区域熔炼定向凝固制备镍基高温合金(6)
图4 功率降低法装置示意图
1. 模盖2. 模壳3. 热电偶4. 轴套5. 碳毡6. 石墨感受器7.A12O3管8. 感应线圈
9. 模壳圆盘10. 螺栓11. 轴12. 冷却水管13. 铜座14. 铸件15. 浇道16. 浇口杯
（3）快速凝固法(HRS法)
快速凝固法是Erickson等[10]于1971年提出的,其装置和功率降低法相似,不过多了一个拉锭机构,可使模壳按一定速度向下移动,改善了温度梯度在凝固过程中逐渐减小的缺点,其原理见图5,在炉子底部设有一个挡板,上面有一个略大于铸件形状的开口,把炉子和外部分开。抽拉装置将铸件以一定的速度从炉子的开口中移出或炉子移离铸件,在空气中冷却,而炉子始终保持加热状态。这种方法避免了炉膛对已凝固层的影响,且利用空气冷却,因而获得了较高的温度梯度和冷却速度,所获得的柱状晶较长,组织细密挺直均匀,使铸件的性能得以提高,在生产中有一定的应用。但HRS法是靠辐射换热来冷却的,获得的温度梯度和冷却速度都很有限。
图5 快速定向凝固法原理示意图
1. 模盖2. 保温罩3. 金属熔体4. 结晶器5. 感应线圈6. 固液界面7. 绝热板8. 铸锭9. 水冷铜模
（4）液态金属冷却法(LMC法)
为了获得更高的温度梯度和生长速度,在HRS法的基础上,采用液态金属冷却以增大冷却效果。该方法是Giamei等[11]于1976年提出的,其原理见图6。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,即液态金属冷却法。模壳直接进入液态金属冷却,散热增强,冷却剂与模壳迅速达到热平衡,得到很大的温度梯度。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Ga2In合金和Ga2In2Sn合金,以及Sn液和Al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[12]。
图6 液态金属冷却法装置图
1. 浸入机构2. 真空室3. 坩埚4. 炉管5. 挡板6. 加热线圈7. 冷却剂8. 模壳
1.2.4先进定向凝固技术
传统定向凝固技术的主要缺点是冷却速度慢，这样就使凝固组织有充分的时间长大粗化，以致产生严重的枝晶偏析，限制了材料性能的提高。造成冷却速度慢的主要原因是凝固界面与液相最高温度面距离太远，固—液界面并不处于最佳位置，因此所获得的温度梯度不大，这样为保证界面前液相中没有稳定的结晶核心的形成，所允许的最大凝固速度就有限。为进一步提高定向凝固过程中的温度梯度，从而提高凝固速度，最终提高材料的性能，出现了许多新型定向凝固技术，如：区域熔化液态金属冷却法、深过冷定向凝固、电磁约束成形定向凝固技术、激光超高温度梯度快速定向凝固……。下面着重介绍区域熔化液态金属冷却法。
20世纪90年代初人们通过改变加热方式 在法的基础上发展了一种新型定向凝固技术——区域熔化液态金属冷却法，即 ZMLMC法。该方法的冷却方式与LMC方法相同 加热部分则利用固定的感应线圈产生热量，在距冷却金属液面极近的位置，使金属局部熔化过热，产生的熔化区很窄，从而将凝固界面位置下压，同时使液相中的最高温度尽量靠近凝固界面，启动抽拉装置，不断地向下抽拉熔化的试样进入液态合金中冷却。其装置如图7[7]所示。