材料合成与制备 第5章 定向凝固技术
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采用定向凝固技 术生产的高温合金 基本上消除了垂直 于应力轴的横向晶 界，并以其独特的 平行于零件主应力 轴择优生长的柱晶 组织以及其优异的 力学性能而获得长 足发展。
4、磁性材料
稀土超磁致伸缩材料RFe(R-Tb、Dy)作为一种电-磁-机械能量或信 息转换的新型功能材料，从20世纪70年代以来得到了迅速发展，它具有 很高的磁致伸缩值(1500~2000×10 )和能量密度(14000~25000J／m )，而 且还具有低频响应速度快、机电耦舍系数大等特点，故在大功率声纳换 能器、磁弹性波器件、液压阀门控制、精密加工徽定位、精度高速线性 马达、伺服系统和特殊兵器等高新技术领域展示出广阔的应用前景。对 于Tb-Dy-Fe材料，人们一直希望得到具有<111>方向择优取向的样品。 通过改变材料的定向凝固条件、控制材料的取向度、以及对材料进行热 处理消除晶界提高材料磁致伸缩性能。
(4)激光超高温梯度快速凝固
利用激光器作为热源来实现定向凝固。 激光具有能量高度集中的特性，在作为定向凝固热源时可能获得 比现有定向凝固方法高得多的温度梯度。利用激光表面熔凝技术实现 超高温度梯度快速定向凝固的关键在于：在激光熔池内获得与激光扫 描方向一致的温度梯度；根据合金凝固特性选择适当的工艺参数以获 得胞晶组织。
定向凝固过程工艺参数分别为： 合金熔融温度1450℃，温度梯度140℃/cm，牵引速度0.5-0.8 mm/min。
2、柱状晶生长
控制热流方向和温度梯度。
3、高温合金制备
定向凝固制备Fe-Cr-C过共晶原位生长复合材料
高铬铸铁是一种优良的耐磨材料，普通条件下凝固的高铬铸铁碳 化物呈网状，在实际磨损中往往会因为碳化物脆裂或折断而失效。 为此，通过定向凝固的方法，使碳化物纤维定向排列，即将Fe-C-Cr 合金制备成碳化物呈定向分布的原位生长复合材料，使高硬度的碳 化物垂直于磨面的方向定向生长，可以显著提高其性能。
5、多孔材料 金属／气体共晶定向凝固规则多孔金属
金属/气体共晶定向凝固方法源于1993年乌克兰科学家Shapovalov的 金属/气体共晶定向凝固法专利，也称为“Gasar”，所得到的气体-固体共 晶结构被称作“Gasarite”(规则圆柱形气孔定向排列于金属基体中) 。
Gasarite多孔材料具有应力集中小、机械性能高、导热能力良好、密 度低，比模量、比强度高等优点，广泛应用于汽车、航空航天、造船、 机械制造、建筑催化剂载体、消音器、电池电极、隔热、散热、水净化 以及声音控制等方面
液态金属冷动剂要求熔点低、沸点高、热熔量大、导热性好。
2、新型定向凝固技术 (1) 超高温梯度定向凝固
利用感应加热，集中对凝固界面前沿液相进行加热，从而 有效地提高了固液界面前沿的温度梯度。由于冷却速率明显提 高，导致凝固组织细化，大幅度提高了合金的力学性能。
(2) 电磁约束成形定向凝固
利用电磁感应加热熔化感应器内的金属材料，利用在金属熔 体部分产生的电磁压力来约束已熔化的金属熔体成形。
6、复合材料 定向凝固制备内生晶体增塑的锆基非晶复合材料
7、功能材料
定向凝固法的主要工艺包括加热、 熔化、凝固长晶、退火、冷却等。在 加热和熔化过程中,绝热体是封闭的。 长晶时将四周绝热体提升,在坩埚下面 开出一个传热的口子,使硅液从底部开 始冷却,实现由下往上的定向凝固。
电磁铸锭法采用电磁感应加热熔化高纯硅料,容器为水冷铜坩埚利用 电磁力保持硅熔体的位置避免熔体与坩埚壁接触,能有效防止坩埚对熔体 的污染,在连续铸造时控制热流方向可本原理是将盛有金属液的坩锅置于一激冷基座上，在金属液 被动力学过冷的同时，金属液内建立起一个自下而上的温度梯度，冷 却过程中温度最低的底部先形核，晶体自下而上生长，形成定向排列 的树枝晶骨架，其间是残余的金属液。在随后的冷却过程中，这些金 属液依靠向外界散热而向已有的枝晶骨架上凝固，最终获得了定向凝 固组织。
(5)连续定向凝固
三、定向凝固的适用范围 1、单晶生长
单晶铜制备
控制固-液熔体前沿熔体的温度和速率。
TiNi单晶形状记忆合金制备
钛镍形状记忆合金具有良好的形状记忆效应和超弹性行为，较 高的力学性能，优良的耐腐蚀性能和良好的阻尼特性，在高保真音 频信号传输，高性能超微细导线的制备，高导电高耐磨电接触线， 航空发动机涡轮单晶叶片等诸多领域上的广泛应用。
第五章 定向凝固技术
一、定向凝固技术的概念和基本原理
1、定向凝固的概念 定向凝固是在凝固过程中采用强制手段，在凝固金属和凝固熔
体中建立起特定方向的温度梯度，从而使熔体沿着与热流相反的 方向凝固，得到具有特定取向晶态材料的技术。
二、定向凝固技术的发展过程
传统定向凝固技术→新型定向凝固技术
采用铸件与加热器相对移动方法形成形成轴向温度梯度，实现定向凝固
4、磁性材料
稀土超磁致伸缩材料RFe(R-Tb、Dy)作为一种电-磁-机械能量或信 息转换的新型功能材料，从20世纪70年代以来得到了迅速发展，它具有 很高的磁致伸缩值(1500~2000×10 )和能量密度(14000~25000J／m )，而 且还具有低频响应速度快、机电耦舍系数大等特点，故在大功率声纳换 能器、磁弹性波器件、液压阀门控制、精密加工徽定位、精度高速线性 马达、伺服系统和特殊兵器等高新技术领域展示出广阔的应用前景。对 于Tb-Dy-Fe材料，人们一直希望得到具有<111>方向择优取向的样品。 通过改变材料的定向凝固条件、控制材料的取向度、以及对材料进行热 处理消除晶界提高材料磁致伸缩性能。
(4)激光超高温梯度快速凝固
利用激光器作为热源来实现定向凝固。 激光具有能量高度集中的特性，在作为定向凝固热源时可能获得 比现有定向凝固方法高得多的温度梯度。利用激光表面熔凝技术实现 超高温度梯度快速定向凝固的关键在于：在激光熔池内获得与激光扫 描方向一致的温度梯度；根据合金凝固特性选择适当的工艺参数以获 得胞晶组织。
定向凝固过程工艺参数分别为： 合金熔融温度1450℃，温度梯度140℃/cm，牵引速度0.5-0.8 mm/min。
2、柱状晶生长
控制热流方向和温度梯度。
3、高温合金制备
定向凝固制备Fe-Cr-C过共晶原位生长复合材料
高铬铸铁是一种优良的耐磨材料，普通条件下凝固的高铬铸铁碳 化物呈网状，在实际磨损中往往会因为碳化物脆裂或折断而失效。 为此，通过定向凝固的方法，使碳化物纤维定向排列，即将Fe-C-Cr 合金制备成碳化物呈定向分布的原位生长复合材料，使高硬度的碳 化物垂直于磨面的方向定向生长，可以显著提高其性能。
5、多孔材料 金属／气体共晶定向凝固规则多孔金属
金属/气体共晶定向凝固方法源于1993年乌克兰科学家Shapovalov的 金属/气体共晶定向凝固法专利，也称为“Gasar”，所得到的气体-固体共 晶结构被称作“Gasarite”(规则圆柱形气孔定向排列于金属基体中) 。
Gasarite多孔材料具有应力集中小、机械性能高、导热能力良好、密 度低，比模量、比强度高等优点，广泛应用于汽车、航空航天、造船、 机械制造、建筑催化剂载体、消音器、电池电极、隔热、散热、水净化 以及声音控制等方面
液态金属冷动剂要求熔点低、沸点高、热熔量大、导热性好。
2、新型定向凝固技术 (1) 超高温梯度定向凝固
利用感应加热，集中对凝固界面前沿液相进行加热，从而 有效地提高了固液界面前沿的温度梯度。由于冷却速率明显提 高，导致凝固组织细化，大幅度提高了合金的力学性能。
(2) 电磁约束成形定向凝固
利用电磁感应加热熔化感应器内的金属材料，利用在金属熔 体部分产生的电磁压力来约束已熔化的金属熔体成形。
6、复合材料 定向凝固制备内生晶体增塑的锆基非晶复合材料
7、功能材料
定向凝固法的主要工艺包括加热、 熔化、凝固长晶、退火、冷却等。在 加热和熔化过程中,绝热体是封闭的。 长晶时将四周绝热体提升,在坩埚下面 开出一个传热的口子,使硅液从底部开 始冷却,实现由下往上的定向凝固。
电磁铸锭法采用电磁感应加热熔化高纯硅料,容器为水冷铜坩埚利用 电磁力保持硅熔体的位置避免熔体与坩埚壁接触,能有效防止坩埚对熔体 的污染,在连续铸造时控制热流方向可本原理是将盛有金属液的坩锅置于一激冷基座上，在金属液 被动力学过冷的同时，金属液内建立起一个自下而上的温度梯度，冷 却过程中温度最低的底部先形核，晶体自下而上生长，形成定向排列 的树枝晶骨架，其间是残余的金属液。在随后的冷却过程中，这些金 属液依靠向外界散热而向已有的枝晶骨架上凝固，最终获得了定向凝 固组织。
(5)连续定向凝固
三、定向凝固的适用范围 1、单晶生长
单晶铜制备
控制固-液熔体前沿熔体的温度和速率。
TiNi单晶形状记忆合金制备
钛镍形状记忆合金具有良好的形状记忆效应和超弹性行为，较 高的力学性能，优良的耐腐蚀性能和良好的阻尼特性，在高保真音 频信号传输，高性能超微细导线的制备，高导电高耐磨电接触线， 航空发动机涡轮单晶叶片等诸多领域上的广泛应用。
第五章 定向凝固技术
一、定向凝固技术的概念和基本原理
1、定向凝固的概念 定向凝固是在凝固过程中采用强制手段，在凝固金属和凝固熔
体中建立起特定方向的温度梯度，从而使熔体沿着与热流相反的 方向凝固，得到具有特定取向晶态材料的技术。
二、定向凝固技术的发展过程
传统定向凝固技术→新型定向凝固技术
采用铸件与加热器相对移动方法形成形成轴向温度梯度，实现定向凝固