Page 99 - 数值模拟驱动的高温合金热加工技术

第三章 铸造凝固过程模拟与缺陷控制

区域偏析指的是在铸件整个断面上，各部位成分不一致的现象。它主要是合
金进行选择凝固造成的。正向偏析是铸造合金中，熔点低的组元集中分布在铸件
中心或上部区域，其含量从铸件先凝固区到后凝固区逐渐增加；逆向偏析相反，

熔点低的组元聚集在铸件边缘。硅黄铜铸件易出现正向偏析，即铸件中心含硅量
高；锡青铜件易产生逆向偏析，即铸件表层锡含量多。有一定结晶温度范围的合
金，都会产生一定程度的区域偏析，只是结晶温度范围小的合金，倾向于产生正
向偏析；结晶温度范围宽、结晶时形成发达树枝晶的合金，易产生逆向偏析。

比重偏析是由于合金中各组元密度不同，凝固过程中发生沉浮现象导致的偏
析。合金中存在密度差异大的组元时，液态金属中，密度大的组元会下沉，密度
小的组元会上浮，致使铸件上下部分成分不均。铅基轴承合金中，铅密度大，锡
等合金元素密度相对小，凝固时若冷却速度慢，铅会下沉，锡会上浮，造成铸件

上下部分成分不一致，影响轴承性能。
2. 影响因素
合金成分对偏析的影响十分关键。不同合金元素的溶解度和扩散系数不同，
会使偏析程度有差异。合金中溶质元素含量越高，偏析倾向越大。一些高合金含

量的铸件，如镍基高温合金，因含多种合金元素且含量高，偏析问题往往较严重。
合金元素间的相互作用也会影响偏析形成。某些合金元素可能促进其他元素偏析，
另一些元素则可能抑制偏析发生。
冷却速率对偏析影响显著。冷却速度越快，溶质原子扩散时间越短，越难在

固相和液相中均匀分布，会加剧偏析现象。快速凝固条件下，如喷射成形、激光
快速熔凝等工艺，因冷却速度极快，溶质原子几乎来不及扩散，会导致严重偏析。
反之，冷却速度过慢，虽有利于溶质原子扩散，但可能导致其他缺陷，如晶粒粗
大等。

凝固方式也会影响偏析形成。逐层凝固方式下，溶质元素再分配较易控制，
偏析程度相对小；糊状凝固方式下，因凝固时有大量液固两相区，溶质元素的扩
散和流动复杂，易产生严重偏析。结晶温度范围宽的合金，凝固中易形成糊状凝
固，增加偏析倾向。

3. 对铸件性能的影响
偏析会使铸件性能不均匀，严重影响其使用可靠性。因偏析存在，铸件不同
部位的化学成分和组织结构有差异，使铸件各部分力学性能，如硬度、强度、韧

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