第五章+定向凝固

1、第五章第五章 定向凝固技術(shù)定向凝固技術(shù)站站長(zhǎng)長(zhǎng)素材素材 SC.CHINAZ.COM2 材料制備與加工材料制備與加工技術(shù)的發(fā)展對(duì)新材料的研技術(shù)的發(fā)展對(duì)新材料的研發(fā)、應(yīng)用和產(chǎn)業(yè)化具有決定性作用。同時(shí)還可發(fā)、應(yīng)用和產(chǎn)業(yè)化具有決定性作用。同時(shí)還可有效的改進(jìn)和提高傳統(tǒng)材料的使用性能。對(duì)傳有效的改進(jìn)和提高傳統(tǒng)材料的使用性能。對(duì)傳統(tǒng)材料的產(chǎn)業(yè)更新和改造具有重要作用。定向統(tǒng)材料的產(chǎn)業(yè)更新和改造具有重要作用。定向凝固技術(shù)被廣泛應(yīng)用于獲得具有凝固技術(shù)被廣泛應(yīng)用于獲得具有特殊取向的組特殊取向的組織和優(yōu)異性能織和優(yōu)異性能的材料。的材料。 3定向凝固的發(fā)展歷史定向凝固的發(fā)展歷史定向凝固基本原理定向凝固基本原理定向凝固工

2、藝定向凝固工藝應(yīng)用實(shí)例應(yīng)用實(shí)例45.1定向凝固的發(fā)展歷史定向凝固的發(fā)展歷史 定向凝固過程的理論研究的出現(xiàn)是在定向凝固過程的理論研究的出現(xiàn)是在1953年，那是年，那是Charlmers及其他的同事們?cè)诙ㄏ蚰捌渌耐聜冊(cè)诙ㄏ蚰谭椒疾煲汗谭椒疾煲?固界面形態(tài)演繹的基礎(chǔ)上提出固界面形態(tài)演繹的基礎(chǔ)上提出了被人們稱之為定量凝固科學(xué)的里程碑的成分了被人們稱之為定量凝固科學(xué)的里程碑的成分過冷理論。過冷理論。 5 在在2020世紀(jì)世紀(jì)6060年代，定向凝固技術(shù)成功的應(yīng)用年代，定向凝固技術(shù)成功的應(yīng)用于航空發(fā)動(dòng)機(jī)渦輪葉片的制備上，大幅度提高了于航空發(fā)動(dòng)機(jī)渦輪葉片的制備上，大幅度提高了葉片的高溫性能，使其壽

3、命加長(zhǎng)，從而有力地推葉片的高溫性能，使其壽命加長(zhǎng)，從而有力地推動(dòng)了航空工業(yè)發(fā)展。動(dòng)了航空工業(yè)發(fā)展。 近近2020年來，不僅開發(fā)了許多先進(jìn)的定向凝固年來，不僅開發(fā)了許多先進(jìn)的定向凝固技術(shù)，同時(shí)對(duì)定向凝固理論也進(jìn)行了豐富和發(fā)展，技術(shù)，同時(shí)對(duì)定向凝固理論也進(jìn)行了豐富和發(fā)展，從從CharlmersCharlmers等的等的成分過冷理論成分過冷理論到到MullinsMullins等的等的固固/ /液界面穩(wěn)定動(dòng)力學(xué)理論（液界面穩(wěn)定動(dòng)力學(xué)理論（MSMS理論），理論），人們對(duì)凝固人們對(duì)凝固過程有了更深刻的認(rèn)識(shí)，從而又能進(jìn)一步指導(dǎo)凝過程有了更深刻的認(rèn)識(shí)，從而又能進(jìn)一步指導(dǎo)凝固技術(shù)的發(fā)展。固技術(shù)的發(fā)展。6 隨著其

4、他專業(yè)新理論的出現(xiàn)和日趨成熟及隨著其他專業(yè)新理論的出現(xiàn)和日趨成熟及實(shí)驗(yàn)技術(shù)的不斷改進(jìn)，新的凝固技術(shù)也將被不實(shí)驗(yàn)技術(shù)的不斷改進(jìn)，新的凝固技術(shù)也將被不斷創(chuàng)造出來。定向凝固技術(shù)必將成為新材料的斷創(chuàng)造出來。定向凝固技術(shù)必將成為新材料的制備和新加工技術(shù)的開發(fā)提供廣闊前景，也必制備和新加工技術(shù)的開發(fā)提供廣闊前景，也必將使凝固理論得到完善和發(fā)展。將使凝固理論得到完善和發(fā)展。75.2 定向凝固基本原理定向凝固基本原理p定向凝固技術(shù) 的基本定義p定向凝固理論p定向凝固技術(shù)的適用范圍8在凝固過程中采用強(qiáng)制手段，在在凝固過程中采用強(qiáng)制手段，在凝固金屬和為凝固熔體中建立起凝固金屬和為凝固熔體中建立起特定方向的溫度梯度

5、，從而使熔特定方向的溫度梯度，從而使熔體沿著與熱流相反的方向凝固，體沿著與熱流相反的方向凝固，獲得具有特定取向柱狀晶的技術(shù)。獲得具有特定取向柱狀晶的技術(shù)。 定定向向凝凝固固9定向凝固技術(shù)的工藝參數(shù)定向凝固技術(shù)的工藝參數(shù)凝固過程中固液界面前沿液相中的溫度梯度凝固過程中固液界面前沿液相中的溫度梯度GL 固液界面向前推進(jìn)的速度固液界面向前推進(jìn)的速度R GL/R值是控制晶體長(zhǎng)大形態(tài)的重要判據(jù)。值是控制晶體長(zhǎng)大形態(tài)的重要判據(jù)。105.2.2 定向凝固理論定向凝固理論 定向凝固技術(shù)實(shí)驗(yàn)的發(fā)展推動(dòng)了凝固理論的定向凝固技術(shù)實(shí)驗(yàn)的發(fā)展推動(dòng)了凝固理論的發(fā)展和深入。發(fā)展和深入。Charlmers、Tiller等人在

6、研究等人在研究中發(fā)現(xiàn)在合金中液固界面前沿由于溶質(zhì)富集中發(fā)現(xiàn)在合金中液固界面前沿由于溶質(zhì)富集將會(huì)產(chǎn)生將會(huì)產(chǎn)生“成分過冷成分過冷”導(dǎo)致平衡界面失穩(wěn)而導(dǎo)致平衡界面失穩(wěn)而形成胞晶核枝晶。首次提出了形成胞晶核枝晶。首次提出了成分過冷理論成分過冷理論。11純金屬的凝固過程純金屬的凝固過程正溫度梯度下正溫度梯度下，固液界面前，固液界面前沿液體幾乎沒有過冷，固液沿液體幾乎沒有過冷，固液界面以平面方式向前推進(jìn)，界面以平面方式向前推進(jìn)，即晶體以平面方式向前生長(zhǎng)。即晶體以平面方式向前生長(zhǎng)。負(fù)的溫度梯度下負(fù)的溫度梯度下，界面前方的液體強(qiáng)烈過冷，界面前方的液體強(qiáng)烈過冷，晶體以樹枝晶方式生長(zhǎng)。晶體以樹枝晶方式生長(zhǎng)。1 1

7、、成分過冷理論、成分過冷理論12 成分過冷理論能成功的判定低速生長(zhǎng)條件下無成分過冷理論能成功的判定低速生長(zhǎng)條件下無偏析特征的平面凝固，避免胞晶或枝晶的生長(zhǎng)。偏析特征的平面凝固，避免胞晶或枝晶的生長(zhǎng)。 20世紀(jì)世紀(jì)50年代年代Charlmers、Tiller等人首次提出單等人首次提出單晶晶二元合金成分二元合金成分理論。理論。 13固液界面液相區(qū)內(nèi)形成成分過冷條件固液界面液相區(qū)內(nèi)形成成分過冷條件 一是由于溶質(zhì)在固相和液相中的固溶度不同，一是由于溶質(zhì)在固相和液相中的固溶度不同，即溶質(zhì)原子在液相中固溶度大，在固相中固溶度即溶質(zhì)原子在液相中固溶度大，在固相中固溶度小，當(dāng)單向合金冷卻凝固時(shí)，溶質(zhì)原子被排擠

8、到小，當(dāng)單向合金冷卻凝固時(shí)，溶質(zhì)原子被排擠到液相中去，在固液界面液相一側(cè)堆積著溶質(zhì)原子，液相中去，在固液界面液相一側(cè)堆積著溶質(zhì)原子，形成溶質(zhì)原子的富集層。隨著離開固液界面距離形成溶質(zhì)原子的富集層。隨著離開固液界面距離增大，溶質(zhì)質(zhì)量分?jǐn)?shù)逐漸降低。增大，溶質(zhì)質(zhì)量分?jǐn)?shù)逐漸降低。 二是在凝固過程中，由于外界冷卻作用，在二是在凝固過程中，由于外界冷卻作用，在固液界面固相一側(cè)不同位置上的實(shí)際溫度不同，固液界面固相一側(cè)不同位置上的實(shí)際溫度不同，外界冷卻能力強(qiáng)，實(shí)際溫度低；相反實(shí)際溫度高。外界冷卻能力強(qiáng)，實(shí)際溫度低；相反實(shí)際溫度高。如果在固液界面液相一側(cè)，溶液中的實(shí)際溫度低如果在固液界面液相一側(cè)，溶液中的實(shí)際

9、溫度低于平衡時(shí)液相線溫度，出現(xiàn)過冷現(xiàn)象。于平衡時(shí)液相線溫度，出現(xiàn)過冷現(xiàn)象。 14 在此基礎(chǔ)上，在此基礎(chǔ)上，Charlmers、Tiller等人首次等人首次提出了著名的提出了著名的“成分過冷成分過冷”判據(jù)判據(jù)：L000L0Lm Ck1GVk DLTD（） 式中：式中：GL為液固界面前沿液相溫度梯度（為液固界面前沿液相溫度梯度（K/mm）；）；V為界面生長(zhǎng)速度（為界面生長(zhǎng)速度（mm/s）；）；mL為液相線斜率；為液相線斜率；C0為合為合金平均成分；金平均成分；k0為平衡溶質(zhì)分配系數(shù)；為平衡溶質(zhì)分配系數(shù)；DL為液相中溶質(zhì)為液相中溶質(zhì)擴(kuò)散系數(shù)；擴(kuò)散系數(shù)；T0為平衡結(jié)晶溫度間隔。為平衡結(jié)晶溫度間隔。15

10、圖圖5.1 5.1 成分過冷成分過冷16據(jù)此，可以得到平衡界面生長(zhǎng)的臨界速度。據(jù)此，可以得到平衡界面生長(zhǎng)的臨界速度。0VcsTLLG D式中，式中，T0=mLC0(k0-1)，T0是合金平衡結(jié)晶溫度間隔。是合金平衡結(jié)晶溫度間隔。17 在晶體生長(zhǎng)過程中，當(dāng)不存在成分過冷時(shí)，如果在晶體生長(zhǎng)過程中，當(dāng)不存在成分過冷時(shí)，如果在平直的固液界面上由于不穩(wěn)定因素?cái)_動(dòng)產(chǎn)生凸起，也在平直的固液界面上由于不穩(wěn)定因素?cái)_動(dòng)產(chǎn)生凸起，也會(huì)由于過熱的環(huán)境將其熔化而繼續(xù)保持平面界面。會(huì)由于過熱的環(huán)境將其熔化而繼續(xù)保持平面界面。 而當(dāng)界面前沿存在成分過冷時(shí)，界面前沿由于不穩(wěn)而當(dāng)界面前沿存在成分過冷時(shí)，界面前沿由于不穩(wěn)定因素而

11、形成的凸起會(huì)因?yàn)樘幱谶^冷區(qū)而發(fā)展，平界面定因素而形成的凸起會(huì)因?yàn)樘幱谶^冷區(qū)而發(fā)展，平界面失穩(wěn)，導(dǎo)致樹枝晶的形成。失穩(wěn)，導(dǎo)致樹枝晶的形成。18 成分過冷理論提供了判斷成分過冷理論提供了判斷液固界面穩(wěn)定性液固界面穩(wěn)定性的的第一個(gè)簡(jiǎn)明而適用的判據(jù)，對(duì)平界面穩(wěn)定性，甚第一個(gè)簡(jiǎn)明而適用的判據(jù)，對(duì)平界面穩(wěn)定性，甚至胞晶和枝晶形態(tài)穩(wěn)定性都能夠很好地做出定性至胞晶和枝晶形態(tài)穩(wěn)定性都能夠很好地做出定性地解釋。地解釋。 19但是這一判據(jù)本身還有一些矛盾，如：但是這一判據(jù)本身還有一些矛盾，如： 成分過冷理論把平衡熱力學(xué)應(yīng)用到非平衡動(dòng)力學(xué)成分過冷理論把平衡熱力學(xué)應(yīng)用到非平衡動(dòng)力學(xué)過程中，必然帶有很大的近似性過程中，必

12、然帶有很大的近似性; ; 隨著快速凝固新領(lǐng)域的出現(xiàn)，上述理論已不能適用隨著快速凝固新領(lǐng)域的出現(xiàn)，上述理論已不能適用。 在固液界面上引入局部的曲率變化要增加系統(tǒng)的在固液界面上引入局部的曲率變化要增加系統(tǒng)的自由能，這一點(diǎn)在成分過冷理論中被忽略了；自由能，這一點(diǎn)在成分過冷理論中被忽略了； 成分過冷理論沒有說明界面形態(tài)的改變機(jī)制。成分過冷理論沒有說明界面形態(tài)的改變機(jī)制。202、絕對(duì)穩(wěn)定性理論、絕對(duì)穩(wěn)定性理論 MullniS和和skeerka鑒于成分過冷理論存在鑒于成分過冷理論存在不足，提出一個(gè)考慮不足，提出一個(gè)考慮溶質(zhì)濃度場(chǎng)溶質(zhì)濃度場(chǎng)和和溫度場(chǎng)溫度場(chǎng)、固液界面能固液界面能以及以及界面動(dòng)力學(xué)界面動(dòng)力學(xué)的

13、絕對(duì)穩(wěn)定理論的絕對(duì)穩(wěn)定理論(MS理論理論)。對(duì)于平界面生長(zhǎng)，。對(duì)于平界面生長(zhǎng)，Ms理論可表示理論可表示為：為：21200/22/2LSSLLLLSCSLVCLK GK GVDVVm GapVDKKLm GVpVDK式中， 1/22222LLLVVDDD1/22222LLLLVVD221/22222SSSSVVDDD2LLSSKKK2SLKKK01pk /ddt23 其中，其中，L、S分別是液固相的熱擴(kuò)散系數(shù)，分別是液固相的熱擴(kuò)散系數(shù)，KL、KS分別是液固相的導(dǎo)熱系數(shù)，分別是液固相的導(dǎo)熱系數(shù)，GL、GS是液固相溫是液固相溫度梯度，度梯度，為為Gibbs-Thompson系數(shù)，系數(shù)，LV為凝固潛為

14、凝固潛熱，熱，為幾何干擾頻率，為幾何干擾頻率，為擾動(dòng)振幅，為擾動(dòng)振幅，的符號(hào)就的符號(hào)就決定了平界面是否穩(wěn)定。在上式中，右端的分母決定了平界面是否穩(wěn)定。在上式中，右端的分母恒為正值，因而臨界穩(wěn)定性條件實(shí)際上取決于分恒為正值，因而臨界穩(wěn)定性條件實(shí)際上取決于分子的符號(hào)。子的符號(hào)。24 由于通常凝固條件下，金屬中的熱擴(kuò)散長(zhǎng)度由于通常凝固條件下，金屬中的熱擴(kuò)散長(zhǎng)度遠(yuǎn)大于空間擾動(dòng)波長(zhǎng)，上式中的分子可簡(jiǎn)化為：遠(yuǎn)大于空間擾動(dòng)波長(zhǎng)，上式中的分子可簡(jiǎn)化為： 220/LrCLVDSGm GpVD 式中 2LLSSrK GK GGK25 表達(dá)式中三個(gè)項(xiàng)分別代表了表達(dá)式中三個(gè)項(xiàng)分別代表了溫度梯度溫度梯度、界面能界面能、

15、溶質(zhì)邊界層溶質(zhì)邊界層這三方面的因素對(duì)界面這三方面的因素對(duì)界面穩(wěn)定性的貢獻(xiàn)，其中界面能的作用總是使界穩(wěn)定性的貢獻(xiàn)，其中界面能的作用總是使界面趨于穩(wěn)定，溶質(zhì)邊界層的存在總是使界面面趨于穩(wěn)定，溶質(zhì)邊界層的存在總是使界面趨于失穩(wěn)，而溫度梯度對(duì)穩(wěn)定性的作用則取趨于失穩(wěn)，而溫度梯度對(duì)穩(wěn)定性的作用則取決于梯度的方向。決于梯度的方向。 26 由此可見由此可見，MS理論實(shí)際上擴(kuò)展了理論實(shí)際上擴(kuò)展了“成分成分過冷過冷”理論對(duì)界面穩(wěn)定性的分析，在低速端，理論對(duì)界面穩(wěn)定性的分析，在低速端，如果忽略如果忽略界面張力效應(yīng)界面張力效應(yīng)，固液相熱物性差異固液相熱物性差異，溶質(zhì)沿界面擴(kuò)散效應(yīng)及溶質(zhì)沿界面擴(kuò)散效應(yīng)及結(jié)晶潛熱等因素

16、結(jié)晶潛熱等因素，MS理論就回到了理論就回到了“成分過冷成分過冷”理論。理論。 27 而在高速端，而在高速端，MS理論則預(yù)言了高速絕對(duì)穩(wěn)定性理論則預(yù)言了高速絕對(duì)穩(wěn)定性這一全新的現(xiàn)象，并可以給出產(chǎn)生這種絕對(duì)穩(wěn)定性的這一全新的現(xiàn)象，并可以給出產(chǎn)生這種絕對(duì)穩(wěn)定性的臨界條件：臨界條件： 0VLVDTVk0VTVk式中式中為非平衡液固相線溫差為非平衡液固相線溫差為非平衡修正后的溶質(zhì)分配系數(shù)為非平衡修正后的溶質(zhì)分配系數(shù)28 此外，黃衛(wèi)東等通過對(duì)此外，黃衛(wèi)東等通過對(duì)MS理論的進(jìn)一步分析，理論的進(jìn)一步分析，發(fā)現(xiàn)還存在高梯度絕對(duì)性現(xiàn)象，并給出了高梯度絕對(duì)發(fā)現(xiàn)還存在高梯度絕對(duì)性現(xiàn)象，并給出了高梯度絕對(duì)穩(wěn)定性實(shí)現(xiàn)的臨

17、界條件：穩(wěn)定性實(shí)現(xiàn)的臨界條件：23200.02030.04870.05410.0624 ,01TGkkkkk MS理論是一個(gè)線性理論，而凝固過程是一個(gè)復(fù)理論是一個(gè)線性理論，而凝固過程是一個(gè)復(fù)雜的非線性問題，因此嚴(yán)格的穩(wěn)定性判據(jù)應(yīng)由非線性雜的非線性問題，因此嚴(yán)格的穩(wěn)定性判據(jù)應(yīng)由非線性動(dòng)力學(xué)分析給出。但由于非線性問題非常復(fù)雜，目前，動(dòng)力學(xué)分析給出。但由于非線性問題非常復(fù)雜，目前，還只能進(jìn)行弱非線性動(dòng)力學(xué)分析。還只能進(jìn)行弱非線性動(dòng)力學(xué)分析。 29 1970年，年，Wollkind和和Segel首先對(duì)凝固界面穩(wěn)定性首先對(duì)凝固界面穩(wěn)定性進(jìn)行了弱非線性動(dòng)力學(xué)分析，提出了一個(gè)弱非線性動(dòng)進(jìn)行了弱非線性動(dòng)力學(xué)分

18、析，提出了一個(gè)弱非線性動(dòng)力學(xué)模型：力學(xué)模型：3501kkkkdAa Aa AAdtkA0a式中式中為為k階擾動(dòng)振幅階擾動(dòng)振幅是線性穩(wěn)定性參數(shù)，表達(dá)式由是線性穩(wěn)定性參數(shù)，表達(dá)式由MS理論給出理論給出30 按照按照MS理論，理論，a0=0為平胞轉(zhuǎn)變分叉點(diǎn)，即當(dāng)為平胞轉(zhuǎn)變分叉點(diǎn)，即當(dāng)a00時(shí)，平界面失穩(wěn)成時(shí)，平界面失穩(wěn)成為胞狀結(jié)構(gòu)。但由上式可知，界面形態(tài)的穩(wěn)定性還為胞狀結(jié)構(gòu)。但由上式可知，界面形態(tài)的穩(wěn)定性還取決于取決于a1的性質(zhì)，當(dāng)?shù)男再|(zhì)，當(dāng)a10時(shí)，平胞轉(zhuǎn)變具有亞臨界分時(shí)，平胞轉(zhuǎn)變具有亞臨界分叉性質(zhì)，這時(shí)，即使叉性質(zhì)，這時(shí)，即使a00，不存在從平界面到無限小振幅的，不存在從平界面到無限小振幅的連續(xù)

19、轉(zhuǎn)變。當(dāng)連續(xù)轉(zhuǎn)變。當(dāng)a10時(shí)，平胞轉(zhuǎn)變具有超臨界分叉性質(zhì)，時(shí)，平胞轉(zhuǎn)變具有超臨界分叉性質(zhì)，這時(shí)只有當(dāng)這時(shí)只有當(dāng)a00時(shí)才能發(fā)生平界面的失穩(wěn)，并且出現(xiàn)時(shí)才能發(fā)生平界面的失穩(wěn)，并且出現(xiàn)從平界面到無限小振幅的連續(xù)轉(zhuǎn)變。從平界面到無限小振幅的連續(xù)轉(zhuǎn)變。 316.2.3 定向凝固技術(shù)的適用范圍定向凝固技術(shù)的適用范圍 應(yīng)用定向凝固方法，得到單方向生長(zhǎng)的柱狀晶，應(yīng)用定向凝固方法，得到單方向生長(zhǎng)的柱狀晶，甚至甚至單晶單晶，不產(chǎn)生橫向晶界，較大提高了材料的單，不產(chǎn)生橫向晶界，較大提高了材料的單向力學(xué)性能，熱強(qiáng)性能也有了進(jìn)一步提高，因此，向力學(xué)性能，熱強(qiáng)性能也有了進(jìn)一步提高，因此，定向凝固技術(shù)已成為富有生命力的工

20、業(yè)生產(chǎn)手段，定向凝固技術(shù)已成為富有生命力的工業(yè)生產(chǎn)手段，應(yīng)用也日益廣泛。應(yīng)用也日益廣泛。 321.單晶生長(zhǎng)單晶生長(zhǎng) 晶體生長(zhǎng)的研究?jī)?nèi)容之一是制備晶體生長(zhǎng)的研究?jī)?nèi)容之一是制備成分準(zhǔn)確成分準(zhǔn)確，盡，盡可能可能無雜質(zhì)無雜質(zhì)，無缺陷無缺陷（包括晶體缺陷）的單晶體。（包括晶體缺陷）的單晶體。晶體是人們認(rèn)識(shí)固體的基礎(chǔ)。定向凝固是制備單晶晶體是人們認(rèn)識(shí)固體的基礎(chǔ)。定向凝固是制備單晶最有效的方法。為了得到高質(zhì)量的單晶體，首先要最有效的方法。為了得到高質(zhì)量的單晶體，首先要在金屬熔體中形成一個(gè)單晶核：可引入粒晶成自發(fā)在金屬熔體中形成一個(gè)單晶核：可引入粒晶成自發(fā)形核，而在晶核和熔體界面不斷生長(zhǎng)出單晶體。形核，而在晶

21、核和熔體界面不斷生長(zhǎng)出單晶體。 33 單晶在生長(zhǎng)過程中絕對(duì)要避免固單晶在生長(zhǎng)過程中絕對(duì)要避免固液界面不穩(wěn)定而液界面不穩(wěn)定而生出晶胞或柱晶。故而固生出晶胞或柱晶。故而固液界面前沿不允許有溫度過液界面前沿不允許有溫度過冷或成分過冷。固液界面前沿的熔體應(yīng)處于過熱狀態(tài)，冷或成分過冷。固液界面前沿的熔體應(yīng)處于過熱狀態(tài)，結(jié)晶過程的潛熱只能通過生長(zhǎng)著的晶體導(dǎo)出。定向凝固結(jié)晶過程的潛熱只能通過生長(zhǎng)著的晶體導(dǎo)出。定向凝固滿足上述熱傳輸?shù)囊?，只要恰?dāng)?shù)目刂乒虧M足上述熱傳輸?shù)囊?，只要恰?dāng)?shù)目刂乒桃航缑媲耙航缑媲把厝垠w的溫度和速率，是可以得到高質(zhì)量的單晶體的。沿熔體的溫度和速率，是可以得到高質(zhì)量的單晶體的。342

22、.柱狀晶生長(zhǎng)柱狀晶生長(zhǎng) 柱狀晶包括柱狀晶包括柱狀樹枝晶柱狀樹枝晶和和胞狀柱晶胞狀柱晶。通常采用。通常采用定向凝固工藝，使晶體有控制的向著與熱流方向相定向凝固工藝，使晶體有控制的向著與熱流方向相反的方向生長(zhǎng)。共晶體取向?yàn)樘囟ㄎ幌?，并且大部反的方向生長(zhǎng)。共晶體取向?yàn)樘囟ㄎ幌?，并且大部分柱晶貫穿整個(gè)鑄件。這種柱晶組織大量用于高溫分柱晶貫穿整個(gè)鑄件。這種柱晶組織大量用于高溫合金和磁性合金的鑄件上。合金和磁性合金的鑄件上。 35 定向凝固柱狀晶鑄件與用普通方法得到的鑄件定向凝固柱狀晶鑄件與用普通方法得到的鑄件相比，前者可以減少偏析、疏松等，而且形成了取相比，前者可以減少偏析、疏松等，而且形成了取向平行于

23、主應(yīng)力軸的晶粒，基本上向平行于主應(yīng)力軸的晶粒，基本上消除了垂直應(yīng)力消除了垂直應(yīng)力軸的橫向晶界軸的橫向晶界，是航空發(fā)動(dòng)機(jī)葉片的力學(xué)性能有了，是航空發(fā)動(dòng)機(jī)葉片的力學(xué)性能有了新的飛躍。新的飛躍。 另外，對(duì)面心立方晶體的磁性材料，如鐵等，另外，對(duì)面心立方晶體的磁性材料，如鐵等，當(dāng)鑄態(tài)柱晶當(dāng)鑄態(tài)柱晶沿晶向取向沿晶向取向時(shí)，因與磁化方向一致，而時(shí)，因與磁化方向一致，而大大改善其磁性大大改善其磁性。 36獲得定向凝固柱狀晶的基本條件是獲得定向凝固柱狀晶的基本條件是： 合金凝固時(shí)熱流方向必須是合金凝固時(shí)熱流方向必須是定向定向的。在固的。在固液界液界面應(yīng)有足夠高的面應(yīng)有足夠高的溫度梯度溫度梯度，避免在凝固界面的

24、前沿出，避免在凝固界面的前沿出現(xiàn)成分過冷或外來核心，使徑向橫向生長(zhǎng)受到限制?，F(xiàn)成分過冷或外來核心，使徑向橫向生長(zhǎng)受到限制。另外，還應(yīng)該保證另外，還應(yīng)該保證定向散熱定向散熱，絕對(duì)避免側(cè)面型壁生核，絕對(duì)避免側(cè)面型壁生核長(zhǎng)大，長(zhǎng)出橫向新晶體。長(zhǎng)大，長(zhǎng)出橫向新晶體。 因此，要盡量抑制液態(tài)合金的因此，要盡量抑制液態(tài)合金的形核能力形核能力。提高。提高液態(tài)金屬的純潔度，減少氧化、吸氣形成的雜質(zhì)的液態(tài)金屬的純潔度，減少氧化、吸氣形成的雜質(zhì)的污染是用來抑制形核能力的有效措施。但是，對(duì)于污染是用來抑制形核能力的有效措施。但是，對(duì)于某些合金系，常規(guī)化學(xué)組成中含有很多雜質(zhì)，以致某些合金系，常規(guī)化學(xué)組成中含有很多雜質(zhì)，

25、以致即使采用很高的即使采用很高的GL/RGL/R比值，都不足以使液體合金的比值，都不足以使液體合金的形核得到抑制。形核得到抑制。 37 除了凈化合金液外，還可采用除了凈化合金液外，還可采用添加適當(dāng)?shù)暮辖鹪靥砑舆m當(dāng)?shù)暮辖鹪鼗蚧蛱砑游锾砑游?，使形核劑失效。晶體長(zhǎng)大的速度與晶向有關(guān)。，使形核劑失效。晶體長(zhǎng)大的速度與晶向有關(guān)。在具有一定拉出速度的鑄型中形成的溫度梯度場(chǎng)內(nèi)，取在具有一定拉出速度的鑄型中形成的溫度梯度場(chǎng)內(nèi)，取向晶體競(jìng)相生長(zhǎng)，在生長(zhǎng)過程中抑制了大部分晶體的生向晶體競(jìng)相生長(zhǎng)，在生長(zhǎng)過程中抑制了大部分晶體的生長(zhǎng)，保留了與流方向大體平行的單一取向的柱晶繼續(xù)生長(zhǎng)，保留了與流方向大體平行的單一取向

26、的柱晶繼續(xù)生長(zhǎng)，有的直至鑄件頂部。長(zhǎng)，有的直至鑄件頂部。 在柱狀晶生長(zhǎng)過程中，只有在在柱狀晶生長(zhǎng)過程中，只有在高的高的GL/RGL/R比值條件下比值條件下，柱晶的實(shí)際生長(zhǎng)方向和柱晶的理論生長(zhǎng)方向才越接近，柱晶的實(shí)際生長(zhǎng)方向和柱晶的理論生長(zhǎng)方向才越接近，否則，晶體生長(zhǎng)會(huì)偏離軸向排列方向。否則，晶體生長(zhǎng)會(huì)偏離軸向排列方向。38 采用采用高速凝固法定向凝固高速凝固法定向凝固可以保證柱晶的取向分可以保證柱晶的取向分散度較小。柱晶材料使用于特定的受力條件，當(dāng)主應(yīng)散度較小。柱晶材料使用于特定的受力條件，當(dāng)主應(yīng)力方向與柱晶生長(zhǎng)方向一致時(shí)，才能最大限度的顯示力方向與柱晶生長(zhǎng)方向一致時(shí)，才能最大限度的顯示柱晶力

27、學(xué)性能上的優(yōu)越性。衡量柱晶組織的標(biāo)志，除柱晶力學(xué)性能上的優(yōu)越性。衡量柱晶組織的標(biāo)志，除了了取向分散度取向分散度外，還有外，還有枝晶臂間距枝晶臂間距和和晶粒的大小晶粒的大小。 隨著晶粒和枝晶臂間距變小，力學(xué)性能提高。隨著晶粒和枝晶臂間距變小，力學(xué)性能提高。GL/R值值決定著合金凝固時(shí)組織的形貌，決定著合金凝固時(shí)組織的形貌，GL/R值又影響值又影響著各組成的尺寸大小。由于在很大程度上受到設(shè)備條著各組成的尺寸大小。由于在很大程度上受到設(shè)備條件的限制，因此，件的限制，因此，凝固速度凝固速度R就成為控制柱晶組織的主就成為控制柱晶組織的主要參數(shù)。要參數(shù)。393.高溫合金制備高溫合金制備 高溫合金是現(xiàn)在航空

28、燃?xì)鉁u高溫合金是現(xiàn)在航空燃?xì)鉁u輪輪.艦船燃?xì)廨啓C(jī)、地面和火箭發(fā)艦船燃?xì)廨啓C(jī)、地面和火箭發(fā)動(dòng)機(jī)的重要金屬材料，在先進(jìn)大動(dòng)機(jī)的重要金屬材料，在先進(jìn)大航空發(fā)動(dòng)機(jī)中，高溫合金的用量航空發(fā)動(dòng)機(jī)中，高溫合金的用量占占40%60%，因此這種材料被，因此這種材料被喻為燃?xì)廨喌男呐K。喻為燃?xì)廨喌男呐K。 高溫合金高溫合金40 采用定向凝固技術(shù)生產(chǎn)的高溫合金基本上采用定向凝固技術(shù)生產(chǎn)的高溫合金基本上消除消除了垂直于應(yīng)力軸的橫向晶界了垂直于應(yīng)力軸的橫向晶界，并以其獨(dú)特的平行于，并以其獨(dú)特的平行于零件主應(yīng)力軸擇優(yōu)生長(zhǎng)的柱晶組織以及有意的力學(xué)零件主應(yīng)力軸擇優(yōu)生長(zhǎng)的柱晶組織以及有意的力學(xué)性能而獲得長(zhǎng)足的發(fā)展。性能而獲得長(zhǎng)足

29、的發(fā)展。 MARM200 MARM200中溫性能尤其是中溫塑性很低，作為中溫性能尤其是中溫塑性很低，作為渦輪葉片在工作中常發(fā)生無預(yù)兆的斷裂。渦輪葉片在工作中常發(fā)生無預(yù)兆的斷裂。41 在在MARM200基礎(chǔ)上研究成功的基礎(chǔ)上研究成功的定向凝固定向凝固高溫合金高溫合金PWA1422不僅具有良好的中高溫蠕變斷不僅具有良好的中高溫蠕變斷裂強(qiáng)度和塑性裂強(qiáng)度和塑性,而且具有比原合金高而且具有比原合金高5倍的熱疲勞性倍的熱疲勞性能，在先進(jìn)航空航天發(fā)動(dòng)機(jī)上獲得廣泛的應(yīng)用。能，在先進(jìn)航空航天發(fā)動(dòng)機(jī)上獲得廣泛的應(yīng)用。 在激光超高溫度梯度定向凝固條件下，超高在激光超高溫度梯度定向凝固條件下，超高溫梯度和較快凝固速度

30、共同作用，使鎳基高溫合溫梯度和較快凝固速度共同作用，使鎳基高溫合金高度細(xì)化，同常規(guī)凝固相比，組織細(xì)化金高度細(xì)化，同常規(guī)凝固相比，組織細(xì)化36倍，倍，而且得到了新穎的而且得到了新穎的超細(xì)胞狀晶組織超細(xì)胞狀晶組織，該組織是鎳，該組織是鎳基合金的定向凝固組織，組織的微觀偏析大大得基合金的定向凝固組織，組織的微觀偏析大大得到改善，甚至消除到改善，甚至消除。42 在定向凝固的合金基礎(chǔ)上發(fā)展出的完全消除晶在定向凝固的合金基礎(chǔ)上發(fā)展出的完全消除晶界和晶界元素的單晶高溫合金，熱強(qiáng)性能有了進(jìn)一界和晶界元素的單晶高溫合金，熱強(qiáng)性能有了進(jìn)一步的提高。采用高梯度定向凝固技術(shù)，在較高的冷步的提高。采用高梯度定向凝固技術(shù)

31、，在較高的冷卻速率下，可以得到具有卻速率下，可以得到具有超細(xì)枝晶組織超細(xì)枝晶組織的單晶高溫的單晶高溫合金材料。合金材料。 定向凝固技術(shù)促進(jìn)了航空等領(lǐng)域的發(fā)展，目前定向凝固技術(shù)促進(jìn)了航空等領(lǐng)域的發(fā)展，目前幾乎所有現(xiàn)金航空發(fā)動(dòng)機(jī)都采用單晶葉片為特色，幾乎所有現(xiàn)金航空發(fā)動(dòng)機(jī)都采用單晶葉片為特色，第三代的單晶合金制造的渦輪葉片，工作溫度可達(dá)第三代的單晶合金制造的渦輪葉片，工作溫度可達(dá)1240。另外，新的單晶合金成分中。另外，新的單晶合金成分中Re的加入以及的加入以及Hf、Y、La、Ru等元素的合理應(yīng)用使合金的等元素的合理應(yīng)用使合金的持久性持久性能和能和抗環(huán)境性能抗環(huán)境性能有明顯提高。有明顯提高。 43

32、4.磁性材料的制備磁性材料的制備磁性材料是古老而年輕的功能材磁性材料是古老而年輕的功能材料，指具有可利用的磁學(xué)性質(zhì)的料，指具有可利用的磁學(xué)性質(zhì)的材料。深過冷快速凝固是目前國(guó)材料。深過冷快速凝固是目前國(guó)內(nèi)外制備塊體納米磁性材料的研內(nèi)外制備塊體納米磁性材料的研究熱點(diǎn)，采用該工藝可先制備出究熱點(diǎn)，采用該工藝可先制備出大塊磁性非晶，再將其進(jìn)行退貨大塊磁性非晶，再將其進(jìn)行退貨熱處理而獲得納米磁性材料，也熱處理而獲得納米磁性材料，也可直接將整塊金屬進(jìn)行晶粒細(xì)化可直接將整塊金屬進(jìn)行晶粒細(xì)化至納米級(jí)獲得納米磁性材料至納米級(jí)獲得納米磁性材料。 磁性材料磁性材料44 深過冷快速凝固方法所制備塊體納米材料的厚度深過

33、冷快速凝固方法所制備塊體納米材料的厚度及平均晶粒尺寸在很大程度上時(shí)由合金成分以及液態(tài)及平均晶粒尺寸在很大程度上時(shí)由合金成分以及液態(tài)金屬獲得的過冷度決定的。金屬獲得的過冷度決定的。 張振忠等采用深過冷水淬方法直接制備出了式樣張振忠等采用深過冷水淬方法直接制備出了式樣直徑為直徑為16mm16mm、平均晶粒尺寸小于、平均晶粒尺寸小于120nm120nm的的FeFe7676B B1212SiSi1212合合金塊體納米軟磁材料，其磁耗損金塊體納米軟磁材料，其磁耗損PFF400PFF400和和PFF1000PFF1000僅僅為普通硅鋼片的為普通硅鋼片的45.3%45.3%和和69%69%。 455.高溫超

34、導(dǎo)體材料的制備高溫超導(dǎo)體材料的制備 YBCO高溫超導(dǎo)體由于高溫超導(dǎo)體由于具有高溫臨界電流密度和低具有高溫臨界電流密度和低的導(dǎo)熱率，是做電線的潛在的導(dǎo)熱率，是做電線的潛在材料。如果要在材料。如果要在SMES等方等方面有廣泛的應(yīng)用，為了減少面有廣泛的應(yīng)用，為了減少熱泄露，并且在磁場(chǎng)中具有熱泄露，并且在磁場(chǎng)中具有高臨界電流密度，那么就必高臨界電流密度，那么就必須需要大尺寸的電線。須需要大尺寸的電線。 高溫超導(dǎo)體材料高溫超導(dǎo)體材料46 有學(xué)者研究了在不同體積分?jǐn)?shù)時(shí)的有學(xué)者研究了在不同體積分?jǐn)?shù)時(shí)的jc-B特性特性和沿和沿長(zhǎng)度方向長(zhǎng)度方向Y211相晶粒組織相晶粒組織，他們發(fā)現(xiàn)在，他們發(fā)現(xiàn)在YBCO超導(dǎo)超導(dǎo)

35、棒條體的中間段棒條體的中間段jc-B特性最優(yōu)，并用此部位的棒條體特性最優(yōu)，并用此部位的棒條體做成電線，在做成電線，在ab面平行于所在磁場(chǎng)方向處，當(dāng)溫度面平行于所在磁場(chǎng)方向處，當(dāng)溫度為為77K，磁場(chǎng)強(qiáng)度為，磁場(chǎng)強(qiáng)度為3T時(shí)，其臨界電流為時(shí)，其臨界電流為380A。 476.功能材料的制備功能材料的制備 壓電陶瓷和稀土超磁致伸縮材料在換能器、傳壓電陶瓷和稀土超磁致伸縮材料在換能器、傳感器和電子器件等方便都有廣泛的應(yīng)用。定向凝固感器和電子器件等方便都有廣泛的應(yīng)用。定向凝固技術(shù)在制備這兩種功能材料中也得到了應(yīng)用。技術(shù)在制備這兩種功能材料中也得到了應(yīng)用。 中國(guó)科學(xué)院上海硅酸鹽研究所高性能陶瓷和超中國(guó)科學(xué)院

36、上海硅酸鹽研究所高性能陶瓷和超微結(jié)構(gòu)國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室曾用微結(jié)構(gòu)國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室曾用定向凝固技術(shù)定向凝固技術(shù)制備了擇制備了擇優(yōu)方向?yàn)閮?yōu)方向?yàn)?11111、晶粒為柱狀的、晶粒為柱狀的PMN-0.35PTPMN-0.35PT定向陶瓷定向陶瓷和擇優(yōu)方向?yàn)楹蛽駜?yōu)方向?yàn)?11011，001001的定向陶瓷。的定向陶瓷。48 最近又用定向凝固方法制備了擇優(yōu)方向?yàn)樽罱钟枚ㄏ蚰谭椒ㄖ苽淞藫駜?yōu)方向?yàn)?12的的PMN-0.30PT高性能定向壓電陶瓷，它的壓電常高性能定向壓電陶瓷，它的壓電常熟遠(yuǎn)大于熟遠(yuǎn)大于PZT陶瓷，達(dá)到陶瓷，達(dá)到1500pC/N以上，耦合系數(shù)以上，耦合系數(shù)Kt為為0.51，k33達(dá)達(dá)0.82，22

37、kV/cm時(shí)的場(chǎng)致應(yīng)變達(dá)到時(shí)的場(chǎng)致應(yīng)變達(dá)到了了0.23%。片狀樣品的。片狀樣品的XRD結(jié)果如圖結(jié)果如圖5.3。 49圖圖5.3 PMN-0.30PT定向壓電陶瓷的定向壓電陶瓷的XRD圖譜圖譜 50 由圖由圖5.3可看出，晶粒生長(zhǎng)方向主要為可看出，晶粒生長(zhǎng)方向主要為112,其次為其次為011，此外還有少量（，此外還有少量（001）、）、（111）、（）、（003）面的衍射。按照）面的衍射。按照Lotgering計(jì)算方法，所得到陶瓷沿計(jì)算方法，所得到陶瓷沿112方向的取向度方向的取向度約為約為35%。他們認(rèn)為定向凝固技術(shù)可望成為。他們認(rèn)為定向凝固技術(shù)可望成為之額比高性能之額比高性能PMN-PT定壓

38、壓電陶瓷的有前定壓壓電陶瓷的有前景的技術(shù)。景的技術(shù)。517.復(fù)合材料的制備復(fù)合材料的制備 定向凝固技術(shù)也是一種制備復(fù)合材料的重要手段。定向凝固技術(shù)也是一種制備復(fù)合材料的重要手段。西北工業(yè)大學(xué)在自制的具有高真空、高溫度梯度、寬抽西北工業(yè)大學(xué)在自制的具有高真空、高溫度梯度、寬抽拉速度等特點(diǎn)的定向凝固設(shè)備上制備出自生拉速度等特點(diǎn)的定向凝固設(shè)備上制備出自生Cu-CrCu-Cr復(fù)合復(fù)合材料棒；研究發(fā)現(xiàn)：材料棒；研究發(fā)現(xiàn)：Cu-CrCu-Cr自生復(fù)合材料的定向凝固組自生復(fù)合材料的定向凝固組織是由織是由基體相和分布于基體相和分布于相間的纖維狀共晶復(fù)合組成。相間的纖維狀共晶復(fù)合組成。 隨著凝固速度的增加，各組

39、織生長(zhǎng)定向性變好且徑隨著凝固速度的增加，各組織生長(zhǎng)定向性變好且徑向尺寸均得到細(xì)化。致密、均勻、規(guī)整排列的組織減少向尺寸均得到細(xì)化。致密、均勻、規(guī)整排列的組織減少了橫向晶界、微觀組織中了橫向晶界、微觀組織中基體相起導(dǎo)電作用，纖維狀基體相起導(dǎo)電作用，纖維狀共晶體起增強(qiáng)作用。共晶體起增強(qiáng)作用。Cu-CrCu-Cr自生復(fù)合材料的強(qiáng)度、塑性、自生復(fù)合材料的強(qiáng)度、塑性、導(dǎo)電性均高于凝固試樣，復(fù)合材料綜合性能得到提高。導(dǎo)電性均高于凝固試樣，復(fù)合材料綜合性能得到提高。52 美國(guó)美國(guó)NASA Glenn研究中心用研究中心用移動(dòng)區(qū)域激光加移動(dòng)區(qū)域激光加熱方法熱方法研究了定向凝固研究了定向凝固Al2O3/ZrO2

40、(Y2O3)復(fù)合材料復(fù)合材料的效果，結(jié)果表明：的效果，結(jié)果表明：Al2O3/ZrO2(Y2O3)復(fù)合材料具復(fù)合材料具有低的界面能，并且增強(qiáng)相與基體能形成強(qiáng)而穩(wěn)有低的界面能，并且增強(qiáng)相與基體能形成強(qiáng)而穩(wěn)定的結(jié)合。定的結(jié)合。 538.多孔材料的制備多孔材料的制備 日本學(xué)者用定向凝固技術(shù)日本學(xué)者用定向凝固技術(shù)制備了藕狀多孔銅材料和硅材制備了藕狀多孔銅材料和硅材料，在材料中孔都是長(zhǎng)而直的。料，在材料中孔都是長(zhǎng)而直的。圖圖5.4和圖和圖5.5分別是多孔銅材分別是多孔銅材料和硅材料的光學(xué)顯微圖。他料和硅材料的光學(xué)顯微圖。他們研究了制備的多孔材料氣孔們研究了制備的多孔材料氣孔率、氣孔大小及分布與性能關(guān)率、氣

41、孔大小及分布與性能關(guān)系，認(rèn)為多孔材料在許多新的系，認(rèn)為多孔材料在許多新的領(lǐng)域有應(yīng)用前景。領(lǐng)域有應(yīng)用前景。多孔材料多孔材料54圖圖5.4多孔銅材料的光學(xué)圖譜多孔銅材料的光學(xué)圖譜 55569.單晶連鑄坯的制備單晶連鑄坯的制備 OCC技術(shù)主要要應(yīng)用在單晶材料、技術(shù)主要要應(yīng)用在單晶材料、復(fù)雜截面薄壁型材及其他工藝難以加復(fù)雜截面薄壁型材及其他工藝難以加工的合金連鑄型材。工的合金連鑄型材。OCC技術(shù)制備的技術(shù)制備的金屬單晶材料表面異常光潔，又沒有金屬單晶材料表面異常光潔，又沒有晶界和各種鑄造缺陷，具有優(yōu)異的變晶界和各種鑄造缺陷，具有優(yōu)異的變形加工性能，可拉制成極細(xì)的絲和壓形加工性能，可拉制成極細(xì)的絲和壓延

42、成極薄的箔。延成極薄的箔。 單晶連鑄坯單晶連鑄坯57 西北工業(yè)大學(xué)在西北工業(yè)大學(xué)在OCC的技的技術(shù)基礎(chǔ)上將定向凝固、高梯度術(shù)基礎(chǔ)上將定向凝固、高梯度與連續(xù)鑄造結(jié)合起來制備出準(zhǔn)與連續(xù)鑄造結(jié)合起來制備出準(zhǔn)無限長(zhǎng)的銅單晶，為高頻、超無限長(zhǎng)的銅單晶，為高頻、超高頻信號(hào)的高清晰、高保真?zhèn)鞲哳l信號(hào)的高清晰、高保真?zhèn)鬏斕峁┝岁P(guān)鍵技術(shù)。圖輸提供了關(guān)鍵技術(shù)。圖5.6是連是連鑄單晶的樣件。與多晶相比，鑄單晶的樣件。與多晶相比，其塑性大幅度提高，電阻率降其塑性大幅度提高，電阻率降低低38%。而且他們用純度。而且他們用純度99.9%銅鎖獲的單晶的相對(duì)導(dǎo)電率優(yōu)銅鎖獲的單晶的相對(duì)導(dǎo)電率優(yōu)于日本用純度于日本用純度99.99

43、99%的性能。的性能。圖圖5.6銅單晶樣品銅單晶樣品 58 從定向凝固技術(shù)的發(fā)展過程可以看出，隨著其它專從定向凝固技術(shù)的發(fā)展過程可以看出，隨著其它專業(yè)新理論的出現(xiàn)和日趨成熟，實(shí)驗(yàn)技術(shù)的改進(jìn)和人們的業(yè)新理論的出現(xiàn)和日趨成熟，實(shí)驗(yàn)技術(shù)的改進(jìn)和人們的不斷努力通過尋找新的熱源貨加熱方式、借鑒快速凝固不斷努力通過尋找新的熱源貨加熱方式、借鑒快速凝固的技術(shù)以及使用外加作用力等都有可能創(chuàng)造出新的定向的技術(shù)以及使用外加作用力等都有可能創(chuàng)造出新的定向凝固技術(shù)。同時(shí)，定向凝固技術(shù)必將為新材料的制備和凝固技術(shù)。同時(shí)，定向凝固技術(shù)必將為新材料的制備和新加工技術(shù)的發(fā)展提供廣闊的前景，也必將是凝固理論新加工技術(shù)的發(fā)展提供

44、廣闊的前景，也必將是凝固理論得到完善和發(fā)展。得到完善和發(fā)展。596.3 定向凝固工藝定向凝固工藝定向凝固理論定向凝固理論定向凝固過程的生產(chǎn)設(shè)備定向凝固過程的生產(chǎn)設(shè)備定向凝固過程的參數(shù)定向凝固過程的參數(shù)定向凝固織構(gòu)中的晶體學(xué)條件定向凝固織構(gòu)中的晶體學(xué)條件相變中的織構(gòu)演變相變中的織構(gòu)演變606.3.1 定向凝固理論定向凝固理論 定向凝固方法制備材料時(shí)，定向凝固方法制備材料時(shí)，各種熱流能夠被各種熱流能夠被及時(shí)的導(dǎo)出及時(shí)的導(dǎo)出是定向凝固過程得以實(shí)現(xiàn)的關(guān)鍵，也是定向凝固過程得以實(shí)現(xiàn)的關(guān)鍵，也是凝固過程成敗的關(guān)鍵。伴隨著是凝固過程成敗的關(guān)鍵。伴隨著熱流控制熱流控制（不同（不同的加熱、冷卻方式）技術(shù)的發(fā)展。

45、定向凝固經(jīng)歷的加熱、冷卻方式）技術(shù)的發(fā)展。定向凝固經(jīng)歷了由傳統(tǒng)定向凝固向新型定向凝固技術(shù)的轉(zhuǎn)變。了由傳統(tǒng)定向凝固向新型定向凝固技術(shù)的轉(zhuǎn)變。611. 傳統(tǒng)定向凝固技術(shù)傳統(tǒng)定向凝固技術(shù)傳統(tǒng)傳統(tǒng)定向定向凝固凝固技術(shù)技術(shù)發(fā)熱劑法發(fā)熱劑法功率功率降低法降低法高速高速凝固法凝固法液態(tài)液態(tài)金屬金屬冷卻法冷卻法流態(tài)床流態(tài)床冷卻法冷卻法62（1）發(fā)熱劑法）發(fā)熱劑法 發(fā)熱劑法是定向凝固技術(shù)發(fā)展的起始階段，是最發(fā)熱劑法是定向凝固技術(shù)發(fā)展的起始階段，是最原始的一種。是將鑄型預(yù)熱到一定溫度后迅速放到激原始的一種。是將鑄型預(yù)熱到一定溫度后迅速放到激冷板上并立即進(jìn)行澆注，冒口上方覆蓋發(fā)熱劑，激冷冷板上并立即進(jìn)行澆注，冒口上

46、方覆蓋發(fā)熱劑，激冷板下方噴水冷卻，從而在金屬液和已凝固金屬中建立板下方噴水冷卻，從而在金屬液和已凝固金屬中建立起一個(gè)自下而上的溫度梯度，實(shí)現(xiàn)定向凝固。起一個(gè)自下而上的溫度梯度，實(shí)現(xiàn)定向凝固。 也有采用發(fā)熱鑄型的，鑄型不預(yù)熱，而是將發(fā)熱也有采用發(fā)熱鑄型的，鑄型不預(yù)熱，而是將發(fā)熱材料填充在鑄型壁四周，底部采用噴水冷卻。這種方材料填充在鑄型壁四周，底部采用噴水冷卻。這種方法由于所能獲得的溫度梯度不大，并且很難控制，致法由于所能獲得的溫度梯度不大，并且很難控制，致使凝固組織粗大，鑄件性能差，因此該法不適于大型、使凝固組織粗大，鑄件性能差，因此該法不適于大型、優(yōu)質(zhì)逐漸的生產(chǎn)。但其工藝簡(jiǎn)單、成本低，可用于

47、制優(yōu)質(zhì)逐漸的生產(chǎn)。但其工藝簡(jiǎn)單、成本低，可用于制造小批量零件。造小批量零件。 63（2）功率降低法（）功率降低法（PD法）法） 在這種工藝過程中，鑄型加熱感應(yīng)圈分兩段，鑄件在這種工藝過程中，鑄型加熱感應(yīng)圈分兩段，鑄件在凝固過程中不移動(dòng)，其底部采用水冷激冷板。當(dāng)模殼在凝固過程中不移動(dòng)，其底部采用水冷激冷板。當(dāng)模殼內(nèi)建立起所要求的溫度場(chǎng)時(shí)，鑄入過熱的合金液，切斷內(nèi)建立起所要求的溫度場(chǎng)時(shí)，鑄入過熱的合金液，切斷下不電源，上部繼續(xù)加熱，通過調(diào)節(jié)上部感應(yīng)圈的功率，下不電源，上部繼續(xù)加熱，通過調(diào)節(jié)上部感應(yīng)圈的功率，使之產(chǎn)生一個(gè)軸向的溫度梯度，以此控制晶體生長(zhǎng)。使之產(chǎn)生一個(gè)軸向的溫度梯度，以此控制晶體生長(zhǎng)。

48、 該工藝可以根據(jù)預(yù)定的冷卻曲線來控制凝固速率，該工藝可以根據(jù)預(yù)定的冷卻曲線來控制凝固速率，可以獲得較大的冷卻速率。但是在凝固過程中溫度梯可以獲得較大的冷卻速率。但是在凝固過程中溫度梯度是逐漸減小的，致使所能允許獲得的柱狀晶區(qū)較短，度是逐漸減小的，致使所能允許獲得的柱狀晶區(qū)較短，且組織也不夠理想。加之設(shè)備相對(duì)復(fù)雜，且能耗大，且組織也不夠理想。加之設(shè)備相對(duì)復(fù)雜，且能耗大，限制了該法的應(yīng)用。限制了該法的應(yīng)用。 64（3）快速凝固法（）快速凝固法（HRS） 快速凝固法是對(duì)功率降低法的進(jìn)一步改進(jìn)，是在借快速凝固法是對(duì)功率降低法的進(jìn)一步改進(jìn)，是在借鑒鑒Brindgman晶體生長(zhǎng)技術(shù)特點(diǎn)的基礎(chǔ)上發(fā)展起來的。

49、晶體生長(zhǎng)技術(shù)特點(diǎn)的基礎(chǔ)上發(fā)展起來的。它與功率降低法的主要區(qū)別是：鑄型加熱器始終被加它與功率降低法的主要區(qū)別是：鑄型加熱器始終被加熱，凝固是鑄件與加熱器相對(duì)移動(dòng)。熱，凝固是鑄件與加熱器相對(duì)移動(dòng)。 另外，在熱區(qū)底部使用輻射擋板和水冷套，從而在另外，在熱區(qū)底部使用輻射擋板和水冷套，從而在擋板附近產(chǎn)生較大的溫度梯度。擋板附近產(chǎn)生較大的溫度梯度。 其主要其主要特點(diǎn)特點(diǎn)是：鑄型以一定速度從爐中一處，或者是：鑄型以一定速度從爐中一處，或者爐子以一定速度移離鑄件，并采用空冷方式。爐子以一定速度移離鑄件，并采用空冷方式。 65（4）液態(tài)金屬冷卻法（）液態(tài)金屬冷卻法（LMC法）法） 為了獲得更高的溫度梯度和生長(zhǎng)速

50、度，在為了獲得更高的溫度梯度和生長(zhǎng)速度，在HRSHRS法的基法的基礎(chǔ)上，發(fā)展了礎(chǔ)上，發(fā)展了液態(tài)金屬冷卻法液態(tài)金屬冷卻法。當(dāng)合金液澆入鑄型后，。當(dāng)合金液澆入鑄型后，按選擇的速度將鑄件拉出爐體浸入金屬浴。液態(tài)金屬冷按選擇的速度將鑄件拉出爐體浸入金屬浴。液態(tài)金屬冷卻劑要求熔點(diǎn)低、沸點(diǎn)高、熱容量大和導(dǎo)熱性能好。通卻劑要求熔點(diǎn)低、沸點(diǎn)高、熱容量大和導(dǎo)熱性能好。通常的液態(tài)金屬有常的液態(tài)金屬有Ga-InGa-In合金和合金和Ga-In-SnGa-In-Sn合金。二者熔點(diǎn)低合金。二者熔點(diǎn)低但價(jià)格昂貴，因此只適用于在實(shí)驗(yàn)室條件下使用。但價(jià)格昂貴，因此只適用于在實(shí)驗(yàn)室條件下使用。 由于液態(tài)金屬與已凝固界面之間換熱

51、系數(shù)很大，這種由于液態(tài)金屬與已凝固界面之間換熱系數(shù)很大，這種方法加大了鑄件冷卻速度和凝固過程中的溫度梯度，而且方法加大了鑄件冷卻速度和凝固過程中的溫度梯度，而且在較大的生長(zhǎng)速度范圍內(nèi)可使界面前沿溫度梯度保持穩(wěn)定，在較大的生長(zhǎng)速度范圍內(nèi)可使界面前沿溫度梯度保持穩(wěn)定，使結(jié)晶在相對(duì)穩(wěn)定的條件下進(jìn)行，得到長(zhǎng)的單向柱晶。使結(jié)晶在相對(duì)穩(wěn)定的條件下進(jìn)行，得到長(zhǎng)的單向柱晶。66（5）流態(tài)床冷卻法（）流態(tài)床冷卻法（FBQ法）法） Nakagawa等首先用等首先用流態(tài)床法流態(tài)床法來獲得很高的來獲得很高的GL，進(jìn)行定向凝固。用流態(tài)化的進(jìn)行定向凝固。用流態(tài)化的150號(hào)號(hào)ZrO2粉作為冷卻介粉作為冷卻介質(zhì)。質(zhì)。Ar氣用

52、量大于氣用量大于4000cm3/min，冷卻介質(zhì)溫度保持，冷卻介質(zhì)溫度保持在在100-120。在相同條件下，液態(tài)金屬冷卻法的溫度。在相同條件下，液態(tài)金屬冷卻法的溫度梯度為梯度為100-300/cm，而流態(tài)床冷卻法為，而流態(tài)床冷卻法為100-200/cm，F(xiàn)BQ法基本可以得到也太金屬冷卻法那樣法基本可以得到也太金屬冷卻法那樣高的溫度梯度。高的溫度梯度。 672. 新型定向凝固技術(shù)新型定向凝固技術(shù)超高溫度梯度定向凝固（超高溫度梯度定向凝固（ZMLMC）電磁約束成形定向凝固（電磁約束成形定向凝固（DSEMS）深過冷定向凝固深過冷定向凝固激光超高溫梯度快速凝固技術(shù)（激光超高溫梯度快速凝固技術(shù)（LRM）

53、 連續(xù)定向凝固技術(shù)（連續(xù)定向凝固技術(shù)（OCC法）法） 68超高溫度梯度定向凝固（超高溫度梯度定向凝固（ZMLMC） 加熱加熱和和冷卻冷卻是定向凝固過程的兩個(gè)基本環(huán)節(jié)，是定向凝固過程的兩個(gè)基本環(huán)節(jié)，對(duì)固液界面前沿溫度梯度具有決定性的影響。對(duì)固液界面前沿溫度梯度具有決定性的影響。 西北工業(yè)大學(xué)李建國(guó)等人通過改變加熱方式，西北工業(yè)大學(xué)李建國(guó)等人通過改變加熱方式，在液態(tài)金屬冷卻法（在液態(tài)金屬冷卻法（LMC法）的基礎(chǔ)上發(fā)展的一種法）的基礎(chǔ)上發(fā)展的一種新型定向凝固技術(shù)新型定向凝固技術(shù)區(qū)域熔化液態(tài)金屬冷卻法區(qū)域熔化液態(tài)金屬冷卻法，即，即ZMLMC法。法。 691.試樣試樣 2.感應(yīng)圈感應(yīng)圈 3.隔熱板隔熱板

54、 4.冷卻水冷卻水5.液態(tài)金屬液態(tài)金屬 6.拉錠機(jī)構(gòu)拉錠機(jī)構(gòu) 7.熔區(qū)熔區(qū) 8.坩堝坩堝圖圖5.8 超高溫度梯度定向凝固裝置圖超高溫度梯度定向凝固裝置圖70電磁約束成形定向凝固（電磁約束成形定向凝固（DSEMS） 在在ZMLMCZMLMC法基礎(chǔ)上，凝固劑屬國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室提出法基礎(chǔ)上，凝固劑屬國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室提出并探索研究了近十年的電磁約束成形定向凝固技術(shù)。并探索研究了近十年的電磁約束成形定向凝固技術(shù)。該技術(shù)是將電磁約束成型技術(shù)與定向凝固技術(shù)相結(jié)合該技術(shù)是將電磁約束成型技術(shù)與定向凝固技術(shù)相結(jié)合而產(chǎn)生的一種新型定向凝固技術(shù)。利用電磁感應(yīng)加熱而產(chǎn)生的一種新型定向凝固技術(shù)。利用電磁感應(yīng)加熱熔化感應(yīng)器內(nèi)的

55、金屬材料，并利用在金屬熔體部分產(chǎn)熔化感應(yīng)器內(nèi)的金屬材料，并利用在金屬熔體部分產(chǎn)生的電磁壓力來約束已熔化的金屬熔體成形，獲得特生的電磁壓力來約束已熔化的金屬熔體成形，獲得特定形狀鑄件的無坩堝熔煉、無鑄型、無污染定向凝固定形狀鑄件的無坩堝熔煉、無鑄型、無污染定向凝固成形。成形。 由于電磁約束成形定向凝固取消了粗厚、導(dǎo)熱性由于電磁約束成形定向凝固取消了粗厚、導(dǎo)熱性能查的陶瓷模殼、實(shí)現(xiàn)無接觸鑄造，使冷卻介質(zhì)可以能查的陶瓷模殼、實(shí)現(xiàn)無接觸鑄造，使冷卻介質(zhì)可以直接作用于金屬鑄件上，可獲得更大的溫度梯度，用直接作用于金屬鑄件上，可獲得更大的溫度梯度，用于生產(chǎn)無（少）偏析、組織超細(xì)化、無污染的高純難于生產(chǎn)無（

56、少）偏析、組織超細(xì)化、無污染的高純難熔金屬及合金，具有廣闊的應(yīng)用前景。熔金屬及合金，具有廣闊的應(yīng)用前景。71深過冷定向凝固深過冷定向凝固 ZMLMCZMLMC法的一個(gè)顯著特點(diǎn)是通過提高溫度梯度，法的一個(gè)顯著特點(diǎn)是通過提高溫度梯度，擴(kuò)大所允許的抽拉速率，從而達(dá)到擴(kuò)大所允許的抽拉速率，從而達(dá)到亞快速凝固水平亞快速凝固水平，實(shí)現(xiàn)組織超細(xì)化。但是單純采用強(qiáng)制加熱的方法增實(shí)現(xiàn)組織超細(xì)化。但是單純采用強(qiáng)制加熱的方法增大溫度梯度來提高凝固速率，人不能獲得很大的冷大溫度梯度來提高凝固速率，人不能獲得很大的冷卻速率，因?yàn)榇藭r(shí)要求散發(fā)的熱量更多了，一般來卻速率，因?yàn)榇藭r(shí)要求散發(fā)的熱量更多了，一般來說采用這樣的技術(shù)

57、很難實(shí)現(xiàn)快速凝固。說采用這樣的技術(shù)很難實(shí)現(xiàn)快速凝固。 1981 1981年，年，LuxLux等在等在動(dòng)力學(xué)過冷熔體定向凝固動(dòng)力學(xué)過冷熔體定向凝固方面開方面開展了有益的探索，通過改進(jìn)冷卻條件獲得了近展了有益的探索，通過改進(jìn)冷卻條件獲得了近100K100K的的動(dòng)力學(xué)過冷度，并施加很小的溫度梯度，最終得到直動(dòng)力學(xué)過冷度，并施加很小的溫度梯度，最終得到直徑徑21mm,21mm,長(zhǎng)長(zhǎng)70-80mm70-80mm的的MAR-M-200MAR-M-200高溫合金定向凝固試樣。高溫合金定向凝固試樣。72圖圖5.9 深過冷定向凝固實(shí)驗(yàn)過程的實(shí)驗(yàn)原理圖深過冷定向凝固實(shí)驗(yàn)過程的實(shí)驗(yàn)原理圖 過冷容器中的定向凝固過冷容

58、器中的定向凝固是由是由1981年年B-Lux等首先提等首先提出的。西北工業(yè)大學(xué)采用玻出的。西北工業(yè)大學(xué)采用玻璃凈化和過熱相結(jié)合的凈化璃凈化和過熱相結(jié)合的凈化方法，獲得合金熔體的熱力方法，獲得合金熔體的熱力學(xué)深過冷，并利用過冷度的學(xué)深過冷，并利用過冷度的遺傳性，將熔體深過冷與定遺傳性，將熔體深過冷與定向凝固相結(jié)合，使熔體在固向凝固相結(jié)合，使熔體在固液界面前沿相中溫度梯度液界面前沿相中溫度梯度GL0的條件下凝固。他們稱的條件下凝固。他們稱之 為 深 過 冷 定 向 凝 固之 為 深 過 冷 定 向 凝 固（SDS），整個(gè)實(shí)驗(yàn)過程的），整個(gè)實(shí)驗(yàn)過程的原理簡(jiǎn)圖如圖原理簡(jiǎn)圖如圖5.9所示。所示。 73激

59、光超高溫梯度快速凝固技術(shù)（激光超高溫梯度快速凝固技術(shù)（LRM） 在激光表面快速熔凝時(shí)，凝固界面的溫度梯度可高達(dá)在激光表面快速熔凝時(shí)，凝固界面的溫度梯度可高達(dá)5104K/cm，凝固速度高達(dá)數(shù)米每秒。但一般的激光表面，凝固速度高達(dá)數(shù)米每秒。但一般的激光表面熔凝過程并不是定向凝固，因?yàn)槿鄢貎?nèi)部局部溫度梯度和熔凝過程并不是定向凝固，因?yàn)槿鄢貎?nèi)部局部溫度梯度和凝固速度是不斷變化的，且兩者都不能獨(dú)立控制；同時(shí)，凝固速度是不斷變化的，且兩者都不能獨(dú)立控制；同時(shí)，凝固組織是從集體外延生長(zhǎng)的，界面上不同位置生長(zhǎng)方向凝固組織是從集體外延生長(zhǎng)的，界面上不同位置生長(zhǎng)方向也不相同。也不相同。 利用激光表面熔凝技術(shù)實(shí)現(xiàn)超

60、高溫度梯度快速定向凝利用激光表面熔凝技術(shù)實(shí)現(xiàn)超高溫度梯度快速定向凝固的關(guān)鍵在于：固的關(guān)鍵在于：在激光熔池內(nèi)獲得與激光掃描速度方向一在激光熔池內(nèi)獲得與激光掃描速度方向一致的溫度梯度。致的溫度梯度。根據(jù)合金凝固特性選擇適當(dāng)?shù)募す饧す夤じ鶕?jù)合金凝固特性選擇適當(dāng)?shù)募す饧す夤に噮?shù)以獲得胞晶組織，現(xiàn)在激光超高溫度梯度快速定向藝參數(shù)以獲得胞晶組織，現(xiàn)在激光超高溫度梯度快速定向凝固還處于探索性試驗(yàn)階段。凝固還處于探索性試驗(yàn)階段。74連續(xù)定向凝固技術(shù)（連續(xù)定向凝固技術(shù)（OCC法）法） 連續(xù)定向凝固的思想首先是由日本的大野篤美提連續(xù)定向凝固的思想首先是由日本的大野篤美提出的。上世紀(jì)出的。上世紀(jì)60年代末，大野篤