11111第八章凝固新技術(shù)2課件

第八章凝固新技術(shù)第八章凝固新技術(shù)一、

定向凝固1、定向凝固定義、概述2、定向凝固原理3、定向凝固工藝4、定向凝固的應(yīng)用一、定向凝固1、定向凝固定義、概述23在凝固過程中采用強制手段，在凝固金屬和未凝固熔體中建立起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，獲得具有特定取定向柱狀晶或單晶的技術(shù)。

是20世紀(jì)60年代發(fā)展起來的技術(shù)。

1、定向凝固定義3在凝固過程中采用強制手段，在凝固金屬和未凝固熔體中3定向凝固概述

為什么要獲取“具有特定取定向柱狀晶或單晶”？1、柱狀晶

在航空發(fā)動機中，定向結(jié)晶葉片消除了對空洞和裂紋敏感的橫向晶界，使全部晶界平行于應(yīng)力軸方向，從而改善了合金的使用性能。

單晶葉片消除了全部晶界，不必加入晶界強化元素，使合金的初熔溫度相對升高，從而提高了合金的高溫強度，并進(jìn)一步改善了合金的綜合性能。定向凝固概述

為什么要獲取“具有特定取定向柱狀晶或單晶”？4定向凝固技術(shù)用于制造發(fā)動機葉片定向凝固渦輪葉片，壽命是普通鑄造的2.5倍單晶葉片，壽命是普通鑄造的5倍定向凝固技術(shù)用于制造發(fā)動機葉片定向凝固渦輪葉片，壽命是普通鑄5自1965年美國普拉特·惠特尼航空公司采用高溫合金定向凝固技術(shù)以來，這項技術(shù)已經(jīng)在許多國家得到應(yīng)用。

采用定向凝固技術(shù)可以生產(chǎn)具有優(yōu)良的抗熱沖擊性能較長的疲勞壽命較好的蠕變抗力和中溫塑性的薄壁空心渦輪葉片。應(yīng)用這種技術(shù)能使渦輪葉片的使用溫度提高10～30oC，渦輪進(jìn)口溫度提高20～60oC，從而提高發(fā)動機的推力和可靠性，并延長使用壽命。進(jìn)口溫度提高50度，推力提高10%。自1965年美國普拉特·惠特尼航空公司采用高62、單晶在單晶硅中摻入微量的第ЩA族元素，形成P型半導(dǎo)體，摻入微量的第VA族元素，形成N型。單晶硅主要用于制作半導(dǎo)體元件如芯片、太陽能電池板。2、單晶7直拉法單晶硅生長技術(shù)直拉法單晶硅生長技術(shù)8圖2光學(xué)晶體CaF2(左1:φ220×150mm).在紫外、可見光和紅外波段都有很高的透過率，機械性能好。制作紅外光學(xué)系統(tǒng)中的光學(xué)棱鏡、透鏡和窗口等光學(xué)元件。氟化鈣單晶圖2光學(xué)晶體CaF2(左1:φ220×150m9金屬單晶具有特殊的力學(xué)物理性能金屬單晶具有特殊的力學(xué)物理性能10112、定向凝固原理

—如何實現(xiàn)定向凝固？112、定向凝固原理成分過冷”條件和判據(jù)

“成分過冷”的形成條件分析

（K0＜1情況下)：→

界面前沿形成溶質(zhì)富集層→液相線溫度TL(x‘)隨x’增大上升→當(dāng)GL（界面前沿液相的實際溫度梯度）小于液相線的斜率時，即:

出現(xiàn)“成分過冷”。成分過冷”條件和判據(jù)“成分過冷”的形成條件分析12“成分過冷”的判據(jù)

式中：GL為液固界面前沿液相溫度梯度（K/mm）；R為界面生長速度（mm/s）；mL為液相線斜率；C0為合金平均成分；k0為平衡溶質(zhì)分配系數(shù)；DL為液相中溶質(zhì)擴散系數(shù)?！俺煞诌^冷”的判據(jù)式中：GL為液固界面前沿液相溫13

由判據(jù)可見，下列條件有助于抑制“成分過冷”：液相中溫度梯度大（GL大）；晶體生長速度慢，R??；

mL小，即陡的液相線斜率；原始成分濃度小，C0?。灰合嘀腥苜|(zhì)擴散系數(shù)DL高；

K0＜1時，K0大；K0＞1時，K0小工藝因素合金本身的因素由判據(jù)14

合金固溶體凝固時的晶體生長形態(tài)

a)不同的成分過冷情況

b)無成分過冷平面晶

C)窄成分過冷區(qū)間胞狀晶

d)成分過冷區(qū)間較寬柱狀樹枝晶

e)寬成分過冷內(nèi)部等軸晶成分過冷對晶體生長方式影響模型合金固溶體凝固時的晶體生長形態(tài)成分過冷對晶體生長方式影響模15無成分過冷時的平面生長平面生長的條件：界面前方無成分過冷時平面生長

a）局部不穩(wěn)定界面

b）最終穩(wěn)定界面無成分過冷時的平面生長平面生長的條件：界面前方無成分過冷時平16定向凝固技術(shù)的重要工藝參數(shù)包括：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)速度，即晶體生長速度RGL/R值是控制晶體長大形態(tài)的重要判據(jù)

在提高GL的條件下，增加R，才能獲得所要求的晶體形態(tài)，細(xì)化組織，改善質(zhì)量，并且，提高定向凝固鑄件生產(chǎn)率。

定向凝固技術(shù)和裝置不斷改進(jìn)，其關(guān)鍵技術(shù)之一是提高固-液界面前沿液相中的溫度梯度GL。目前，GL已經(jīng)達(dá)到100-300℃/cm，工業(yè)生產(chǎn)中已達(dá)到30-80℃/cm。定向凝固技術(shù)的重要工藝參數(shù)包括：凝固過程中固-液界面前沿液相17熱流方向側(cè)向無溫度梯度，不散熱晶體生長方向定向凝固柱狀晶生長示意圖（3）單向凝固技術(shù)工藝形成定向凝固的柱晶組織需要兩個基本條件：熱流向單一方向流動并垂直于生長中的固-液界面晶體生長的前方的熔體中沒有穩(wěn)定的結(jié)晶核心因此，工藝上必須避免側(cè)向散熱。熱流方向側(cè)向無溫度梯度，不散熱晶體生長方向定向凝固柱狀晶生長183、定向凝固工藝傳統(tǒng)定向凝固技術(shù)新型定向凝固技術(shù)發(fā)熱鑄型法功率降低法快速凝固法液態(tài)金屬冷卻法區(qū)域熔化液態(tài)金屬冷卻法激光超高溫度梯度快速定向凝固電磁約束成形定向凝固技術(shù)深過冷定向凝固技術(shù)側(cè)向約束下的定向凝固技術(shù)對流下的定向凝固技術(shù)重力場作用下的定向凝固技術(shù)3、定向凝固工藝傳統(tǒng)定向凝固技術(shù)新型定向凝固技術(shù)發(fā)熱鑄型法193.1傳統(tǒng)定向凝固工藝發(fā)熱劑法（EP）功率降低法（PD）快速凝固法（HRS）液態(tài)金屬冷卻法（LMC）3.1傳統(tǒng)定向凝固工藝發(fā)熱劑法（EP）20發(fā)熱劑法1．發(fā)熱劑法(EP法)原理：將型殼置于絕熱耐火材料箱中，底部安放水冷結(jié)晶器。型殼中澆入金屬液后，在型殼上部蓋以發(fā)熱劑，使金屬液處于高溫，建立了自下而上的凝固條件。特點：工藝簡單、成本低。適用：小型的定向凝固實驗與生產(chǎn)。發(fā)熱劑法1．發(fā)熱劑法(EP法)21發(fā)熱劑法（爐外法）最原始的方法。缺點：無法調(diào)節(jié)凝固速率和溫度梯度，只能制備小的柱狀晶鑄件，這種方法多用于磁鋼生產(chǎn)。發(fā)熱劑法（爐外法）最原始的方法。22功率降低法（PD法）工藝流程：把熔融的金屬液置于保溫爐，保溫爐是分段加熱的，其底部采用水冷激冷板。自上而下逐段關(guān)閉加熱器，金屬則自下而上逐漸凝固。功率降低法（PD法）工藝流程：把熔融的金屬液置于保溫爐，保溫23功率降低法特點：

GL、R值不能人為控制。金屬熔體內(nèi)的溫度梯度，隨凝固距離增大而不斷減小，柱狀晶在高度上粗化嚴(yán)重；設(shè)備復(fù)雜；適合：高度120mm以下定向凝固鑄件。功率降低法特點：243.快速凝固法（H．R．S法）Erickson于1971年提出。原理如圖所示。與P．D法的主要區(qū)別：鑄型加熱器始終加熱，在凝固時，鑄件與加熱器之間產(chǎn)生相對移動。底部使用輻射擋板和水冷套。在擋板附近產(chǎn)生較大的溫度梯度。熱量主要通過已凝固部分及冷卻底盤由冷卻水帶走。特點：局部冷卻速度增大，有利于細(xì)化組織，從下到上獲得均勻柱狀晶，提高力學(xué)性能。H．R．S法示意圖1—保溫蓋；2一感應(yīng)圈；3一玻璃布；4一保溫層；5一石墨套；6一模殼；7一擋板；8一冷卻圈；9一結(jié)晶器3.快速凝固法（H．R．S法）H．R．S法示意圖25國內(nèi)小型航空葉片工業(yè)生產(chǎn)中普遍應(yīng)用的是高速凝固法(HRS)定向凝固工藝。隨鑄型尺寸增加，定向凝固中的溫度梯度顯著降低，較易出現(xiàn)斑點、等軸晶等鑄造缺陷，同時在高溫下合金與模殼、陶瓷型芯容易發(fā)生反應(yīng)。

此外，由于凝固速率慢，鑄件偏析嚴(yán)重，熱處理困難。因此HRS法生產(chǎn)重型燃機用大尺寸葉片時，成品率低，效率低，成本高。國內(nèi)小型航空葉片工業(yè)生產(chǎn)中普遍應(yīng)用的是高速26

4．液態(tài)金屬冷卻法(L．M．C法)1974年出現(xiàn)的一種新的單向凝固方法；工藝過程與H.R.S法基本相同，主要區(qū)別：在于冷卻介質(zhì)為低熔點的液態(tài)金屬。當(dāng)合金液澆入型殼后，按選擇的速度將殼型拉出爐體，模殼直接浸入金屬浴中冷卻。金屬浴的水平面保持在凝固的固一液界面近處，并使其保持在一定溫度范圍內(nèi)。散熱大大增強。L．M．C法示意圖1一真空室2一熔煉坩堝3一燒杯4一爐子的熱區(qū)5一擋板6一模殼7一錫浴加熱器8一冷熱罩

9一錫浴攪拌器4．液態(tài)金屬冷卻法(L．M．C法)L．M．C法示意27液態(tài)金屬作為冷卻劑應(yīng)滿足以下要求：1)熔點低，有良好的熱學(xué)性能。2)不溶于合金中。3)在高真空條件下蒸氣壓低，可在真空條件下使用。4)價格便宜。目前使用的金屬浴有：錫液、鎵銦合金、鎵銦錫合金等。鎵、銦價格過于昂貴，在工業(yè)生產(chǎn)中難以采用。至今錫液應(yīng)用得較多，其熔點232℃，沸點2267℃，有理想的熱學(xué)性能，只是錫對高溫合金是有害元素，操作不善使錫污染了合金，將會嚴(yán)重惡化其性能。

缺點：

設(shè)備復(fù)雜，制備零件尺寸有限。液態(tài)金屬作為冷卻劑應(yīng)滿足以下要求：28金屬所LMC法制備的發(fā)動機葉片金屬所研制的大型“高溫度梯度液態(tài)金屬冷卻”（LMC）定向凝固設(shè)備金屬所LMC法制備的發(fā)動機葉片金屬所研制的大型“高溫度梯度29實驗室用LMC定向凝固設(shè)備——沈陽可以生產(chǎn)實驗室用LMC定向凝固設(shè)備——沈陽3011111第八章凝固新技術(shù)2課件31323.2新型定向凝固技術(shù)超高溫度梯度定向凝固（ZMLMC）電磁約束成形定向凝固（DSEMS）激光超高溫梯度快速凝固技術(shù)（LRM）連續(xù)定向凝固技術(shù)（OCC法）

323.2新型定向凝固技術(shù)超高溫度梯度定向凝固（ZMLM3233超高溫度梯度定向凝固（ZMLMC）加熱和冷卻是定向凝固過程的兩個基本環(huán)節(jié)，對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)李建國等人通過改變加熱方式，在液態(tài)金屬冷卻法（LMC法）的基礎(chǔ)上發(fā)展的一種新型定向凝固技術(shù)—區(qū)域熔化液態(tài)金屬冷卻法，即ZMLMC法。

33超高溫度梯度定向凝固（ZMLMC）加熱和冷卻是定3334這種方法將區(qū)域熔煉與液態(tài)金屬冷卻相結(jié)合，利用感應(yīng)加熱機中隊了凝固潔面前沿液相進(jìn)行加熱，從而有效地提高了固液前沿的溫度梯度。西北工業(yè)大些研制的ZMLMC定向凝固裝置，其最高溫度梯度可達(dá)1300K/cm,最大冷卻速度可達(dá)50K/s。凝固速度可在6~1000um/s內(nèi)調(diào)節(jié)。

34這種方法將區(qū)域熔煉與液態(tài)金屬冷卻相結(jié)合，利用感應(yīng)34351.試樣2.感應(yīng)圈3.隔熱板4.冷卻水5.液態(tài)金屬6.拉錠機構(gòu)7.熔區(qū)8.坩堝超高溫度梯度定向凝固裝置圖351.試樣2.感應(yīng)圈3.隔熱板4.冷卻水5.液態(tài)金3536電磁約束成形定向凝固（DSEMS）在ZMLMC法基礎(chǔ)上，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，獲得特定形狀鑄件的無坩堝熔煉、無鑄型、無污染定向凝固成形。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，用于生產(chǎn)無（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。36電磁約束成形定向凝固（DSEMS）在ZMLMC法3637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，凝固界面的溫度梯度可高達(dá)5×104K/cm，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，因為熔池內(nèi)部局部溫度梯度和凝固速度是不斷變化的，且兩者都不能獨立控制；同時，凝固組織是從集體外延生長的，界面上不同位置生長方向也不相同。

利用激光表面熔凝技術(shù)實現(xiàn)超高溫度梯度快速定向凝固的關(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凝固還處于探索性試驗階段。37激光超高溫梯度快速凝固技術(shù)（LRM）在激光表面快3738連續(xù)定向凝固技術(shù)（OCC法）

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)60年代末，大野篤美在研究Chalmers提出的等軸晶“結(jié)晶游離”理論時，證實了等軸晶的形成不是熔液整體過冷（ConstitutionalSupercooling）引起，而是主要由鑄型表面形核，分離、帶入溶液內(nèi)部，枝晶斷裂或重熔引起的。

因而控制凝固組織結(jié)構(gòu)的關(guān)鍵是控制鑄型表面的形核過程。大野篤美把Bridgeman定向凝固法控制晶粒生長的思想應(yīng)用到連續(xù)鑄造技術(shù)上，提出了一種最新的鑄造工藝——熱型連續(xù)法（簡稱OCC法），即連續(xù)定向凝固技術(shù)。38連續(xù)定向凝固技術(shù)（OCC法）連續(xù)定向凝固的思想38定向柱晶鑄件的主要缺陷：柱晶方向發(fā)散在鑄件上出現(xiàn)不利取向的晶?；虻容S晶——“雀斑”嚴(yán)重惡化定向鑄件的性能?！叭赴摺钡男纬膳c凝固前沿液-固共存的兩相區(qū)（“糊狀區(qū)”）內(nèi)熔體的流動有關(guān)。定向柱晶鑄件的主要缺陷：柱晶方向發(fā)散嚴(yán)重惡化定向鑄件的性能。39防止辦法嚴(yán)格控制熱流方向沿平行于零件主應(yīng)力軸方向流動選擇合適的生長速度和溫度梯度生長速度和溫度梯度對“雀斑”形成的影響防止辦法嚴(yán)格控制熱流方向沿平行于零件主應(yīng)力軸方向流動生長速度40414.定向凝固技術(shù)的應(yīng)用應(yīng)用定向凝固方法，得到單方向生長的柱狀晶，甚至單晶，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業(yè)生產(chǎn)手段，應(yīng)用也日益廣泛。

414.定向凝固技術(shù)的應(yīng)用應(yīng)用定向凝固414.1定向凝固制備單晶鑄件

單晶用途：（1）是人們認(rèn)識固體的基礎(chǔ)；（2）研究晶體結(jié)構(gòu)、各向異性、超導(dǎo)性、核磁共振等都需要單晶。（3）單晶具有許多金屬新的性質(zhì)：單晶晶須：力學(xué)強度要比同物質(zhì)的多晶體高出許多倍；從鍺單晶向硅單晶過渡，大大提高了半導(dǎo)體器件性能：由于掌握了反應(yīng)性較強、熔點較高的硅單晶生長技術(shù)。大面積、高度完整性硅單晶是解決大面積集成電路在密度和失效率方面關(guān)鍵。航空發(fā)動機單晶渦輪葉片與定向柱晶相比，使用溫度、抗熱疲勞強度、蠕變強度和抗熱腐蝕性等方面都具有更好的性能：20世紀(jì)60年代開始，美國普拉特·惠特尼(Pran&Whitney)公司用單向凝固高溫合金制造航空發(fā)動機單晶渦輪葉片。4.1定向凝固制備單晶鑄件42拉伸性能：三種鑄造鎳基高溫合金Mar—M200的拉伸性能如圖所示。A為普通鑄造、B為柱狀晶、C為單晶。

看出：單晶的拉伸塑性在所有溫度下都比較優(yōu)越；柱狀晶的瞬時拉伸強度隨著溫度升高而提高，在760oC附近達(dá)最高值（拉伸強度比等軸晶高出100MPa），超過800oC時，迅速降低；在760oC附近出現(xiàn)拉伸塑性的最低值。拉伸性能：三種鑄造鎳基高溫合金Mar—M200的拉伸性能如圖43蠕變速度和持久性能——高溫合金材料性能重要指標(biāo)?？闯觯簡尉Р牧系母邷厝渥兯俣群透邷爻志脭嗔褖勖蟠髢?yōu)于柱晶和等軸晶材料。蠕變速度和持久性能——高溫合金材料性能重要指標(biāo)。44一、單晶生長的特點首先：在金屬熔體中形成一個單晶核（可以引入籽晶或自發(fā)形核）；而后：在晶核和熔體界面上不斷生長出單晶體。單晶在生長過程中：

固一液界面前沿不允許有溫度過冷和成分過冷，避免固—液界面不穩(wěn)定而長出胞晶或柱晶。

固一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著的晶體導(dǎo)出。一、單晶生長的特點4546定向凝固滿足上述熱傳輸?shù)囊?，是制備單晶最有效的方法。為了得到高質(zhì)量的單晶體，首先要在金屬熔體中形成一個單晶核：可引入粒晶成自發(fā)形核，而在晶核和熔體界面不斷生長出單晶體。46定向凝固滿足上述熱傳輸?shù)囊?，是制備單晶最?6生產(chǎn)單晶鑄件的關(guān)鍵：利用柱狀晶生長過程中的競爭和淘汰，最終在鑄件本體中保留一個柱晶晶粒。

“自生籽晶法”如示意圖所示：在鑄件本體下部設(shè)置一個空腔，稱為“晶粒選擇器”，作為柱晶競爭生長的場地。合金液澆入模殼后，激冷結(jié)晶器表面形成等軸晶。在單向凝固的條件下，經(jīng)過一定高度的擇優(yōu)生長，得到一束接近[001]取向的柱晶。再經(jīng)過一定長度的通道，將其余晶粒全部抑制，只有一個柱晶晶粒長入鑄體本體。上述選晶過程全部在“晶粒選擇器”中完成。自生籽晶法生產(chǎn)單晶葉片1—鑄件2一選晶段3一起始段生產(chǎn)單晶鑄件的關(guān)鍵：利用柱狀晶生長過程中的競爭和淘汰，最終在47“晶粒選擇器”由起始段和選晶段組成?！捌鹗级巍笨v剖面為矩形截面，緊靠結(jié)晶器。晶粒生長分為三個階段：①水冷結(jié)晶器表面形成等軸晶；②晶體沿?zé)崃飨喾捶较蛏L為柱晶，柱晶位向差異，造成各取向柱晶生長速率不同。以面心立方晶體為例：先是[111]取向的晶粒落后，繼而是[011]取向的晶粒逐漸落后，最后[001]取向的柱晶處于領(lǐng)先地位。③靠近起始段上部，柱晶生長比較穩(wěn)定，競爭程度緩和，大多數(shù)柱晶的取向偏離度比較小。“晶粒選擇器”由起始段和選晶段組成。“起始段”縱剖面為矩形截4849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，而且形成了取向平行于主應(yīng)力軸的晶粒，基本上消除了垂直應(yīng)力軸的橫向晶界，使航空發(fā)動機葉片的力學(xué)性能有了新的飛躍。另外，對面心立方晶體的磁性材料，如鐵等，當(dāng)鑄態(tài)柱晶沿晶向取向時，因與磁化方向一致，而大大改善其磁性。

4.2制備柱狀晶鑄件49定向凝固柱狀晶鑄件與用普通方法得到的鑄件49504.2.1高溫合金制備

高溫合金是現(xiàn)在航空燃?xì)鉁u輪.艦船燃?xì)廨啓C、地面和火箭發(fā)動機的重要金屬材料，在先進(jìn)大航空發(fā)動機中，高溫合金的用量占40%—60%，因此這種材料被喻為燃?xì)廨喌男呐K。

高溫合金504.2.1高溫合金制備高溫合金是5051采用定向凝固技術(shù)生產(chǎn)的高溫合金基本上消除了垂直于應(yīng)力軸的橫向晶界，并以其獨特的平行于零件主應(yīng)力軸擇優(yōu)生長的柱晶組織以及有意的力學(xué)性能而獲得長足的發(fā)展。MAR—M200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。51采用定向凝固技術(shù)生產(chǎn)的高溫合金基本上消除了垂直于5152

在MAR—M200基礎(chǔ)上研究成功的定向凝固高溫合金PWA1422不僅具有良好的中高溫蠕變斷裂強度和塑性,而且具有比原合金高5倍的熱疲勞性能，在先進(jìn)航空航天發(fā)動機上獲得廣泛的應(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36倍，而且得到了新穎的超細(xì)胞狀晶組織，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到改善，甚至消除。52在MAR—M200基礎(chǔ)上研究成功的定向凝固高溫合52534.2.2高溫超導(dǎo)體材料的制備氧化釔鋇銅（YttriumBariumCopperOxide，YBCO）YBCO高溫超導(dǎo)體由于具有高溫臨界電流密度和低的導(dǎo)熱率，是做電線的潛在材料。

定向凝固制備的YBCO單疇中包含大量平行取向的片層,各片層具有共同的c-軸,片層之間的亞晶界終止于晶體內(nèi)部而沒有貫穿整個晶體,因而整個晶體相當(dāng)于一個準(zhǔn)單晶,這種特征保證可以得到高臨界電流密度(77K時，大于104A/cm2)。高溫超導(dǎo)體材料534.2.2高溫超導(dǎo)體材料的制備氧化釔鋇銅（Yttri5354有學(xué)者研究了在不同體積分?jǐn)?shù)時的jc-B特性和沿長度方向Y211相晶粒組織，他們發(fā)現(xiàn)在YBCO超導(dǎo)棒條體的中間段jc-B特性最優(yōu)，并用此部位的棒條體做成電線，在ab面平行于所在磁場方向處，當(dāng)溫度為77K，磁場強度為3T時，其臨界電流為380A。

YBCO超導(dǎo)體塊54有學(xué)者研究了在不同體積分?jǐn)?shù)時的jc-B特54554.2.4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。中國科學(xué)院上海硅酸鹽研究所高性能陶瓷和超微結(jié)構(gòu)國家重點實驗室曾用定向凝固技術(shù)制備了擇優(yōu)方向為[111]、晶粒為柱狀的PMN-0.35PT定向陶瓷和擇優(yōu)方向為[011]，[001]的定向陶瓷。定向凝固壓電陶瓷554.2.4功能材料的制備壓電陶瓷和稀5556最近又用定向凝固方法制備了擇優(yōu)方向為[112]的PMN-0.30PT高性能定向壓電陶瓷，它的壓電常熟遠(yuǎn)大于PZT陶瓷，達(dá)到1500pC/N以上，耦合系數(shù)Kt為0.51，k33達(dá)0.82，22kV/cm時的場致應(yīng)變達(dá)到了0.23%。片狀樣品的XRD結(jié)果如圖5.3。

56最近又用定向凝固方法制備了擇優(yōu)方向為[15657圖5.3PMN-0.30PT定向壓電陶瓷的XRD圖譜

57圖5.3PMN-0.30PT定向壓電陶瓷的XRD圖譜5758由圖5.3可看出，晶粒生長方向主要為[112],其次為[011]，此外還有少量（001）、（111）、（003）面的衍射。按照Lotgering計算方法，所得到陶瓷沿[112]方向的取向度約為35%。定向凝固技術(shù)可望成為之額比高性能PMN-PT定壓壓電陶瓷的有前景的技術(shù)。58由圖5.3可看出，晶粒生長方向主要為[158594.2.5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。西北工業(yè)大學(xué)在自制的具有高真空、高溫度梯度、寬抽拉速度等特點的定向凝固設(shè)備上制備出自生Cu-Cr復(fù)合材料棒；研究發(fā)現(xiàn)：Cu-Cr自生復(fù)合材料的定向凝固組織是由α基體相和分布于α相間的纖維狀共晶復(fù)合組成。

隨著凝固速度的增加，各組織生長定向性變好且徑向尺寸均得到細(xì)化。致密、均勻、規(guī)整排列的組織減少了橫向晶界、微觀組織中α基體相起導(dǎo)電作用，纖維狀共晶體起增強作用。Cu-Cr自生復(fù)合材料的強度、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。594.2.5復(fù)合材料的制備定向凝固技術(shù)5960

美國NASAGlenn研究中心用移動區(qū)域激光加熱方法研究了定向凝固Al2O3/ZrO2(Y2O3)復(fù)合材料的效果，結(jié)果表明：Al2O3/ZrO2(Y2O3)復(fù)合材料具有低的界面能，并且增強相與基體能形成強而穩(wěn)定的結(jié)合。60美國NASAGlenn研究中心用移動區(qū)域激光60614.2.6多孔材料的制備

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料，在材料中孔都是長而直的。圖5.4和圖5.5分別是多孔銅材料和硅材料的光學(xué)顯微圖。他們研究了制備的多孔材料氣孔率、氣孔大小及分布與性能關(guān)系，認(rèn)為多孔材料在許多新的領(lǐng)域有應(yīng)用前景。多孔材料614.2.6多孔材料的制備日本學(xué)者用定向凝固6162圖5.4多孔銅材料的光學(xué)圖譜

62圖5.4多孔銅材料的光學(xué)圖譜62636363644.2.7單晶連鑄坯的制備

OCC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工的合金連鑄型材。OCC技術(shù)制備的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)異的變形加工性能，可拉制成極細(xì)的絲和壓延成極薄的箔。單晶連鑄坯644.2.7單晶連鑄坯的制備OCC技術(shù)主要要應(yīng)6465

西北工業(yè)大學(xué)在OCC的技術(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)無限長的銅單晶，為高頻、超高頻信號的高清晰、高保真?zhèn)鬏斕峁┝岁P(guān)鍵技術(shù)。圖5.6是連鑄單晶的樣件。與多晶相比，其塑性大幅度提高，電阻率降低38%。而且他們用純度99.9%銅鎖獲的單晶的相對導(dǎo)電率優(yōu)于日本用純度99.9999%的性能。圖5.6銅單晶樣品

65西北工業(yè)大學(xué)在OCC的技術(shù)基礎(chǔ)上將定向凝固、654.2.8定向凝固磁致伸縮材料稀土超磁致伸縮材料(GMM)其應(yīng)變值大、能量密度高、機電耦合系數(shù)大、居里溫度高、工作性能穩(wěn)定等特點而引起了科技界的高度重視，目前制備磁致伸縮材料的方法有：單晶提拉法、區(qū)域熔煉法、丘克拉爾斯基法等定向凝固方法制備，均達(dá)到了很高的磁致伸縮性能。定向凝固制備磁致伸縮材料4.2.8定向凝固磁致伸縮材料稀土超磁致伸縮6667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，實驗技術(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，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，也必將是凝固理論得到完善和發(fā)展。展望67從定向凝固技術(shù)的發(fā)展過程可以看出，隨著其67謝謝！謝謝！第八章凝固新技術(shù)第八章凝固新技術(shù)一、

定向凝固1、定向凝固定義、概述2、定向凝固原理3、定向凝固工藝4、定向凝固的應(yīng)用一、定向凝固1、定向凝固定義、概述7071在凝固過程中采用強制手段，在凝固金屬和未凝固熔體中建立起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，獲得具有特定取定向柱狀晶或單晶的技術(shù)。

是20世紀(jì)60年代發(fā)展起來的技術(shù)。

1、定向凝固定義3在凝固過程中采用強制手段，在凝固金屬和未凝固熔體中71定向凝固概述

為什么要獲取“具有特定取定向柱狀晶或單晶”？1、柱狀晶

在航空發(fā)動機中，定向結(jié)晶葉片消除了對空洞和裂紋敏感的橫向晶界，使全部晶界平行于應(yīng)力軸方向，從而改善了合金的使用性能。

單晶葉片消除了全部晶界，不必加入晶界強化元素，使合金的初熔溫度相對升高，從而提高了合金的高溫強度，并進(jìn)一步改善了合金的綜合性能。定向凝固概述

為什么要獲取“具有特定取定向柱狀晶或單晶”？72定向凝固技術(shù)用于制造發(fā)動機葉片定向凝固渦輪葉片，壽命是普通鑄造的2.5倍單晶葉片，壽命是普通鑄造的5倍定向凝固技術(shù)用于制造發(fā)動機葉片定向凝固渦輪葉片，壽命是普通鑄73自1965年美國普拉特·惠特尼航空公司采用高溫合金定向凝固技術(shù)以來，這項技術(shù)已經(jīng)在許多國家得到應(yīng)用。

采用定向凝固技術(shù)可以生產(chǎn)具有優(yōu)良的抗熱沖擊性能較長的疲勞壽命較好的蠕變抗力和中溫塑性的薄壁空心渦輪葉片。應(yīng)用這種技術(shù)能使渦輪葉片的使用溫度提高10～30oC，渦輪進(jìn)口溫度提高20～60oC，從而提高發(fā)動機的推力和可靠性，并延長使用壽命。進(jìn)口溫度提高50度，推力提高10%。自1965年美國普拉特·惠特尼航空公司采用高742、單晶在單晶硅中摻入微量的第ЩA族元素，形成P型半導(dǎo)體，摻入微量的第VA族元素，形成N型。單晶硅主要用于制作半導(dǎo)體元件如芯片、太陽能電池板。2、單晶75直拉法單晶硅生長技術(shù)直拉法單晶硅生長技術(shù)76圖2光學(xué)晶體CaF2(左1:φ220×150mm).在紫外、可見光和紅外波段都有很高的透過率，機械性能好。制作紅外光學(xué)系統(tǒng)中的光學(xué)棱鏡、透鏡和窗口等光學(xué)元件。氟化鈣單晶圖2光學(xué)晶體CaF2(左1:φ220×150m77金屬單晶具有特殊的力學(xué)物理性能金屬單晶具有特殊的力學(xué)物理性能78792、定向凝固原理

—如何實現(xiàn)定向凝固？112、定向凝固原理成分過冷”條件和判據(jù)

“成分過冷”的形成條件分析

（K0＜1情況下)：→

界面前沿形成溶質(zhì)富集層→液相線溫度TL(x‘)隨x’增大上升→當(dāng)GL（界面前沿液相的實際溫度梯度）小于液相線的斜率時，即:

出現(xiàn)“成分過冷”。成分過冷”條件和判據(jù)“成分過冷”的形成條件分析80“成分過冷”的判據(jù)

式中：GL為液固界面前沿液相溫度梯度（K/mm）；R為界面生長速度（mm/s）；mL為液相線斜率；C0為合金平均成分；k0為平衡溶質(zhì)分配系數(shù)；DL為液相中溶質(zhì)擴散系數(shù)?！俺煞诌^冷”的判據(jù)式中：GL為液固界面前沿液相溫81

由判據(jù)可見，下列條件有助于抑制“成分過冷”：液相中溫度梯度大（GL大）；晶體生長速度慢，R?。?/p>

mL小，即陡的液相線斜率；原始成分濃度小，C0?。灰合嘀腥苜|(zhì)擴散系數(shù)DL高；

K0＜1時，K0大；K0＞1時，K0小工藝因素合金本身的因素由判據(jù)82

合金固溶體凝固時的晶體生長形態(tài)

a)不同的成分過冷情況

b)無成分過冷平面晶

C)窄成分過冷區(qū)間胞狀晶

d)成分過冷區(qū)間較寬柱狀樹枝晶

e)寬成分過冷內(nèi)部等軸晶成分過冷對晶體生長方式影響模型合金固溶體凝固時的晶體生長形態(tài)成分過冷對晶體生長方式影響模83無成分過冷時的平面生長平面生長的條件：界面前方無成分過冷時平面生長

a）局部不穩(wěn)定界面

b）最終穩(wěn)定界面無成分過冷時的平面生長平面生長的條件：界面前方無成分過冷時平84定向凝固技術(shù)的重要工藝參數(shù)包括：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)速度，即晶體生長速度RGL/R值是控制晶體長大形態(tài)的重要判據(jù)

在提高GL的條件下，增加R，才能獲得所要求的晶體形態(tài)，細(xì)化組織，改善質(zhì)量，并且，提高定向凝固鑄件生產(chǎn)率。

定向凝固技術(shù)和裝置不斷改進(jìn)，其關(guān)鍵技術(shù)之一是提高固-液界面前沿液相中的溫度梯度GL。目前，GL已經(jīng)達(dá)到100-300℃/cm，工業(yè)生產(chǎn)中已達(dá)到30-80℃/cm。定向凝固技術(shù)的重要工藝參數(shù)包括：凝固過程中固-液界面前沿液相85熱流方向側(cè)向無溫度梯度，不散熱晶體生長方向定向凝固柱狀晶生長示意圖（3）單向凝固技術(shù)工藝形成定向凝固的柱晶組織需要兩個基本條件：熱流向單一方向流動并垂直于生長中的固-液界面晶體生長的前方的熔體中沒有穩(wěn)定的結(jié)晶核心因此，工藝上必須避免側(cè)向散熱。熱流方向側(cè)向無溫度梯度，不散熱晶體生長方向定向凝固柱狀晶生長863、定向凝固工藝傳統(tǒng)定向凝固技術(shù)新型定向凝固技術(shù)發(fā)熱鑄型法功率降低法快速凝固法液態(tài)金屬冷卻法區(qū)域熔化液態(tài)金屬冷卻法激光超高溫度梯度快速定向凝固電磁約束成形定向凝固技術(shù)深過冷定向凝固技術(shù)側(cè)向約束下的定向凝固技術(shù)對流下的定向凝固技術(shù)重力場作用下的定向凝固技術(shù)3、定向凝固工藝傳統(tǒng)定向凝固技術(shù)新型定向凝固技術(shù)發(fā)熱鑄型法873.1傳統(tǒng)定向凝固工藝發(fā)熱劑法（EP）功率降低法（PD）快速凝固法（HRS）液態(tài)金屬冷卻法（LMC）3.1傳統(tǒng)定向凝固工藝發(fā)熱劑法（EP）88發(fā)熱劑法1．發(fā)熱劑法(EP法)原理：將型殼置于絕熱耐火材料箱中，底部安放水冷結(jié)晶器。型殼中澆入金屬液后，在型殼上部蓋以發(fā)熱劑，使金屬液處于高溫，建立了自下而上的凝固條件。特點：工藝簡單、成本低。適用：小型的定向凝固實驗與生產(chǎn)。發(fā)熱劑法1．發(fā)熱劑法(EP法)89發(fā)熱劑法（爐外法）最原始的方法。缺點：無法調(diào)節(jié)凝固速率和溫度梯度，只能制備小的柱狀晶鑄件，這種方法多用于磁鋼生產(chǎn)。發(fā)熱劑法（爐外法）最原始的方法。90功率降低法（PD法）工藝流程：把熔融的金屬液置于保溫爐，保溫爐是分段加熱的，其底部采用水冷激冷板。自上而下逐段關(guān)閉加熱器，金屬則自下而上逐漸凝固。功率降低法（PD法）工藝流程：把熔融的金屬液置于保溫爐，保溫91功率降低法特點：

GL、R值不能人為控制。金屬熔體內(nèi)的溫度梯度，隨凝固距離增大而不斷減小，柱狀晶在高度上粗化嚴(yán)重；設(shè)備復(fù)雜；適合：高度120mm以下定向凝固鑄件。功率降低法特點：923.快速凝固法（H．R．S法）Erickson于1971年提出。原理如圖所示。與P．D法的主要區(qū)別：鑄型加熱器始終加熱，在凝固時，鑄件與加熱器之間產(chǎn)生相對移動。底部使用輻射擋板和水冷套。在擋板附近產(chǎn)生較大的溫度梯度。熱量主要通過已凝固部分及冷卻底盤由冷卻水帶走。特點：局部冷卻速度增大，有利于細(xì)化組織，從下到上獲得均勻柱狀晶，提高力學(xué)性能。H．R．S法示意圖1—保溫蓋；2一感應(yīng)圈；3一玻璃布；4一保溫層；5一石墨套；6一模殼；7一擋板；8一冷卻圈；9一結(jié)晶器3.快速凝固法（H．R．S法）H．R．S法示意圖93國內(nèi)小型航空葉片工業(yè)生產(chǎn)中普遍應(yīng)用的是高速凝固法(HRS)定向凝固工藝。隨鑄型尺寸增加，定向凝固中的溫度梯度顯著降低，較易出現(xiàn)斑點、等軸晶等鑄造缺陷，同時在高溫下合金與模殼、陶瓷型芯容易發(fā)生反應(yīng)。

此外，由于凝固速率慢，鑄件偏析嚴(yán)重，熱處理困難。因此HRS法生產(chǎn)重型燃機用大尺寸葉片時，成品率低，效率低，成本高。國內(nèi)小型航空葉片工業(yè)生產(chǎn)中普遍應(yīng)用的是高速94

4．液態(tài)金屬冷卻法(L．M．C法)1974年出現(xiàn)的一種新的單向凝固方法；工藝過程與H.R.S法基本相同，主要區(qū)別：在于冷卻介質(zhì)為低熔點的液態(tài)金屬。當(dāng)合金液澆入型殼后，按選擇的速度將殼型拉出爐體，模殼直接浸入金屬浴中冷卻。金屬浴的水平面保持在凝固的固一液界面近處，并使其保持在一定溫度范圍內(nèi)。散熱大大增強。L．M．C法示意圖1一真空室2一熔煉坩堝3一燒杯4一爐子的熱區(qū)5一擋板6一模殼7一錫浴加熱器8一冷熱罩

9一錫浴攪拌器4．液態(tài)金屬冷卻法(L．M．C法)L．M．C法示意95液態(tài)金屬作為冷卻劑應(yīng)滿足以下要求：1)熔點低，有良好的熱學(xué)性能。2)不溶于合金中。3)在高真空條件下蒸氣壓低，可在真空條件下使用。4)價格便宜。目前使用的金屬浴有：錫液、鎵銦合金、鎵銦錫合金等。鎵、銦價格過于昂貴，在工業(yè)生產(chǎn)中難以采用。至今錫液應(yīng)用得較多，其熔點232℃，沸點2267℃，有理想的熱學(xué)性能，只是錫對高溫合金是有害元素，操作不善使錫污染了合金，將會嚴(yán)重惡化其性能。

缺點：

設(shè)備復(fù)雜，制備零件尺寸有限。液態(tài)金屬作為冷卻劑應(yīng)滿足以下要求：96金屬所LMC法制備的發(fā)動機葉片金屬所研制的大型“高溫度梯度液態(tài)金屬冷卻”（LMC）定向凝固設(shè)備金屬所LMC法制備的發(fā)動機葉片金屬所研制的大型“高溫度梯度97實驗室用LMC定向凝固設(shè)備——沈陽可以生產(chǎn)實驗室用LMC定向凝固設(shè)備——沈陽9811111第八章凝固新技術(shù)2課件991003.2新型定向凝固技術(shù)超高溫度梯度定向凝固（ZMLMC）電磁約束成形定向凝固（DSEMS）激光超高溫梯度快速凝固技術(shù)（LRM）連續(xù)定向凝固技術(shù)（OCC法）

323.2新型定向凝固技術(shù)超高溫度梯度定向凝固（ZMLM100101超高溫度梯度定向凝固（ZMLMC）加熱和冷卻是定向凝固過程的兩個基本環(huán)節(jié)，對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)李建國等人通過改變加熱方式，在液態(tài)金屬冷卻法（LMC法）的基礎(chǔ)上發(fā)展的一種新型定向凝固技術(shù)—區(qū)域熔化液態(tài)金屬冷卻法，即ZMLMC法。

33超高溫度梯度定向凝固（ZMLMC）加熱和冷卻是定101102這種方法將區(qū)域熔煉與液態(tài)金屬冷卻相結(jié)合，利用感應(yīng)加熱機中隊了凝固潔面前沿液相進(jìn)行加熱，從而有效地提高了固液前沿的溫度梯度。西北工業(yè)大些研制的ZMLMC定向凝固裝置，其最高溫度梯度可達(dá)1300K/cm,最大冷卻速度可達(dá)50K/s。凝固速度可在6~1000um/s內(nèi)調(diào)節(jié)。

34這種方法將區(qū)域熔煉與液態(tài)金屬冷卻相結(jié)合，利用感應(yīng)1021031.試樣2.感應(yīng)圈3.隔熱板4.冷卻水5.液態(tài)金屬6.拉錠機構(gòu)7.熔區(qū)8.坩堝超高溫度梯度定向凝固裝置圖351.試樣2.感應(yīng)圈3.隔熱板4.冷卻水5.液態(tài)金103104電磁約束成形定向凝固（DSEMS）在ZMLMC法基礎(chǔ)上，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，獲得特定形狀鑄件的無坩堝熔煉、無鑄型、無污染定向凝固成形。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，用于生產(chǎn)無（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。36電磁約束成形定向凝固（DSEMS）在ZMLMC法104105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，凝固界面的溫度梯度可高達(dá)5×104K/cm，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，因為熔池內(nèi)部局部溫度梯度和凝固速度是不斷變化的，且兩者都不能獨立控制；同時，凝固組織是從集體外延生長的，界面上不同位置生長方向也不相同。

利用激光表面熔凝技術(shù)實現(xiàn)超高溫度梯度快速定向凝固的關(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凝固還處于探索性試驗階段。37激光超高溫梯度快速凝固技術(shù)（LRM）在激光表面快105106連續(xù)定向凝固技術(shù)（OCC法）

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)60年代末，大野篤美在研究Chalmers提出的等軸晶“結(jié)晶游離”理論時，證實了等軸晶的形成不是熔液整體過冷（ConstitutionalSupercooling）引起，而是主要由鑄型表面形核，分離、帶入溶液內(nèi)部，枝晶斷裂或重熔引起的。

因而控制凝固組織結(jié)構(gòu)的關(guān)鍵是控制鑄型表面的形核過程。大野篤美把Bridgeman定向凝固法控制晶粒生長的思想應(yīng)用到連續(xù)鑄造技術(shù)上，提出了一種最新的鑄造工藝——熱型連續(xù)法（簡稱OCC法），即連續(xù)定向凝固技術(shù)。38連續(xù)定向凝固技術(shù)（OCC法）連續(xù)定向凝固的思想106定向柱晶鑄件的主要缺陷：柱晶方向發(fā)散在鑄件上出現(xiàn)不利取向的晶?；虻容S晶——“雀斑”嚴(yán)重惡化定向鑄件的性能?！叭赴摺钡男纬膳c凝固前沿液-固共存的兩相區(qū)（“糊狀區(qū)”）內(nèi)熔體的流動有關(guān)。定向柱晶鑄件的主要缺陷：柱晶方向發(fā)散嚴(yán)重惡化定向鑄件的性能。107防止辦法嚴(yán)格控制熱流方向沿平行于零件主應(yīng)力軸方向流動選擇合適的生長速度和溫度梯度生長速度和溫度梯度對“雀斑”形成的影響防止辦法嚴(yán)格控制熱流方向沿平行于零件主應(yīng)力軸方向流動生長速度1081094.定向凝固技術(shù)的應(yīng)用應(yīng)用定向凝固方法，得到單方向生長的柱狀晶，甚至單晶，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業(yè)生產(chǎn)手段，應(yīng)用也日益廣泛。

414.定向凝固技術(shù)的應(yīng)用應(yīng)用定向凝固1094.1定向凝固制備單晶鑄件

單晶用途：（1）是人們認(rèn)識固體的基礎(chǔ)；（2）研究晶體結(jié)構(gòu)、各向異性、超導(dǎo)性、核磁共振等都需要單晶。（3）單晶具有許多金屬新的性質(zhì)：單晶晶須：力學(xué)強度要比同物質(zhì)的多晶體高出許多倍；從鍺單晶向硅單晶過渡，大大提高了半導(dǎo)體器件性能：由于掌握了反應(yīng)性較強、熔點較高的硅單晶生長技術(shù)。大面積、高度完整性硅單晶是解決大面積集成電路在密度和失效率方面關(guān)鍵。航空發(fā)動機單晶渦輪葉片與定向柱晶相比，使用溫度、抗熱疲勞強度、蠕變強度和抗熱腐蝕性等方面都具有更好的性能：20世紀(jì)60年代開始，美國普拉特·惠特尼(Pran&Whitney)公司用單向凝固高溫合金制造航空發(fā)動機單晶渦輪葉片。4.1定向凝固制備單晶鑄件110拉伸性能：三種鑄造鎳基高溫合金Mar—M200的拉伸性能如圖所示。A為普通鑄造、B為柱狀晶、C為單晶。

看出：單晶的拉伸塑性在所有溫度下都比較優(yōu)越；柱狀晶的瞬時拉伸強度隨著溫度升高而提高，在760oC附近達(dá)最高值（拉伸強度比等軸晶高出100MPa），超過800oC時，迅速降低；在760oC附近出現(xiàn)拉伸塑性的最低值。拉伸性能：三種鑄造鎳基高溫合金Mar—M200的拉伸性能如圖111蠕變速度和持久性能——高溫合金材料性能重要指標(biāo)?？闯觯簡尉Р牧系母邷厝渥兯俣群透邷爻志脭嗔褖勖蟠髢?yōu)于柱晶和等軸晶材料。蠕變速度和持久性能——高溫合金材料性能重要指標(biāo)。112一、單晶生長的特點首先：在金屬熔體中形成一個單晶核（可以引入籽晶或自發(fā)形核）；而后：在晶核和熔體界面上不斷生長出單晶體。單晶在生長過程中：

固一液界面前沿不允許有溫度過冷和成分過冷，避免固—液界面不穩(wěn)定而長出胞晶或柱晶。

固一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著的晶體導(dǎo)出。一、單晶生長的特點113114定向凝固滿足上述熱傳輸?shù)囊螅侵苽鋯尉ё钣行У姆椒?。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出單晶體。46定向凝固滿足上述熱傳輸?shù)囊?，是制備單晶最?14生產(chǎn)單晶鑄件的關(guān)鍵：利用柱狀晶生長過程中的競爭和淘汰，最終在鑄件本體中保留一個柱晶晶粒。

“自生籽晶法”如示意圖所示：在鑄件本體下部設(shè)置一個空腔，稱為“晶粒選擇器”，作為柱晶競爭生長的場地。合金液澆入模殼后，激冷結(jié)晶器表面形成等軸晶。在單向凝固的條件下，經(jīng)過一定高度的擇優(yōu)生長，得到一束接近[001]取向的柱晶。再經(jīng)過一定長度的通道，將其余晶粒全部抑制，只有一個柱晶晶粒長入鑄體本體。上述選晶過程全部在“晶粒選擇器”中完成。自生籽晶法生產(chǎn)單晶葉片1—鑄件2一選晶段3一起始段生產(chǎn)單晶鑄件的關(guān)鍵：利用柱狀晶生長過程中的競爭和淘汰，最終在115“晶粒選擇器”由起始段和選晶段組成?！捌鹗级巍笨v剖面為矩形截面，緊靠結(jié)晶器。晶粒生長分為三個階段：①水冷結(jié)晶器表面形成等軸晶；②晶體沿?zé)崃飨喾捶较蛏L為柱晶，柱晶位向差異，造成各取向柱晶生長速率不同。以面心立方晶體為例：先是[111]取向的晶粒落后，繼而是[011]取向的晶粒逐漸落后，最后[001]取向的柱晶處于領(lǐng)先地位。③靠近起始段上部，柱晶生長比較穩(wěn)定，競爭程度緩和，大多數(shù)柱晶的取向偏離度比較小?！熬Я＿x擇器”由起始段和選晶段組成?！捌鹗级巍笨v剖面為矩形截116117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，而且形成了取向平行于主應(yīng)力軸的晶粒，基本上消除了垂直應(yīng)力軸的橫向晶界，使航空發(fā)動機葉片的力學(xué)性能有了新的飛躍。另外，對面心立方晶體的磁性材料，如鐵等，當(dāng)鑄態(tài)柱晶沿晶向取向時，因與磁化方向一致，而大大改善其磁性。

4.2制備柱狀晶鑄件49定向凝固柱狀晶鑄件與用普通方法得到的鑄件1171184.2.1高溫合金制備

高溫合金是現(xiàn)在航空燃?xì)鉁u輪.艦船燃?xì)廨啓C、地面和火箭發(fā)動機的重要金屬材料，在先進(jìn)大航空發(fā)動機中，高溫合金的用量占40%—60%，因此這種材料被喻為燃?xì)廨喌男呐K。

高溫合金504.2.1高溫合金制備高溫合金是118119采用定向凝固技術(shù)生產(chǎn)的高溫合金基本上消除了垂直于應(yīng)力軸的橫向晶界，并以其獨特的平行于零件主應(yīng)力軸擇優(yōu)生長的柱晶組織以及有意的力學(xué)性能而獲得長足的發(fā)展。MAR—M200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。51采用定向凝固技術(shù)生產(chǎn)的高溫合金基本上消除了垂直于119120

在MAR—M200基礎(chǔ)上研究成功的定向凝固高溫合金PWA1422不僅具有良好的中高溫蠕變斷裂強度和塑性,而且具有比原合金高5倍的熱疲勞性能，在先進(jìn)航空航天發(fā)動機上獲得廣泛的應(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36倍，而且得到了新穎的超細(xì)胞狀晶組織，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到改善，甚至消除。52在MAR—M200基礎(chǔ)上研究成功的定向凝固高溫合1201214.2.2高溫超導(dǎo)體材料的制備氧化釔鋇銅（YttriumBariumCopperOxide，YBCO）YBCO高溫超導(dǎo)體由于具有高溫臨界電流密度和低的導(dǎo)熱率，是做電線的潛在材料。

定向凝固制備的YBCO單疇中包含大量平行取向的片層,各片層具有共同的c-軸,片層之間的亞晶界終止于晶體內(nèi)部而沒有貫穿整個晶體,因而整個晶體相當(dāng)于一個準(zhǔn)單晶,這種特征保證可以得到高臨界電流密度(77K時，大于104A/cm2)。高溫超導(dǎo)體材料534.2.2高溫超導(dǎo)體材料的制備氧化釔鋇銅（Yttri121122有學(xué)者研究了在不同體積分?jǐn)?shù)時的jc-B特性和沿長度方向Y211相晶粒組織，他們發(fā)現(xiàn)在YBCO超導(dǎo)棒條體的中間段jc-B特性最優(yōu)，并用此部位的棒條體做成電線，在ab面平行于所在磁場方向處，當(dāng)溫度為77K，磁場強度為3T時，其臨界電流為380A。

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