区域熔化：一种高效的液态金属冷却技术

加热和冷却是定向凝固过程的两个基本环节.并对定向凝固过程的温度梯度产生决定性的影响。定向凝固技术从高速凝固法发展到液态金属冷却法，使温度梯度大幅度提高，这是因为改进了冷却方式，同时也发挥了冷却环节的最大潜力。进一步提高定向凝固的温度梯度，改变加热方式是一条有效的途径。

图5-9　区域熔化液态金属冷却法装置

1—试样；2—感应圈；3—隔热板；4—冷却水；5—液态金属；6—拉锭机构；7—熔区；8—坩埚

分析一下液态金属冷却法定向凝固过程不难发现，以下两个问题限制了温度梯度的提高，一是凝固界面并不处于最佳位置，当抽拉速率较低时，界面相对于挡板上移，使凝固界面远离挡板；二是未凝固液相中的最高温度面远离凝固界面，界面前沿温度分布平缓。如果改变加热方式，采用在距冷却金属液面极近的特定位置强制加热，将凝固界面位置下压.同时使液相中最高温度区尽量靠近凝固界面，使界面前沿液相中的温度分布变陡，可进一步提高温度梯度。如果采用区域熔化法加热并结合液态金属冷却，就可形成区域熔化-液态金属冷却（ZMLMC法）定向凝固法（见图5-9）[6]。采用这种方法，GTL可达1 270K/cm。(https://www.xing528.com)

区域熔化—液态金属冷却法的冷却部分与液态金属冷却法相同，加热部分可以是电子束或高频感应电场，两部分相对固定，且距离很小，使凝固界面不能上移，集中对凝固界面前沿液相加热，充分发挥过热度对温度梯度的贡献，从而可见区域熔化-液态金属冷却定向凝固过程熔区宽度对温度梯度有重要影响，熔区越窄，在相同加热温度（过热度）下，温度梯度越高。该方法又称亚快速定向凝固技术或超高温度梯度定向凝固法。

细化枝晶组织有多种方法，而效果最为显著的是增大凝固过程中的冷却速率，对于定向凝固和单晶铸件来说，就是要提高凝固过程的温度梯度和生长速率。定向凝固技术正伴随着温度梯度的逐渐增大而发展。目前，用于生产的定向凝固方法，其温度梯度一般不超过150K/cm，获得的高温合金定向凝固组织一次枝晶间距的典型值大于200μm，侧向分枝仍很发达。利用区域熔化—液态金属冷却法可在较快的生长速率下进行定向凝固，获得一种侧向分枝生长受到抑制、一次枝晶间距超细化的定向凝固组织，即超细柱状晶组织。对镍基铸造高温合金K403的研究表明[7]，一次枝晶间距与工艺参数即温度梯度GL和凝固速率υ的对应关系为：λ1=0.0032+0.655

由于具有这种特殊的超细微组织特征，定向结晶合金和单晶合金的性能都有明显提高，以K10钴基合金为例，持久寿命提高了3倍[8]。对于定向结晶的DZ22镍基合金也能明显提高其持久强度；随着冷却速度的增加，持久强度提高。单晶镍基合金是当代高性能先进发动机叶片的主要材料，采用区域熔化-液态金属冷却后，NASAIR100单晶镍基合金的持久性能可提高到1 050℃、160MPa时的228.3h。

亚快速定向凝固技术的一个显著特点是，通过提高温度梯度，扩大所允许的凝固速度范围.可提高冷却速度，达到细化组织、减小偏析和提高使用性能的目的。但是，单纯采用强制加热的方法来提高温度梯度从而提高凝固速度，仍不能获得很大的冷却速度，因为需要散发掉的热量相对而言更多了，故冷却速度提高有限，一般很难达到亚快速凝固。这种方法如果要广泛应用，还有待于进一步的改进。