stringtranslate.com

Направленная кристаллизация

Направленная кристаллизация
Прогрессивное затвердевание

Направленная кристаллизация (DS) и прогрессивная кристаллизация являются типами кристаллизации внутри отливок . Направленная кристаллизация - это кристаллизация, которая происходит от самого дальнего конца отливки и движется к литнику . Прогрессивная кристаллизация, также известная как параллельная кристаллизация , [1] - это кристаллизация, которая начинается у стенок отливки и распространяется перпендикулярно этой поверхности. [2]

Теория -

Большинство металлов и сплавов сжимаются , когда материал переходит из жидкого состояния в твердое. Поэтому, если жидкий материал недоступен для компенсации этой усадки, образуется дефект усадки . [3] Когда прогрессивное затвердевание преобладает над направленным затвердеванием, образуется дефект усадки. [2]

Геометрическая форма полости формы оказывает прямое влияние на прогрессивное и направленное затвердевание. В конце геометрии туннельного типа возникает расходящийся тепловой поток , который заставляет эту область отливки охлаждаться быстрее, чем окружающие области; это называется конечным эффектом . Большие полости не охлаждаются так же быстро, как окружающие области, потому что там меньше тепловой поток; это называется эффектом стояка . Также обратите внимание, что углы могут создавать расходящиеся или сходящиеся (также известные как горячие точки ) области теплового потока. [4]

Для того чтобы вызвать направленное затвердевание, можно использовать охладители , стояки , изоляционные втулки, контроль скорости и температуры заливки. [5]

Направленная кристаллизация может использоваться в качестве процесса очистки. Поскольку большинство примесей будут более растворимы в жидкости, чем в твердой фазе во время кристаллизации, примеси будут «выталкиваться» фронтом кристаллизации, в результате чего большая часть готовой отливки будет иметь более низкую концентрацию примесей, чем исходный материал, в то время как последний затвердевший металл будет обогащен примесями. Эта последняя часть металла может быть списана или переработана. Пригодность направленной кристаллизации для удаления определенной примеси из определенного металла зависит от коэффициента распределения примеси в рассматриваемом металле, как описано уравнением Шейла . Направленная кристаллизация (при зонной плавке ) часто используется в качестве этапа очистки при производстве поликристаллического кремния для солнечных элементов . [ необходима цитата ]

Микроструктурные эффекты

Направленная кристаллизация является предпочтительным методом литья высокотемпературных суперсплавов на основе никеля, которые используются в турбинных двигателях самолетов. Некоторые микроструктурные проблемы, такие как грубая дендритная структура, длинные боковые ответвления дендритов и пористость, препятствуют полному раскрытию потенциала монокристаллических сплавов на основе никеля. [6] Эту морфологию можно понять, посмотрев на соотношение G/V кристаллизации, где G — градиент температуры в расплаве перед фронтом кристаллизации, а V — скорость кристаллизации. [7] Это соотношение должно поддерживаться в пределах диапазона, чтобы гарантировать формирование монокристалла с правильной микроструктурой грубого дендрита с боковыми ответвлениями. [8] Было обнаружено, что увеличение скорости охлаждения при кристаллизации дополнительно улучшает механические свойства и прочность на разрыв монокристаллов, выращенных направленной кристаллизацией, из-за измельчения выделений y'. [9]

При направленном кристаллизационном росте монокристаллов паразитные зерна зарождаются, когда расплавленный металл затекает в зазор между формой/затравкой и затвердевает. [10] Это катастрофично для механических свойств суперсплавов на основе Ni, таких как CMSX4, и может быть минимизировано путем поддержания допуска <001> от локальной нормали поверхности. [11] Кроме того, диапазон осевых ориентаций в начальном блоке направленной кристаллизации должен быть минимизирован для успешного выращивания монокристалла. [12] Это сложно в зависимости от диапазона ориентаций в начальном блоке DS, и поэтому управление ориентацией становится большой областью фокусировки. [13]

В сплавах на основе Ti-Al пластинчатая микроструктура проявляет анизотропные свойства в пластинчатом направлении, и поэтому кинетика и ориентация ее роста являются неотъемлемой частью оптимизации ее механических свойств. [14] Выбор направленного роста затвердевания, при котором пластинчатая структура параллельна направлению роста, приведет к высокой прочности и пластичности. [15] Еще сложнее выделить эту фазу, поскольку она образуется не из жидкости, а из твердого состояния. [16] Первый способ преодоления этой проблемы — использование затравочного материала, который правильно ориентирован и который зарождает новые пластинки во время обработки с той же ориентацией, что и исходный материал. [17] Он помещается перед основной массой материала, так что при затвердевании расплава у него есть прецедент для правильной ориентации, которой нужно следовать. [18] Если затравка не используется, другой метод достижения высокопрочной однопластинчатой ​​фазы — иметь пластинчатую структуру, ориентированную вдоль направления роста. [19] Однако это успешно только в течение небольшого периода затвердевания, поскольку его успех, вызванный столбчатым ростом бета-фазы, за которым следует равноосный рост альфа-фазы и легирование бором, ставится под угрозу высоким термическим градиентом охлаждения. [20]

Ссылки

  1. ^ Стефанеску 2008, стр. 67.
  2. ^ ab Chastain 2004, стр. 104.
  3. ^ Кузнецов, А. В.; Сюн, М. (2002). «Зависимость образования микропористости от направления затвердевания». Международные сообщения по тепло- и массообмену . 29 (1): 25–34. doi :10.1016/S0735-1933(01)00321-9.
  4. ^ Стефанеску 2008, стр. 68.
  5. ↑ Честейн 2004, стр. 104–105.
  6. ^ Фу, Гэн, Хэнчжи, Синго (2001). «Высокоскоростная направленная кристаллизация и ее применение в монокристаллических суперсплавах». Наука и технология современных материалов . 2 (1): 197–204. Bibcode :2001STAdM...2..197F. doi : 10.1016/S1468-6996(01)00049-3 .{{cite journal}}: CS1 maint: несколько имен: список авторов ( ссылка )
  7. ^ Фу, Гэн, Хэнчжи, Синго (2001). «Высокоскоростная направленная кристаллизация и ее применение в монокристаллических суперсплавах». Наука и технология современных материалов . 2 (1): 197–204. Bibcode :2001STAdM...2..197F. doi : 10.1016/S1468-6996(01)00049-3 .{{cite journal}}: CS1 maint: несколько имен: список авторов ( ссылка )
  8. ^ Фу, Гэн, Хэнчжи, Синго (2001). «Высокоскоростная направленная кристаллизация и ее применение в монокристаллических суперсплавах». Наука и технология современных материалов . 2 (1): 197–204. Bibcode :2001STAdM...2..197F. doi : 10.1016/S1468-6996(01)00049-3 .{{cite journal}}: CS1 maint: несколько имен: список авторов ( ссылка )
  9. ^ Фу, Гэн, Хэнчжи, Синго (2001). «Высокоскоростная направленная кристаллизация и ее применение в монокристаллических суперсплавах». Наука и технология современных материалов . 2 (1): 197–204. Bibcode :2001STAdM...2..197F. doi : 10.1016/S1468-6996(01)00049-3 .{{cite journal}}: CS1 maint: несколько имен: список авторов ( ссылка )
  10. ^ Ямагучи, М (май 2000). «Направленная кристаллизация сплавов на основе TiAl». Интерметаллические соединения . 8 (5–6): 511–517. doi :10.1016/S0966-9795(99)00157-0 . Получено 6 марта 2020 г.
  11. ^ Ямагучи, М (май 2000). «Направленная кристаллизация сплавов на основе TiAl». Интерметаллические соединения . 8 (5–6): 511–517. doi :10.1016/S0966-9795(99)00157-0 . Получено 6 марта 2020 г.
  12. ^ Ямагучи, М (май 2000). «Направленная кристаллизация сплавов на основе TiAl». Интерметаллические соединения . 8 (5–6): 511–517. doi :10.1016/S0966-9795(99)00157-0 . Получено 6 марта 2020 г.
  13. ^ Ямагучи, М (май 2000). «Направленная кристаллизация сплавов на основе TiAl». Интерметаллические соединения . 8 (5–6): 511–517. doi :10.1016/S0966-9795(99)00157-0 . Получено 6 марта 2020 г.
  14. ^ D'Souza, D. (ноябрь 2000 г.). «Направленная и монокристаллическая кристаллизация суперсплавов на основе никеля: часть I. Роль криволинейных изотерм в выборе зерен» (PDF) . Metallurgical and Materials Transactions A . 31A (11): 2877–2886. Bibcode :2000MMTA...31.2877D. doi :10.1007/BF02830351. S2CID  136914987.
  15. ^ D'Souza, D. (ноябрь 2000 г.). «Направленная и монокристаллическая кристаллизация суперсплавов на основе никеля: часть I. Роль криволинейных изотерм в выборе зерен» (PDF) . Metallurgical and Materials Transactions A . 31A (11): 2877–2886. Bibcode :2000MMTA...31.2877D. doi :10.1007/BF02830351. S2CID  136914987.
  16. ^ D'Souza, D. (ноябрь 2000 г.). «Направленная и монокристаллическая кристаллизация суперсплавов на основе никеля: часть I. Роль криволинейных изотерм в выборе зерен» (PDF) . Metallurgical and Materials Transactions A . 31A (11): 2877–2886. Bibcode :2000MMTA...31.2877D. doi :10.1007/BF02830351. S2CID  136914987.
  17. ^ D'Souza, D. (ноябрь 2000 г.). «Направленная и монокристаллическая кристаллизация суперсплавов на основе никеля: часть I. Роль криволинейных изотерм в выборе зерен» (PDF) . Metallurgical and Materials Transactions A . 31A (11): 2877–2886. Bibcode :2000MMTA...31.2877D. doi :10.1007/BF02830351. S2CID  136914987.
  18. ^ D'Souza, D. (ноябрь 2000 г.). «Направленная и монокристаллическая кристаллизация суперсплавов на основе никеля: часть I. Роль криволинейных изотерм в выборе зерен» (PDF) . Metallurgical and Materials Transactions A . 31A (11): 2877–2886. Bibcode :2000MMTA...31.2877D. doi :10.1007/BF02830351. S2CID  136914987.
  19. ^ D'Souza, D. (ноябрь 2000 г.). «Направленная и монокристаллическая кристаллизация суперсплавов на основе никеля: часть I. Роль криволинейных изотерм в выборе зерен» (PDF) . Metallurgical and Materials Transactions A . 31A (11): 2877–2886. Bibcode :2000MMTA...31.2877D. doi :10.1007/BF02830351. S2CID  136914987.
  20. ^ D'Souza, D. (ноябрь 2000 г.). «Направленная и монокристаллическая кристаллизация суперсплавов на основе никеля: часть I. Роль криволинейных изотерм в выборе зерен» (PDF) . Metallurgical and Materials Transactions A . 31A (11): 2877–2886. Bibcode :2000MMTA...31.2877D. doi :10.1007/BF02830351. S2CID  136914987.

Библиография

Дальнейшее чтение