定向凝固金属-气体共晶的研究进展

金属-气体共晶是由一个液相在凝固过程中同时生成一个固相和一个气相的反应,即Liquid→Solid+Gas。在定向凝固条件下,金属-气体共晶可以形成类似于棒状共晶的组织,即圆柱状气孔定向排列于金属基体中的藕状多孔结构。1993年乌克兰学者Shapovalov博士在美国申请的一项专利中提出了用这种定向凝固金属-气体共晶方法制备藕状多孔金属的新工艺。其后,美国、日本、英国等国纷纷开展了相关的研究。各种常见的金属被用来制备藕状多孔金属。2003年,清华大学的李言祥研究组在教育部博士点基金的资助下开始相关研究,2005年,昆明理工大学周荣教授获得科技部973前期研究专项的资助,两校开始合作研究。几年来,研究取得了积极的进展。本文从①金属-气体共晶定向凝固装备;②金属-气体共晶定向凝固理论;③金属-气体共晶定向凝固藕状多孔材料等几个方面,全面介绍定向凝固金属-气体共晶的研究进展以及我们自己的相关研究成果。     

金属-气体共晶定向凝固制备藕状多孔金属的研究

金属-气体共晶定向凝固(Gasar)是一种制备规则多孔金属的新工艺.利用自行开发的Gasar装置,成功制备了具有规则气孔分布的藕状多孔金属Mg,并研究了铸型预热温度和气体压力等工艺参数对气孔率、气孔大小和分布的影响.结果表明:提高铸型预热温度可以完全消除无气孔金属壳;随着氢气压力的增大,铸锭的平均直径都在减小;在整个Gasar凝固中约有8%左右的氢气溢出.     

金属/氢共晶定向凝固制备GASAR多孔Cu-Cr合金

在0.6 MPa的纯氢气氛中,采用金属/氢共晶定向凝固技术,制备得到不同Cr含量的GASAR多孔Cu-xCr合金试样(x=0,0.3%,0.5%,0.8%,1.0%,1.3%(质量分数,%)),并研究了Cr含量对多孔Cu-xCr合金气孔率和气孔平均直径的影响规律。结果表明:随Cr含量的逐渐增大,氢在合金熔体中的溶解度相应增加,导致多孔Cu-xCr合金试样的气孔率缓慢增高;此外,随Cr含量的增加,受糊状区宽度变化的影响,气孔的平均直径呈先增大后减小的趋势。     

熔融金属定向凝固装置

美国专利 1978年4月12日申请; 1978年10月26日公布。申请厂商 United Technologies公司。专利号 B22D ,27 — 04 , OS 28 15818。本装置有一个加热炉和一个液态冷却槽。加热炉由内套1、感应线圈2、绝热炉衬3和     

Al-H系定向凝固制备多孔Al

传统多孔金属材料大多以Al为基,其气孔多为随机分布的不规则形状.而作为规则多孔金属的制备方法--金属/气体共晶定向凝固法(又称Gasar工艺)业已成功应用于Mg,Cu,Ni,Ag,Fe和Si等多种材料,但这一工艺对于Al却并不适用本工作对此进行的实验研究和理论分析认为,Al熔体中氢气溶解总量过少,加之目前Gasar工艺下Al-H体系的凝固速率较低,因此不能维持固、气两相协同共生生长,导致无法直接采用Gasar工艺制得藕状规则多孔Al.     

金属/气体共晶二维定向凝固放射状多孔Mg的结构特征

采用金属/气体共晶二维定向凝固法制备了放射状规则多孔金属Mg.通过建模分析了放射状规则多孔金属气孔分布(孔间距、孔径和孔数)的变化趋势,并论证了模型的合理性.从理论和实验两方面研究了凝固过程中气孔的中断、合并和新形核对各结构参数的影响.     

Ag-O系定向凝固制备藕状多孔Ag

金属-气体共晶定向凝固(Gasar)是一种制备藕状多孔金属的新工艺,在高压纯氧气氛中,利用自行研制的Gasar模铸装置制备了藕状多孔Ag试样,并研究了氧气压力对气孔率、平均气孔直径的影响。结果表明:在多孔Ag中,氧气压力对气孔率和平均气孔直径的影响十分显著。随着氧气压力的增加,气孔率增大,而平均气孔直径减少,当氧气压力为0.5 MPa时,气孔分布最为均匀。     

用金属/气体共晶二维定向凝固法制备放射状规则多孔Mg

采用热传导方向为径向的金属一气体共晶二维定向凝固方法（二维Gasar）,在纯氢和氢、氩混合气氛下制备了气孔沿径向规则分布的放射状多孔金属Mg．研究了放射状多孔金属结构的特点以及气体压力等工艺参数对孔隙率、孔径和气孔分布的影响．结果表明,在圆柱形试样的二维定向凝固过程中,金属一气体共晶形成的体积膨胀会在凝固前沿的液相中产生大的对流,影响气孔的生长方向和规则程度,同时还会导致气体的逸出．随混合气体中氩气分压的增大,逸出程度下降;当氩气分压大于氢气分压时,气体的逸出被完全抑止．由此可以准确地预测出放射状规则多孔金属的孔隙率．     

定向凝固多孔金属制造人工骨的前景展望

概述多孔材料人工骨发展历史,介绍了定向凝固多孔金属的制备原理、方法与最新进展,并从生物医学结构和性能特点的角度展示了定向凝固多孔金属制造人工骨的前景。     

定向凝固晶粒竞争生长研究进展

对定向凝固过程中不同取向晶粒竞争生长的理论、实验及模拟等三方面研究工作进行了评述。通过比较分析发现,现有经典理论模型在一定程度上可以解释某些晶粒竞争生长行为,但实验观测及计算模拟之中也发现了众多与现有理论预测不一致的结果,且由于体系维度、枝晶形貌及凝固条件上的差异,不同的观测结果之间存在较大差异,对晶粒竞争生长规律目前还没有达成共识,更无相关定量化判据。综合现有研究结果,进一步系统考察各种因素对晶粒竞争生长的影响规律是本领域发展的重要方向,对工业进步及凝固理论科学的发展都将具有重要意义。     

连续定向凝固技术的研究进展

阐述了国内外连续定向凝固技术的研究进展，并对连续定向凝固进行了探讨，提出了一些建议。     

镁合金定向凝固技术的研究进展

定向凝固技术作为一种先进材料制备技术,能够改变合金的凝固组织,改善材料的综合力学性能。讨论了发展镁合金定向凝固技术的必要性,综述了近年来国内外该技术的研究进展,并对其发展前景进行了展望。     

高温合金定向凝固技术研究进展

首先回顾了定向凝固的发展历史,重点分析了液态金属冷却定向凝固的技术特点。总结了高温度梯度下制备的定向凝固法单晶高温合金在组织和性能方面的研究现状,结合作者在本领域的研究,着重分析了定向凝固温度梯度、凝固速率、晶体取向、熔体超温处理、熔体对流控制对组织和性能的作用规律和机制,认为高温度梯度定向凝固是细化组织、减少缺陷、提高合金性能的重要途径。最后展望了高温合金定向凝固的发展趋势。     

氧化物共晶陶瓷定向凝固研究进展

定向凝固氧化物共晶自生复合陶瓷具有优异的高温强度、抗氧化性、抗蠕变性以及良好的高温结构稳定性,被认为是新一代在高温氧化性气氛中长期工作的首选超高温结构材料之一。回顾了氧化物共晶自生复合陶瓷的发展历史,总结了目前定向凝固氧化物共晶陶瓷凝固组织和力学性能方面的研究现状,同时结合作者在本领域的研究,着重分析了高温度梯度定向凝固条件下氧化铝基共晶陶瓷的组织特征、凝固特性、力学性能以及增韧机制。最后展望了定向凝固氧化物共晶陶瓷的发展趋势。     

定向凝固高温合金的研究进展

论述了定向凝固高温合金的概念和特色,总结了国内外定向凝固高温合金的发展历程。分析了化学成分、制备技术以及热处理工艺对定向凝固合金组织及性能的影响。     

强磁场下金属凝固研究进展

强磁场下金属凝固研究是一个新开辟的研究方向,有着广阔的前景。叙述了强磁场的基本效应,综述了强磁场下金属凝固的研究进展。重点介绍了磁场对凝固动力学、固／液界面稳定性、单相合金生长、共晶生长、热电磁流动及其作用、第二相颗粒运动的影响等方面的研究工作。指出了需要进一步研究的主要问题,以及所需的相关物理参数。     

高温金属间化合物的定向凝固特性

高温金属间化合物是一类重要的高温结构材料，其中Ti-Al及Ni-Al等许多合金系在凝固时都存在连续的包晶反应。本文就包晶合金凝固的特性从多方面加以总结和分析。凝固过程中的包晶相变对组成相的生长与取向有不同的影响。除此之外，定向凝固包晶反应过程中，相的竞争与选择及界面形态的演化也将同时对金属间化合物的凝固组织产生重要的影响。在考虑了界面温度对生长速率的响应后，可以发现生长速度超过某一值后亚稳相将析出，而根据凝固条件不同可以以不同的凝固方式进行长大，形成如带状、浅胞状和枝／胞双相共生等形式的组织，其中共生组织更有利于提高材料的单向力学性能。虽然定性的分析已获得某些规律，但作为工程应用的具有包晶反应特点的高温金属间化合物的定向凝固研究还极不充分，需进行大量的、基础的理论与实验研究。     

液态金属冷却定向凝固设备的研制

介绍了一种新型的液态金属冷却定向凝固设备,可以实现高温合金的熔炼、高速凝固(HRS)和液态金属冷却(LMC)定向凝固工艺。并对设备的炉体结构、抽拉系统、加热系统,液态金属冷却系统以及辐射挡板进行了介绍。     

金属-氢共晶定向凝固热力学模型

通过对金属-氢共晶定向凝固过程的热力学分析,建立了一个用来描述Gasar工艺中工艺参数对气孔直径及气孔间距影响的理论模型,并用该模型与相关实验数据进行比较.结果表明,理论计算结果与实验结果吻合较好.Gasar多孔Cu试样的气孔直径及气孔间距l随下拉速率v的增加而不断降低;l和v的关系为:vl2=B(B是与熔体温度和H2压力有关的常数).低下拉速率下,气孔结构与模型假设理想结构的偏离,以及固/液界面附近的熔体对流,是造成理论计算值与实验值存在一定偏差的主要原因.     

凝固模式对定向凝固多孔铜锰合金气孔结构的影响

采用金属-气体共晶定向凝固工艺（GASAR工艺）,制备气孔定向排列的多孔铜锰合金,并研究气孔结构的变化。结果表明：这种变化主要取决于合金的凝固模式（平面凝固、柱状胞晶凝固、柱状枝晶凝固、等轴枝晶凝固）,而合金凝固模式由合金的凝固过程决定。通过数值模拟发现,随着合金凝固的进行,合金的凝固模式从胞晶凝固向柱状枝晶凝固过渡,最终变为等轴枝晶凝固。通过升高合金熔体温度和铸型的预热温度,可以缩小等轴枝晶凝固的范围,扩大定向生长气孔的区域。