连续定向凝固技术的研究进展(4)

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专题综述

ＲＥＶＩＥＷ

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进一步提高。在ＯＣＣ工艺中，通过优化工艺参数，控制固液界面形态及凝固金属的热流场分布，促进竞争生长，即可逐步由一个晶粒控制整个铸锭，从而实现单晶连铸。单晶连铸技术的理论依据是晶体生长过程中的竞争原则，既优先生长方向与热流方向相一致，处于最有利条件的晶体将优先生长，逐步淘汰其余的晶体。单晶晶体生长的淘汰机制如下所述：连续定向凝固开始时，晶体竞相生长，首先在引晶棒表面形成等轴晶组织；随着过程的继续，在等轴晶的基底上形成定向凝固的多晶组织；然后经历逐渐淘汰过程，直至形成单晶组织。由于热铸型和冷却水的作用，在固液界面前形成定向凝固的条件，同时由于加热铸型的温度高于金属的熔点，避免了型壁上的形核，固液界面呈凸向金属熔体的形状。晶体的竞相生长是由控制固液界面的形状来达到的，当固液界面为凸形时，其晶体竞相生长过程如图７（ａ）所示，由于晶体生长受到固液界面前沿温度分布的影响，杂晶生长（箭头所示方向）受到基体的限制，不能长大，逐渐被淘汰，因此，凸形的固液界面有利于晶体生长过程的淘汰，能够实现单晶连铸；反之，当固液界面为凹向凝固金属的形状时，其晶体竞相生长过程如图７（ｂ），固液界面前沿的温度分布与凸形界面相反，图７（ｂ）所示的杂晶生长（箭头所示方向）不受基体的限制，反而基体的生长受到杂晶的限制，从而生长出定向凝固的柱状晶杆坯［３３］。图８为一种单晶连铸设

４］备结构示意图［３～。

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图８

１．铸锭罩管

单晶连铸设备结构示意图

３．冷却器

４．导向套

５、９、１０．热电偶１５．熔化坩埚

６．密封

８．液面高度控制系统

１１．氩气输入１６．合金液

２．牵引系统

７．液面高度控测器（压棒）１２．炉盖

１３．炉体

１４．ＳｉＣ加热体

１７．加热炉１８．导流管及铸型

凝固技术国家重点实验室自１９９４年开始选用铝合金材料为对象进行单晶连铸技术方面的研究，研制了一台小型水平式单晶连铸设备，建立了水平连铸时决定单晶形成的两大因素———液面高度和固液界面位置的静力学模型，完成了原理性工艺试验，目前已能成功地每炉拉制出长７～１０ｍ，直径!８ｍｍ，表面呈镜面光滑的铝单晶铸锭，同时对铜单晶连铸技术也进行了研究；本课题组将真空熔炼和连续定向凝固相结合也成功研制出了!１６ｍｍ铜单晶和铝单晶。

３展望

影响连续定向凝固组织的主要因素是温度梯度

单晶连铸技术在国内研究较多，西北工业大学

ＧＬ和凝固速度Ｒ（或称晶体生长速

率），在提高ＧＬ的前提下，增大凝固速度Ｒ，可以细化组织，获得优异性

能的铸坯，同时有利于提高生产效率。合金在凝固过程中，最初的晶粒取向是任意分布的，晶粒间的相互竞争，使晶粒取向渐趋一致，晶粒数量减少，残留下来的是与凝固方向平行的柱状晶。该技术具有如下特点：①理论上可以制备具有无限长柱状晶组织或者单晶组织的杆坯；②铸坯的表面质量可以接近或达到镜面状态，断面形状不受限制；③铸坯组织致密。因铸坯中心先于表面凝固，不存在铸坯中心补缩问题，利于消除疏松、缩孔等缺陷，故所得铸坯缺陷少，

（ａ）!１６ｍｍ单晶铜棒（ｂ）!３９ｍｍ×１．８ｍｍ铜管

图６真空熔炼和连续定向凝固相结合制备产品

（ａ）固液界面为凸形（ｂ）固液界面为凹形

组织致密，纯净度高；④铸坯的性能显著提高。由于铸坯缺陷少，组织致

图７连铸单晶铜竞相生长模型

中国铸造装备与技术４

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