铸锭凝固组织
GH4169G合金显微组织和力学性能研究
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沈阳理工大学硕士学位论文
主元素Al、Ti和Nb的含量来控制γ′和 γ″相沉淀析出行为；还有一种是调整微量元 素种类与含量来增强其晶界结合力或改善析出相等来提高合金高温性能[11]。在 GH4169合金中，通过长期的应用和研究，发展了直接时效优质、高强合金以及改 进型等各种GH4169合金[12-13]。
GH4169G 锻造饼坯表层及边缘变形量较小，温度较低，再结晶不完全，应力 不能有效释放，形成具有魏氏体或δ相析出相对较多的混晶组织；饼坯中心是完 全再结晶后的细晶组织，并且δ相在晶界与晶内均匀析出。中间层完全再结晶晶 粒度为 ASTM7.5-11.5 级，表层不完全再结晶晶粒度为 ASTM3-6 级。
它以镍、钴、铁为基，在较大的温度范围，严酷的工作应力和条件下，保持 良好的稳定性的一类合金[2,3]。高温合金具备较高的高温强度、优异的蠕变性能和 疲劳性能、良好的组织稳定性、较高的抗氧化性和抗热腐蚀等力学性能[4-6]。
1.1 GH4169 合金简介
GH4169 高温合金旧牌号为 GH169，美国牌号为 Inconel718，是一体心立方的 γ″和面心立方的 γ′沉淀强化的镍基变形高温合金。GH4169(Inconel718)是一种含 合金元素种类多、合金化程度高的镍基变形高温合金，在 650℃以下具有强度高、 塑性好等良好的综合性能，因此该合金应用广泛，几乎占了我国高温合金用量的 一半，成为高温合金的支柱产品。在航天飞机发动机中，大约有 1500 个零件采用 了 IN718 合金，约占总重量的 51%。目前大多数先进的涡轮盘材料都采用 GH4169 合金制造[7]。现在，除了作为飞机发动机材料的用途（仍然是最主要的用途）以外， GH4169 合金已经成为原子能、低温以及要求抗环境导致开裂等场合的通用高温合 金[8]。
分析金属铸锭组织的特点,并简述各区域形成原因。
分析金属铸锭组织的特点,并简述各区域形成原因。
金属铸锭的组织是造成物理性能的基本要素，研究其组织特点，至关重要，它决定了材料的力学性能。
金属铸锭组织的全景形象由几个区域构成，这些区域的核心特点概括如下：（1）液体枝晶区域：液体枝晶区域是由临界枝晶组成，它们相互缠绕，构成具有柔软性和弹性性质的物质；（2）液态金属块区域：金属块属于凝固金属的临界状态，集中在无织构的小晶区中；（3）凝固金属的晶粒和缺陷：在凝固阶段，介质连接气孔，金属细晶状态中产生缺陷；（4）孔洞区域：液体金属和固体金属在收回速度不同的情况下，恒定收回率，形成各种洞形结构。
金属铸锭中各区域形成的原因主要有：（1）凝固过程中水分析变化：金属铸锭内含有较多的熔融金属，凝固过程中水分析变化，可形成不同的晶体形态；（2）不均匀凝固：铸锭内部的冷却速率取决于铸造工艺和外界
环境的温度，不均匀冷却可以催化金属重新凝固，改变凝固组织；（3）机械条件作用：在液体状态下，金属
受力作用发生变形，由此产生破坏原先的组织，形成新的结构。
综上所述，金属铸锭组织由不同区域构成，它们的核心特点是枝晶组成、造成不均匀冷却、机械条件作用以及液态金属块、凝固金属等。
这些特点决定着金属铸锭材料的性能，直接影响着铸件的质量和性能，因此，对金属铸锭组织的研究，不仅对金属性能的了解有重要意义，而且对铸造成品的质量和性能也有很大的影响。
铝合金的凝固和组织中的晶粒
铝合金的凝固和组织中的晶粒一、 熔体的凝固过程在半连续铸造过程中，熔体的浇铸和凝固是同时连续地进行的。
对铸锭而言，冷却是分两次实现的。
一次冷却是在结晶器内完成的，熔体进入结晶器后靠结晶器导热，在结晶器内形成一定厚度的凝固壳。
此后随着铸造机下降，被拉出结晶器，遇到结晶器底部浇出的冷却水（称之为二次冷却）从此完成凝固的全部过程。
这个凝固过程在金属学中称为金属结晶。
二、 铸锭的正常晶粒组织从理论上讲，在工业生产条件下，铸锭的晶粒组织由三个区域组成：即外层表面的细等轴晶区，由此往里的柱状晶区和中心等轴晶区。
但在实际铝合金生产中铸锭在强度大的冷却条件下，经过Al-Ti-B的细化处理，铝合金铸锭的组织往往全部是等轴晶。
铸锭晶粒的大小将直接影响铝加工制品的力学性能和加工性能，所以它被作为衡量铸锭质量的一个主要指标。
三、 影响铸锭晶粒的因素1、 熔体结晶的条件：熔体结晶有两个条件是必不可少的，其一是结晶必需要先形成晶核，熔体中的晶核分两种。
自发晶核是在低于结晶温度时，熔体由于能量起伏或液相起伏形成的晶核。
非自发晶核是外来粒子进入熔体后而形成的晶核。
其二是要有过冷度才可能发生结晶，所谓过冷度就是熔体的温度只有在冷却到低于熔点的温度下才能结晶，温度越低过冷度越大。
2、 晶粒的细化：控制过冷度；一般情况下增大过冷度，熔体中的生核率和晶粒的长大速度都增加，但生核速度大于晶粒的增长速度，所以一般情况下金属结晶时过冷度越大，所得到晶粒越细小。
在半连续铸造生产中增加过冷度的主要途径是有降低铸造速度使单位时间内铸锭冷却量增加；降低冷却水的温度使单位时间内铸锭的温降增加；加大冷却水的水压使单位时间内浇到铸锭上的水量增加使铸锭的温降增加；降低铸造温度使铸锭的结晶过程缩短。
3、 动态细化晶粒：对熔体采用机械搅拌、电磁搅拌、超声波振动等，这样一方面可以靠输入的能量使晶核提前生成，另一方面可以使成长中的树枝状晶破碎增加晶核的数目（在这里就要讲一下晶粒的形成，晶粒是先有一个晶核、晶核按多个方向晶轴成长，象树枝一样称之为枝晶，当众多的枝晶共同生长到一定程度互相顶撞，此时熔体添补到枝晶中，围绕它形成了一个枝晶粒）4、 变质处理细化晶粒：向熔体中加入少量的活性物质，促进熔体内部生成晶核或改变晶粒的成长过程，在变形铝合金中一般选用Ti、Zr、B、C等作为晶粒细化剂，我公司铸造时加入Al-Ti-B丝就属于变质处理的方法。
材料科学基础-实验指导-实验04 浇注和凝固条件对铸锭组织的影响
实验四浇注和凝固条件对铸锭（件）组织的影响
一、实验目的
1. 研究金属注定的正常组织。
2. 讨论浇注和凝固条件对铸锭组织的影响。
3. 初步掌握宏观分析方法。
二、实验内容说明
金属铸锭（件）的组织一般分为三个区域：最外层的细等轴晶区，中间的柱状晶区和心部的粗等轴晶区。
最外层的细等轴晶区由于厚度太薄，对铸锭（件）的性能影响不大；铸锭中间柱状晶区和心部的粗等轴晶区在生产上有较重要的意义，因此认为地控制和改变这两个区域的相对厚度，使之有利于实际产品，有很大意义。
研究表明，铸锭（件）的组织（晶区的数目、相对厚度、晶粒形状的大小等）除与金属材料的性质有关外，还受浇注和凝固条件的影响。
因此当给定某种金属材料时，可借变更铸锭（件）的浇注凝固条件来改变三晶区的大小和晶粒的粗细，从而获得不同的性能。
本实验是通过对不同的锭模材料、模壁厚度、模壁温度、浇注温度及用变质处理和振动等方法浇注成的铝锭的宏观组织的观察，对铸锭（件）的组织形成和影响因素进行初步的探讨，并对金属研究中经常要采用的宏观分析方法进行一次初步的实践。
本实验用以观察的铸锭样品浇注和凝固条件如后表：
三、实验步骤
1. 教师介绍金属宏观分析方法，讲解各样品浇注和凝固条件。
2. 学员轮流观察各种样品，结合已知的浇注和凝固条件分析各样品宏观组织的形成过程。
3. 描述所观察到的各样品的宏观组织。
四、实验报告要求
1. 叙述浇注正常组织的形成过程。
2. 逐一描绘各试样的宏观组织图，分析浇注和凝固条件对铸锭（件）组织的影响。
3. 简述宏观分析方法。
大锻件 第4部分 锻造用钢锭及铸锭技术
第四部分锻造用钢锭及铸锭技术一、 大型钢锭的组织结构及类型1．大型钢锭的组织结构z 激冷层：锭身表面的细小等轴晶区。
厚度仅6~8mm ；因过冷度较大，凝固速 度快，无偏析；有夹渣、气孔等缺陷。
z 柱状晶区：位于激冷层内侧；由径向呈细长的柱状晶粒组成；由于树枝状 晶沿温度梯度最大的方向生长，该方向恰为径向，因此形成了柱状晶区；其凝固速度较快，偏析较轻，夹杂物较少；厚度约50~120mm 。
z 分枝树枝晶区：从柱状晶区向内生长；主轴方向偏离柱状晶，倾斜，并出现 二次以上分枝；温差较小，固液两相区大，合金元素及杂质浓度较大。
z A 偏析区：枝状晶间存在残液，比锭内未凝固的钢液密度小，向上流动，形成A 偏析；在偏析区合金元素和杂质富集，存在较多的硫化物，易产生偏析裂纹。
z 等轴晶区：位于中心部位；温差很小，同时结晶，成等轴晶区。
钢液粘稠， 固相彼此搭桥，残液下流形成V 偏析，疏松增多。
z 沉积锥区：位于等轴晶区的底端；由顶面下落的结晶雨、熔断的枝状晶形成的自由晶组成，显示负偏析；等轴的自由晶上附着大量夹杂物，其组织疏松，且夹杂浓度很大；应切除。
z 冒口区：最后凝固的顶部；因钢液的选择性结晶，使后凝固的部分含有大量的低熔点物质，最后富集于上部中心区，其磷、硫类夹杂物多；若冒口保温不良，顶部先凝固，因无法补缩形成缩孔；质量最差，应予切除。
2． 大型钢锭的类型z 普通钢锭高径比：=+dD H 2 1.8~2.5；通常，10吨以下的钢锭：2.1~2.3，10吨以上的钢锭：1.5~2；锥度：=%100-D Hd 3~4% ； 横断面为8棱角形。
大钢锭为16，24，32棱角。
z 短粗型钢锭高径比： 0.5~2；锥度： 8~12%。
高宽比减小，锥度加大有利于钢锭实现自下而上顺序凝固，易于钢水补缩，中心较密实；有利于夹杂上浮，气体外溢，减少偏析；锭身较短，钢水压力小，侧表面不易产生裂纹；锥度大，易脱模；可增加拔长锻比。
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。
(仅供参考)北科大材科基实验金属及合金凝固组织的观察和分析
金属及合金凝固组织的观察和分析张文北京科技大学材料学院铸锭组织分为三个区，最外层是细晶区，金属液体浇入铸模后，与温度较低模壁接触的液体会产生强烈的过冷，产生大量的晶核，并向液相内生长。
如果浇铸温度较低，铸锭尺寸不很大，整个液体会很快全部冷却到熔点一下，因此各处都能形核，造成全部等轴细晶粒的组织。
但在一般情况下，只有那些仍然靠近模壁的晶粒长成而形成细晶区。
柱状晶区，金属浇铸后，模壁被金属加热温度不断升高，由于结晶时潜热的释放吗，使模壁处的温度梯度降低。
细晶区前沿不易形核，随着液相温度逐渐降低，已生成的晶体向液体内生长。
等轴晶区，在凝固过程中，开始凝固的等轴激冷晶游离以及枝晶熔断而产生大量游离自由细晶体，它们随溶液对流漂移移到铸锭中心部分。
如果中心部分溶液有过冷，则这些游离细晶体作为籽晶最终长成中心的等轴晶区。
匀晶凝固过程是晶体材料从高温液相冷却下来的凝固转变产物包括多相混合物晶体和单相固溶体两种，其中由液相结晶出单相固溶体的过程称为匀晶转变。
共晶凝固过程是从液相同时结晶处两个固相。
一般把成分在共晶成分左边并有共晶反应的合金称亚共晶合金，而在右边的称过共晶合金，合金成分偏离共晶成分但冷却时仍发生共晶反应的合金，在冷却过程中先结晶出固溶体晶体，然后在生成共晶。
包晶凝固过程是有些合金当凝固到一定温度时，已结晶出来的一定成分的固相与剩余液相发生反应生成另一种固相的恒温转变过程。
1 实验材料及方法1.1实验材料光学显微镜表格 1 铝锭成分表Table 1 Aluminum composition铝锭浇铸条件样品号模壁材料模壁厚度/mm模子温度/℃浇铸温度/℃1砂10室温6802钢105006803钢10室温7804钢10室温680Table 2 Alloy composition样品成分样品成分1-a25%Ni+75%Cu铸造3-a80%Sn + 20%Sb1-b25%Ni+75%Cu 退火3-b35%Sn + 65%Sb2-a70%Pb + 30%Sn4-a51%Bi + 32%Pb +17%Sn 2-b38.1%Pb + 61.9%Sn4-b58%Bi + 16%Pb +26%Sn 2-c20%Pb + 80%Sn4-c65%Bi + 10%Pb +25%Sn1.2实验方法1.用肉眼观察5种浇铸方法所获得的铝锭的横截面和纵截面；2.调节金相显微镜的放大倍数为100倍；3.在显微镜下分别观察1-a至4-c样品，并用手机拍照记录。
结晶过程观察以及凝固条件对铸锭组织的影响实验报告
结晶过程观察以及凝固条件对铸锭组织的影响实验报告结晶过程观察与纯金属铸锭组织分析结晶过程观察与纯金属铸锭组织分析一、实验目的1．熟悉盐类和金属的结晶过程。
2．了解铸造条件对纯金属铸锭组织的影响。
二、实验原理熔化状态的金属进行冷却时，当温度降到Tm （熔点）时并不立即开始结晶，而是当降到Tm 以下的某一温度后结晶才开始，这一现象称为过冷。
熔点Tm 与开始结晶的温度Tm 之差ΔT 称为过冷度。
过冷现象表明，金属结晶必须有一定的过冷度，只有具有一定的过冷度下才能为结晶提供相变驱动力。
结晶由两个基本过程所组成，即过冷液体产生细小的结晶核心（形核）以及这些核心的成长（长大）。
其中，形核又分为均匀形核和非均匀形核。
通常情况下，由于外来杂质、容器或模壁等的影响，一般都是非均匀形核。
由于金属不透明，通常不能用显微镜直接观察液态金属的结晶过程。
然而通过采用生物显微镜可以直接观察盐溶液的结晶过程。
实践证明，对透明盐类结晶过程的研究所得出的许多结论，对于金属的结晶都是适用的。
在玻璃片上摘上一滴接近饱和的氯化铵水溶液，放在生物显微镜下观察其结晶过程。
随着液体的蒸发，液体逐渐达到饱和。
由于液滴边缘处最薄，将首先达到饱和，放结晶过程首先从边线开始，然后逐渐向里扩展。
结晶的第一阶段是在液滴的最外层形成一圈细小的等轴晶体。
这是由于液滴外层蒸发最快，在短时间内形成了大量晶核之故。
结晶的第二阶段是形成较为粗大的柱状晶体，其成长的方向是伸向液滴的中心。
这是由于此时液滴的蒸发已比较慢，而且液滴的饱和顺序是由外向里的，最外层的细小等轴晶中只有少数位向有利的才能向中心生长，而其横向生长则受到了彼此间的限制，因而形成了比较粗大、带有方向性的柱状晶体。
结晶的第三阶段是在液滴中心部分形成不同位向的等轴晶体。
这是由于液滴的中心此时也变得较薄,蒸发也较快,同时液体的补充也不足的缘故。
这时可以看到明显的等轴晶体。
图4-1示出了氯化铵水溶液结晶过程的一组照片，其中( a )、( b )为在液滴边缘形成的细小等轴晶体和正在生长的柱状晶体,( c )为在液滴中心部分形成的位向不同的等轴枝晶。
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此时，四周温度梯度变缓，中心温度下降至结
过去的时间内，大量形核，形成细小等轴晶外
随着外壳形成收缩，形成气隙，传热变慢，枝
4.1铸锭/坯的凝固组织
•正常偏析
•按照异分结晶一般规律进行凝固，由此产生的偏析即为正常偏析
•分四种情况：
•平衡态凝固
•液态均匀，固态不发生扩散
•液态不均匀，固态也不扩散
•液态和固态均有一定程度但不达到平衡的扩散
4.1铸锭/坯的凝固组织
•原因：
•在出现树枝晶的条件下，枝晶尖端部分孤立深入正面液体中，正面的界面很小，而枝晶之间残留大量液
体，所以枝晶要依靠与枝晶主轴垂直的方向扩散而扩
展凝固界面。
相比之下，纵向的扩散较小，。