從歷史悠久的鑄造技術(shù)發(fā)展到今天的現(xiàn)代鑄造技術(shù)或液態(tài)凝固成形技術(shù)這不僅與金屬與合金的結(jié)晶與凝固理論研究的深入和發(fā)展、各種凝固技術(shù)的不斷的出現(xiàn)和提高、計(jì)算機(jī)技術(shù)的應(yīng)用等有關(guān) , 而且還與化學(xué)工業(yè)、機(jī)械制造業(yè)、制造方法和技術(shù)的發(fā)展密切相關(guān)。
(一) 凝固理論的發(fā)展 結(jié)晶與凝固是鑄件形成過(guò)程的核心 , 它決定著鑄件的組織和缺陷的形成 ， 也決定了鑄件的性能和質(zhì)量 。 近 30 年來(lái) ,借助于物理化學(xué)、金屬學(xué)、非平衡態(tài)熱力學(xué)與動(dòng)力學(xué)、高等數(shù)學(xué)和計(jì)算數(shù)學(xué) , 從傳熱、傳質(zhì)和固液界面幾個(gè)方面進(jìn)行 研究 ,使金屬凝固理論有了很大的發(fā)展 , 這不僅使人們對(duì)許多條件下的凝固過(guò)程 和組織特征有了深入的認(rèn)識(shí) ,而且促使了許多凝固技術(shù)和液態(tài)凝固成形方法的提出、發(fā)展和生產(chǎn)應(yīng)用。例如凝固理論已建立了鑄件冷卻速度和品粒度以及晶粒度與鑄件力學(xué)性能之間的一些函數(shù)關(guān)系 , 從而為控制鑄造工藝參數(shù)和鑄件力學(xué)性能 提供了依據(jù)。
(二) 凝固技術(shù)的發(fā)展 控制凝固過(guò)程是開發(fā)新型材料和提高鑄件質(zhì)量的重要途徑。 順序凝固技術(shù)、快速凝固技術(shù)、復(fù)合材料的獲得、半固態(tài)金屬鑄造成形技術(shù)等等就是集中的代表。
1.順序凝固技術(shù) 所謂的順序凝固技術(shù) ，是使液態(tài)金屬的熱量沿一定向排出 , 或通過(guò)對(duì)液態(tài)金屬施行某方向的快速凝固 , 從而使晶粒的生長(zhǎng)( 凝固 )向著一定的方向進(jìn)行 , 最終獲得具有單方向晶粒組織或單晶組織的鑄件的一種工藝方法。由于冷卻及控制技術(shù)的不斷進(jìn)步,使熱量排出的強(qiáng)度及方向性不斷提高 , 從而使固液界面前沿液相中的溫度梯度增大 , 這不僅使晶粒生長(zhǎng)的方向性提高 ,而且組織更細(xì)長(zhǎng)、挺直、并延長(zhǎng)了定向區(qū) . 順序凝固技術(shù)已廣泛應(yīng)用于鑄造 高溫合金燃?xì)廨啓C(jī)葉片的生產(chǎn)中 , 由于沿定向生長(zhǎng)的組織的力學(xué)性能優(yōu)異, 使葉 片工作溫度大幅度提高 , 從而使航空發(fā)動(dòng)機(jī)性能提高。 順序凝固技術(shù)的最新進(jìn)展 是制取單晶體鑄件 , 如單晶渦輪葉片 ,它比一般順序凝固柱狀晶葉片具有更高的 工作溫度 , 抗熱疲勞強(qiáng)度、抗蠕變強(qiáng)度和耐腐蝕性能。采用這種高溫合金單晶葉片 的航空發(fā)動(dòng)機(jī) ,有效地增加了航空發(fā)動(dòng)機(jī)的推力和效率 , 使其性能大幅度提高。
2. 快速凝固技術(shù)即在比常規(guī)工藝條件下的冷卻速度 ( 10-4 - 10K/S) 快得多的冷卻條件 (103 - 109 K/S) 下 ,使液態(tài)合金轉(zhuǎn)變?yōu)楣虘B(tài)的工藝方法。它使合金 材料具有優(yōu)異的組織和性能 , 如很細(xì)的晶粒 ( 通常 <0.1-0.01 um>甚至納米級(jí)的晶粒 ) , 合金元偏析缺陷和高分散度的超細(xì)析出相 , 材料的高強(qiáng)度、高韌性等。 快速凝固技術(shù)可使液態(tài)金屬脫開常規(guī)的結(jié)晶過(guò)程 (形核和生長(zhǎng)) , 直接形成非晶結(jié)構(gòu)的固體材料 , 即所謂的金屬玻璃。此類非晶態(tài)合金為遠(yuǎn)程無(wú)序結(jié)構(gòu) ,具有特殊的電學(xué)性能、磁學(xué)性能、電化學(xué)性能和力學(xué)性能 ,己得到廣泛的應(yīng)用。如用作控制變壓器鐵心材料、計(jì)算機(jī)磁頭及外圍設(shè)備中零件的材料、纖焊材料等。快速凝固正日益受到多方的重視。
3.復(fù)合材料 制備凝固技術(shù)的另一發(fā)展是用于復(fù)合材料的制備口所謂復(fù)合材料 , 就是在非金屬或金屬基體中引人增強(qiáng)相或特殊成分 ,通過(guò)控制凝固使增強(qiáng)相按所希望的方式分布或排列的一種具有特殊性能的材料。由于復(fù)合材料的基體 具有較高的斷裂性 , 加上增強(qiáng)相的存在 ,故能表現(xiàn)出與普通單相組織材料不同的性能 , 如高強(qiáng)度、良好的高溫性能和抗疲勞性能 , 已發(fā)展了多種制取復(fù)合材料的工藝方法 ,如結(jié)合順序凝固技術(shù)制備自生復(fù)合材料。此領(lǐng)域的應(yīng)用前景將越來(lái)越廣。
4. 半固態(tài)鑄造半固態(tài)金屬鑄造成形技術(shù)經(jīng)過(guò) 20 多年的研究及發(fā)展 , 已進(jìn)入工業(yè)應(yīng)用階段。其原理是在液態(tài)金屬的凝固過(guò)程中進(jìn)行強(qiáng)烈的攪拌 (可以采用機(jī)械、電磁或其它方式 ) , 使普通鑄造易于形成的樹枝晶網(wǎng)絡(luò)骨架被打碎而形成分散的顆粒狀組織形態(tài) , 從而制得半固態(tài)金屬液 ,它具有一定的流動(dòng)性 ,然后可利用常規(guī)的成形技術(shù)如壓鑄、擠壓、模鍛等成形生產(chǎn)坯料或鑄件。半固態(tài)金屬鑄造成形克服了傳統(tǒng)鑄造成形易產(chǎn)生的縮孔、縮松、氣孔及尺寸偏差等缺點(diǎn), 具有成形溫度低, 延長(zhǎng)模具壽命 , 節(jié)約能源 , 改善生產(chǎn)條件和環(huán)境 , 提高鑄件質(zhì)量 ( 減少氣孔和凝固收縮 ) ,減少加工余量等許多優(yōu)點(diǎn)。半固態(tài)金屬成形工藝將成為 21 世紀(jì)極具發(fā)展前途的近凈形化成形技術(shù)之一。