论文定向凝固技术在材料科学和工程专业实验教学中和应用，本文是工程专业论文范文检索与定向凝固技术和实验教学和材料科学方面毕业论文提纲范文.
摘 要：定向凝固技术是在熔模铸造型壳中建立特定方向的温度梯度,使熔融合金沿着与热流相反的方向按照要求的结晶取向凝固的一种铸造工艺.定向凝固技术最突出的成就是在航空工业中的应用.定向凝固技术可选择的材料种类比较广泛,适用面也比较广泛,所以定向凝固技术广泛应用在材料科学与工程领域.本文主要讲述定向凝固技术的原理和工程应用,并讲述定向凝固技术在材料科学与工程专业实验教学中的研究和应用,并对定向凝固技术的未来发展趋势和发展方向进行分析和预测.本文作者认为应该在材料科学与工程专业教学实验中增加采用定向凝固技术制备金属合金和金属基复合材料的实验课程.
关键词：定向凝固技术；材料科学与工程专业；实验教学；研究和应用
一、前言
在材料科学与工程专业的本科教学工作中,学生在高年级就开始学习材料科学与工程专业的基础课程和专业课程.其中在材料科学与工程专业课程教学中,在讲述材料的制备工艺方法中讲述过定向凝固技术制备和合成金属合金和金属基复合材料.定向凝固技术是制备金属合金和金属基复合材料的主要方法.定向凝固技术是在熔模铸造型壳中建立特定方向的温度梯度,使熔融合金沿着与热流相反的方向按照要求的结晶取向凝固的一种铸造工艺.定向凝固技术最突出的成就是在航空工业中的应用.采用定向凝固技术可以生产具有优良的抗热冲击性能,较长的疲劳寿命,较好的蠕变抗力和中温塑性的薄壁空心涡轮叶片.应用这种技术能使涡轮叶片的使用温度提高,涡轮进口温度提高,从而提高发动机的推力和可靠性,并延长使用寿命.采用定向凝固技术可获得生长方向与主应力方向一致的单向生长的柱状晶体.
定向凝固由于消除了横向晶界,从而提高了材料抗高温蠕变和疲劳的能力.定向凝固铸件的组织分为柱状,单晶和定向共晶3种.定向凝固成形技术是伴随着高温合金的发展而逐渐发展起来的,是在凝固过程中采用强制手段,在凝固金属和未凝固熔体中建立起特定方向的温度梯度,从而使熔体沿着与热流相反的方向凝固以获得具有特定取向柱状晶的技术.由于该技术较好地控制了凝固组织的晶粒取向,消除了横向晶界,从而大大提高了材料的纵向力学性能.因此将该技术用于燃气涡轮发动机叶片的生产,所获得的柱状晶组织具有优良的抗热冲击性能,较长的疲劳寿命,较高的高温蠕变抗力和具有中温塑性,进而提高了叶片的使用寿命和使用温度.该技术的进一步发展是单晶生产,它除了用于高温合金单晶叶片的研制外,还逐渐推广到半导体材料,磁性材料,复合材料的研究中,成为现代凝固成形的重要手段之一.在材料科学与工程专业的本科课程教学中,在材料加工工程和材料制备方法中都讲述过定向凝固技术.此外还可以将定向凝固技术制备金属合金和金属基复合材料作为一项实验教学内容安排学生进行实验使学生认识和了解定向凝固技术制备金属合金和金属基复合材料的工艺过程.所以定向凝固技术制备金属合金和金属基复合材料在材料科学与工程专业教学实践中得到广泛的应用.本文主要讲述定向凝固技术的原理和工程应用,并讲述定向凝固技术在材料科学与工程专业实验教学中的研究和应用,并对定向凝固技术的未来发展趋势和发展方向进行分析和预测.
二、定向凝固技术的原理和工程应用
定向凝固成形技术是伴随着高温合金的发展而逐渐发展起来的,是在凝固过程中采用强制手段,在凝固金属和未凝固熔体中建立起特定方向的温度梯度,从而使熔体沿着与热流相反的方向凝固,以获得具有特定取向柱状晶的技术.由于该技术较好地控制了凝固组织的晶粒取向,消除了横向晶界,大大提高了材料的纵向力学性能.因此将该技术用于燃气涡轮发动机叶片的生产,所获得的柱状晶组织具有优良的抗热冲击性能,较长的疲劳寿命,较高的高温蠕变抗力和中温塑性,进而提高了叶片的使用寿命和使用温度.该技术的进一步发展是单晶生产,它除了用于高温合金单晶叶片的研制外,还逐渐推广到半导体材料,磁性材料,复合材料的研究中,成为现代凝固成形的重要手段之一.定向凝固过程中温度梯度和凝固速率这两个凝固参数能够独立变化,成为凝固理论研究的重要手段.定向凝固技术有多种工艺.传统的定向凝固技术,所谓的发热剂法就是将熔化好的金属液浇入一侧壁绝热,底部冷却,顶部覆盖发热剂的铸型中,在金属液和已凝固金属中建立起一个自上而下的温度梯度,使铸件自下而上进行凝固,实现单向凝固.这种方法由于所能获得的温度梯度不大,并且很难控制,致使凝固组织粗大,铸件性能差,因此该法不适于大型,优质铸件的生产.但其工艺简单,成本低,可用于制造小批量零件.功率降低法将保温炉的加热器分成几组,保温炉是分段加热的.当熔融的金属液置于保温炉内后,在从底部对铸件冷却的同时,自下而上顺序关闭加热器,金属则自下而上逐渐凝固,从而在铸件中实现定向凝固.通过选择合适的加热器件,可以获得较大的冷却速度,但是在凝固过程中温度梯度是逐渐减小的,致使所能允许获得的柱状晶区较短,且组织也不够理想.加之设备相对复杂,且能耗大,限制了该方法的应用.高速凝固法为了改善功率降低法在加热器关闭后,冷却速度慢的缺点,在晶体生长技术的基础上发展成了一种新的定向凝固技术,即快速凝固法.该方法的特点是铸件以一定的速度从炉中移出或炉子移离铸件,采用空冷的方式,而且炉子保持加热状态.这种方法由于避免了炉膛的影响,且利用空气冷却,因而获得了较高的温度梯度和冷却速度,所获得的柱状晶间距较长,组织细密挺直,且较均匀,使铸件的性能得以提高,在生产中有一定的应用.液态金属冷却法是由辐射换热来冷却的,所能获得的温度梯度和冷却速度都很有限.为了获得更高的温度梯度和生长速度.在快速凝固法的基础上,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法.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.
三、定向凝固技术在材料科学与工程专业实验教学中的研究和应用
区域熔化液态金属冷却法是指采用在距液固界面极近的位置处设置感应线圈进行强制加热,使金属局部熔化过热,产生的熔化区很窄,从而将液固界面位置下压,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.定向凝固装置可达最高温度梯度,可达到最大冷却速度,凝固速率可调节.目前这方面的研究还都处于试验阶段,要进一步广泛应用,还有待于进一步的努力和改进.深过冷定向凝固过冷熔体中的定向凝固法是将盛有金属液的坩埚置于激冷基座上,在金属液被动力学过冷的同时,金属液内建立起一个自下而上的温度梯度,冷却过程中温度最低的底部先形核,晶体自下而上生长,形成定向排列的树枝晶骨架,其间是残余的金属液.在随后的冷却过程中,这些金属液依靠向外界散热而在已有的枝晶骨架上凝固.该法大大降低了设备要求,热量散失快,铸件生产率高,铸件组织结构细小,微观成分偏析程度低,各种力学性能大幅度提高.采用深过冷定向凝固方法制备的合金定向凝固样件,其一次枝晶间距比获得的组织还要细.目前深过冷的研究还局限于纯金属或简单的二元合金,对复杂合金的深过冷的获得还存在着许多需要解决的问题.电磁约束成形定向凝固技术是将电磁约束成形技术和高梯度定向技术相结合而提出的新型材料制备技术.
该技术利用电磁感应加热熔化感应器内的金属材料,并利用在金属熔体表层部分产生的电磁压力来约束已熔化的金属熔体成形.同时冷却介质与铸件表面直接接触增强了铸件固相的冷却能力,在固-液界面附近熔体内产生很高的温度梯度使凝固组织超细化,可以显著提高铸件的表面质量和内在综合性能.电磁约束成形定向凝固技术为先进材料成形加工技术的发展开辟了一个新的领域,对高熔点,易氧化及高活性特种合金的成形制备具有特别重要的意义.此技术目前还处于研究阶段.激光超高温度梯度快速定向凝固是由于激光能量高度集中的特性,使它具备了在作为定向凝固热源时可能获得比现有定向凝固方法高得多的温度梯度的可能性.激光超高温度梯度快速定向凝固能够获得比常规定向凝固技术高得多的温度梯度和凝固速率.利用激光表面熔凝技术实现超高温度梯度快速定向凝固的关键在于在激光熔池内获得与激光扫描速度方向一致的温度梯度.根据合金凝固特性选择适当的激光工艺参数,以获得包晶组织.目前激光超高温度梯度快速定向凝固还处于探索性实验阶段.
在材料科学与工程专业课程的课堂教学中,有些专业课程中对定向凝固技术只是作为了解,对于定向凝固技术制备金属合金和金属基复合材料的具体内容和制备工艺步骤的研究和应用了解很少.所以就需要在材料科学与工程专业的实践教学课程中增加关于定向凝固技术制备金属合金和金属基复合材料的实验课程.通过定向凝固技术制备金属合金和金属基复合材料的实践教学活动可以使学生认识和了解定向凝固技术制备金属合金和金属基复合材料的原理,制备工艺过程以及对经过定向凝固技术后得到金属合金和金属基复合材料的物相组成,显微结构和力学性能进行研究,使学生通过对金属合金和金属基复合材料的制备与研究过程可以加深学生对材料科学与工程专业课程学习的认识和了解.对于本科学生的教学实践课程,可以在本科学生的本科专业课程设计和本科毕业设计过程中安排采用定向凝固技术制备金属合金和金属基复合材料的教学内容.例如采用定向凝固技术可以制备金属合金和金属基复合材料.通过实验教学过程使学生认识和了解到定向凝固技术制备金属合金和金属基复合材料的制备工艺过程,提高学生对课程学习的认识和了解.使学生通过实验教学过程认识和了解定向凝固技术制备金属合金和金属基复合材料的制备工艺原理,使用方法和制备过程,以及对得到定向凝固技术制备的金属合金和金属基复合材料的物相组成和显微结构进行分析和测试.定向凝固技术可以应用在金属合金和金属基复合材料的制备和生产中.定向凝固技术可以制备金属合金和金属基复合材料等.定向凝固技术可以制备金属合金和金属基复合材料,所以定向凝固技术在工程领域得到了广泛的应用.定向凝固技术操作过程比较复杂,对设备要求较高特别是需要定向凝固炉,可以进行现场操作,因此可以作为本科学生的课程教学实验内容,可作为材料科学与工程专业课程的辅助教学实验,也可以作为本科专业课程设计和本科毕业设计教学内容.使学生通过实践教学来加深对材料科学与工程专业课程的认识和掌握.使学生认识到定向凝固技术制备金属合金和金属基复合材料的制备过程等,并使得学生对定向凝固技术得到的金属合金和金属基复合材料进行分析和测试,使学生对材料的分析和检测水平有较大的提高.对于拓展学生的知识面有很大的帮助.为本科学生以后的本科专业课程设计和本科毕业设计打下坚实的实验基础.
四、定向凝固技术在材料科学与工程领域的研究发展趋势和发展方向
定向凝固成形技术是伴随着高温合金的发展而逐渐发展起来的,是在凝固过程中采用强制手段,在凝固金属和未凝固熔体中建立起特定方向的温度梯度,从而使熔体沿着与热流相反的方向凝固,以获得具有特定取向柱状晶的技术.由于该技术较好地控制了凝固组织的晶粒取向,消除了横向晶界,大大提高了材料的纵向力学性能.因此将该技术用于燃气涡轮发动机叶片的生产,所获得的柱状晶组织具有优良的抗热冲击性能,较长的疲劳寿命,较高的高温蠕变抗力和中温塑性,进而提高了叶片的使用寿命和使用温度.该技术的进一步发展是单晶生产,它除了用于高温合金单晶叶片的研制外,还逐渐推广到半导体材料,磁性材料,复合材料的研究中,成为现代凝固成形的重要手段之一.传统的定向凝固技术包括发热剂法,功率降低法,高速凝固法,液态金属冷却法.新型的定向凝固技术包括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.所以定向凝固技术制备金属合金和金属基复合材料具有制备工艺简单生产率较高并且可以在工程领域中进行推广应用.
所以本文作者认为应该在材料科学与工程专业教学实验中增加采用定向凝固技术制备金属合金和金属基复合材料的实验课程.
五、结论
定向凝固技术是在熔模铸造型壳中建立特定方向的温度梯度,使熔融合金沿着与热流相反的方向按照要求的结晶取向凝固的一种铸造工艺.定向凝固技术最突出的成就是在航空工业中的应用.定向凝固技术可选择的材料种类比较广泛,适用面也比较广泛,所以定向凝固技术广泛应用在材料科学与工程领域.本文主要讲述定向凝固技术的原理和工程应用,并讲述定向凝固技术在材料科学与工程专业实验教学中的研究和应用,并对定向凝固技术的未来发展趋势和发展方向进行分析和预测.本文作者认为应该在材料科学与工程专业教学实验中增加采用定向凝固技术制备金属合金和金属基复合材料的实验课程.
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