凝固技术国家重点实验室的镁合金熔炼与铸造研究工作

凝固技术国家重点实验室是国内最早从事镁合金熔炼与铸造研究工作的单位之一。本文介绍了实验室在高品质镁合金熔炼、铸造技术、镁基复合材料研究等几个方面工作,并对未来在镁合金发展方面作了展望。

先进定向凝固技术

简要回顾了传统定向凝固技术及其存在的问题,概述了西北工业大学凝固技术国家重点实验室近年来在定向凝固技术领域所取得的重要成果,其中包括超高梯度定向凝固、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、单晶连铸、经熔体热处理的定向凝固等先进定向凝固技术。提出了外场(电、磁、光等)作用下定向凝固的新构想。

定向凝固晶粒宏观竞争生长机制的实验研究

本文选用ＤＤ８单晶高温合金，应用籽晶技术在高温度梯度定向凝固装置上进行了系统的双晶粒竞争生长实验，定量地获得了不同取向双晶粒之间的竞争生长规律，并从凝固组织亚单元尺度系统研究了不同取向双晶粒竞争生长机制。结果表明，双晶粒之间的竞争生长过程即是不同取向树枝晶发生三次分枝的过程，不同取向的枝晶具有不同的生长和分枝优势，并因此造成不同取向晶粒之间晶界的移动，宏观上即表现为两晶粒不同的生长优势。

太阳能级多晶硅定向凝固技术的研究进展

随着太阳能光伏产业在全球范围内的迅猛发展,作为太阳能电池最基础的原材料——高纯多晶硅,在全球范围内严重短缺,迫切需要发展一种高效率低成本的太阳能级多晶硅的制备方法。在各种生产多晶硅的方法中,定向凝固多晶硅因其成本低、环境污染小,工艺相对简单、成熟,且能直接使用冶金级硅为原料的特点,被寄予很大的希望来实现大规模太阳能级硅的生产。本文综合评述近年来太阳能级多晶硅定向凝固技术的研究进展,着重阐述冶金级硅中磷和硼的提纯,以及多晶硅定向凝固组织和缺陷的控制,并提出今后的研究发展方向。

定向凝固技术及其研究进展

定向凝固技术是制备一类具有单一取向要求的凝固组织的材料的重要方法,评述了定向凝固技术的发展过程和存在的问题,并报导了在此基础上新近发展起来的新型亚快速及快速定向技术的研究进展。

激光快速熔凝技术及其应用——(Ⅰ)在快速凝固理论方面的研究现状与发展

对激光快速熔凝技术在快速凝固理论与组织形成规律方面的研究现状进行了全面的评述,分析了目前研究工作中存在的不足,并提出了改进方向。 Recently, laser rapid remelting and solidification technologyhas been widely used in the research on solidification theory, especially on rapidsolidification theory. A complete review on these research has been made. Mean-while,some shortcomings existing in these research have been analyzed and the di-rection for improvement has been pointed out.

DD32单晶组织对电子束浮区熔炼技术定向凝固的响应

采用电子束浮区熔炼技术对快速凝固法 (HRS)制备的DD32单晶进行了重熔定向凝固处理 ,对在不同扫描速率下处理的DD32单晶重熔定向凝固组织进行了深入观察分析。结果表明 ,固液界面温度梯度是电子束扫描速率的函数 ,当电子束扫描速率为 0 2mm/min时 ,固液界面的温度梯度≥ 1 0 0 0K/cm。DD32合金较高的溶质含量及相对较高的扫描速率导致成分过冷而使单晶难于形成。当电子束扫描速率大于一定数值时 ,重熔后的定向凝固组织内可以观察到细晶和粗晶两种柱状晶区 ;

数据可视化技术在凝固模拟软件的应用

利用OpenGL技术 ,开发了凝固模拟可视化程序 ,该程序可应用于温度场、流场的图形显示及计算结果的旋转、切割、透视等图形操作 ,数据可视化技术有效地提高了温度场、流场模拟过程的透明度和实时交互性及计算结果的可视化 ,该项技术的应用也必将促进铸造凝固模拟软件的实用化和商品化。

Nb基超高温合金的制备技术及定向凝固组织

Nb基超高温合金的制备技术主要包括粉末冶金、真空电弧熔炼和定向凝固等,其中定向凝固可以显著提高该合金的高低温力学性能。Nb基超高温合金的定向凝固组织主要由沿着定向凝固方向生长的初生Nbss枝晶、铌硅化物块或板条以及(Nbss+铌硅化物)共晶等组成,定向凝固速率和固液界面前沿液相中的温度梯度会显著影响其组织形貌及尺寸。在其定向生长过程中,Nbss、铌硅化物及(Nbss+铌硅化物)共晶各相之间竞争生长,形成不同的组织形貌及尺寸,但在合适的条件下,共晶两相可以实现平行耦合生长。

晶体生长过程中首先凝固点的实验观察

由于技术上的原因 ,“首先凝固点”很难观察到。通过在Bridgman法生长HgCdTe晶体过程中进行淬火 ,观察到尺寸较小的“首先凝固区域” ,其固液界面为凹形抛物面。

由实验相图和数值模型对Al-1.5Cu-3Zn合金凝固路径的预测

使用DTA和LMC定向凝固淬火技术分别确定了Al Cu Zn合金富铝角的液相面和固 /液界面溶质分凝因数。基于一维平板模型的枝晶几何形状描述 ,使用数值模型计算了Al 1.5Cu 3Zn合金凝固过程中的液相浓度和平衡温度。发现在平衡凝固条件下 ,液相在α相区内结束凝固 ,Scheil非平衡凝固条件下的凝固过程在单变量线上结束 ,样品中初生晶相的含量为 97.4%,非平衡共晶含量为 2 .6 %;同时分析了液相混合条件对凝固路径的影响。

Zn-Cu包晶合金定向凝固组织演化 Ⅰ.实验现象及分析

对亚包晶、过包晶以及接近包晶点成分的Zn-Cu二元合金进行了定向凝固实验,研究其在45 K/mm的温度梯度以及2—6400 μm/s凝固速度下的组织选择及演化规律,发现Zn-2％Cu的低速凝固组织为η相单相生长,高速下为η相胞晶+胞晶间ε相的组织; Zn-2.7％Cu,Zn-3％Cu以及Zn-4％Cu的低速凝固组织为η相基体+ε相定向枝晶,高速凝固组织为η相胞晶+ε相等轴晶.基于最高界面生长温度判据,在充分形核假设下对凝固过程中的相选择规律进行了分析,并与实验结果较好的吻合.

IN718高温合金的新型热控凝固工艺优化

针对高温合金复杂薄壁铸件易出现欠铸、晶粒粗大和疏松等问题,开发了一种以“低温浇注、高温充型、顺序凝固”为特征的新型热控凝固工艺,研究了在1 380℃浇注温度下模壳温度(1 260~1 350℃)和抽拉速度(6~48 mm·min^(-1))等工艺参数对IN718高温合金圆柱试样组织的影响,并在优化工艺下进行了复杂薄壁特征结构件的成形试验。结果表明:随着模壳温度升高,试样的晶粒尺寸从2.33 mm增加到7.46 mm,且组织均匀性变差,断面等轴晶比例由98%降低到41%,疏松数量减少,尺寸减小。随着抽拉速度增大,晶粒尺寸从3.66 mm减小到2.69 mm,疏松数量增加,尺寸增大;当抽拉速度不小于24 mm·min^(-1)时,组织均匀性较好。最优工艺为模壳温度1 290℃、抽拉速度24 mm·min^(-1),采用该工艺可制备得到晶粒尺寸为0.81 mm、疏松面积分数仅为0.2%、最小壁厚为1.8 mm的IN718高温合金大面积薄壁特征结构件。

流态床冷却定向凝固技术研究进展

镍基单晶高温合金具有良好的高温力学性能,是航空发动机和燃气轮机热端部件的首选材料。高速凝固法是一种通过抽拉系统将充满熔融金属的模壳移出加热区进行冷却的Bridgman定向凝固技术。其由于具有工艺成熟、设备结构简单及凝固组织相对稳定等优点,已成为制备航空发动机涡轮叶片最常用的定向凝固技术。然而在制备燃气轮机用大尺寸单晶高温合金叶片时,由于高速凝固法的温度梯度较低限制了抽拉速率的提高,制备单晶叶片的过程中容易产生缺陷,使得叶片合格率较低。此外,采用较低的抽拉速率还会导致生产周期延长和能耗增加。而后续发展的气冷法和液态金属冷却法也存在很多问题,如气冷法的温度梯度仍然较低;液态金属冷却法虽然温度梯度较高,但是存在液态金属锡(Sn)会污染铸件、设备结构复杂难以维护和成本较高等问题。因此需要发展一种高温度梯度、不污染铸件、设备结构简单且成本较低的定向凝固技术。流态床冷却法是一种采用固体颗粒和惰性气体两相复合冷却的Bridgman定向凝固技术。流态床具有较强的冷却能力,并且可以利用浮力设置一种浮在流态床表面的动态挡板,从而有效阻止热量从热区向冷区传递,因此流态床冷却法的温度梯度较高。同时,采用流态床冷却不会对铸件造成污染,并且流态床冷却定向凝固设备结构简单、易于维护、成本较低、生产周期较短,因此流态床冷却法在制备大尺寸单晶高温合金叶片方面有着良好的应用前景。本文阐述了流态床冷却法的原理及特点,介绍了流态床冷却定向凝固设备的结构,总结了流态床冷却定向凝固设备中动态挡板的研究进展,分析了影响流态床冷却能力的因素,并对流态床冷却定向凝固技术的发展进行了展望。

等温锻造技术及其在航空工业中的应用

等温锻造技术作为20世纪后半叶出现并兴起的金属材料压力加工新型工艺,在国内外航空工业高品质锻件研制生产中得到了较为广泛的应用。对等温锻造技术及其在航空工业中的应用作了系统阐述。

定向凝固Cu-50%Sn包晶合金显微组织演变

随着科学技术的进步,越来越多的包晶合金因其优良性能广泛应用于工业生产领域,比如Fe-Cr-Ni、Ti-Al、Nd-Fe-B合金以及应用于电子封装领域的Cu-Sn合金等。随着电子信息产业向微型化和多功能化方向发展,对集成电路的机械、电子和热性能提出了更高的要求。本文以Cu-50%Sn(原子分数)包晶合金(L+Cu^(3)Sn→Cu6Sn5)作为研究对象,通过布里奇曼定向凝固法,在显微镜下对组织进行观察和测量,研究淬火固液界面的凝固组织随凝固条件改变而产生的变化。生长距离、温度梯度一定时,随着生长速度的增大,初生相Cu^(3)Sn经历了胞状→胞/枝状→枝晶状组织转变,Cu^(3)Sn相的尺寸与间距均随生长速度的增大而减小;生长速度、生长距离一定时,随着温度梯度的增大,初生相Cu^(3)Sn相由块状与枝晶状转变为胞状组织;生长速度、温度梯度一定时,随着生长距离的增大,初生相Cu^(3)Sn由块状与胞/枝状转变为胞状组织,且Cu^(3)Sn相尺寸发生小幅细化。基于上述实验结果,绘制了关于生长速度、温度梯度及生长距离条件下的显微组织选择图,进一步阐明了凝固条件的改变对Cu-50%Sn(原子分数)包晶合金显微组织的影响。

双辊薄带连铸凝固过程中柱状晶向等轴晶转变的广义稳定性判据

为促进柱状晶向等轴晶转变(CET)获得均匀的等轴晶,大多数有效的理论聚焦于生长而忽略了形核的影响。为此,构建耦合细化剂异质形核和枝晶生长的理论框架,采用考虑双辊薄带连铸(VTC)凝固过程中热力学驱动力(?G)和动力学能垒(Q)的广义稳定性(GS)新概念,研究CET位置、晶粒半径和力学性能。细化剂的加入,尤其是Al-5Ti-1B细化剂,通过增加形核的?G和生长的GS使晶粒半径细化到19μm,柱状枝晶的厚度增大到5~6 mm,同时提高强度和塑性。遵循高?G-高GS准则,细化剂直径优化为0.3μm。

强磁场下Cu−Co难混溶合金凝固过程中晶体取向和性能的调控

对Cu50Co50合金在不同磁场强度下进行非平衡凝固实验,研究富钴相的取向、显微组织演化和磁性能。结果表明,凝固后相分离的棒状富钴相可以实现排列形态,在5 T强磁场下富钴相的晶体取向为111平行磁场方向。然而,发生二次液−液相分离的富铜相的取向没有受到HMF的显著影响。在0 T磁场下凝固的合金表现出近磁各向同性行为,而在5 T磁场下凝固的合金则表现出磁各向异性行为。合金的饱和磁化强度略有增加,矫顽力相应降低,这与富钴晶体的取向演化行为密切相关。

NbC纤维增强共晶镍基合金的超高梯度定向凝固组织研究

采用液态金属冷却定向凝固工艺制备NbC纤维增强高温共晶镍基合金。利用SEM、XRD、EDS和EPMA等测试方法,对NbC纤维增强高温共晶镍基合金不同区域的显微组织及形成机理进行分析,随后分别改变抽拉速率(2、7、12μm/s)和熔体温度(1 550、1 580、1 600℃),研究工艺参数对合金组织的影响。根据组织类型及形态不同,可将定向凝固高温共晶镍基合金分为启动区与复合区两个区域,启动区以大块状的富Nb和富W碳化物为主,而位于启动区之上的复合区主要分布定向排列的NbC纤维。定向凝固过程中NbC纤维的生长可划分为3个阶段,即启动阶段、多取向竞争阶段和稳定阶段。随抽拉速率增大,纤维体积分数增大,纤维中C、Nb和W质量分数降低,且Nb含量下降更显著。随熔体温度升高,纤维体积分数、横截面积以及间距皆增大,纤维中C、Nb和W质量分数升高,且W含量上升更显著。

热控凝固工艺对薄壁变截面铸件凝固组织和力学性能的影响

先进航空发动机用机匣等高温合金构件不断向结构复杂化和薄壁轻量化发展,易导致充型困难、组织不均匀和凝固缺陷等问题,对该类铸件的精密铸造技术和工艺控制提出了新的挑战。针对上述问题,文中比较了常规铸造工艺与热控凝固工艺下K4169合金薄壁变截面特征件的充型情况、缩松、组织以及力学性能,并对热控凝固工艺参数进行了探索。结果表明,在常规铸造工艺下,特征件薄壁部位的充型率仅为26%,变截面部位出现了缩松。采用浇注温度为1360℃的热控凝固工艺可以使铸件薄壁部位的充型面积提高226%,显著减少铸件中的缩松,获得了细小的晶粒组织,平均晶粒尺寸为624μm,二次枝晶间距为116μm,Laves相的数量相对较少。同时,由于低浇注温度的热控凝固工艺有效实现了凝固组织细化和缺陷控制,合金在700℃条件下的抗拉强度提高了7%,伸长率由6%提高至8%。