重力铸造——铸造的发展趋势

  (一)凝固理论的发展结晶与凝固是铸件形成过程的核心,它决定着铸件的组织和缺陷的形成，也决定了铸件的性能和质量。近30年来,借助于物理化学、金属学、非平衡态热力学与动力学、高等数学和计算数学,从传热、传质和固液界面几个方面进行研究,使金属凝固理论有了很大的发展,这不仅使人们对许多条件下的凝固过程和组织特征有了深入的认识,而且促使了许多凝固技术和液态凝固成形方法的提出、发展和生产应用。例如凝固理论已建立了铸件冷却速度和品粒度以及晶粒度与铸件力学性能之间的一些函数关系,从而为控制铸造工艺参数和铸件力学性能提供了依据。

  (二)凝固技术的发展控制凝固过程是开发新型材料和提高铸件质量的重要途径。顺序凝固技术、快速凝固技术、复合材料的获得、半固态金属铸造成形技术等等就是集中的代表。

  1.顺序凝固技术所谓的顺序凝固技术，是使液态金属的热量沿一定向排出,或通过对液态金属施行某方向的快速凝固,从而使晶粒的生长(凝固)向着一定的方向进行,最终获得具有单方向晶粒组织或单晶组织的铸件的一种工艺方法。由于冷却及控制技术的不断进步,使热量排出的强度及方向性不断提高,从而使固液界面前沿液相中的温度梯度增大,这不仅使晶粒生长的方向性提高,而且组织更细长、挺直、并延长了定向区.顺序凝固技术已广泛应用于铸造高温合金燃气轮机叶片的生产中,由于沿定向生长的组织的力学性能优异,使叶片工作温度大幅度提高,从而使航空发动机性能提高。顺序凝固技术的最新进展是制取单晶体铸件,如单晶涡轮叶片,它比一般顺序凝固柱状晶叶片具有更高的工作温度,抗热疲劳强度、抗蠕变强度和耐腐蚀性能。采用这种高温合金单晶叶片的航空发动机,有效地增加了航空发动机的推力和效率,使其性能大幅度提高。

  2.快速凝固技术即在比常规工艺条件下的冷却速度(10-4-10K/S)快得多的冷却条件(103-109K/S)下,使液态合金转变为固态的工艺方法。它使合金材料具有优异的组织和性能,如很细的晶粒(通常<0.1-0.01um>甚至纳米级的晶粒),合金元偏析缺陷和高分散度的超细析出相,材料的高强度、高韧性等。快速凝固技术可使液态金属脱开常规的结晶过程(形核和生长),直接形成非晶结构的固体材料,即所谓的金属玻璃。此类非晶态合金为远程无序结构,具有特殊的电学性能、磁学性能、电化学性能和力学性能,己得到广泛的应用。如用作控制变压器铁心材料、计算机磁头及外围设备中零件的材料、纤焊材料等。快速凝固正日益受到多方的重视。

  3.复合材料制备凝固技术的另一发展是用于复合材料的制备口所谓复合材料,就是在非金属或金属基体中引人增强相或特殊成分,通过控制凝固使增强相按所希望的方式分布或排列的一种具有特殊性能的材料。由于复合材料的基体具有较高的断裂性,加上增强相的存在,故能表现出与普通单相组织材料不同的性能,如高强度、良好的高温性能和抗疲劳性能,已发展了多种制取复合材料的工艺方法,如结合顺序凝固技术制备自生复合材料。此领域的应用前景将越来越广。

  4.半固态铸造半固态金属铸造成形技术经过20多年的研究及发展,已进入工业应用阶段。其原理是在液态金属的凝固过程中进行强烈的搅拌(可以采用机械、电磁或其它方式),使普通铸造易于形成的树枝晶网络骨架被打碎而形成分散的颗粒状组织形态,从而制得半固态金属液,它具有一定的流动性,然后可利用常规的成形技术如压铸、挤压、模锻等成形生产坯料或铸件。半固态金属铸造成形克服了传统铸造成形易产生的缩孔、缩松、气孔及尺寸偏差等缺点,具有成形温度低,延长模具寿命,节约能源,改善生产条件和环境,提高铸件质量(减少气孔和凝固收缩),减少加工余量等许多优点。半固态金属成形工艺将成为21世纪极具发展前途的近净形化成形技术之一。