般情况下，宏观缩孔可以用补焊的手段来解决，而微观缩孔就无法处理了，一般都是成片出现的微小孔洞。 铸件在凝固后期，其最后凝固部分的残留钢液中，由于温度梯度小，这些残留钢液是按同时凝固的方式进行凝固的，凝固开始时，在整个钢液内出现许多细小的晶粒。随着温度降低和晶粒的长大，以及新的晶粒的产生，若早期结晶的晶粒之间留有液体，这些液体即可能被固态晶粒所包围而与液体分离或近似分离，最后凝固的部分出现许多被固态晶粒隔离而孤立的少量钢液；或者出现许多虽未被固态晶粒完全隔离，但与外界钢液的连接通道很小的钢液，由于此时钢液的粘度很大，外界钢液很难经过细小的通道给予补充，因此这些虽未被固态晶粒完全隔离的钢液也几乎处于孤立状态。当这些完全或不完全孤立的钢液进一步冷却、凝固收缩时，由于得不到钢液补充，便会在这些地方形成分散而微小的细孔即为缩松。 2.防止措施 以上分析阐述了缩孔、缩松的产生原因。只有把缩孔、缩松的产生原因弄清楚了，才能够有针对性地预防缩孔、缩松的产生，生产实践中，可以从以下几个方面采取措施。 （1）铸件结构 铸件壁厚应尽可能均匀；铸件 筋壁的连接不能太集中，应采用交叉或分散布置，以免形成太大的热节，从而引起该处型壁传热条件恶化；铸件的内角不能太小，在不影响铸件使用性能的情况下，宜采用90°以上的内角，从而改善内角

定向凝固技术制取高温合金单晶铸件的思考

定向凝固技术制取高温合金单晶铸件的思考 刘　健,李　理,曾　斌,彭广威Ξ (湘潭大学材料研究中心,湖南湘潭411105) 摘　要:回顾了单晶高温合金的发展历史,结合晶体学知识系统总结与分析了制取高温合金单晶的两种定向凝固技术的原理与晶体竞争生长机制.对两种方法现有工艺的优缺点进行了深入思考与比较,提出了两种制取任何所希望取向理想单晶的新方法,旨在为完善单晶高温合金的制取工艺提供新思路. 关键词:定向凝固;单晶高温合金;择优生长;选晶;籽晶 中图分类号:TG244.3 文献标识码:A 文章编号:1671-119X(2005)02-0049-04 0　引　言 自20世纪80年代初第一代单晶高温合金研制成功之后,单晶高温合金的发展甚为迅速.1988年,美国PW公司推出了工作温度比第一代单晶高温合金PWAl480约高30℃的PWAl484,继之又出现性能水平相当的ReneN5、CMSX—4等单晶高温合金,称为第二代单晶高温合金.时隔不到5年,1993年12月和1994年11月先后公布了两个标志着单晶高温合金的发展进入新阶段的第三代单晶高温合金ReneN6、CMSX—10[1].一代又一代单晶高温合金的相继出现和应用,为航空发动机和地面燃气轮机的性能大幅度提高作出了重大贡献.上个世纪90年代,几乎所有先进航空发动机都采用单晶高温合金.如推重比为10的发动机F119(美)、F120(美)、GE90(美)、E J200(英、德、意、西)、M882(法)、P2000 (俄)等[2].在单晶高温合金的生产和应用蓬勃发展的同时,各国高温合金同行们在单晶高温合金强化机制、凝固理论、环境抗力、合金设计、工艺优化等方面进行了愈加深入的研究,为提高力学性能、工艺性能和环境性能作了巨大的努力.我国从70年代末开始研究单晶高温合金及工艺,北京航空材料研究所、中国科学院金属研究所、冶金部钢铁研究总院、西北工业大学、上海交通大学等单位都对单晶高温合金和工艺进行过卓有成效的研究,研制成功一批单晶高温合金[3-4],井获得初步应用,建立了一套单晶工艺及设备.在单晶高温合金凝固理论、强化机制、取向控制以及数值模拟等方面进行过较深入的研究.但是无论是定向合金还是单晶高温合金,性能水平都还落后于国际先进水平.为此,廖世杰教授于1987年首次提出了若干定量评估定向凝固程度的参数[5],不仅使定向凝固程度有了定量的描述,最重要的是可以更深层次地检验定向凝固是否成功,从而将定向凝固理论向前推进.影响单晶铸件性能的因素主要是合金成分和制取工艺.在合金成分设计方面以日本金属技术研究所提出的新成分设计流程和d电子合金设计法最为成熟[2].制取单晶高温合金以正常凝固法中的定向凝固法应用最为广泛和最有效.固-液界面前沿液相中的温度梯度G L和晶体生长速度R是定向凝固技术的重要工艺参数, G L/R值是控制晶体长大形态的重要判据.因此,如何控制好固-液界面温度场从而获得具有理想晶体形态的单晶是非常重要的.当前很多人对固液界面温度场进行了深入研究,并且建立了大量描述定向凝固固液界面温度变化规律的数学模型.廖世杰等人先后建立了一种能够精确描述一维和二维定向凝固过程中固液界面温度场的理论模型[6-7],并且由此模型推导出了一系列热参数,包括温度梯度G L,凝固速度R,冷却速度V以及界面特征温度T c,这对于实时掌握动态的材料凝固过程从而采取相应措施控制它获得最佳凝固组织是非常有用的.尽管如此,但是综观单晶高温合金定向凝固法的发展历史, 第15卷第2期2005年6月 湖南工程学院学报 Journal of Hunan Institute of Engineering Vo1.15.No.2 J une.2005 Ξ收稿日期:2005-01-02 作者简介:刘　健(1978-),男,硕士研究生,研究方向:定向凝固织构.

解决铸件缩松的方法

解决铸件缩松的方法 李德臣 (沈阳鑫浩龙铸造材料公司沈阳110021) Solutions for Casting Shrinkage Porsity Li De-chen (Shenyang Xinhaolong Foundry Materials Co,Ltd. Shenyang · 110021 · China ·) 许多铸造厂都普遍存在铸件缩松缺陷。由此产生的废品率少者15～20%，多者50～70%。这看似简单的缩松缺陷，却长期极大地影响着企业的成品率和经济效益。那么，铸件的缩松缺陷是如何产生又如何解决呢？笔者有如下拙见。 一、缩松产生的原因 铸件产生缩松的根本原因是“热不平衡”所致。 缩松的位置，产生在铸件的厚大中心部位，几何热节处，不同壁厚的交差处和人为热节处。这些地方都因热量过高最后凝固又得不到充分补缩而产生了缩松，严重时产生集中性缩孔。图１中各例分别标示了由铸件结构原因可能产生的缩松。

其次，铸造工艺设计不合理，人为地制造热节而产生缩松缺陷。 如图２中各例。不少企业，无论铸件多重、多厚、多长，都只设一个内浇口，且设在铸件最厚处。就是壁厚均匀者，内浇口设的位置与数量也不合理。这样的工艺设计，落砂时内浇口往往不打自掉，集中性缩孔也是常见的。 第三，浇注温度过高和浇注时间过长。 第四，铸型的造型材料蓄热量小，散热性差，造成铸件凝固时间过长。 第五，一箱多件，件之间距离太近。 第六，球墨铸铁的铸型紧实度低，铸型强度小和表面硬度低，砂箱刚度弱，金属液中共晶团数多，铸件在凝固膨胀时推动着型壁向外移动。 第七，化学成分设计不当，合金化不足。…… 二、解决方法 解决缩松缺陷，最根本的着眼点就是“热平衡”。其方法是： 第一，在铸件结构形成 的厚大处与热节处，实行快 速凝固，人为地造成铸件各 处温度场的基本平衡。采用

快速凝固技术

快速凝固技术的研究进展 摘要：快速凝固技术是当材料科学与工程中研究比较活跃的领域之一，目前已成为一种金属材料潜在性能与开发新材料的重要手段。快速凝固技术得到的合金与常规合金有着不同的组织和结构特征，对材料科学和其它学科的理论研究以及开展实际生产应用起了重要的作用。介绍了快速凝固技术的原理和特点、主要方法和在实际中的应用和存在的问题。 关键词：快速凝固技术；合金；应用；存在问题

1 引言 随着对金属凝固技术的重视和深入研究，形成了许多种控制凝固组织的方法，其中快速凝固已成为一种具有挖掘金属材料潜在性能与发展前景的开发新材料的重要手段，同时也成了凝固过程研究的一个特殊领域[1]。过去常规铸造合金之所以会出现晶粒粗大，偏析严重、铸造性能差等缺陷的主要原因是合金凝固时的过冷度和凝固速度很小，这是由于它们凝固时的冷速很小而引起的。要消除铸造合金存在的这些缺陷，突破研制新型合金的障碍，核心是要提高熔体凝固时的过冷度，从而提高凝固速度，因此出现了快速凝固技术。 目前，快速凝固技术作为一种研制新型合金材料的技术已开始研究了合金在凝固时的各种组织形态的变化以及如何控制才能得到符合实际生活、生产要求的合金。着重于大的温度梯度和快的凝固速度的快速凝固技术，正在走向逐步完善的阶段。 2 快速凝固技术 1960年美国的Duwez等用铜辊快淬法，首次使液态合金在大于107K/S的冷却速度下凝固，在Cu—Si合金中发现了无限固溶的连续固溶体；在Ag—Ge合金中出现新的亚稳相；在Au—Si合金中形成非晶结构。在快速冷却所形成的亚稳结晶组织中，出现了一系列前所未见的重要的结构特征，表现出各种各样比常规合金优异的使用性能[2]。此后，快速凝固技术和理论得到迅速发展，成为材料科学与工程研究的一个热点。 快速凝固是指通过对合金熔体的快速冷却(≥104～106 K/s)或非均质形核被遏制，使合金在很大过冷度下，发生高生长速率(≥1～100 cm/s)凝固[3]。通过快速凝固技术获取的粉末和材料会具有特殊的性能和用途。由于它是一种非平衡的凝固过程[4]，详细的说就是凝固过程中的快冷、起始形核过冷度大，生长速率高，促使固液界面偏离平衡，生成亚稳相(非晶、准晶、微晶和纳米晶)，从

防止缩松缩孔

第四节防止缩孔缩松的途径 一、缩孔和缩松的相互转化 对于一定成分的合金，浇注温度一定时合金的收缩体积满足以下关系：总收缩体积＝液态收缩体积＋凝固收缩体积＝缩孔体积＋缩松体积＝常数。 但是，缩孔和缩松体积可以相互转化，造成转化的根本原因是凝固方式的改变：即体积凝固还是逐层凝固。表8－2给出了影响缩孔和缩松体积相互转化的因素。 表8－2 缩孔、缩松互相转换的影响因素 二、防止缩孔和缩松的途径 防止铸件中产生缩孔和缩松的基本原则是针对该合金的收缩和凝固特点制定正确的铸造工艺，使铸件在凝固过程中建立良好的补缩条件，尽可能地使缩松转化为缩孔，并使缩孔出现在铸件最后凝固的地方。这样，在铸件最后凝固的地方安臵一定尺寸的冒口，使缩孔集中于冒口中，或者把浇口开在最后凝固

的地方直接补缩，即可获得健全的铸件。 使铸件在凝固过程中建立良好的补缩条件，主要是通过控制铸件的凝固方向使之符合“顺序凝固原则”或“同时凝固原则”。 1、顺序凝固(progressive solidification) 铸件的顺序凝固原则，是采用各种措施保证铸件结构上各部分，按照远离冒口的部分最先凝固，然后是靠近冒口部分，最后才是冒口本身凝固的次序进行，亦即在铸件上远离冒口或浇口的部分到冒口或浇口之间建立一个递增的温度梯度，如图8-8所示。铸件按照顺序凝固原则进行凝固，能保证缩孔集中在冒口中，获得致密的铸件。 逐层凝固是指铸件某一断面上，先在铸件表面形成硬壳，然后它逐渐向铸件中心长厚，铸件中心最后凝固。因此，顺序凝固和逐层凝固是两个不同的概念。 铸件的结构，以及由铸造条件所形成的温度场，是决定铸件凝固方向的主要因素，可用下例说明。

第一章 合金凝固理论

1.解释概念 成份过冷，有效分配系数，宏观偏析 2.杠杆定律的意义及适用条件。 3.两相平衡时，如何确定平衡相的成份，为什么？ 4.根据公切线法则，画出共晶温度时各相自由焓—成份曲线示意图。 5.合金结晶与纯金属有何不同？ 6.铜和镍固态完全互溶，它们的熔点分别是T Cu＝1083℃，T Ni=1452℃,问Ni－10%Cu及 Ni－50%Cu两种合金在浇铸和凝固条件相同的条件下，哪种合金形成柱状晶的倾向大？哪种合金的枝晶偏析严重？为什么？ 7.画图并说明共晶成分的Al-Si合金在快冷条件下得到亚共晶组织α＋（α＋Si）的原因。 8.画出Pb－Sn相图，求： l分析过共晶合金80%Sn的平衡结晶过程（写出反应式）、画出冷却曲线及组织示意图、写出结晶后的室温组织。 l求室温组织中组织组成物的相对重量、共晶组织中的共晶α及共晶β的相对重量。 l求室温组织中组成相的相对重量。 9.填空 l固溶体合金，在铸造条件下，容易产生___偏析，用___ 方法处理可以消除。 l Al－CuAl2共晶属于__ 型共晶，Al-Si共晶属于__型共晶，Pb－Sn共晶属于__型共晶。 l固溶体合金凝固时有效分配系数ke的定义是__。当凝固速率无限缓慢时，ke趋于__； 当凝固速率很大时，则ke趋于__ 。 l K0<1的固溶体合金非平衡凝固的过程中，K0越小，成分偏析越____ , 提纯效果越_____；而K0>1的固溶体合金非平衡凝固的过程中，K0越大，成分偏析越____ , 提纯效果越_____。 l固溶体合金_____ 凝固时成分最均匀，液相完全混合时固溶体成分偏析（宏观偏析）最___ ，液相完全无混合时固溶体成分偏析最____ ，液相部分混合时固溶体成分偏析_________。 10.试说明在正温度梯度下为什么固溶体合金凝固时一般呈树枝状方式长大，而纯金属却 得不到树枝状晶体？ 11.根据所示的Al-Si共晶相图，试分析下列（a,b,c）三个金相组织属什么成分并说明理由。指出细化 此合金铸态组织的可能用途。 12.指出相图错误，并加以改正。

缩松原因分析

铸件缺陷分析 1 多肉类铸件缺陷 多肉类缺陷主要有飞翅(飞边,披峰),毛刺,抬型(抬箱)等. 飞翅与毛刺区别:飞翅主要产生的分型面等活动块结合处,通常垂直于铸件表面.又称飞边或披峰.毛刺指铸件表面形状不规则刺状突起.常出现在型,芯开裂处. 飞翅与毛刺的形成原因:飞翅形成主要是压射前机器的锁模力调整不佳导致分型面等活动块的配合不严;模具及滑块损坏,闭锁组件失效.毛刺形成主要是紧实度不均匀,浇注温度过高等致使开裂产生. 飞翅与毛刺的防止方法:飞翅是检查合模力或增压情况,调整压射增压机构,使压射增压峰值降低;检查模具滑块损坏程度并修整.毛刺的防止方法是浇注温度不宜过高,加大起模斜度等. 飞翅与毛刺的补救措施:轻微的用滚筒或喷丸清理,较厚的用铲,磨,冲切等方法去除. 抬型与飞翅区别:抬型是铸件在分型面部位高度增大,并伴有厚大飞翅;单纯飞翅厚度较薄,铸件分型面部位高度不增加. 2 孔洞类铸件缺陷 孔洞类缺陷主要有:气孔,针孔,缩孔,缩松和疏松. 针孔属于气孔的一种.气孔主要是指出现在铸件内部或表层,截面呈圆形,椭圆形,腰圆形,梨形或针头状,孤立存在或成群分布的孔洞.

气孔形成原因:炉料潮湿,锈蚀,油污,气候潮湿;浇注系统不合理;压室充满度不够;排气不畅;模具型腔位置太深;涂料成分不当或过多;金属液除渣不良等. 气孔的防止方法:坩锅等要充分预热和烘干;直浇道的喷嘴截面 积应尽可能比内浇口截面积大;提高压室充满度;深腔处开设排 气塞;重熔料的加入比例要适当;加强除渣,除气;充型速度不宜 过高,浇注位置与浇注系统的设置应保证金属液平稳在充满型腔;适当提高浇注温度和铸型温度,合理设置排气塞和溢流槽等. 气孔的补救措施:超出验收标准时报废;单独大气孔焊补;成群小气孔可用浸渗处理方法填补,质量要求高的可采用热等静压处理法消除气孔. 缩松属于缩孔的一种,指细小的分散缩孔. 缩孔与气孔及缩松,疏松的区别:缩孔形状不规则,表面粗糙,产 生在铸件热节和最后凝固部位,常伴有粗大树枝晶;气孔形状规则,表面光滑,分布在铸件表面或遍布整个铸件或某个局部,断口不呈海绵状;缩松与疏松断口呈海绵状,常产生在铸件厚大部位,不遍布整个铸件,缩松与疏松无严格分界,只是程度差别. 缩孔,缩松,疏松产生的原因:凝固时间过长;浇注温度不当,过高易产生缩孔,过低易产生缩松和疏松;凝固温度间隔过宽,易产生缩松和疏松;合金杂质过多;浇注系统设置不当;铸件结构不合理,壁厚变化突然;内浇道问题;合金杂质过多;模温问题. 缩孔,缩松,疏松的防止方法:改进铸型工艺设计;改进铸件结构

高温合金

1.高温合金的定义：高温合金是指以铁、镍、钴为基，能在600℃以上的高温及一定盈利作用下长期工作的一类金属材料。 2.高温合金的命名方法： 变形高温合金以“GH”加4位阿拉伯数字表示。前缀后第一位数字表分类号，1、2表铁基或铁镍基，3、4表镍基，5、6表钴基；1、3、5表固溶强化型合金，2、4、6表时效沉淀型合金。前缀后的第2、3、4位表合金编号。 铸造高温合金以“K”加3位阿拉伯数字表示。前缀后第一位数字表分类号，含义与变形合金相同，第2、3位表合金编号。 粉末高温合金以“FGH”加阿拉伯数字表示。 3.高温合金主要用于四大热端部件：导向器、涡轮叶片、涡轮盘、燃烧室。 4.常见的高温合金基体有哪几种？铁基镍基钴基 5.高温合金的固溶强化机制：固溶度小的合金元素较之固溶度大的合金元素，会产生更强烈的固溶强化作用，但其溶解度小却又限制其加入量。 6.合金元素的固溶强化能力排序：Cr

Ti-6Al-4V合金与Ti-TiBw复合材料定向凝固行为

Ti-6Al-4V合金与Ti-TiBw复合材料定向凝固行为钛合金及钛基复合材料具有高的比强度、比模量、耐高温、耐腐蚀等优异性能,在航空、航天、能源、化工等领域得到了广泛应用。随着科技的迅猛发展,研发具有优良综合性能的新型钛材及其复合材料引起了人们的极大关注。定向凝固技术可显著改善材料的微观组织,从而提升各向异性材料在特定方向的性能。在TiB晶须增强Ti基复合材料中,TiBw晶须的分布状态以及TiBw与基体之间的位向关系对材料性能具有重要影响,基于此,本课题提出了采用定向凝固技术制 备TiBw晶须增强Ti基复合材料的思路,在此基础上研究定向凝固行为对其微观组织和性能的影响。本文采用Bridgman定向凝固方法, 对纯Ti(TAl)、Ti-6Al-4V(TC4)合金以及Ti-TiBw复合材料的定向凝固行为进行了研究。通过金相显微镜(OM)、扫描电镜(SEM),电子背散射衍射(EBSD)等方法系统分析了定向凝固参数对TAl、TC4合金及 Ti-TiBw复合材料的微观组织的影响,利用XRD结合EBSD对以上材料的微观组织及其取向行为进行了探讨,揭示了抽拉速率对凝固组织的影响规律,阐释了以上材料在不同条件下的定向凝固生长行为,并研 究了TiBw增强Ti基复合材料基体与增强相在定向凝固过程中的相互影响,主要研究结果如下:在TAl纯钛定向区,随着抽拉速率的降低, 其对一次枝晶择优生长的影响逐渐增强,当抽拉速率降至5 μm/s时,在定向区基本实现了试样一次枝晶沿抽拉方向的定向生长。通过对XRD衍射图谱相对峰强变化的分析,定性的研究了材料晶体取向的变化规律。在Ti-6Al-4V合金中,5μm/s时实现一次枝晶的的定向生长,

如何解决压铸件及其他铸造件的缩孔缩松问题

压铸件及其它铸造件存在缩孔缩松问题是一个普遍的现象，有没有彻底解决这个问题的方法？答案应该是有的，但它会是什么呢？ 1、压铸件缩孔缩松现象存在的原因 压铸件缩孔缩松现象产生的原因只有一个，那就是由于金属熔体充型后，由液相转变成固相时必然存在的相变收缩。由于压铸件的凝固特点是从外向内冷却，当铸件壁厚较大时，内部必然产生缩孔缩松问题。 所以，就压铸件来说，特别是就厚大的压铸件来说，存在缩孔缩松问题是必然的，是不可以解决的。 2、解决压铸件缩孔缩松缺陷的唯一途径 压铸件缩孔缩松问题，不能从压铸工艺本身得到彻底解决，要彻底解决这个问题，只能超越该工艺，或者说是从系统外寻求解决的办法。 这个办法又是什么呢？ 从工艺原理上说，解决铸件缩孔缩松缺陷，只能按照通过补缩的工艺思想进行。铸件凝固过程的相变收缩，是一种自然的物理的现象，我们不能逆这种自然现象的规律，而只能遵循它的规律，解决这个问题。 3、补缩的两种途径 对铸件的补缩，有两种途径，一是自然的补缩，一是强制的补缩。

要实现自然的补缩，我们的铸造工艺系统中，就要有能实现“顺序凝固”的工艺措施。很多人直觉地以为，采用低压铸造方法就能解决铸件的缩孔缩松缺陷，但事实并不是这么回事。运用低压铸造工艺，并不等于就能解决铸件的缩孔缩松缺陷，如果低压铸造工艺系统没有设有补缩的工艺措施，那么，这种低压铸造手段生产出来的毛坯，也是可能百分之一百存在缩孔缩松缺陷的。 由于压铸工艺本身的特点，要设立自然的”顺序凝固”的工艺措施是比较困难的，也是比较复杂的。最根本的原因还可能是，”顺序凝固”的工艺措施，总要求铸件有比较长的凝固时间，这一点，与压铸工艺本身有点矛盾。 强制凝固补缩的最大特点是凝固时间短，一般只及”顺序凝固”的四分之一或更短，所以，在压铸工艺系统的基础上，增设强制的补缩工艺措施，是与压铸工艺特点相适应的，能很好解决压铸件的缩孔缩松问题。 4、强制补缩的两种程度:挤压补缩和锻压补缩 实现铸件的强制补缩可以达到有两种程度。一种是基本的可以消除铸件缩孔缩松缺陷的程度，一种是能使毛坯内部达到破碎晶粒或锻态组织的程度。如果要用不同的词来表述这两种不同程度话，那么，前者我们可以用”挤压补缩”来表达，后者，我们可以用”锻压补缩”来表达。 要充分注意的一个认识，分清的一个概念是，补缩都是一种直接的手段，它不能间接完成。工艺上，我们可以有一个工艺参数来表达，这就是”补缩压强”。