定向凝固基礎(chǔ)

定向凝固技術(shù)2024/3/2721.定向凝固的發(fā)展歷史2.定向凝固基本原理定向凝固技術(shù)原理定向凝固理論定向凝固技術(shù)工藝參數(shù)3.定向凝固技術(shù)發(fā)展4.定向凝固技術(shù)的應(yīng)用5.定向凝固發(fā)展趨勢(shì)目錄2024/3/2731.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1953年，Charlmers及其他的同事在定向凝固方法考察液/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)的里程碑的成分過冷理論。在20世紀(jì)60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。2024/3/2741.定向凝固的發(fā)展歷史近20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，從Charlmers等的成分過冷理論到Mullins等的固/液界面穩(wěn)定動(dòng)力學(xué)理論（MS理論），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)凝固技術(shù)的發(fā)展。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，也必將使凝固理論得到完善和發(fā)展。2024/3/275FromGEGlobalResearchCenter2.定向凝固基本原理2.1定向凝固技術(shù)原理2.2定向凝固理論2.3定向凝固技術(shù)工藝參數(shù)2024/3/276FromGEGlobalResearchCenter2.1定向凝固技術(shù)定義晶體生長(zhǎng)方向熱流方向側(cè)向無溫度梯度，不散熱

定向凝固是在凝固過程中采用強(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，以獲得具有特定取向柱狀晶的技術(shù)。2024/3/277FromGEGlobalResearchCenter2.2定向凝固理論固液界面距離

x溫

度TLGL成分過冷區(qū)由溶質(zhì)再分配導(dǎo)致界面前方熔體成分及其凝固溫度發(fā)生變化而引起的過冷——成分過冷（1）成分過冷理論2024/3/278FromGEGlobalResearchCenter2.2定向凝固理論成分過冷對(duì)凝固過程的影響成分過冷區(qū)逐漸加寬的情況胞枝生長(zhǎng)向枝晶生長(zhǎng)的轉(zhuǎn)變窄成分過冷的情況2024/3/279FromGEGlobalResearchCenter2.2定向凝固理論成分過冷區(qū)足夠大時(shí)柱狀晶生長(zhǎng)情況成分過冷區(qū)進(jìn)一步加寬，從柱狀枝晶的外生生長(zhǎng)轉(zhuǎn)變?yōu)榈容S晶的內(nèi)生生長(zhǎng)成分過冷對(duì)凝固過程的影響2024/3/27102.2定向凝固理論（2）MS理論MS界面穩(wěn)定性動(dòng)力學(xué)理論不但全面地考慮了凝固過程溶質(zhì)場(chǎng)、熱場(chǎng)和界面能等因素對(duì)界面穩(wěn)定性的影響，將成分過冷理論的適用范圍擴(kuò)大到快速凝固領(lǐng)域。同時(shí)，它預(yù)言了平界面穩(wěn)定生長(zhǎng)這一當(dāng)時(shí)尚未被證實(shí)和認(rèn)識(shí)的自然現(xiàn)象。界面形貌的演變：平界面-胞狀-樹枝狀-胞狀-平界面隨V增大：2024/3/27112.3定向凝固技術(shù)工藝參數(shù)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R;GL/R值是控制晶體長(zhǎng)大形態(tài)的重要判據(jù);凝固過程中的成分過冷或金屬的性質(zhì)（T1-T2）/DL.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電磁約束成形定向凝固技術(shù)深過冷定向凝固技術(shù)連續(xù)定向凝固技術(shù)對(duì)流下的定向凝固技術(shù)重力場(chǎng)作用下的定向凝固技術(shù)傳統(tǒng)定向凝固技術(shù)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3.定向凝固技術(shù)發(fā)展3.定向凝固技術(shù)發(fā)展1.發(fā)熱鑄型法發(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。其原理是水冷模底部采用水冷銅底座,頂部覆蓋發(fā)熱劑,側(cè)壁采用隔熱層絕熱,澆入金屬液后，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。由于所能獲得的溫度梯度小和沿高度不斷減小,而且很難控制。但其工藝簡(jiǎn)單、成本低，可用于制造小批量零件。3.定向凝固技術(shù)發(fā)展2.功率降低法感應(yīng)線圈分兩段，鑄件在凝固過程中不移動(dòng)。模殼預(yù)熱到一定溫度，向殼內(nèi)澆入過熱合金，切斷下部電源，上部繼續(xù)加熱GL隨凝固距離的增加不斷減小。GL和R不能人為控制PD法示意圖3.定向凝固技術(shù)發(fā)展3.快速凝固法鑄型加熱器始終加熱凝固時(shí)，鑄件與加熱器之間產(chǎn)生相對(duì)移動(dòng)在熱區(qū)底部使用輻射擋板和水冷套，擋板附近有較大的GL、GS與PD法比，大大縮小凝固前沿兩相區(qū)，局部冷卻速度增大，有利細(xì)化組織，提高機(jī)械性能與PD法的區(qū)別：H.R.S法示意圖3.定向凝固技術(shù)發(fā)展4.液態(tài)金屬冷卻法合金液澆入型殼，按選擇的速度將殼型拉出爐體，浸入金屬浴金屬浴的水平面保持在凝固的固-液界面附近處應(yīng)用較多的是錫浴GL可達(dá)200℃/cm，該法已被美國(guó)、前蘇聯(lián)等國(guó)用于航空發(fā)動(dòng)機(jī)葉片的生產(chǎn)。L.M.C法示意圖3.定向凝固技術(shù)發(fā)展工業(yè)上使用的定向凝固技術(shù)主要冶金工藝參數(shù)工業(yè)上較廣泛使用的定向凝固裝置示意圖3.定向凝固技術(shù)發(fā)展3.定向凝固技術(shù)發(fā)展5.區(qū)域熔化液態(tài)金屬冷卻法

該方法將區(qū)域熔化與液態(tài)金屬冷卻相結(jié)合，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。最高溫度梯度可1300K/cm，最大冷卻速度可達(dá)50K/s。1.Ingot2.Coolingagent3.Coolingwater4.Insulationboard5.Inductioncoil6.Sample7.Meltingzone8.Crucible3.定向凝固技術(shù)發(fā)展6.深過冷定向凝固1.激發(fā)源2.熔體3.凈化劑4.感應(yīng)線圈5.石英坩堝在坩堝中裝有試樣,裝在高頻懸浮熔煉線圈中循環(huán)過熱使異質(zhì)核心通過蒸發(fā)與分解方式去除,或裝有凈化劑,通過凈化劑的吸附作用消除和鈍化合金的異質(zhì)核心。以此獲得深過冷的合金熔體。再將坩堝的底部激冷,金屬液內(nèi)建立起一個(gè)自下而上的溫度梯度,冷卻過程中溫度最低的底部先形核,晶體自下而上生長(zhǎng),形成定向排列的樹枝晶骨架。深過冷與一般的定向凝固技術(shù)相比,可以免除復(fù)雜的抽拉裝置,另外,凝固速度快,時(shí)間短,可大幅度提高生產(chǎn)效率。3.定向凝固技術(shù)發(fā)展7.電磁約束成形定向凝固20世紀(jì)90年代初期,傅恒志等在ZMLMC法的基礎(chǔ)上,利用電磁感應(yīng)加熱直接熔化感應(yīng)器內(nèi)的金屬材料,利用在金屬熔體表層部分產(chǎn)生的電磁壓力來約束已熔化的金屬熔體成形。這是一種無坩堝熔煉、無鑄型、無污染的定向凝固成形技術(shù),取消了導(dǎo)熱性較差的,與金屬發(fā)生高溫反應(yīng)的厚重陶瓷模殼,冷卻介質(zhì)與鑄件表面直接接觸,產(chǎn)生很高的溫度梯度,增強(qiáng)了鑄件固相的冷卻能力,使凝固組織超細(xì)化,由于合金無污染,顯著提高鑄件的表面質(zhì)量和綜合性能。電磁約束成形定向凝固裝置3.定向凝固技術(shù)發(fā)展8.激光超高溫度梯度快速定向凝固在激光表面快速熔凝時(shí)，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?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。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(yàn)階段。

1.銅板2.試樣3.激光束4.保護(hù)氣體5.底板6.電機(jī)3.定向凝固技術(shù)發(fā)展9.連續(xù)定向凝固技術(shù)

該技術(shù)是通過加熱結(jié)晶器模型到金屬熔點(diǎn)溫度以上，鑄型只能約束金屬液相的形狀，金屬不會(huì)在型壁表面凝固；同時(shí)冷卻系統(tǒng)與結(jié)晶器分離，在型外對(duì)逐漸進(jìn)行冷卻，維持很高的牽引方向的溫度梯度，保證凝固界面是凸向液相的，以獲得強(qiáng)類的單向溫度梯度，使熔體的凝固只在脫了結(jié)晶器的瞬間進(jìn)行。隨著鑄錠不斷離開結(jié)晶器，晶體的生長(zhǎng)方向沿?zé)崃鞯姆捶较蜻M(jìn)行，獲得定向結(jié)晶組織，甚至單晶組織，其原理如圖所示,這種方法最大的特點(diǎn)是改變傳統(tǒng)的連續(xù)凝固中冷卻結(jié)晶器為加熱結(jié)晶器，熔體的凝固不在結(jié)晶器內(nèi)部進(jìn)行。OCC法連續(xù)鑄造技術(shù)與傳統(tǒng)連續(xù)鑄技術(shù)凝固過程的比較3.定向凝固技術(shù)發(fā)展9.連續(xù)定向凝固技術(shù)此外，OCC法連鑄過程中固相與鑄型不接觸，固液界面處于自由狀態(tài)，固相與鑄型之間是靠金屬液的表面張力來聯(lián)系，因此，不存在固相與鑄型之間的摩擦力，可以連續(xù)拉延鑄坯，并且所需的拉延力也很小，可以得到表面成鏡面的鑄坯。OCC法將高效的連鑄技術(shù)和先進(jìn)的定向凝固技術(shù)相結(jié)合，綜合了二者的優(yōu)點(diǎn)，是一種新型的近成品形狀加工技術(shù)。目前國(guó)內(nèi)外應(yīng)用連續(xù)定向凝固法已成功拉制出了具有各種圓形截面及異形截面形狀，如圓棒、圓管、橢圓管、多邊形棒、異形棒等的單晶型材；另外也可生產(chǎn)出有芯材料或同軸異質(zhì)等復(fù)合材料。最初的OCC技術(shù)采用簡(jiǎn)單的下引方式見下圖(a)，僅拉出長(zhǎng)度50mm左右形狀不規(guī)整的鏡面鑄錠，直到1980年，才發(fā)現(xiàn)出三種方法，即下引法、上引法和水平法見下圖（b）-（d）。2024/3/27254.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(zhǎng)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(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業(yè)生產(chǎn)手段，應(yīng)用也日益廣泛。2024/3/27264.定向凝固技術(shù)的應(yīng)用晶體生長(zhǎng)的研究?jī)?nèi)容之一是制備成分準(zhǔn)確，盡可能無雜質(zhì)，無缺陷（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)形核，而在晶核和熔體界面不斷生長(zhǎng)出單晶體。

單晶在生長(zhǎng)過程中絕對(duì)要避免固—液界面不穩(wěn)定而生出晶胞或柱晶。故而固—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)，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)目刂乒獭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。1.單晶生長(zhǎng)2024/3/27274.定向凝固技術(shù)的應(yīng)用

柱狀晶包括柱狀樹枝晶和胞狀柱晶。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合金和磁性合金的鑄件上。

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，是航空發(fā)動(dòng)機(jī)葉片的力學(xué)性能有了新的飛躍。2.柱狀晶生長(zhǎng)2024/3/27284.定向凝固技術(shù)的應(yīng)用固—液界面應(yīng)有足夠高的溫度梯度GL；保證定向散熱；盡量抑制液態(tài)合金的形核能力；高的GL/R比值；2.柱狀晶生長(zhǎng)獲得定向凝固柱狀晶的基本條件是：2024/3/27294.定向凝固技術(shù)的應(yīng)用3.高溫合金制備

高溫合金

高溫合金是現(xiàn)在航空燃?xì)鉁u輪.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)大航空發(fā)動(dòng)機(jī)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。

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(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)性能而獲得長(zhǎng)足的發(fā)展。2024/3/27304.定向凝固技術(shù)的應(yīng)用3.高溫合金制備

高溫合金

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。在MAR—M200合金的基礎(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(qiáng)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(dòng)機(jī)上獲得廣泛的應(yīng)用。2024/3/27314.定向凝固技術(shù)的應(yīng)用4.磁性材料制備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)的材料，它具有優(yōu)異的磁性能。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究熱點(diǎn)之一，采用該工藝可先制備出大塊磁性非晶，再將其進(jìn)行退火熱處理而獲得納米磁性材料，也可以直接將整塊金屬進(jìn)行晶粒細(xì)化至納米級(jí)而獲得納米磁性材料。磁性材料2024/3/27324.定向凝固技術(shù)的應(yīng)用4.磁性材料制備深過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)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直徑為16mm、平均晶粒尺寸小于120nm的Fe76B12Si12合金塊體納米軟磁材料，其磁耗損PFF400和PFF1000僅為普通硅鋼片的45.3%和69%。磁性材料2024/3/27334.定向凝固技術(shù)的應(yīng)用5.高溫超導(dǎo)材料材料制備

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。如果要在SMES等方面有廣泛的應(yīng)用，為了減少熱泄露，并且在磁場(chǎng)中具有高臨界電流密度，那么就必須需要大尺寸的電線。高溫超導(dǎo)體材料2024/3/27344.定向凝固技術(shù)的應(yīng)用6.功能材料制備

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(guó)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(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室曾用定向凝固技術(shù)制備了擇優(yōu)方向?yàn)閇111]、晶粒為柱狀的PMN-0.35PT定向陶瓷和擇優(yōu)方向?yàn)閇011]，[001]的定向陶瓷。功能材料2024/3/27354.定向凝固技術(shù)的應(yīng)用6.功能材料制備北京有色金屬研究總院稀土材料國(guó)家工程研究中心采用自行開發(fā)的“一步法”新工藝（即熔煉、定向凝固、熱處理在一臺(tái)設(shè)備上連續(xù)完成），成功的制備出目前我國(guó)直徑最大的（直徑70mm、長(zhǎng)度250mm）稀土超磁致伸縮材料，在低磁場(chǎng)下的磁致伸縮應(yīng)變、力學(xué)性能、產(chǎn)品一致性、成品率等主要技術(shù)經(jīng)濟(jì)指標(biāo)均達(dá)到國(guó)際先進(jìn)水平。稀土超磁致伸縮材料具有任何傳統(tǒng)磁致伸縮材料所無法比擬的優(yōu)點(diǎn)。功能材料2024/3/27364.定向凝固技術(shù)的應(yīng)用7.復(fù)合材料制備定向凝固技術(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)在自行研制的具有高真空、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Cu-Cr符合材料棒；經(jīng)研究發(fā)現(xiàn)：Cu-Cr自生復(fù)合材料的定向凝固組織是有α基體相和分布于α相間的纖維狀共晶體復(fù)合組成。

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(qiáng)作用。Cu-Cr自生復(fù)合材料的強(qiáng)度、塑性、導(dǎo)電性均高于體積凝固試樣，復(fù)合材料的綜合性能的到提高。復(fù)合材料2024/3/27374.定向凝固技術(shù)的應(yīng)用8.多孔材料制備

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(zhǎng)而直的。圖4.1和圖4.2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2024/3/27384.定向凝固技術(shù)的應(yīng)用8.多孔材料制備4.1多孔銅材料的光學(xué)圖譜4.2多孔硅材料的光學(xué)圖譜2024/3/27394.定向凝固技術(shù)的應(yīng)用9.單晶連鑄坯制備單晶連鑄坯OCC技術(shù)主要要應(yīng)用在單