PDF《高温合金单晶铸造中凝固条件的时空变化及 对杂晶缺陷的影响》

3 7 合金1 合金2 图6 试板下层平台三个热电偶(6# 、7# 、8# )测得的温度随下降 距离变化曲线 Fig.

6 Temperature evolution measured in the bottom platform 位置 2019年?第2期/第68卷107 中,由于冷却条件不如两侧,如型壳壁较厚等,所以 试板中心的7# 曲线的温度最高. 图7显示了试板上层平台两端的两个热电偶测得的 温度随下降距离的变化曲线.内外两侧凸台的两条温 度曲线并未发生交叉,这与底层平台两侧的温度变化 明显不同(图6).5# 热电偶所在的内侧凸台的温度一 直低于4# 热电偶所在的外侧凸台,且在炉内加热区下 降过程中比外侧冷却更快.当内侧5# 点距离隔热板的 高度约为57 mm时,其温度已低于合金的熔点TL,而外 侧4# 点的相应高度约为22 mm.在5# 热电偶的高度约为

30 mm时,测得的内侧温度曲线出现结晶点(E点). 当上层平台继续下降至隔热区内深度约为4 mm时,4# 即外侧温度曲线出现结晶点(F点).这与底层平台两 侧的温度变化(图6)相比有很大差别,一是结晶顺序 从先外后内变成了先内后外,二是凝固界面的位置从 隔热区中心提高到了隔热区之上. 2.2.2 凝固条件分析 根据图8和图9中的测温曲线,对试板底层和上层平 台的凝固条件和过程进行相应分析.图8显示了试板 底层平台的凝固界面位置和形状.由于抽拉时间开始 不久,陶瓷型壳底盘离开隔热区不远,对炉腔还起着 堵塞和保温作用,因而型壳通过辐射向下散热较慢, 型壳内的合金熔体能较长时间的保持液态,试板底层 平台直到进入了隔热区中心才开始凝固.到此时型壳 已经以抽拉速度VW=3 mm/min下降了110 mm的距离, 但铸件中的总共凝固距离(底层平台距水冷底盘的距 离)只有90 mm.若减掉因水冷铜盘激冷引起快速凝 固的起晶段部分,真正因型壳抽拉引起的凝固距离更 短.由于在此期间的凝固距离远远低于抽拉距离,说 明相应的凝固速度VS远远低于抽拉速度VW.因此,在 铸件的定向凝固研究中,不能简单地认为凝固速度与 抽拉速度相似甚至相同. 从图8的示意图可以看出,当试板底部平台从隔 热区降入冷却区时,其外侧凸台面向冷却器,能很好 地辐射散出热量(Q外)并快速冷却;

而内侧凸台的向 下辐射散热(Q内)受到陶瓷型壳底盘的阻挡,散热效 率要差很多,因而有Q外>

Q内.而试板中心部位散热 条件最差,比两侧凸台的温度都高,结果就形成了形 状不对称的凹形液相线等温界面(图8),开口向内 偏,外侧陡峭而内侧平缓.这就是说,虽然每个试板 的形状左右对称,但由于两侧的传热条件不同,造成 了在横截面上凝固条件的不对称.外侧凸台凝固时间 要早于内侧,且凝固前形成的过冷(T外)要大于内侧 (T内),因而更易形成新晶粒的形核和长大,造成杂 晶缺陷的产生.从图2和表2看出,底部平台外侧与内 侧凸台杂晶出现的比率为2∶0.这说明,不论从热温测 图7 试板上层平台两个热电偶(4# 和5# )测得的温度随 下降距离变化曲线 Fig.

7 Temperature evolution curves measured in the upper platform 图8 下层平台凝固条件示意图 Fig.

8 Thermal condition during solidification of the bottom platform 量分析还是从铸件组织检验,都证明了铸件下部的外 侧比内侧更易产生杂晶缺陷. 当定向凝固进行到最后阶段,试板上层平台开 始凝固,这时的传热和凝固条件已经发生了很大变 化.如图9所示,型壳已下降很多,型壳底盘已远离 了炉底的隔热板位置,其对炉内热区的堵塞和保温作 用已基本消失.型壳的内侧形成了上下贯通的散热通 道,使这个区域的温度不断降低.型壳内熔体的凝固 界面位置也相应上升,从原来的隔热区内上升到了隔 热区之上.考虑到下层平台和上层平台之间的距离为