金属连续定向凝固技术
第32卷 第1期 上 海 有 色 金 属
V o.l 32,No .12011年3月
S HANGHA INO NFERRO U S MET ALS
M arc h ,2011
文章编号:1005-2046(2011)01-0042-03
收稿日期:2010 10 12
作者简介:袁静(1985-),女,山东烟台人,硕士研究生,主要从事单晶铜超细丝制备方面的研究。Te:l 137********,E m a i :l l m myuan@j 126.co m 。
金属连续定向凝固技术
袁 静
(江西理工大学材料与化学工程学院,江西赣州
341000)
摘 要:针对日趋活跃的金属定向凝固技术,阐述定向凝固技术的基本原理,以及其特点。简要说明了金属定向凝固技术的应用。介绍了目前金属定向凝固技术在国内外的发展状况,存在的问题及未来的前景。
关键词:金属;定向凝固;基本原理;技术特点;应用
中图分类号:TG249.7 文献标识码:A
Conti nuous Uni directional Soli dification ofM etal
YUAN Ji ng
(School of M aterials and Che m ical Engineering,J iangx i University of Technology,
Ganzhou 341000,Ch ina)
A bstract :D irecti o na l so li d ification techno logy ofm etal has beco m e i n creasing l y acti v e .Its basic pri n c i p le and characteristics are descri b ed .Its applicati o ns are also overvie w ed .The developm ent state at ho m e and abr oad ,proble m s and fut u re prospects o f d irectional so li d ifi c ation are summ arized.K ey words :m eta;l directional solidificati o n ;basic pr i n ci p le ;techn ical characteristic ;application
0 前 言
近年来,单晶材料其优异的加工及使用性能,越来越被人们所发现,因此也对单晶材料的制备方法展开了深入的研究。传统的单晶制备技术,如Czochra lsk i 法、B ri d ge m an 法和Zone M e lting 法。但是这些方法都无法达到铸件的无限长生产,使得单晶产品难以在电子和通讯业等领域得到广泛的应用。上世纪80年代,出现了一种将连续铸造和定向凝固结合起来的新的连续铸造方法,即热型连铸法,简称OCC 法。该法首先在日本发展起来,并得到了很好的应用。加拿大、韩国等发展也很迅速。目前国内针对单晶研制的工作也在广泛开展,各方面的研究成果众多,但是单晶产品迄今为止还未得到广泛的市场应用。这主要是单晶制备技术的掌握还不够完善,还需更广泛更深入的
研究。我国从1986年开始从事这方面的实验研究工作
[1]
。北京科技大学开发出一种介于HGC
与OCC 法之间的连续定向凝固装置,成功地进行了A l S i 、A l Cu 合金的连续定向凝固。西北工业大学凝固技术国家重点实验室从1994年起开始开发该技术,并已自行研制了小型单晶连铸设备,
现已完成原理性工艺试验[2]
。2000年,常国威等[3]
进行了电渣感应连续定向凝固新方法的研究,其装置结晶器型腔的正锥度与结晶器内温度梯度的存在,使下拉法连续定向凝固重新获得生命力,同时实现了铜合金、铸铁和不锈钢等高熔点的黑色金属或合金的连续定向凝固。2001年,上海大学毛协民等
[4]
利用定向凝固技术成功制备了
Cu Cr 合金电车线线坯,使定向凝固技术应用到了人们的实际生活当中。同年,甘肃工业大学对最具有共晶、过共晶、亚共晶及包晶转变的Zn A l
第1期 袁静:金属连续定向凝固技术43
合金进行了连续定向凝固的试验,总结了对于凝固范围不同的Zn A l 合金柱状晶形成机理。
1 连续定向凝固的基本原理
连续定向凝固技术是热型连铸即OCC 法发展的高级阶段,也是目前应用较多的单晶连铸方法。其基本原理与OCC 法相似,均是将结晶器的温度保持在熔体的凝固温度以上,绝对避免熔体在型壁上形核,完全消除等轴晶的来源,获得了单向凝固的柱状晶连续铸锭,熔体的凝固只在脱离结晶器的瞬间进行。随着铸锭不断离开结晶器,熔体的凝固方向沿热流的反方向进行,这种方法最大的特点是改变传统的连续铸造中冷却结晶器为加热结晶器,熔体的凝固不在结晶器内部进行。
其原理见图1[2]
。
图1 OCC 制备单晶原理
2 连续定向凝固技术的特点
连续定向凝固技术的特点:
(1)在铸型出口端与冷却区之间具有高的温度梯度,型内金属液的热量主要沿拉铸方向单向传输,造成有利于定向凝固的条件,可铸出长度不受限制的单晶和柱状晶铸锭。
(2)铸锭与铸型之间始终存在一层液体膜,铸锭表面在离开铸型出口一小段距离之后才自由凝固,铸锭表面光滑呈镜面状。金属液在铸型出口处凝固结壳,显著地减小铸件与型壁的磨擦磨损,可铸得表面非常光洁的复杂截面形状的薄壁型材。因此,OCC 技术可以称为一种新型成形技术,可用于制造那些通过塑性加工难以成型的硬脆合金及金属间化合物等线材、板材及复杂管材等。
(3)凸出的固液界面有利于凝固过程中析出的气体及夹杂不断排向液体,不被卷入铸锭,而
且不存在补缩困难的问题。因此,铸锭组织致密,无气孔、缩孔、缩松等铸造缺陷。有利于后续
的冷加工,可以减少甚至消除冷加工过程中的中间退火,节省了能源,提高了生产效率。
(4)凸出的固液界面有利于引晶阶段晶体的竞争生长,易于实现多晶组织向单晶的演化。但是,由于铸锭在离开铸型时,表面仍呈液体状态,铸锭的成形依靠液膜表面张力与液体金属静压力和重力的平衡,使得该技术在具体的工艺方案及工艺控制上有其特殊性。
3 连续定向凝固技术的应用
定向凝固技术的实现,对研发新型金属材料和近成型产品,进一步开发金属材料的潜力起到了积极的推动作用。
目前,世界范围内有多家企业采用该技术开发产品,如日本大阪富士公司制造的连铸单晶镁以及用于弧焊的一系列铝合金线;日本O saka Fu ji Kogyo 公司生产的Sn B i 共晶合金的焊丝;三井公司开发的各种复杂形状的热型连铸铜管等。国内也有西北工业大学超晶科技发展有限责任公司、焦作森格高新材料有限责任公司、慧邦科技有限
公司和广州协力创壹科技发展有限公司等几家公司,在从事热型连铸制品的开发。从目前热型连铸的发展状况及技术的特点来看,其制品主要应用在以下几个方面。3.1 金属单晶材料
定向凝固组织对金属材料冷加工性能的改善是非常显著的,因其消除了横向晶界,减少了位错塞积,使得塑性加工更易进行;且减少加工时在晶界处的断裂,尤其是单晶材料更是不会出现晶界断裂的情况。因而定向凝固单晶制品可以加工成超细丝和超薄箔,在集成电路、大型计算机以及电子仪器等领域有很广阔的应用前景,且因其晶界减少,也大大降低了对信号的损耗,因此也是高保真音响设备所需的高新材料。3.2 特种焊接材料
热型连铸技术制得的含钴S tellite 合金焊条,可完全消除气孔、夹杂、缩孔(松)等内部缺陷,且表面质量良好。同时,热型连铸焊条的生产效率高于挤压焊条的生产效率。3.3 复杂界面的薄壁型材、管材
由于热型连铸型内金属呈液态,与型壁无摩
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擦力,因而有可能拉铸截面形状复杂、壁厚很薄的铸件。例如拥有内外翅片、双层壁和多通道特征的铜管。
3.4 其他方法难以加工的型材
上世纪90年代初,热型连铸技术的应用研究开始向高合金高熔点材料发展,OCC研究中心和Osaka Fu jiK ogyo公司进行了钴基合金棒材和板材的试验研究,同时也进行了N i T i、N i A l合金和纯S i的连铸试验。
热型连铸技术能改善金属的性能、提高难加工材料的塑性加工性能,如M g、Sn Zn等;还能改善产品的抗疲劳性能。
3.5 金属包铸复合材料
目前,利用双金属连铸装置已经成功连铸出Sn包铸Sn Pb、Sn B i、Sn Zn共晶管材和线材,A l 包覆A l Cu共晶管材[5],以及S i C增强A l基复合材料棒材和线材[6],并对其工艺过程进行了研究。同时,采用OCC法已成功用Sn和铝合金包铸光纤[7 8],金属包铸光纤克服了不锈钢套保护光纤费用高、施工不便的缺点。
3.6 与低温强加工技术相结合
将具有定向凝固柱状晶组织的钢棒,通过低温强加工方法(或称无再结晶大塑性变形方法),获得具有细小单向纤维状晶粒组织的超高强度钢丝[9]。通过对低碳钢或低合金钢丝的模拟计算表明,此法在保持高韧性的同时,可使其强度达到2000MPa以上,替代高碳钢丝[10]。目前该法还成功制备了A l Cu A l2[11]、A l Y[12]合金铸棒和Cu A l N i形状记忆合金线[13 14]。该法生产的铸锭具有特殊的定向凝固组织,其产品具有极好的耐腐蚀、耐疲劳和抗高温蠕变性能,以及优异的磁学和电学性能。因此,金属单晶连铸技术对于制造磁性材料和共晶复合材料将发挥很大的作用。
4 结束语
单晶连铸定向凝固技术在国外发达国家研究起步较早,也较为活跃,而国内则落后许多。目前还很难实现市场上的广泛应用,其主要是连铸工艺参数的制定及控制方面欠缺,难以实现单晶连续稳定的生产。今后还要展开更深入的研究,针对连铸工艺参数对凝固方式、固液界面位置和形状、晶体生长方式的影响;单晶组织演化机制;各工艺参数对单晶质量(晶体取向、位错、杂质、杂晶)的影响规律;制定单晶连铸工艺工程化、实用化应用的具体工艺细节;开发单晶连铸设备的自动控制,以解决生产的稳定性问题。进一步发掘单晶材料的潜在性能,实现单晶材料更广阔的市场应用。
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材料先进加工技术
1. 快速凝固 快速凝固技术的发展，把液态成型加工推进到远离平衡的状态，极大地推动了非晶、细晶、微晶等非平衡新材料的发展。传统的快速凝固追求高的冷却速度而限于低维材料的制备，非晶丝材、箔材的制备。近年来快速凝固技术主要在两个方面得到发展：①利用喷射成型、超高压、深过冷，结合适当的成分设计，发展体材料直接成型的快速凝固技术；②在近快速凝固条件下，制备具有特殊取向和组织结构的新材料。目前快速凝固技术被广泛地用于非晶或超细组织的线材、带材和体材料的制备与成型。 2. 半固态成型 半固态成型是利用凝固组织控制的技术.20世纪70年代初期，美国麻省理工学院的Flemings 教授等首先提出了半固态加工技术，打破了传统的枝晶凝固式，开辟了强制均匀凝固的先河。半固态成型包括半固态流变成型和半固态触变成形两类：前者是将制备的半固态浆料直接成型，如压铸成型（称为半固态流变压铸）；后者是对制备好的半固态坯料进行重新加热，使其达到半熔融状态，然后进行成型，如挤压成型（称为半固态触变挤压） 3. 无模成型 为了解决复杂形状或深壳件产品冲压、拉深成型设备规模大、模具成本高、生产工艺复杂、灵活度低等缺点，满足社会发展对产品多样性（多品种、小规模）的需求，20世纪80年代以来，柔性加工技术的开发受到工业发达国家的重视。典型的无模成型技术有增量成型、无摸拉拔、无模多点成型、激光冲击成型等。 4.超塑性成型技术 超塑性成型加工技术具有成型压力低、产品尺寸与形状精度高等特点，近年来发展方向主要包括两个方面：一是大型结构件、复杂结构件、精密薄壁件的超塑性成型，如铝合金汽车覆盖件、大型球罐结构、飞机舱门，与盥洗盆等；二是难加工材料的精确成形加工，如钛合金、镁合金、高温合金结构件的成形加工等。 5. 金属粉末材料成型加工 粉末材料的成型加工是一种典型的近终形、短流程制备加工技术，可以实现材料设计、制备预成型一体化；可自由组装材料结构从而精确调控材料性能；既可用于制备陶瓷、金属材料，也可制备各种复合材料。它是近20年来材料先进制备与成型加工技术的热点与主要发展方向之一。自1990年以来，世界粉末冶金年销售量增加了近2倍。2003年北美铁基粉末。相关的模具、工艺设备和最终零件产品的销售额已达到91亿美元，其中粉末冶金零件的销售为64亿美元。美国企业生产的粉末冶金产品占全球市场的一半以上。可以预见，在较长一段时间内，粉末冶金工业仍将保持较高的增长速率。粉末材料成型加工技术的研究重点包括粉末注射成型胶态成型、温压成型及微波、等离子辅助低温强化烧结等。 6. 陶瓷胶态成型 20世纪80年代中期，为了避免在注射成型工艺中使用大量的有机体所造成的脱脂排胶困难以及引发环境问题，传统的注浆成型因其几乎不需要添加有机物、工艺成本低、易于操作制等特点而再度受到重视，但由于其胚体密度低、强度差等原因，他并不适合制备高性能的陶瓷材料。进入90年代之后，围绕着提高陶瓷胚体均匀性和解决陶瓷材料可靠性的问题，开发了多种原位凝固成型工艺，凝胶注模成型工艺、温度诱导絮凝成形、胶态振动注模成形、直接凝固注模成形等相继出现，受到严重重视。原位凝固成形工艺被认为是提高胚体的均匀性，进而提高陶瓷材料可靠性的唯一途径，得到了迅速的发展，已逐步获得实际应用。 7. 激光快速成型 激光快速成形技术，是20实际90年代中期由现代材料技术、激光技术和快速原型制造术相结合的近终形快速制备新技术。采用该技术的成形件完全致密且具有细小均匀的内部组
定向凝固技术的研究进展
定向凝固技术的研究进展 材料的使用性能是由其组织形态来决定的。因此．包括成分调整在内，人们通过控制材料的制备过程以获得理想的组织从而使材料具有所希望的使用性能，控制凝固过程已成为提高传统材料的性能和开发新材料的重要途径。定向凝固技术由于能得到一些具有特殊取向的组织和优异性能的材料，因而自它诞生以来得到了迅速的发展[1] ，目前已广泛地应用于半导体材料、磁性材料以及自身复合材料的生产[2-3] 。同时，由于定向凝固技术的出现，也为凝固理论的研究和发展提供了实验基础(由于理论处理过程的简单化)，因为在定向凝固过程中温度梯度和凝固速率这两个重要的凝固参数能够独立变化，从而可以分别研究它们对凝固过程的影响。此外，定向凝固组织非常规则，便于准确测量其形态和尺度特征。 本文评述了定向凝固技术的发展过程及其在材料的研究和制备过程中的应用，指出了传统定向凝固技术存在的问题和不足，并介绍了在此基础上新近发展起采的新型定向凝固技术及其应用前景。 1 传统的定向凝固技术 1.1 炉外结晶法(发热铸型法) [4] 所谓的炉外结晶法就是将熔化好的金属液浇入一侧壁绝热，底部冷却，顶部覆盖发热剂的铸型中，在金属液和已凝固金属中建立起一个自上而下的温度梯度，使铸件自上而下进行凝固，实现单向凝固。这种方法由于所能获得的温度梯度不大，并且很难控制，致使凝固组织粗大，铸件性能差，因此，该法不适于大型、优质铸件的生产。但其工艺简单、成本低，可用于制造小批量零件。 1.2 炉内结晶法 炉内结晶法指凝固是在保温炉内完成，具体工艺方法有：
1.2.1 功率降低法(PD法) [5] 将保温炉的加热器分成几组，保温炉是分段加热的。当熔融的金属液置于保温炉内后，在从底部对铸件冷却的同时，自下而上顺序关闭加热器，金属则自下而上逐渐凝固，从而在铸件中实现定向凝固。通过选择合适的加热器件，可以获得较大的冷却速度，但是在凝固过程中温度梯度是逐渐减小的，致使所能允许获得的柱状晶区较短，且组织也不够理想。加之设备相对复杂，且能耗大，限制了该方法的应用。 1.2.2 快速凝固法(HRS) [6] 为了改善功率降低法在加热器关闭后，冷却速度慢的缺点，在Bridgman晶体生长技术的基础上发展成了一种新的定向凝固技术，即快速凝固法。该方法的特点是铸件以一定的速度从炉中移出或炉子移离铸件，采用空冷的方式，而且炉子保持加热状态。这种方法由于避免了炉膛的影响，且利用空气冷却，因而获得了较高的温度梯度和冷却速度，所获得的柱状晶间距较长，组织细密挺直，且较均匀，使铸件的性能得以提高，在生产中有一定的应用。 1.2.3 液态金属冷却法(LMC法) [7] HRS法是由辐射换热来冷却的，所能获得的温度梯度和冷却速度都很有限。为了获得更高的温度梯度和生长速度。在HRS法的基础上，将抽拉出的铸件部分浸入具有高导热系数的高沸点、低熔点、热容量大的液态金属中，形成了一种新的定向凝固技术，即LMC法。这种方法提高了铸件的冷却速度和固液界面的温度梯度，而且在较大的生长速度范围内可使界面前沿的温度梯度保持稳定，结晶在相对稳态下进行，能得到比较长的单向柱晶。 常用的液态金属有Ga—In合金和Ga—In—Sn合金，以及Sn液，前二者熔点低，但价格昂贵，因此只适于在实验室条件下使用。Sn液熔点稍高(232℃)，但由于价格相对比较便宜，冷却效果也比较好，因而适于工业应用。该法已被美国、前苏联等国用于航空发动机叶片的生产[8] 。
定向凝固技术及其应用
定向凝固技术及其应用 1.定向凝固理论基础及方法 定向凝固又称定向结晶，是指金属或合金在熔体中定向生长晶体的一种方法。定向凝固技术是在铸型中建立特定方向的温度梯度，使熔融合金沿着热流相反的方向，按要求的结晶取向进行凝固铸造的工艺。它能大幅度地提高高温合金综合性能。定向凝固的目的是为了使铸件获得按一定方向生长的柱状晶或单晶组织。定向凝固铸件的组织分为柱状、单晶和定向共晶3种。要得到定向凝固组织需要满足的条件，首先要在开始凝固的部位形成稳定的凝固壳，凝固壳的形成阻止了该部位的型壁晶粒游离，并为柱状晶提供了生长基础，该条件可通过各种激冷措施达到。其次，要确保凝固壳中的晶粒按既定方向通过择优生长而发展成平行排列的柱状晶组织，同时，为使柱状晶的纵向生长不受限制，并且在其组织中不夹杂有异向晶粒，固液界面前方不应存在生核和晶粒游离现象。这个条件可通过下述措施来满足：（1）严格的单向散热。要使凝固系统始终处于柱状晶生长方向的正温度梯度作用下，并且要绝对阻止侧向散热，以避免界面前方型壁及其附近的生核和长大。（2）要有足够大的液相温度梯度与固液界面向前推进速度比值以使成分过冷限制在允许的范围内。同时要减少熔体的非均质生核能力，这样就能避免界面前方的生核现象，提高熔体的纯净度，减少因氧化和吸氧而形成的杂质污染，对已有的有效衬底则通过高温加热或加入其他元素来改变其组成和结构等方法均有助于减少熔体的非均质生核能力。（3）要避免液态金属的对流。搅拌和振动，从而阻止界面前方的晶粒游离，对晶粒密度大于液态金属的合金，避免自然对流的最好方法就是自下而上地进行单向结晶。当然也可以通过安置固定磁场的方法阻止其单向结晶过程中的对流。从这三个条件我们可以推断，为了实现定向凝固，在工艺技术上必须采取措施避免侧向散热，同时在靠近固液界面的熔体中维持较高的温度梯度。 定向生长理论和它的应用很大程度上取决于先进定向凝固技术。自从Bridgman和Stockbarger在20世纪20年达提出奠定了现代定向凝固和单晶生长技术基础的Bridgman定向凝固技术，定向凝固就被广泛运用于制备各种结构和功能材料。定向凝固技术最大的一个成果之一就是涡轮叶片的生产，这直接促进了高温合金材料设计上的巨大进步。自从这个突破后，一系列的定向凝固技术，比如：快速凝固技术（HRS），液态金属冷却（LMC）等可以提高定向凝固组织都发展起来。如今，定向凝固理论是一种重要的材料制备方法和一种研究凝固现象的有利工具。因此，研究和开发新的定向凝固方法吸引了世界范围内的材料工程师和科学家。 定向凝固方法主要有以下几种： （1）发热剂法。将型壳置于绝热耐火材料箱中，底部安放水冷结晶器。型壳中浇入金属液后，在型壳上部盖以发热剂，使金属液处于高温，建立自下而上的 凝固条件。由于无法调节凝固速率和温度梯度，因此该法只能制备晓得柱状 晶铸件。 （2）功率降低法。铸型加热感应圈分两段，铸件在凝固过程中不移动。当型壳被预热到一定过热度时，向型壳中浇入过热金属液，切断下部电源，上部继续 加热。温度梯度随着凝固距离的增大而不断减少。 （3）快速凝固法。与功率降低法的主要区别是铸型加热器始终加热，在凝固时铸件与加热器之间产生相对移动。另外，在热区底部使用辐射挡板和水冷套。 在挡板附近产生较大的温度梯度。与功率降低法相比，该法可大大缩小凝固
金属凝固原理复习资料
金属凝固原理复习题部分参考答案 （杨连锋2009年1月） 2004年 二 写出界面稳定性动力学理论的判别式，并结合该式说明界面能，温度梯度，浓度梯度对界面稳定性的影响。 答：判别式, 2 01()()2 (1)m c v D s g m v D g G T k ωωωω * *??- ??? =-Γ- ++?? -- ??? ，()s ω的正负决定 着干扰振幅是增长还是衰减，从而决定固液界面稳定性。第一项是由界面能决定的，界面能不可能是负值，所以第一项始终为负值，界面能的增加有利于固液界面的稳定。第二项是由温度梯度决定的，温度梯度为正，界面稳定，温度梯度为负，界面不稳定。第三项恒为正，表明该项总使界面不稳定，固液界面前沿形成的浓度梯度不利于界面稳定，溶质沿界面扩散也不利于界面稳定。 三 写出溶质有效分配系数E k 的表达式，并说明液相中的对流及晶体生长速度对E k 的影 响。若不考虑初始过渡区，什么样的条件下才可能有0s C C * = 答：0 00 (1)N L s v E D C k k C k k e δ*- = = +- 可以看出，搅拌对流愈强时，扩散层厚度N δ愈小， 故s C * 愈小。生长速度愈大时，s C * 愈向0C 接近。（1）慢的生长速度和最大的对流时，N L v D δ《1，0E k k = ；（2）大的生长速度或者液相中没有任何对流而只有扩散时，N L v D δ》1，E k =1 （3）液相中有对流，但属于部分混合情况时，0 1E k k <<。1E k =时，0 s C C * = ，即在 大的生长速度或者液相中没有任何对流而只有扩散时。 四 写出宏观偏析的判别式，指出产生正偏析，负偏析，和不产生偏析的生长条件。 答：0 1s q q C k C k = -+，s C 是溶质的平均浓度，0C 是液相的原始成分，q 是枝晶 内溶质分布的决定因素，它是合金凝固收缩率β，凝固速度u 和流动速度v 的函数， (1)(1)v q u β=-- 。0s C C =，即 1p u v β β =- -时，q=1，无宏观偏析。0s C C >时，对于01k <的合金来说，为正偏析，此时 1p u v β β >- -。0s C C <时，对于01k <的合金来 说，为负偏析，此时 1p u v β β <- -。 五 解：用2m m m m r m m k r T V T V T H H σσ?=- ?=- ? ??计算
钢管定向钻进技术在高压电缆穿越运行铁路中的 应用
钢管定向钻进技术在高压电缆穿越运行铁路中的应用 摘要：随着电网建设的不断深入，电网建设中外部环境的变化遇到了一些新的 问题，本文主要是针对高压电缆建设中遇有与运行铁路、公路等路径交叉情况下 的钢管定向钻进技术实际应用。为了满足施工和运行的方便，在实际工程中引进 钢管定向钻进防护套管技术，充分分析施工区域地质条件、地下物分布、建筑物、铁路、道路等地上物情况，对其进行了适应电缆施工、运行的优化设计，从而达 到安全、可靠、方便施工和运行维护的目的。 关键词：高压电缆钢管定向钻进防护套管 引言 随着自电网建设迅猛发展，但输电线路建设的内部环境和外部空间却越来越小。其中为 节约市区土地资源，市区电网多规划为电缆工程，市区地下地上空间拥挤，不可避免地与铁路、通讯、水暖及其他市政管线交叉重叠，路径选择困难，导致工程延期、缓期建设。如何 应对新形势，最大限度地满足电网建设需要已成为技术部门不断研究的课题。本文从设计角 度围绕便于施工、利于运行，降低造价及对邻近设施影响等方面，对电缆线路创新设计和新 型施工技术的应用进行探讨。与设计、施工单位、生产厂商紧密合作制定切实可行的技术方案，并在实际工程中优化应用。 2 实际应用概况及环境调查 2.1 工程概况 该技术在海门-新华路220千伏电缆线路工程中得到实际应用，主要涉及穿越塘沽南站铁 路7条，通车公路一条。 电力电缆2回共计6根，分2束、每束3根下穿铁路。电缆防护采用2根内径φ710钢管。为保证电缆的正常使用和施工期间铁路行车安全，采用定向钻进穿越、铺设防护套管， 实现电力电缆的穿越铁路。每隔钻孔内敷设1根外景738mm钢管和两根φ50mmHDPE管并 绑扎成管束穿越铁路，用于防护套管就位后注水泥浆固化管道周围土体。防滑套管内的电力 电缆布置情况。此种敷设方式采用水平定向钻进技术，铺管精度较高，适用管材广，可呈弧 线铺管灵活避让各类地下设施。 2.2 铁路现状 定向钻进防护套管工程位于塘沽南站内，交叉角度53度44分。既有运行铁路为普通线路，50kg/m钢轨，铺设钢筋混凝土枕木，铁路附近及两侧有各种地下电缆、光缆和各种既有 管线。 2.3 地质情况 表层为素填土；第二层为杂填土；第三层为素填土；第四层为淤泥质黏土；第五层为粉 质黏土；第六层为淤泥质黏土；地下水位随季节有所变化，水位年变幅为0.50~1.00m左右。 地下潜水稳定水位埋深约为 2.00~2.50m。土壤最大冻结深度：0.60m。地震基本烈度：Ⅶ度。 3 主要技术方案 3.1 穿越轨迹设计 根据既有铁路、道路、地下管线及其他建筑物和地质勘查资料，确定在塘沽南站东侧围 墙外布置工作场地（工作坑），在塘沽南站西侧围墙外布置回钢管管道的加工作业场地（接 受坑）。 工作坑及接受坑均采用原地面下挖1.5m，工作坑长10m，宽6m，采用145钢板桩防护 基坑，可见做泥浆循环池。每根工字钢长4m。接受坑长5m，宽6m，两钻孔自工作坑（钻 孔工作场地）斜向入土，入土、出土角度均采用15度，至适当位置采用曲率半径为100m的 竖向曲线过渡至水平钻孔段，穿越既有铁路、各种管线后再采用曲率半径为100m的竖向曲 线与接收坑方向钻孔相连。 最终成孔直径900mm，扩孔比为1.25，满足扩孔比大于1.2的要求。在实际应用中，单 个钻孔长度为192.8m，水平长度为190.9m，两个钻孔总长度为385.6m。 3.2 套管设计
材料成型新技术——连续定向凝固技术 - 副本
材料成型新技术报告 学生姓名：学号： 学院：材料学院 班级：成型093 题目：连续定向凝固技术 2012 年 11月
连续定向凝固技术 绪论 金属的凝固，从传热学的角度是液态金属转变为固态的过程；从物理化学、金属学的观点就是结晶，即：形核和生长。形核过程对金属材料晶粒的大小起着至关重要的作用；晶体生长关系到凝固后微观组织的形态，由于组成金属材料的晶体形态与金属材料的性质有关，如何控制晶体生长已成为控制金属材料性能的重要手段。凝固组织的控制包括两方面的内容：(l)凝固组织形态的选择(2)控制凝固组织的尺寸、间距。 材料的使用性能是由其组织形态来决定的。因此，包括调整成分在内，人们通过控制材料的制备过程以获得理想的组织从而使材料具有所希望的使用性能，控制凝固过程己成为提高传统材料的性能和开发新材料的重要途径。定向凝固技术由于能得到一些具有特殊取向的组织和优异性能的材料，因而自它诞生以来得到了迅速的发展。同时，由于定向凝固技术的出现，也为凝固理论的研究和发展提供了实验基础，因为在定向凝固过程中温度梯度和凝固速率这两个重要的凝固参数能够独立变化，从而可以分别研究它们对凝固过程的影响。此外，定向凝固组织非常规则，便于准确测量其形态和尺度特征。 定向凝固技术是控制晶体生长、研究晶体生长行为最有效的方法，实现定向凝固的总原则为金属熔体中的热量严格的按单一方向导出，使金属或合金按柱状晶或单晶的方式生长。金属熔体在凝固过程中，为了达到单一方向生长为柱状晶的目的，除满足上述总原则外，还必须满足以下两个条件：一是凝固过程中固液界面保持为平面，在界面前沿保持足够高的温度梯度，并且使此温度梯度与柱状晶生长速度的比值足够大；二是未凝固的液体有足够的过热度，避免型壁形核，防止型壁上形成的晶体脱落形成等轴晶的核心。 定向凝固的发展历程 定向凝固过程的理论研究的出现是在1953年，那是Charlmers及其他的同事们在
钢的电磁约束成型定向凝固工艺研究
钢的电磁约束成型定向凝固工艺研究* 李金山 张 军 李建国 傅恒志 摘 要 以1Cr 18Ni9T i 为实验材料,对钢的电磁约束成型定向凝固工艺进行了 一定的探索,获得了合理的感应器结构和理想的工艺参数,并成功地抽拉出直径25m m 、表面光滑、内部为柱状晶组织的试样。 关键词 电磁约束成型,定向凝固,感应器,电磁压力 中图分类号 TM 154.2,T F771.1 引 言 电磁约束成型定向凝固技术是将电磁铸造技术与定向凝固技术相结合而产生的一种新型的定向凝固技术,与传统的定向凝固技术相比它的优点是: 金属熔体与感应器(铸模)无接触,一方面使所获得的铸件表面质量较好,无毛刺、缩孔、夹渣等铸造缺陷;另一方面,减少了传统定向凝固时模壳材料对铸件的污染,可以充分提高铸件的性能。 冷却介质与铸件直接接触,显著增强了铸件的冷却能力,同时由于金属熔体采用感应加热,加热能力很强,最终形成了沿铸件轴向方向上的强热强冷,满足了一维散热条件,并使液固界面附近获得了较高的温度梯度,有利于获得理想的柱晶或超细柱晶组织。由于电磁自约束成型定向凝固技术是一项跨多种学科的复杂技术,它涉及到电磁流体力学、冶金、凝固、自动控制等较多学科领域,研究和开发有许多困难需要解决。因此,目前国内外很少见到这方面研究报道。西北工业大学凝固技术国家重点实验室傅恒志院士等人近几年致力于这方面的研究,并已取得了一定的研究成果。本文对小截面不锈钢试样的电磁约束成型定向凝固技术在设备、工艺等方面进行了一定的研究,并获得了直径为25m m 、内部为均匀的柱状晶组织的圆柱状试样。1 实验原理及方法 图1所示为电磁约束成型定向凝固工艺的原理图[1],工作时,电源供给感应器交变的感应电流,使感应器内部产生交变的感应磁场。根据电磁感应理论,在感应器内部的金属熔体内产生交变的电磁感应电流,由于集肤效应,电流主要集中在金属熔体表层部分,其方向在每一瞬间都与感应器内的电流方向相反。因此,在熔体的侧表面产生垂直表面并指向熔体内部的电磁压力压缩熔体。电磁压力、表面张力和熔体的静压力平衡,就实现了熔体与感应器的无接触成型。在感应器的上面配上送料机构,使固体棒料能够连续被送入感应器内,利用感应加热将其 1998年2月 第16卷第1期 西北工业大学学报JOU R N AL O F N O RT HW EST ERN PO L Y T ECHNI CA L U N IV ERSIT Y Feb. 1998 V ol.16No.1 西北工业大学讲师 西北工业大学教授本文收到日期:1996-11-15 * 国防预研基金和航空科学基金资助项目
定向凝固中的界面形态演化
定向凝固中的界面形态演化 引言 通常人们在研究金属及其合金的凝固时，由于金属本身的不透明性，使得人们无法动态实时观察金属内部凝固过程中凝固组织的演化与选择；而采用X射线透视或者原子力显微镜则代价较为高昂，也不可能获得对组织演化细节的清楚认识。由于熔体凝固时对流会造成材料组分上的变化，造成杂质条纹等缺陷。要获得高质量的材料，就要对凝固过程的熔体流动和其稳定性进行深入研究。借助实时观察方法对凝固过程进行实时原位观察，研究凝固过程中材料表面微观形貌和整体形态的变化以及流体运动，实现动态过程的可视化监测和测量，从中就可获得有关凝固的信息。 随着对凝固理论与晶体生长技术不断深入的研究，发现凝固形态是由晶体界面性质和凝固驱动力场的性质所完全决定的。界面性质决定了界面形态对驱动力场的响应性质，因而相似的界面性质在相似的驱动力场作用下将产生相似的动力学行为，从而导致相似的界面形态。 固--液界面可以分为两类[1]：规则界面和不规则界面。规则界面是指正常凝固条件下的平面、胞状和枝晶界面[2]。理论分析表明，只有当固--液界面能是各向异性时才能形成稳定枝晶界面[3]，通常情况下大多数材料是以稳定枝晶界面生长。 当晶体沿着一定的晶向生长时，如立方晶系的<111>晶向，固--液界面能接近于各向同性[4]，这时将会出现不规则界面。在这样的条件下，枝晶尖端常常随机分枝，分枝与枝晶干不对称，从而形成不规则界面。至今已经观察到几种不规则界面，如：倾斜枝晶界面、退化枝晶界面、海藻状晶体界面。 1实验方法 晶体生长室的最大平面放在x-y平面中，观察二维晶体生长。实验采用了丁二腈-5at%水来作为模拟晶体，测试开始前，试样加热至全部融化并静止一段时间冷却，使得试样内的熔质均匀化。温度通过采用SWP-T803数字控温仪控温，控温精度0.1°C，可在0°C到200°C范围内任意调节。加热至一定温度且保持恒定，试样内形成一定的温度梯度，试样放在温度梯度场中。晶体中温度的测量利用热电偶，晶体生长过程中，根据晶体界面的位置移动热电偶的位置，记录温度值，即可获得温度梯度值。 实验系统见图1，试样放入定向固系统中，使用CKX41型浮雕相衬显微镜可
关于水平定向钻进技术在市政供水管道施工中的应用分析
关于水平定向钻进技术在市政供水管道施工中的应用分析 发表时间：2017-06-15T11:32:58.453Z 来源：《基层建设》2017年6期作者：班源平 [导读] 本文主要分析了自来水管道施工水平定向钻进施工的工艺及技术要点。 身份证号码：45212219711202xxxx 摘要：随着我国城市不断发展,水平定向钻进技术在供水管道施工中得到越来越广泛的应用。本文主要分析了自来水管道施工水平定向钻进施工的工艺及技术要点。 关键词：水平定向钻进;供水管道;施工 过去在城市地下管网建设包括供水、天然气、电信、电力、排污等管线铺设中,沿用的传统施工方法是开挖埋管线,该法不仅速度慢,且影响交通和污染环境,遇到障碍物时更是无法穿越。水平定向钻进作为非开挖技术中最具活力的一项施工技术,具有导向准确。 1 传统大开挖方式的弊端 (1)敷设供水管道遇到穿越河流时,采用传统大开挖方式要先破坏河堤,还要对河流做引流,开挖工程量大,难度大,产生的费用也较高,且工期长。 (2)敷设供水管道要穿越新修建的公路时极不方便。国家明文规定:“新修建的公路在3-15年内不允许破路开挖”。若对新建道路开挖,不仅使道路质量变差、寿命缩短,而且容易造成交通堵塞,严重者还会伴有地下管线被挖坏的事故发生。 (3)施工中遇到一些要穿越的、但是跨度较大、埋层较深的障碍物时(如电力隧道、电力方涵、污水方涵等),若从方涵上方穿越则埋深不够,若从下方通过,挖得太深危险性大,且不易施工。 (4)穿越铁路段时,直接开挖会造成铁路停运,而且敷管及之后的铁路恢复工作需要工期较长。 2 水平定向钻进技术优点 水平定向钻进法是发展最快的一种非开挖施工方法,是利用水平定向钻机在不开挖地表的条件下或以最小的地表开挖工作量进行铺设多种地下公用设施(如管道、电缆等)的技术,其优点具体如下: (1)水平定向钻进穿越施工时不会阻碍周边交通,不会破坏绿地、植被或影响商店、医院、学校和居民的正常生活和工作环境,解决了传统开挖法施工对居民生活和出行的干扰以及对交通、环境、周边建筑物基础的破坏和不良影响。 (2)现代化的穿越设备的穿越精度高,易于调整敷设方向和埋深,管线弧形敷设距离长,完全可以满足设计埋深要求,并且可以使管线绕过地下的障碍物。 (3)城市管网埋深一般达到3m以下,穿越河流时,一般埋深在河床下9-18m,所以采用水平定向钻机穿越,对周围环境无影响,不破坏地貌,适应环保的各项要求。 (4)采用水平定向钻机穿越施工时,无需在水面或水下作业,不影响江河通航,不损坏江河两侧堤坝及河床结构,施工不受季节限制,施工周期短、人员少、成功率高、施工安全可靠。 (5)进出场地速度快,施工场地可以灵活调整,允分显示出其在城市施工时的优越性。并且施工占地少,工程造价低,施工速度快。 3 施工准备 3.1 导向孔轨迹设计 (1)根据建设单位提供的管线工程平面图、既有管线地下管网图、工程技术要求等资料,对施工现象实地堪察,记录对既有管线的检查井标记的位置,并进行仪器探察结合人工探察,以确定既有管线的准确位置。 (2)定向钻导向孔轨迹一般由斜直线段、曲线段、水平直线段等组成,类似于倒抛物线的形状,根据事前收集的相关资料、实地勘察结果及待敷设的管材曲率设计出导向孔轨迹(包括确定入土角、出土角、入土点、出土点、第一曲线段和直线段轨迹变化点、直线段和第二曲线段轨迹变化点),并绘制导向孔轨迹图。 3.2 施工泥浆配制和钻具选择 在水平钻进施工过程中,泥浆的作用表现为:稳定钻孔土体、冷却润滑钻头和钻杆及其他孔内钻具、清理屑等。泥浆由水、膨润土和具有某种性能的胶体化学材料(视土质选用)通过专用搅拌容器配制而成,正确适当的泥浆的配置对穿越起决定性作用,选用不同粘度的泥浆要视具体地质情况而定。 钻机回拉力按管材回拉力计算值的1.5-3倍进行选择,以确定钻机型号,施工前评估土壤状况,以便确定最佳钻进液和钻具组合。 4 施工工艺及其过程 水平定向穿越工作过程是通过计算机控制进行导向和探测,先钻出一个与设计曲线相同的导向孔,然后再将导向孔扩大,把产品管线回拖到扩大了的导向孔中,完成管线穿越的施工过程。其工艺流程如下。水平定向钻进施工工艺流程钻孔工地施工流程测量放线→修整场地→三通一平→设备进场→组装钻机→调控向系统→钻导向孔→预扩孔→管道回拖→设备离场→恢复地貌管道工地施工流程测量放线→修整场地→三通一平→设备进场→运管布管→组对相接→挖发送沟→管道拖进→设备离场→恢复地貌 4.1 钻导向孔 做好施工安全措施、发射和接收工作坑开挖、设备进场、钻机锚固后,进行全系统联机调试,调试完成可进行导向孔钻进,选择符合施工现场土质情况的导向钻头,开动高压泥浆泵,钻头开始正常喷浆后,在导向系统的引导下,钻机按设计好的导向孔轨迹进行钻进,高压泥浆的射流作用与钻头的切削作用共同在地下形成孔壁。钻进过程中,钻头内信号棒发出的信号被接收后,监视设备显示出钻头的深度、位置、角度等信息,据此及时调整钻头方向。钻进入土角一般在8°-12°之间,出土角5°-12°,管道曲率半径一般1000D-1200D。为了更好地控制导向,在斜段一般每根钻杆调整一次角度,每次调整的角度一般不超过0.8°,以便回拖顺利。当导向孔从入土角到水平夹角为0°时的计算穿越深度与设计埋深不同时(误差0.5m),则应调整入土直线段的长度及其调整控向角度。同理,当导向孔从水平到达出土角计算出的出土点,但达不到穿越长度位置时,调整水平直线段长度;达到出土角而没有符合地面标高时,调整每组钻杆长度及其控制角度。 4.2 扩孔 钻孔完成后卸下钻头及控制系统,接上扩孔器,从出土点向入土点进行预扩孔,扩孔的次数及扩孔类型根据管径及地质情况确定。注意当沿程土质不一,承载力不均时,由于钻杆、扩孔器自身重力的作用,易形成不均匀沉降,造成预扩孔偏移,故选择合理的钻具和钻具组合对定向穿
纯金属的凝固
第三章纯金属的凝固 1名词解释 过冷度，临界晶核，临界晶核半径，自发形核，能量起伏，形核功，形核率，变质处理，柱状晶带，等轴晶，异质形核，非晶态金属 2判断 1 纯金属中含有少量杂质在热力学上是稳定的。（） 2 临界半径r K 大小仅与过冷度有关。（） 3 液态金属凝固时，临界晶核半径与过冷度成反比。（） 4 在液态金属中形成临界晶核时，体系自由能的变化为零。（） 5 任何温度下液态金属中出现最大结构起伏是晶胚。（） 6 任何过冷度下液态金属中出现的最大结构起伏却是晶核。（） 7 湿润角θ =180e时，异质形核最容易进行。（） 8 枝臂间距是指相邻两树枝晶一次轴之间的距离。（） 9 为了细化晶粒，工艺上采用增大过冷度的方法，这只对小件或薄件有效，而对较大厚壁铸件并不适用。（） 10 从非均匀形核计算公式：A 非均匀=A 均匀 （2-3cosθ+cos3θ）/4看出当θ=00时固相杂质相当于 现成的大晶核。（） 11 理论凝固温度与固/液界面处温度之差，称为动态过冷度。（） 12 动态过冷度是指结晶过程中实际液相温度熔点之差。（） 13 液态金属结晶时，其临界晶粒半径rK是不变的恒定值。（） 14液态金属结晶时，其理论结晶温度与固/液界面处温度之差称为临界过冷度。（） 3问答 1 根据凝固理论，试述细化晶粒的基本途径。 2 试根据凝固理论，分析通常铸锭组织的特点。 3 试说明在铸锭中获得细等轴晶组织可以采取的措施。 4 回答液态金属凝固时均质形核的有关问题： （1）写出临界晶核半径γ k 的表达式； （2）画出γ k 与过冷度?T的关系曲线示意图； （3）写出形核功?G k 与临界晶核界面能的关系式；
水平定向钻进技术在短距离跨道施工中的应用
水平定向钻进技术在短距离跨道施工中的应用 摘要：在管道工程、线路工程施工时，通常采用开挖埋设的方法施工，然而在交通发达的道路、路口、河道等复杂位置采用开挖的方法施工则十分勉强，影响环境并对周边生产生活造成不便，此时若采用非开挖水平定向钻进技术则能有效防止施工对地表干扰，施工速度快，精度高，大大缩短工期、节约工程成本、降低工程风险。 关键词：非开挖、钻导向孔、扩孔、钻头 Abstract: in the pipeline engineering, line project construction, usually adopt the method of embedding excavation construction, however, in the way of the traffic developed, crossing the river, such complex position of excavation method is very reluctantly construction, affect the environment and to the neighboring inconvenience of production and life, then if using an excavation directional drilling technology is level can effectively prevent the construction on the surface interference, construction speed, high precision, greatly shorten the construction period, save the project cost, reduce project risk. Key words: the excavation, pilot hole drilling, reaming, the bit 1 前言 在管道工程、线路工程施工时，通常采用开挖埋设的方法施工，然而在交通发达的道路、路口、河道等复杂位置采用开挖的方法施工则十分勉强，影响环境并对周边生产生活造成不便，此时若采用非开挖水平定向钻进技术则能有效防止施工对地表干扰，施工速度快，精度高，大大缩短工期、节约工程成本、降低工程风险。 图1 钻导向孔 2 准备工作 非开挖水平定向钻进技术施工的三大基本工艺是：钻导向孔——扩孔施工——成品管道拉管。 本文重点论述水平定向钻技术在短距离过路施工中的应用。在钻导向孔之前需要勘察现场施工条件，比如水源条件、土层地质条件、地下管线分布状况
定向凝固技术的发展与应用
定向凝固技术的发展与应用 摘要：定向凝固技术是指利用一定的设备，在一定的工艺条件下使材料的组织具有特殊取向从而获得优异性能的工艺过程。定向凝固技术是伴随着高温合金的发展而逐步发展起来的。本文综述了定向凝固技术的定向凝固理论，对比分析了不同定向凝固方法的优缺点，并从四个方面论述了提高温度梯度的途径，最后对定向凝固技术的发展及应用前景做了展望。 关键词：定向凝固；工艺特点；温度梯度；应用 1.引言 凝固是材料制备与加工的重要手段之一，先进的凝固技术为先进材料开发与利用提供了技术条件。凝固过程中包含了热量、质量和动量的传输过程，它们决定了材料凝固组织和成分分布，进而影响材料性能。近20年中，不仅开发出许多先进凝固技术，也丰富和发展了凝固理论。其中，先进凝固技术主要集中于如下几种类型：定向凝固、快速凝固与近快速凝固技术、外加物理场（压力场、电磁场、超重力或微重力场）中的凝固技术以及强制流动条件下的凝固技术等。 定向凝固技术是对金属材料进行凝固过程进行研究的重要手段之一，可用于模拟合金的凝固过程，制备高质量航空发动机定向和单晶叶片等。同时，也是研究固液界面形态及凝固组织行之有效的技术手段。 定向凝固技术的出现是涡轮叶片发展过程中的一次重大变革。铸造高温合金叶片的制造工艺经历了从等轴晶铸造到定向单晶凝固的发展过程，不仅在晶粒结构的控制上取得了很大进展，而且铸造性能也有了很大提高，常规的铸造高温合金尽管有较高的耐温能力，但材料的中温蠕变强度较低。定向凝固技术能够使晶粒定向排列，在垂直于应力方向没有晶界，同时由于沿晶粒生长的（001）方向具有最低的弹性模量，这样将大大降低叶片工作时因温度不均匀所造成的热应力，因此使蠕变断裂寿命和热疲劳强度得到很大提高，如DS Mar-M200+Hf比等轴晶合金热疲劳性能提高了8倍。此后，随着各种定向凝固技术的不断发展，固液界面前沿的温度梯度不断增大、冷却速率逐渐提高，定向生产的叶片综合性能也日益提高。 2.定向凝固理论
地下管线定向钻进技术
燃气管线定向钻进技术规范 施工场地探测技术指南 5、施工场地探测技术指南 5.1 目的 为了规范定向钻进管线铺设施工工程的施工场地探测技术要求，提供确保施工安全和施工质量 的基础资料，特制定本指南。 定向穿越的施工精度对公共管线安全是非常重要的。对与定向穿越有关的以下内容必须掌握， 包括：已有地下管线的定位方法、探测仪器的选择、探测仪器的操作和计算的方法。定向钻进承包 商经常被要求在以前已钻进铺设过管线的附近再铺设新管线。工程技术人员应能解释所有得到的数 据，因而新管线才能安全地完成，而不会损害已有的地下管线。 5.2 范围 本指南适用于探测定向钻进管线铺设施工场地的所有地下管线、地下构筑物、地面建筑物及其 它可能影响施工的全部地上、地下设施（物体）。 本指南所指“定向钻进管线铺设施工场地”包括：所需施工的地下管线区域、设备放置区域、 工作人员活动区域。
项目委托人应找到并提供所有已有地下管线的位置，但是承包人在施工前，有义务进行核实和 现场验证。 5.3 职责 定向钻进管线铺设工程项目的定位与导向探测岗位人员负责现场探测操作、绘制现场探测草图、 填写探测记录，并对探测质量负直接责任。 工程项目技术负责人负责监督、检查探测工作，审核图纸和记录，并对探测质量负间接责任。 工程项目经理对探测质量负领导责任。 5.4 操作程序与规程 5.4.1 施工前的设计——采用图纸定位已有地下管线 对任何成功穿越工程来说，设计步骤是非常关键的。工程初始调查时应有一份综合的地面建筑 物及地下管线汇编图，以用于正确设计钻进的基准线。对已有地下管线初勘的精度是以后铺设精度 的基础。在极个别情况下，资料不充分的铺设施工可能产生对财产的损坏和对生命的伤害。 地下管线工程（SUE）技术的推广应用，提供了更好的绘制地下管线图纸的方法。对工地条件的 掌握程度，表明了确定地下管线准确位置的努力和花费。开始，设计者是依据业主资料和已有地下
连续定向凝固
1连续定向凝固的基本原理 连续定向凝固技术是热型连铸即OCC法发展的高级阶段，也是目前应用较多的单晶连铸方法。其基本原理与OCC法相似，均是将结晶器的温度保持在熔体的凝固温度以上，绝对避免熔体在型壁上形核，完全消除等轴晶的来源，获得了单向凝固的柱状晶连续铸锭，熔体的凝固只在脱离结晶器的瞬间进行。随着铸锭不断离开结晶器，熔体的凝固方向沿热流的反方向进行，这种方法最大的特点是改变传统的连续铸造中冷却结晶器为加热结晶器，熔体的凝固不在结晶器内部进行。其原理见图1。 2连续定向凝固技术的特点 连续定向凝固技术的特点: (1)在铸型出口端与冷却区之间具有高的温度梯度，型内金属液的热量主要沿拉铸方向单向传输，造成有利于定向凝固的条件，可铸出长度不受限制的单晶和柱状晶铸锭。 (2)铸锭与铸型之间始终存在一层液体膜，铸锭表面在离开铸型出口一小段距离之后才自由凝固，铸锭表面光滑呈镜面状。金属液在铸型出口处凝固结壳，显著地减小铸件与型壁的磨擦磨损，可铸得表面非常光洁的复杂截面形状的薄壁型材。因此，OCC技术可以称为一种新型成形技术，可用于制造那些通过塑性加工难以成型的硬脆合金及金属间化合物等线材、板材及复杂管材等。 (3)凸出的固液界面有利于凝固过程中析出的气体及夹杂不断排向液体，不被卷入铸锭，而且不存在补缩困难的问题。因此，铸锭组织致密，无气孔、缩孔、缩松等铸造缺陷。有利于后续的冷加工，可以减少甚至消除冷加工过程中的中间退火，节省了能源，提高了生产效率。 (4)凸出的固液界面有利于引晶阶段晶体的竞争生长，易于实现多晶组织向单晶的演化。但是，由于铸锭在离开铸型时，表面仍呈液体状态，铸锭的成形依靠液膜表面张力与液体金属静压力和重力的平衡，使得该技术在具体的工艺方案及工艺控制上有其特殊性。 3连续定向凝固技术的应用 定向凝固技术的实现，对研发新型金属材料和近成型产品，进一步开发金属材料的潜力起到了积极的推动作用。 目前，世界范围内有多家企业采用该技术开发产品，如日本大阪富士公司制造的连铸单晶镁以及用于弧焊的一系列铝合金线;日本O saka FujiKogyo公司生产的Sn-Bi共晶合金的焊
定向凝固
定向凝固 定向凝固是指在凝固过程中采用强制手段，在凝固金属和未凝固金属熔体中建立起特定方向的温度梯度，从而使熔体沿着与热流相反的方向凝固，最终得到具有特定取向柱状晶的技术。定向凝固是研究凝固理论和金属凝固规律的重要手段，也是制备单晶材料和微米级(或纳米级)连续纤维晶高性能结构材料和功能材料的重要方法。自20世纪60年代以来，定向凝固技术发展很快。由最初的发热剂法、功率降低法发展到目前广泛应用的高速凝固法、液态金属冷却法和连续定向凝固技术。现代航空发动机的涡轮叶片和导向叶片是用铸造高温合金材料制成，这类材料晶界在高温受力条件下是较薄弱的地方，这是因为晶界处原子排列不规则，杂质较多，扩散较快，于是人们设想利用定向凝固方法制成单晶，消除所有晶界，结果性能明显提高了。定向凝固技术广泛应用于高温合金、磁性材料、单晶生长、自生复合材料的制备等力面，并且在类单晶金属间化合物、形状记忆合金领域具有极广阔的应用前景。 制备方法： 1. 发热剂法 定向凝固技术的起始阶段。 基本原理:将铸型预热到一定温度后，迅速放到水冷铜底座上并立即进行浇注，顶部覆盖发热剂，侧壁采用隔热层绝热，水冷铜底座下方喷水冷却，从而在金属液和已凝固金属中建立起一个自下而上的温度梯度，实现定向凝固。 2. 功率降低法 铸型加热感应圈分两段，铸件在凝固过程中不动，在底部采用水冷激冷板。加热时上下两部分感应圈全通电，在加入熔化好的金属液前建立所要的温度场，注入过热的合金液。然后下部感应圈断电，通过调节输入上部感应圈的功率，在液态金属中形成一个轴向温度梯度。热量主要通过已凝固部分及底盘由冷却水带走。由于热传导能力随着离水冷平台距离的增加而明显降低，温度梯度在凝固过程中逐渐减小，所以轴向上的柱状晶较短。并且柱状晶之间的平行度差，合金的显微组织在不同部位差异较大，甚至产生放射状凝固组织。 3. 高速凝固法 装置和功率降低法相似，多了拉锭机构，可使模壳按一定速度向下移动，改善了功率降低法温度梯度在凝固过程中逐渐减小的缺点；另外，在热区底部使用辐射挡板和水冷套，挡板附近产生较大的温度梯度，局部冷却速度增大，有利于细化组织，提高力学性能。 4. 液态金属冷却定向凝固 合金在熔炼炉内熔炼后，浇入保温炉内的铸型，保温一段时间，按选择的速度将铸型拉出保温炉，浸入金属液进行冷却。在加热系统和冷却系统之间有辐射挡板，确保将加热区和冷却区隔开，使固液界面保持在辐射挡板中心附近，以实现定向凝固。 5. 流化床冷却法 液态金属冷却法采用低熔点合金冷却，成本高，可能使铸件产生低熔点金属脆性。 6. 区域熔化液态金属冷却法 在液态金属冷却法的基础上发展的一种新型的定向凝固技术。其冷却方式与液态金属冷却法相同，但改变了加热方式，利用电子束或高频感应电场集中对凝固界面前沿液相进行加热，充分发挥过热度对温度梯度的贡献，从而有效地提高了固液界面前沿温度梯度，可在较快的生长速率下进行定向凝固，可以使高温合金定向凝固一次枝晶和二次枝晶间距得到非常明显的细化。但是，单纯采用强制加热的方法以求提高温度梯度从而提高凝固速度，仍不能获得很大的冷却速度，因为需要散发掉的热量相对而言更多了，故冷却速度提高有限。 7. 激光超高温度梯度快速定向凝固
定向凝固技术的发展及应用
定向凝固技术的发展及应用 摘要：定向凝固技术可使材料凝固组织按特定方向排列，获得定向及单晶组织结构，从而大大改善材料的力学和物理性能。本文详细地评述了传统定向凝固技术的发展过程和存在的问题，阐述了几种新近发展起来的新型定向凝固技术。介绍了定向凝固技术在材料制备中的应用。 关键词：定向凝固技术，温度梯度，材料制备 金属的定向凝固就是指在凝固过程中采用强制手段，在凝固金属样未凝固熔体中建立起沿特定方向的温度梯度，从而使熔体在气壁上形核后沿着与热流相反的方向，按要求的结晶取向进行凝固的技术。它是在高温合金的研制中建立和完善起来的。该技术被广泛用于获得具有特殊取向的组织和优异性能的材料，因而自其诞生以来得到了迅速的发展。应用定向凝固方法，可以得到定向组织、甚至单晶，可以明显地提高材料所需的性能。因此，定向凝固技术自其诞生以来得到了迅速的发展。 1定向凝固技术的发展过程 定向凝固技术除早期用于高温合金的研制外，后来还逐渐推广到半导体材料、磁性材料、复合材料等的研制中，并成为凝固理论研究的重要手段之一。热流的控制是定向凝固技术中的重要环节，获得并保持单向热流是定向凝固成功的重要保证。伴随着对热流控制(不同的加热、冷却方式)技术的发展，定向凝固技术经历了由炉外法、功率降低法、快速凝固法直到液态金属冷却法等的发展过程。 1.1炉外结晶法 炉外结晶法有叫发热剂法（EP法），是定向凝固技术中最原始的方法之一。Versnyder 等早在20 世纪50年代就应用于试验中。其原理是水冷模底部采用水冷铜底座，顶部覆盖发热剂，侧壁采用隔热层绝热，浇入金属液后，在金属液和已凝固金属中建立起一个自下而上的温度梯度，使铸件自下而上，实现定向凝固。由于所能获得的温度梯度小和沿高度不断减小，而且很难控制。因此，该法只可用于制造要求不高的零件。但该方法工艺简单，成本低，在小批量零件生产中任然还有应用。 1.2功率降低法（PD法） 在20世纪60年代，Versnyder等人提出了功率降低法。其原理是采用水冷底盘，上面放一个底部开放的模壳，外面套有石墨罩，石墨上套有中间抽头的两组感应线圈，在模壳上安有热电偶，在加入熔化好的金属液前，建立所要的温度场。自下而上顺序关