仪征直缝钢管厂家,好品质,华洋钢管！快速定向凝固技术的特点及前景（之二）

快速定向凝固技术的特点及前景（之二） 激光超高温度梯度快速定向凝固法 自70年代大功率激光器问世以来，在材料的加工制备过程中得到了广泛的应用。在激光面快速凝固时，凝固界面的温度梯度可高达106K／m，凝固速度高达每秒数米。但一般的激光表面快速熔凝过程与Bridgman法定向凝固不同。因为熔池内部局部温度梯度和凝固速度是不断变化的，且两者都不能独立控制；同时凝固组织是从基体外延生长的，界面上不同位置的生长方向也不相同。然而，激光能量高度集中的特性使它具备了作为定向凝固热源时可能获得比现有方法高得的多的温度梯度的可能性。早在70年代，Cline等就利用90WCWNd牶YAG激光器作为热源来定向凝固制作Al－Al2Cu、Pd－Cd共晶薄膜，得到了规则的层片状共晶组织，通过计算得到凝固时的温度梯度分别可达2．4×104K／cm和1．1×104K／cm。潘清跃等对这种可能性已进行了初步的探索，发现激光定向凝固确实是可行的，而且能够获得比常规定向凝固包括ZMLMC技术高得多的温度梯度和凝固速率。他们采用展宽的高能CO2激光束作为热源，加热固定在陶瓷衬底上的厚度0．5mm、宽度5mm的镍基高温合金薄片，初步实现了定向凝固组织，其初枝晶平均一次间距小于10μm，比采用ZMLMC技术所获得超细枝晶的最小平均一次间距23．8μm显著减小。推测凝固期间的温度梯度在4000K／cm以上，约三倍于ZMLMC技术所能获得的最大温度梯度。 近年来，由杨森等人研究了激光参数对三种不同成分的Cu－Mn合金重熔区微组织生长方向的影响，结果表明，熔池中微观组织的生长方向强烈地受激光工艺参数（激光输出功率和扫描速度）的影响。通过选择合适的工艺参数，实现了与Bridgman法类似的超高温度梯度快速定高凝固，其温度梯度可高达106K／cm，速度可达24mm／s。由西北工业大学利用FGH95合金粉末在DD3单晶基材和定向凝固镍基高温的择优晶面上进行激光多层涂覆实验，得到了从基体外延生长单晶涂覆层并得到了良好的性能。随着凝固技术的发展，激光超高温度梯度快速定向凝固技太越来越受到人们的关注。 深过冷熔体激发快速定向凝固 深过冷熔体激发快速定向凝固是深过冷与定向凝固技术的有机结合。它是在尽可能消除异质形核的前提下，使液态金属保持到液相线以下数百度，而后突然形核并获胜得快速凝固组织。处于深过冷状态的合金熔体被激发后，在快速再辉过程中形成相当细密的初生枝晶架。再辉结束后，残余合金液凝固为三次枝晶，再辉后的凝固发生于过冷度较小的局部条件，故必须提供一个小的温度梯度，避免在此期间可能出现的Ostwald熟化而引起枝晶粗大。而在传统定向凝固过程中，高温度梯度和较快的抽拉速率以及很小的界面过冷度，时常导致液／固界面前沿形成新的晶核及其长大，破坏定向凝固组织。 在近似于温度梯度方向上，深过冷呈现出明显细小的平行枝晶生长和二次、三次枝晶的组织特征，铸态试样由于大量异质核心的存在，除了个别粗大的枝晶外，大部分液相凝固为等轴晶粒。 Lux等通过改进冷却条件获得了近100K的动力学冷熔体，在施加很小的温度梯度后，获得了Ф12mm×70～100mm的MAR－M－200高温合金棒，并和传统的定向凝固试样的位伸、蠕变强度等作了比较，结果动力学过冷定向凝固试样的室温和高温力学性能优于传统试样。综上所述，深过冷熔体激发快速定向凝固特点：（1）深过冷凝固与快淬急冷液态金属具有相似的凝固机制，本质上属快速凝固。（2）深过冷合金液中晶体的自由生长表现出定向凝固组织形貌的特征。 存在的问题及展望 虽然快速定向凝固技术能获得小偏析甚至无偏析的超细化的组织等，具有广阔的应用前景，但仍有一些问题要解决。 第一，激光超高温度梯度定向凝固技术存在的问题是：从熔池底部到顶部短距离定向凝固，而不是沿扫描速度方向长距离连续定向凝固，从熔池底部到顶部温度梯度和凝固速度不断变化，且两者不能独立控制；凝固组织是从基体处延生长的，界面上不同位置的生长方向也不相同，这样对凝固组织进行定量分析结果产生影响。 第二，深过冷快速定向凝固技术需解决两个问题。一是研究不同过冷度条件下，过冷熔体激发形核晶体生长方式和组织形成规律。确定适用于形成枝晶阵列微观组织的试验条件和工艺因素。其次是解决大体积深过冷激发快速定向凝固技术。 第三，快速定向凝固技术只适合于制备一维或二维小尺度材料，在应用上受到一定限制。 由于在快速定向凝固过程中，大的凝固速率将导致固液界面的下凹，从而影响定向凝固组织以及凝固过程的稳定性。要实现快速的定向凝固过程，必须提高定向凝固设备的温度梯度，但是超高的温度梯度又给设备带来一定的麻烦，所以合理调节温度梯度和过冷度是快速定向凝固的一个方向。随着实验技术的改进和人们的努，快速定向凝固技术必将更近一步为提高材料的使用性能做出贡献。