定向凝固及單晶制備技術(shù)

1、定向凝固與單晶制備技術(shù)第第1 1章章 凝固的分類及其組織尺度凝固的分類及其組織尺度 自然界中存在許多與凝固和熔化有關(guān)的現(xiàn)象；自然界中存在許多與凝固和熔化有關(guān)的現(xiàn)象； 金屬材料成為所用材料之前一般要經(jīng)歷一次或一次以上的凝固過程。金屬材料成為所用材料之前一般要經(jīng)歷一次或一次以上的凝固過程。 19531953年年B.ChalmersB.Chalmers等人提出成分過冷判據(jù)建立定量的凝固科學(xué)；等人提出成分過冷判據(jù)建立定量的凝固科學(xué)； 凝固科學(xué)與技術(shù)日益深入和豐富的內(nèi)涵成為物理學(xué)科、化學(xué)學(xué)科、信凝固科學(xué)與技術(shù)日益深入和豐富的內(nèi)涵成為物理學(xué)科、化學(xué)學(xué)科、信 息學(xué)科等眾多學(xué)科交叉的研究點；息學(xué)科等眾多學(xué)科交

2、叉的研究點； 利用凝固理論開發(fā)的凝固技術(shù)制備出的單晶渦輪葉片、半導(dǎo)體晶體、利用凝固理論開發(fā)的凝固技術(shù)制備出的單晶渦輪葉片、半導(dǎo)體晶體、非晶、微晶等各種組織和性能的結(jié)構(gòu)和功能材料正廣泛應(yīng)用航空、信非晶、微晶等各種組織和性能的結(jié)構(gòu)和功能材料正廣泛應(yīng)用航空、信息、通訊、汽車、能源等社會的各個方面；息、通訊、汽車、能源等社會的各個方面； 各種凝固新技術(shù)和工藝也正經(jīng)成為制備新材料和發(fā)展高新技術(shù)的重要各種凝固新技術(shù)和工藝也正經(jīng)成為制備新材料和發(fā)展高新技術(shù)的重要 生長點。生長點。1 1 前言前言圖17 光學(xué)晶體CaF2(左1:220150mm).(該照片由北京東海儀表材料研究所提供)單晶高溫合金單晶高溫合金

3、CMSX-2CMSX-2定向凝固界面形態(tài)定向凝固界面形態(tài)共晶合金中的凝固組織鑄件凝固中的組織示意圖鑄件凝固中的組織示意圖1.1 1.1 凝固模式凝固模式 圖1-1 凝固結(jié)晶過程中涉及和需要考慮的各種物理過程 凝固是自由界面遷移中的熱和溶質(zhì)傳輸?shù)倪^程，也是一凝固是自由界面遷移中的熱和溶質(zhì)傳輸?shù)倪^程，也是一個耦合擴散、熱力學(xué)非平衡、結(jié)晶各向異性和對流多物理場個耦合擴散、熱力學(xué)非平衡、結(jié)晶各向異性和對流多物理場作用的科學(xué)問題。作用的科學(xué)問題。 凝固的兩種生長模式限制性生長 非限制性生長凝固中晶體的生長過冷度T為整個系統(tǒng)的過冷度；TC為界面前沿溶質(zhì)分 凝造 成的成分過冷；TE為彎曲界面和非平衡缺 陷所

4、造成的過冷；TK為動力學(xué)過冷；TT是熱過冷。 (a) 限制性生長 (b) 非限制性生長 兩種凝固生長模式中系統(tǒng)過冷度、溫度與成分之間的關(guān)系兩種凝固生長模式中系統(tǒng)過冷度、溫度與成分之間的關(guān)系 Constrained growth (directional solidification)Planar (b) Cellular (c) DendriticTypical regular (normal) interface pattern observed in DSTypical irregular interface pattern observed in DSTilted dendritc (b

5、) Degnerate (c) Seaweed1.2 1.2 凝固中金屬物性的變化及其組織尺度凝固中金屬物性的變化及其組織尺度 圖 電阻率與溫度相關(guān)曲線 圖 金屬體積隨溫度變化曲線 動力學(xué)粘度與溫度的變化關(guān)系 凝固組織尺度凝固組織尺度 問題：1 凝固過程這會涉及到哪些物理過程？2 金屬合金凝固可分為幾種方式，它們分別與什么樣的凝固 工藝相對應(yīng)，并標(biāo)明各過冷度成分之間的關(guān)系？ 參考文獻1W.A.Tiller. The Science of Crystallization: Microscopic Interfacial Phenomena, Cambridge University Press，1991，p1332W.A.Tiller. The Science of Crystallization: Macroscopic Phenomena and Defect Generation, Cambridge University Press，1991，p1143W.Kurz and D.J. Fisher. 毛協(xié)民，包冠乾等譯. 凝固原理