Направленное затвердевание
Направленное затвердевание (DS) и прогрессивное затвердевание — это типы затвердевания внутри отливок . Направленное затвердевание – это затвердевание, которое происходит от самого дальнего конца отливки и продвигается к литнику . Прогрессирующее затвердевание, также известное как параллельное затвердевание . [1] Это затвердевание, которое начинается у стенок отливки и распространяется перпендикулярно от этой поверхности. [2]
Теория -
[ редактировать ]Большинство металлов и сплавов сжимаются при переходе материала из жидкого состояния в твердое. Следовательно, если жидкий материал недоступен для компенсации этой усадки, образуется усадочный дефект . [3] Когда прогрессивная кристаллизация преобладает над направленной кристаллизацией, образуется усадочный дефект. [2]
Геометрическая форма полости формы оказывает непосредственное влияние на постепенное и направленное затвердевание. В конце туннельной геометрии возникает расходящийся тепловой поток , в результате чего эта область отливки охлаждается быстрее, чем окружающие области; это называется конечный эффект . Большие полости остывают не так быстро, как окружающие их области, поскольку в них меньше теплового потока; это называется эффектом райзера . Также обратите внимание, что углы могут создавать расходящиеся или сходящиеся (также известные как горячие точки ) области теплового потока. [4]
Чтобы вызвать направленное охлаждение при затвердевании , можно использовать стояки , изолирующие втулки, контроль скорости и температуры заливки. [5]
Направленное затвердевание можно использовать в качестве процесса очистки. Поскольку во время затвердевания большинство примесей будут более растворимы в жидкости, чем в твердой фазе, примеси будут «выталкиваться» фронтом затвердевания, в результате чего большая часть готовой отливки будет иметь более низкую концентрацию примесей, чем в исходном материале, в то время как последняя затвердевший металл будет обогащен примесями. Эту последнюю часть металла можно сдать в металлолом или переработать. Пригодность направленной кристаллизации для удаления конкретной примеси из определенного металла зависит от коэффициента распределения примеси в рассматриваемом металле, как описано уравнением Шейля . Направленная кристаллизация (при зонной плавке ) часто используется в качестве стадии очистки при производстве мультикристаллического кремния для солнечных элементов . [ нужна ссылка ]
Микроструктурные эффекты
[ редактировать ]Направленная затвердевание является предпочтительным методом литья жаропрочных суперсплавов на основе никеля, которые используются в газотурбинных двигателях самолетов. Некоторые микроструктурные проблемы, такие как грубая дендритная структура, длинные боковые ветви дендритов и пористость, препятствуют реализации полного потенциала монокристаллических сплавов на основе никеля. [6] Эту морфологию можно понять, взглянув на соотношение G/V при затвердевании, где G — градиент температуры в расплаве перед фронтом затвердевания, а V — скорость затвердевания. [7] Это соотношение необходимо поддерживать в пределах, обеспечивающих образование монокристалла с правильной микроструктурой грубого дендрита с боковыми ответвлениями. [8] Было обнаружено, что увеличение скорости охлаждения при затвердевании дополнительно улучшает механические свойства и долговечность монокристаллов, выращенных методом направленной затвердевания, за счет измельчения выделений y'. [9]
При направленном росте монокристаллов при затвердевании ложные зерна зарождаются, когда расплавленный металл течет в зазор между формой/затравочным зазором и затвердевает. [10] Это катастрофично для механических свойств суперсплавов на основе Ni, таких как CMSX4, и его можно свести к минимуму, сохраняя допуск <001> от нормальной локальной поверхности. [11] Кроме того, диапазон осевых ориентаций в стартовом блоке направленной кристаллизации должен быть минимизирован для успешного выращивания монокристалла. [12] Это затруднительно в зависимости от диапазона ориентаций стартового блока DS, и поэтому управление ориентацией требует большого внимания. [13]
В сплавах на основе Ti-Al пластинчатая микроструктура проявляет анизотропные свойства в ламеллярном 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] Выделить эту фазу еще труднее, поскольку она образуется не из жидкости, а из твердого состояния. [16] Первый способ решить эту проблему — использовать правильно ориентированный затравочный материал, в котором во время обработки образуются новые ламели с той же ориентацией, что и исходный материал. [17] Его размещают перед основной массой материала, чтобы при затвердевании расплава у него был прецедент для правильной ориентации. [18] Если затравка не используется, другой метод получения высокопрочной однослойной фазы заключается в ориентации пластинчатой структуры вдоль направления роста. [19] Однако это является успешным только для небольшого окна затвердевания, поскольку его успех от столбчатого роста бета-фазы с последующим равноосным ростом альфа-фазы и легированием бором ставится под угрозу из-за высокого температурного градиента охлаждения. [20]
Ссылки
[ редактировать ]- ^ Стефанеску 2008 , стр. 67.
- ^ Jump up to: а б Честейн 2004 , с. 104.
- ^ Кузнецов А.В.; Сюн, М. (2002). «Зависимость образования микропористости от направления затвердевания». Международные сообщения в области тепломассообмена . 29 (1): 25–34. дои : 10.1016/S0735-1933(01)00321-9 .
- ^ Стефанеску 2008 , стр. 68.
- ^ Честейн 2004 , стр. 104–105.
- ^ Фу, Гэн, Хэнчжи, Синго (2001). «Высокоскоростная направленная кристаллизация и ее применение в монокристаллических суперсплавах» . Наука и технология перспективных материалов . 2 (1): 197–204. Бибкод : 2001STAdM...2..197F . дои : 10.1016/S1468-6996(01)00049-3 .
{{cite journal}}: CS1 maint: несколько имен: список авторов ( ссылка ) - ^ Фу, Гэн, Хэнчжи, Синго (2001). «Высокоскоростная направленная кристаллизация и ее применение в монокристаллических суперсплавах» . Наука и технология перспективных материалов . 2 (1): 197–204. Бибкод : 2001STAdM...2..197F . дои : 10.1016/S1468-6996(01)00049-3 .
{{cite journal}}: CS1 maint: несколько имен: список авторов ( ссылка ) - ^ Фу, Гэн, Хэнчжи, Синго (2001). «Высокоскоростная направленная кристаллизация и ее применение в монокристаллических суперсплавах» . Наука и технология перспективных материалов . 2 (1): 197–204. Бибкод : 2001STAdM...2..197F . дои : 10.1016/S1468-6996(01)00049-3 .
{{cite journal}}: CS1 maint: несколько имен: список авторов ( ссылка ) - ^ Фу, Гэн, Хэнчжи, Синго (2001). «Высокоскоростная направленная кристаллизация и ее применение в монокристаллических суперсплавах» . Наука и технология перспективных материалов . 2 (1): 197–204. Бибкод : 2001STAdM...2..197F . дои : 10.1016/S1468-6996(01)00049-3 .
{{cite journal}}: CS1 maint: несколько имен: список авторов ( ссылка ) - ^ Ямагучи, М. (май 2000 г.). «Направленная кристаллизация сплавов на основе TiAl» . Интерметаллики . 8 (5–6): 511–517. дои : 10.1016/S0966-9795(99)00157-0 . Проверено 6 марта 2020 г.
- ^ Ямагучи, М. (май 2000 г.). «Направленная кристаллизация сплавов на основе TiAl» . Интерметаллики . 8 (5–6): 511–517. дои : 10.1016/S0966-9795(99)00157-0 . Проверено 6 марта 2020 г.
- ^ Ямагучи, М. (май 2000 г.). «Направленная кристаллизация сплавов на основе TiAl» . Интерметаллики . 8 (5–6): 511–517. дои : 10.1016/S0966-9795(99)00157-0 . Проверено 6 марта 2020 г.
- ^ Ямагучи, М. (май 2000 г.). «Направленная кристаллизация сплавов на основе TiAl» . Интерметаллики . 8 (5–6): 511–517. дои : 10.1016/S0966-9795(99)00157-0 . Проверено 6 марта 2020 г.
- ^ Д'Суза, Д. (ноябрь 2000 г.). «Направленная и монокристаллическая затвердевание суперсплавов на основе Ni: Часть I. Роль изогнутых изотерм в выборе зерна» (PDF) . Металлургические и сырьевые операции А . 31А (11): 2877–2886. Бибкод : 2000MMTA...31.2877D . дои : 10.1007/BF02830351 . S2CID 136914987 .
- ^ Д'Суза, Д. (ноябрь 2000 г.). «Направленная и монокристаллическая затвердевание суперсплавов на основе Ni: Часть I. Роль изогнутых изотерм в выборе зерна» (PDF) . Металлургические и сырьевые операции А . 31А (11): 2877–2886. Бибкод : 2000MMTA...31.2877D . дои : 10.1007/BF02830351 . S2CID 136914987 .
- ^ Д'Суза, Д. (ноябрь 2000 г.). «Направленная и монокристаллическая затвердевание суперсплавов на основе Ni: Часть I. Роль изогнутых изотерм в выборе зерна» (PDF) . Металлургические и сырьевые операции А . 31А (11): 2877–2886. Бибкод : 2000MMTA...31.2877D . дои : 10.1007/BF02830351 . S2CID 136914987 .
- ^ Д'Суза, Д. (ноябрь 2000 г.). «Направленная и монокристаллическая затвердевание суперсплавов на основе Ni: Часть I. Роль изогнутых изотерм в выборе зерна» (PDF) . Металлургические и сырьевые операции А . 31А (11): 2877–2886. Бибкод : 2000MMTA...31.2877D . дои : 10.1007/BF02830351 . S2CID 136914987 .
- ^ Д'Суза, Д. (ноябрь 2000 г.). «Направленная и монокристаллическая затвердевание суперсплавов на основе Ni: Часть I. Роль изогнутых изотерм в выборе зерна» (PDF) . Металлургические и сырьевые операции А . 31А (11): 2877–2886. Бибкод : 2000MMTA...31.2877D . дои : 10.1007/BF02830351 . S2CID 136914987 .
- ^ Д'Суза, Д. (ноябрь 2000 г.). «Направленная и монокристаллическая затвердевание суперсплавов на основе Ni: Часть I. Роль изогнутых изотерм в выборе зерна» (PDF) . Металлургические и сырьевые операции А . 31А (11): 2877–2886. Бибкод : 2000MMTA...31.2877D . дои : 10.1007/BF02830351 . S2CID 136914987 .
- ^ Д'Суза, Д. (ноябрь 2000 г.). «Направленная и монокристаллическая затвердевание суперсплавов на основе Ni: Часть I. Роль изогнутых изотерм в выборе зерна» (PDF) . Металлургические и сырьевые операции А . 31А (11): 2877–2886. Бибкод : 2000MMTA...31.2877D . дои : 10.1007/BF02830351 . S2CID 136914987 .
Библиография
[ редактировать ]- Честейн, Стивен (2004), Литье металла: руководство по литью в песчаные формы для небольшого литейного завода, Vol. II , том. 4, Стивен Честейн, ISBN 978-0-9702203-3-2 .
- Стефанеску, Дору Майкл (2008), Наука и техника затвердевания отливок (2-е изд.), Springer, ISBN 978-0-387-74609-8 .
Дальнейшее чтение
[ редактировать ]- Кэмпбелл, Джон (12 июня 2003 г.), Кастинги (2-е изд.), Баттерворт-Хайнеманн, ISBN 0-7506-4790-6 .
- Влодавер, Роберт (1966), Направленная затвердевание стальных отливок , Pergamon Press .