特殊凝固技術(shù)-楊雪

特殊凝固技術(shù)一、快速凝固技術(shù)二、定向凝固技術(shù)三、其他特殊凝固技術(shù)特殊凝固技術(shù)是指除了人們對(duì)傳統(tǒng)鑄錠和鑄件凝固過(guò)程進(jìn)行優(yōu)化控制，使鑄錠和鑄件的質(zhì)量得到提高外，還表現(xiàn)為各種全新的凝固技術(shù)的形成，如快速凝固、定向凝固、半固態(tài)鑄造、連續(xù)鑄造等。前言快速凝固1960年開(kāi)始出現(xiàn)快速凝固是一項(xiàng)新型材料制備技術(shù)，既是一種生產(chǎn)手段,又是一種探索新材料的研究方法，受到了普遍的重視對(duì)現(xiàn)有牌號(hào)合金，可以顯著地改善其組織結(jié)構(gòu)，充分挖掘其性能潛力，也可以研制在常規(guī)鑄造條件下無(wú)法得到的、具有優(yōu)異性能的新型材料近二、三十年來(lái)，不但開(kāi)拓了一個(gè)嶄新的學(xué)術(shù)領(lǐng)域，而且向市場(chǎng)提供了具有特殊性能的新材料一、快速凝固凝固與快速凝固特點(diǎn)是：較常規(guī)凝固快得多的冷卻速度和大得多的過(guò)冷度。

快速凝固的定義快速凝固采用急冷技術(shù)或深度過(guò)冷技術(shù)獲得很高的凝固前沿推進(jìn)速率的凝固過(guò)程（以極快的凝固速度由液態(tài)轉(zhuǎn)變?yōu)楣虘B(tài)），從而獲得了傳統(tǒng)鑄件或鑄錠冷卻條件下所不能獲得的成分、相結(jié)構(gòu)或顯微結(jié)構(gòu)。工業(yè)冷卻速率范圍10-3~10℃/s（大鑄錠10-2℃/s，中、小等的1℃/s）

冷卻速率與產(chǎn)品特征的關(guān)系薄型鑄錠102℃/s，普通氣體霧化粉末103℃/s，水霧化粉末104℃/s

快速凝固冷速可能需更高（如基體表面淬冷法106℃/s，甚至更高）

快凝對(duì)性能的影響1.提高強(qiáng)度

●IN100合金：工藝斷裂強(qiáng)度/MPa屈服強(qiáng)度/MPa延伸率/%普通鑄態(tài)9829148霧化粉末法1676120216●快凝鋁合金：強(qiáng)度、塑性提高，替代鈦合金，輕、價(jià)低；加鋰，更輕，強(qiáng)度更高?！窨炷蔷Щ悍蔷e78Mo2B20斷裂強(qiáng)度可達(dá)2747MPa；非晶Fe80B20斷裂強(qiáng)度也達(dá)2541MPa；非晶Ti50Be40Zr10斷裂強(qiáng)度為1648MPa，而密度只有4.1g/cm3

?！裉岣咂趶?qiáng)度：快冷2024-3Li鋁合金在107周下的疲勞強(qiáng)度為290MPa，較普通工藝生產(chǎn)的高約100MPa。表面激光處理也能顯著提高熱、冷抗疲勞性能。原因：消除晶界粗大第二相、產(chǎn)生彎曲組織、晶粒大大細(xì)化。2.提高塑性

●Fe-5Si-3Al合金：延伸率從1%提高至6.4%。●超塑性：霧化法生產(chǎn)的IN100合金，延伸率可達(dá)1500%。一次壓成型新工藝

Al-6.7Mg-1.6Li：具有超塑性的變形速率10-4s-1至10-2s-1。3.提高耐磨性

快速凝固提高硬度，進(jìn)而提高耐磨性。4.提高耐蝕性

成分均勻、組織精細(xì)。5.提高磁性能

非晶材料是理想的軟磁材料。6.提高催化性能

活化、比表面積大大提高?？焖倌碳夹g(shù)基本原理及分類（一）快速凝固技術(shù)的分類（二）快速凝固技術(shù)的基本原理（三）典型的急冷凝固技術(shù)方法快速凝固技術(shù)急冷凝固技術(shù)大過(guò)冷技術(shù)在細(xì)小熔滴中達(dá)到的凝固過(guò)冷度的（熔滴彌散）方法：乳化法、熔滴—基底法、落管法等在較大體積熔體中獲得大凝固過(guò)冷度的（熔滴彌散）方法：玻璃體包裹法、嵌入熔體法（二相區(qū)法）、電磁懸浮熔體法不同學(xué)者對(duì)快速凝固方法作了不同的分類，Jones(1982)根據(jù)熔體分離與冷卻方式不同而分成三類：

（i）熔體急冷前破碎成液滴的噴射方法——霧化技術(shù)；（ii）熔體急冷時(shí)保持其連續(xù)性的急冷方法——模冷技術(shù)；（iii）在相對(duì)很厚的材料表面熔化有限深度的金屬并凝固的表面方法（材料即為冷卻器）——表面熔化與沉積技術(shù)。Savage和Froes（1984）根據(jù)熔體液流是否霧化成滴而分成兩類：霧化法和非霧化法（一）快速凝固技術(shù)的分類

（a）定向凝固

(b)體積凝固圖1-1兩種典型的凝固方式q1-自液相導(dǎo)人凝固界面的熱流密度；q2-自凝固界面導(dǎo)人固相的熱流密；

Q-鑄件向鑄型散熱熱量（二）快速凝固技術(shù)的基本原理

熱流密度q1和q2與結(jié)晶潛熱釋放率之間滿足熱平衡方程:（1-1）

根據(jù)傅里葉導(dǎo)熱定律知（1-2）

（1-3）（1-4）

Q1，Q2，Q3可如下求出

式中，A為鑄型與鑄件的界面面積；q為界面熱流密度；VC為冷卻速度，為負(fù)值；VSV為體積凝固速度，；V為鑄件體積；△h為結(jié)晶潛熱；ρS、ρL、ρ分別為固相密度、液相密度及平均密度；CS、CL分別為固相、液相的質(zhì)量熱容；分別為固相體積分?jǐn)?shù)和液相體積分?jǐn)?shù)。

(1-7)

(1-8)(1-9)

近似取,,

并且已知，則由式（1-6）至式（1-9）可得出:

(1-10)（1-11）

（1-12）式中，為鑄件模數(shù)。對(duì)凝固層內(nèi)的溫度分布作線性相似得

式中，

為凝固層厚度；TK

為液固界面溫度；Ti為鑄件與鑄型界面溫度。急冷凝固技術(shù)（RapidlyQuenchingTechnology,RQT）欲獲高的冷速，需滿足兩個(gè)基本條件①減少單位時(shí)間內(nèi)金屬凝固時(shí)產(chǎn)生的熔化潛熱②必須有能帶走熱的冷卻介質(zhì)，提高凝固過(guò)程中傳熱速率而冷卻速度取決于對(duì)流、輻射、傳導(dǎo)等的導(dǎo)熱速率在理想冷卻過(guò)程中，dT/dt=104z

式中dT/dt—凝固速度，z—截面厚度故熔化金屬必須被分散，至少一維方向上足夠小，具有大比表面積，而且最大程度地增加熔體與冷卻介質(zhì)之間的接觸，以減小熱阻，利于散熱急冷凝固技術(shù)中獲得高冷速的基本原則設(shè)法減少同一時(shí)刻凝固的熔體體積設(shè)法增大熔體散熱表面積與體積之比設(shè)法減少熔體與熱傳導(dǎo)性能好的冷卻介質(zhì)的界面熱阻盡可能主要以傳導(dǎo)方式散熱急冷凝固三種基本途徑

用高速氣流打擊金屬液體，或在離心力的作用下使之霧化成十分細(xì)小的液滴，最后凝固成粉末。

把液態(tài)金屬噴到急冷板或轉(zhuǎn)動(dòng)的滾輪上，凝固成很薄的金屬箔或絲。用激光或高能電子束熔化極薄一層金屬表層，整塊金屬基體起到自身冷卻劑的作用。大過(guò)冷技術(shù)

實(shí)現(xiàn)大過(guò)冷技術(shù)的途徑：消除金屬熔體內(nèi)部形核媒質(zhì)分離熔體為熔滴；消除容器壁的形核媒質(zhì)金屬熔體與容器壁分離。

當(dāng)熔滴很小、數(shù)量很多時(shí)，每個(gè)熔滴中的形核媒質(zhì)數(shù)目非常少，從而產(chǎn)生接近均勻形核的條件。

1、氣體霧化法過(guò)程：兩束或多束氣體射流介質(zhì)傳遞動(dòng)能，將金屬液流破碎，細(xì)小的液滴在飛行中通過(guò)對(duì)流或輻射散熱凝固成粉流體霧化（FluidAtomization）工藝參數(shù)：射流距離、射流壓力、噴嘴結(jié)構(gòu)、氣體和金屬流速和質(zhì)量流率、金屬過(guò)熱度、氣液交匯角、金屬表面張力和金屬融化溫度范圍應(yīng)用：高合金鋼、鋁合金、超合金、鈦合金等（活潑金屬粉末采用惰性氣體霧化）粉末多成球形。凝固冷速取決于顆粒尺寸和霧化介質(zhì)的類型，通常，尺寸愈小，氣體愈輕，冷速愈高（三）典型的急冷凝固技術(shù)方法2、水霧化法（WaterAtomization）以水射流代替氣體射流外，其余與氣體霧化相似

顆粒多呈不規(guī)則形，但冷速可達(dá)102-104K/s

已被大規(guī)模應(yīng)用于工具鋼、低合金鋼、銅、錫、鐵粉等等（水霧化鋼和超合金,活潑元素易氧化，O%≥1000ppm，而氣體霧化，O%~100ppm）有時(shí)，也可以油代水，以降O%

離心霧化技術(shù)液態(tài)金屬在高速旋轉(zhuǎn)的容器（盤、杯、坩堝、平板或凹板）的邊緣上破碎、霧化的技術(shù)。液態(tài)金屬?gòu)嫩釄寤驈娜刍哪负辖鸢舳藵沧⒌叫D(zhuǎn)器上，在離心力的作用下，熔融金屬被甩向容器邊緣霧化，噴射出金屬霧滴，霧滴在飛行過(guò)程中球化并凝固。整個(gè)過(guò)程（熔化、霧化、凝固）在惰性氣體環(huán)境中完成1、快速凝固霧化法Pratt&Whitney的快速凝固速率—離心霧化（RSR-CAP）工藝液流自坩堝底澆至高速旋轉(zhuǎn)的水冷水平盤，液態(tài)金屬被機(jī)械打碎、霧化，從旋轉(zhuǎn)盤邊緣甩出，液滴在飛行過(guò)程中凝固

旋轉(zhuǎn)離心霧化的一種，又稱快速凝固速率—

離心霧化工藝，（RapidlySolidificationRate-CentrifugalAtomizationProcess）可加氦氣流噴吹，加速冷卻，（水流等亦然），也防氧化。也有人已螺旋槳代平盤

粉末多呈球形，尺寸約20-80μm，冷速104-106K/s

已用于制備鎳、鋁、鈦和超合金粉2、離心霧化法靜止電極和帶電旋轉(zhuǎn)坩堝之間產(chǎn)生電弧，熔化金屬

在離心力作用下，熔融金屬被甩出坩堝邊緣霧化，并噴射出金屬液態(tài)顆粒3、旋轉(zhuǎn)電極霧化法欲被霧化的棒料快速旋轉(zhuǎn)，同時(shí)棒料一端被一個(gè)非自耗鎢電極產(chǎn)生的電弧熔化，融化的金屬?gòu)男羯纤Τ?，在與惰性氣體室室壁碰撞之前凝固，成粉

粉末多呈球形，表面質(zhì)量好，尺寸大，大于200μm，冷速～10２Ｋ／ｓ

已用于霧化活潑的金屬，如高純、低氧的Ｔｉ、Ｚｒ、Ｎｂ、Ｔａ、Ｖ等金屬及其合金，以及Ｎｉ和Ｃｏ的超合金。易出現(xiàn)鎢污染，可用鈦陰極或等離子體弧、激光、電子束來(lái)熔化棒料

1.雙軋輥法利用兩個(gè)反向高速旋轉(zhuǎn)輥輪將金屬液流霧化。經(jīng)過(guò)雙輥時(shí)需防凝固（用碳涂層包裹兩輥），液態(tài)金屬?gòu)妮佅路脚懦?，形成渦凹，并以液滴形式甩出，并迅速落入水浴，凝固

將熔體液流在兩個(gè)反向旋轉(zhuǎn)的導(dǎo)熱軋輥之間軋制，熔體液流垂直下落在兩輥之間，可制備１０－２００μm的薄片，冷速達(dá)１０５Ｋ／ｓ。精控工藝參數(shù)，可制備非常長(zhǎng)的薄帶液體急冷發(fā)冷速達(dá)１０５－１０６Ｋ／ｓ，可制備金屬薄片、箔以及不規(guī)則或球形顆粒。效率低

2、平面流鑄造法（PlanarFlowCasting）急冷塊熔體自旋法的一種，但將圓嘴改成矩形嘴，可制備更寬且均勻橫截面的薄帶

熔融金屬?gòu)囊粋€(gè)非常接近旋轉(zhuǎn)急冷基底的槽形噴嘴中流出。熔體熔池被噴嘴和基底約束成穩(wěn)定的矩形。流體基本上靠壓力控制，它也取決于基底表面速度、噴嘴寬度（平行于薄帶運(yùn)動(dòng)方向）和噴嘴與基底之間的縫隙

束流表層急冷法

采用激光、電子束、粒子束進(jìn)行表面層快速熔凝。只改變組織，不改變成分

表面上釉，表面非晶化即改變成分，又改變組織表面合金化、表面噴涂后激光快速熔凝、離子注入后快速熔凝。激光表面處理方法的基本原理如圖

激光束將高密度能量施于金屬表面有限的區(qū)域上，該區(qū)表面快速熔化（根據(jù)處理工藝要求，熔化層厚度可從幾十微米到上千微米不等），然后熔化微區(qū)快速凝固，（固態(tài)）冷卻

過(guò)程是一個(gè)快速熔化—快速凝固的程序

二、定向凝固30定向凝固可使材料凝固組織按特定方向排列,獲得定向及單晶組織結(jié)構(gòu),從而大大改善材料的力學(xué)和物理性能。定向凝固共晶復(fù)合材料是一種自生纖維增強(qiáng)的金屬基復(fù)合材料。

定向凝固技術(shù)最初是在高溫合金的研制中建立和完善起來(lái)的,在用于燃汽渦輪發(fā)動(dòng)機(jī)葉片的生產(chǎn)中,所獲得的具有柱狀乃至單晶組織的材料，具有優(yōu)良的抗熱沖擊性能、較長(zhǎng)的疲勞壽命、較高的蠕變抗力和中溫塑性,成為當(dāng)時(shí)震動(dòng)冶金界和工業(yè)界的重大成果之一。該技術(shù)已逐漸推廣到半導(dǎo)體材料、磁性材料、復(fù)合材料等的研制中。因此,定向凝固技術(shù)自其誕生以來(lái)得到了迅速發(fā)展。定向凝固原理

定向凝固是在凝固過(guò)程中采用強(qiáng)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，獲得具有特定取向柱狀晶的技術(shù)。定向凝固技術(shù)是在高溫合金的研制中建立和完善起來(lái)的。該技術(shù)最初用來(lái)消除結(jié)晶過(guò)程中生成的橫向晶界，甚至消除所有晶界，從而提高材料的高溫性能和單向力學(xué)性能。在定向凝固過(guò)程中溫度梯度和凝固速率這兩個(gè)重要的凝固參數(shù)能夠獨(dú)立變化，可以分別研究它們對(duì)凝固過(guò)程的影響。這既促進(jìn)了凝固理論的發(fā)展，也激發(fā)了不同定向凝固技術(shù)的出現(xiàn)。定向凝固技術(shù)的發(fā)展

傳統(tǒng)的定向凝固技術(shù)主有：

1.爐外結(jié)晶法(發(fā)熱鑄型法)2.爐內(nèi)結(jié)晶法{1功率降低法(PD法)2快速凝固法(HRS)3液態(tài)金屬冷卻法(LMC法)}。然而傳統(tǒng)定向凝固技術(shù)存在著它的不足之處，不論是爐外法，還是爐內(nèi)法，也不論是功率降低法，還是快速凝固法，它們的主要缺點(diǎn)是冷卻速度太慢，即使是液態(tài)金屬冷卻法，其冷卻速度仍不夠高，這樣產(chǎn)生的一個(gè)弊端就是使得凝固組織有充分的時(shí)間長(zhǎng)大、粗化，以致產(chǎn)生嚴(yán)重的枝晶偏析，限制了材料性能的提高。為了進(jìn)一步細(xì)化材料的組織結(jié)構(gòu)，減輕甚至消除元素的微觀偏析，有效地提高材料的性能，就需提高凝固過(guò)程的冷卻速率。在定向凝固技術(shù)中，冷卻速率的提高，可以通過(guò)提高凝固過(guò)程中固液界面的溫度梯度和生長(zhǎng)速率來(lái)實(shí)現(xiàn)。在此基礎(chǔ)上形成了一些新型定向凝固的方法：1超高梯度定向凝固技術(shù)(ZMLMC)；2深過(guò)冷定向凝固；3電磁約束成形定向凝固技術(shù)；4激光超高溫度梯度快速定向凝固；傳統(tǒng)定向凝固技術(shù)爐外法

又叫發(fā)熱劑法，是定向凝固工藝中最原始的一種。

基本原理：將鑄型預(yù)熱至一定溫度后，迅速放到激冷板上并進(jìn)行澆鑄，激冷板上噴水冷卻，從而在金屬液和已凝固金屬中建立一個(gè)自下而上的溫度梯度，實(shí)現(xiàn)單向凝固。也有采用發(fā)熱鑄型的，鑄型不預(yù)熱，而是將發(fā)熱材料充在鑄型壁四周，底部采用噴水冷卻。發(fā)熱劑（爐外法）缺點(diǎn)：溫度梯度不大而且很難控制，不適合大型、優(yōu)質(zhì)件的生產(chǎn)優(yōu)點(diǎn)：工藝簡(jiǎn)單、生產(chǎn)成本低功率降低法（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。功率降低法缺點(diǎn)：設(shè)備較復(fù)雜，能耗消耗比較大，溫度梯度小優(yōu)點(diǎn)：溫度梯度容易難控制高速凝固法（HRS法）裝置和功率降低法相似，多了拉錠機(jī)構(gòu)，可使模殼按一定速度向下移動(dòng)，改善了功率降低法溫度梯度在凝固過(guò)程中逐漸減小的缺點(diǎn)；另外，在熱區(qū)底部使用輻射擋板和水冷套，擋板附近產(chǎn)生較大的溫度梯度冷卻速，局部度增大，有利于細(xì)化組織，提高力學(xué)性能。避免了爐膛的影響且利用空氣冷卻，因而獲得的柱狀間距變小，組織較均勻，提高了鑄件的性能靠輻射換熱來(lái)冷卻的，獲得的溫度梯度和冷卻速度都很有限。液態(tài)金屬冷卻法（LMC法）

以液態(tài)金屬代替水，作為模殼的冷卻介質(zhì)，模殼直接浸入液態(tài)金屬冷卻劑中，散熱大大加強(qiáng)，以至在感應(yīng)器底部迅速發(fā)生熱平衡，造成很高的GTL，幾乎不依賴浸入速度。影響因素：1冷卻劑的溫度

2模殼傳熱性、厚度和形狀

3擋板位置

4熔液溫度5液態(tài)金屬冷卻劑的選擇條件：6有低的蒸氣壓，可在真空中使用

7熔點(diǎn)低，熱容量大，熱導(dǎo)率高

8不溶解在合金中

9價(jià)格便宜工藝比較流態(tài)床冷卻法（FBQ法）液態(tài)金屬冷卻法采用低熔點(diǎn)合金冷卻，成本高，可能使鑄件產(chǎn)生低熔點(diǎn)金屬脆性。流態(tài)床冷卻法以懸浮在惰性氣體中的穩(wěn)定陶瓷粉末作為冷卻介質(zhì)。激冷能力下降，溫度梯度要略小于液態(tài)金屬冷卻法。新型定向凝固技術(shù)制造壓型①壓制熔模：

將糊狀易熔模料壓入壓型來(lái)制造熔模。如果有復(fù)雜內(nèi)腔，制模前還需將陶瓷型芯放入壓型的型腔，制成帶有型芯的熔模。②組焊模組：

熔模鑄件一般比較小，常常把幾個(gè)熔模焊在一個(gè)預(yù)先做好的蠟制的澆口棒模樣上來(lái)構(gòu)成熔模組。壓型——用于壓制熔模的型。一般用鋼或鋁合金等材料。區(qū)域熔化液態(tài)金屬冷卻法(ZMLMC)

ZMLMC法是采用區(qū)域熔化和液態(tài)金屬冷卻相結(jié)合的方法。它利用感應(yīng)加熱,集中對(duì)凝固界面前沿液相進(jìn)行加熱,從而有效地提高了固液界面前沿的溫度梯度。由于冷卻速率明顯提高,導(dǎo)致凝固組織細(xì)化,大幅度提高了合金的力學(xué)性能深過(guò)冷定向凝固技術(shù)裝有試樣的坩堝裝在高頻線圈中循環(huán)過(guò)熱，使異質(zhì)核心通過(guò)蒸發(fā)與分解去除；或通過(guò)凈化劑的吸附消除和鈍化異質(zhì)核心，獲得深過(guò)冷的合金熔體。再將坩堝的底部激冷，底部先形核，晶體自下而上生長(zhǎng)，形成定向排列的樹(shù)枝晶骨架，殘余的金屬液向已有的枝晶骨架上凝固，最終獲得了定向凝固組織。在形核就處于深過(guò)冷時(shí)，一旦形核，生長(zhǎng)速率很快，基本上不受外界散熱條件的影響。所以金屬體積對(duì)深過(guò)冷定向凝固的影響不大，凝固速度快，且免除復(fù)雜的抽拉裝置。電磁約束成形定向凝固技術(shù)電磁約束成形定向凝固技術(shù)是利用電磁感應(yīng)加熱金屬材料,并利用在金屬熔體表層部分產(chǎn)生的電磁壓力來(lái)約束已熔化的金屬熔體成形。同時(shí),冷卻介質(zhì)與鑄件表面有直接接觸,增強(qiáng)鑄件固相的冷卻能力,在固液界面附近熔體內(nèi)可以產(chǎn)生很高的溫度梯度,使凝固組織超細(xì)化。電磁約束成形定向凝固技術(shù)它是提高金屬材料產(chǎn)品性能和成材率的重要方向之一。電磁成形是一種先進(jìn)的材料成形加工技術(shù),應(yīng)用該技術(shù),不僅可以實(shí)現(xiàn)金屬的無(wú)坩鍋熔化,而且還可以達(dá)到無(wú)鑄型成形的效果,避免了材料在冶煉和成形中的污染。該技術(shù)是一項(xiàng)涉及電磁流體力學(xué)、冶金、凝固以及自動(dòng)控制等學(xué)科的技術(shù),各種工藝參數(shù)如電磁壓力、加熱密度、抽拉速度的選擇將決定鑄件的表觀質(zhì)量和性能。電磁約束成形定向凝固工藝將成為一種很有競(jìng)爭(zhēng)力的定向凝固技術(shù),但還需研究解決靠近固液界面處熔體的側(cè)向是否有橫向傳熱等問(wèn)題。激光超高溫度梯度快速定向凝固

定向凝固方法,由于受加熱方法的限制,溫度梯度不可能再有很大提高,要使溫度梯度產(chǎn)生新的飛躍,必須尋求新的熱源或加熱方式。激光具有能量高度集中的特性,這使它具備了在作為定向凝固熱源時(shí)可能獲得比現(xiàn)有定向凝固方法高得多的溫度梯度的可能性。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:在激光熔池內(nèi)獲得與激光掃描方向一致的溫度梯度;根據(jù)合金凝固特性選擇適當(dāng)?shù)墓に噮?shù)以獲得胞晶組織。利用激光快速熔凝方法可以實(shí)現(xiàn)與Bridgman法相似的超高溫度梯度快速定向凝固,其溫度梯度可高達(dá)106K/m,速度可高達(dá)24mm/s,冷卻速度較區(qū)熔液態(tài)金屬冷卻法大大提高(約為三個(gè)數(shù)量級(jí))。激光超高溫度梯度快速定向凝固

定向凝固方法,由于受加熱方法的限制,溫度梯度不可能再有很大提高,要使溫度梯度產(chǎn)生新的飛躍,必須尋求新的熱源或加熱方式。激光具有能量高度集中的特性,這使它具備了在作為定向凝固熱源時(shí)可能獲得比現(xiàn)有定向凝固方法高得多的溫度梯度的可能性。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:在激光熔池內(nèi)獲得與激光掃描方向一致的溫度梯度;根據(jù)合金凝固特性選擇適當(dāng)?shù)墓に噮?shù)以獲得胞晶組織。利用激光快速熔凝方法可以實(shí)現(xiàn)與Bridgman法相似的超高溫度梯度快速定向凝固,其溫度梯度可高達(dá)106K/m,速度可高達(dá)24mm/s,冷卻速度較區(qū)熔液態(tài)金屬冷卻法大大提高(約為三個(gè)數(shù)量級(jí))。

定向凝固與普通鑄造顯微組織示意圖(a)定向凝固組織(b)普通鑄造組織定向凝固在新材料研究與開(kāi)發(fā)中的應(yīng)用目前，定向凝固技術(shù)的最主要應(yīng)用是生產(chǎn)具有均勻柱狀晶組織的鑄件，特別是在航空領(lǐng)域生產(chǎn)高溫合金的發(fā)動(dòng)機(jī)葉片，與普通鑄造方法獲得的鑄件相比，它使葉片的高溫強(qiáng)度、抗蠕變和持久性能、熱疲勞性能得到大幅度提高。對(duì)于磁性材料，應(yīng)用定向凝固技術(shù)，可使柱狀晶排列方向與磁化方向一致，大大改善了材料的磁性能。定向凝固技術(shù)也是制備單晶的有效方法。定向凝固技術(shù)還廣泛用于自生復(fù)合材料的生產(chǎn)制造，用定向凝固方法得到的自生復(fù)合材料消除了其它復(fù)合材料制備過(guò)程中增強(qiáng)相與基體間界面的影響，使復(fù)合材料的性能大大提高。(a)超細(xì)無(wú)氧銅絲（Φ19.7mm）

(b)超細(xì)Al-Si絲（Φ25mm）

定向凝固和低溫強(qiáng)加工技術(shù)相結(jié)合制備產(chǎn)品

這種組織的材料由于不存在垂直于長(zhǎng)度方向的橫向晶界，因此具有優(yōu)良的物理與力學(xué)性能：電導(dǎo)率高，信號(hào)保真性能好，強(qiáng)度與延伸率大幅度提高，加工性能好。新型定向凝固技術(shù)下研發(fā)出的產(chǎn)品圖列（a）φ17mm純銅桿(b)φ5mmAl-1%Si合金桿

采用連續(xù)定向凝固技術(shù)成功制備了具有連續(xù)柱狀晶組織的φ17mm純銅桿，其相對(duì)電導(dǎo)率可達(dá)103%；采用該技術(shù)成功制備了具有連續(xù)柱狀晶組織的φ5mmAl-1%Si合金桿，所制取的合金桿表面光亮、組織致密、且具有優(yōu)異塑性，晶體取向?yàn)椤?a)Φ39×1.8mm銅管

(b)Φ16mm單晶銅棒取向（100）

真空熔煉和連續(xù)定向凝固相結(jié)合制備產(chǎn)品利用此技術(shù)生產(chǎn)工序大大地減少，生產(chǎn)成本和能源消耗大幅度降低，并且可充分發(fā)揮銅管坯的定向凝固組織及冷加工性能的優(yōu)勢(shì)，提高管坯的加工效率和成材率，管坯表面質(zhì)量和性能穩(wěn)定。定向凝固技術(shù)在醫(yī)學(xué)新材料方向的運(yùn)用臨床上對(duì)長(zhǎng)骨損傷的修復(fù)中,人們希望找到一種像母骨那樣高性能且?guī)в锌紫兜奈镔Y即多孔質(zhì)材料,使骨組