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材料合成与制备新技术课件第五章定向凝固

温度梯度控制
温度梯度对凝固过程的影响需要进一步研究和优化。
工艺稳定性
定向凝固工艺的稳定性和一致性需要提高，以便大规模应用。
新材料研究
未来定向凝固将用于开发新型材料，满足不同领域的需求。
总结
定向凝固是一种重要的材料合成与制备新技术，具有广泛的应用前景和潜力。通过进一步研究和优化，定向凝固将为材料科学和工程领域带来更多突破和创新。
定向凝固可制备高性能金属合金铸件，提高材料的力学性能和耐热性。
定向凝固技术的优点
1 晶体和材料的有序排列
定向凝固可实现晶体和材料的有序排列，提高性能和功能。
2 减少晶界和缺陷
定向凝固可减少晶界和缺陷，提高材料的强度和韧性。
3 制备复杂结构材料
定向凝固可制备复杂结构的材料，扩展应用领域和功能。
存在的问题及未来发展趋势
定向凝固过程控制及设备
定向凝固的关键是控制凝固速度、温度梯度和界面形态，常用设备包括自由凝固、悬浮液凝固和偏心凝固等。
应用案例介绍
半导体晶片制备
定向凝固可用于制备高纯度的半导体晶片，提高电子元件的性能和可靠性。
单晶涡轮叶片
定向凝固可制备单晶涡轮叶片，提高航空发动机的效率和寿命。
金属合金铸件
材料合成与制备新技术课件第五章定向凝固
定向凝固是一种重要的材料制备技术，本章将介绍其概念、控制方法、应用案例和未来发展趋势。
定向凝固技术概述
定向凝固是一种制备晶体和材料的技术，通过控制凝固过程中的温度梯度和固液界面形态，实现晶体和材料的有序排列和定向生长。
晶体生长与定向凝固的异同
虽然晶体生长和定向凝固都涉及材料的凝固过程，但定向凝固在固液界面形态和晶体排列定向等方面有独特优势和应用。

定向凝固和单晶制备技术PPT课件

最高温度梯度可达1300K/cm，最大冷却速度可达50K/s。
图10 区域融化液态金属冷却原理图
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新型定向3 凝固技术
3.2 激光超高温度梯度快速定向凝固
1定度向梯凝度固不方可法能，再由有于很受大加提热高方，法要的使限温制度，梯温度
产生新的飞跃，必须寻求新的热源或加热方式。
图14 原理图
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பைடு நூலகம்
新型定向3 凝固技术
3.6 对流下的定向凝固技术
基本原理：在加速旋转过程中造成液相强迫对温流度，梯液度相极快大速的1 流提动高引，起非界常面有前利沿于液液相相中溶的质的均匀混合和材料的平界面生长，枝晶生长形态发生显著的变化，由原来具有明显主轴的枝晶变为无明显主轴的穗状晶，穗状晶具有细密的显微组织。
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新型定向3 凝固技术
3.1 区域熔化液态金属冷却法
基本原理：采用区域熔化和液态金属冷却相结合的方法。它利用感应加热，集中对 1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。
图13 原理图
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新型定向3 凝固技术
3.5 侧向约束下的定向凝固技术
基本原理：随着试样截面的突然减小，合金凝固组织由发达的粗枝状很快转化为细的胞状。随着凝固的继续进行，
胞晶间距1继续增加，之后胞晶间距保持基本恒定，凝固进
入新的稳态，最后当试样截面由小突然增大时，凝固形态也由胞状很快转化为粗枝状。
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定向1凝固技术概述
1.3 定向凝固技术的理论基础

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39、没有不老的誓言，没有不变的承诺，踏上旅途，义无反顾。 40、对时间的价值没有没有深切认识的人，决不会坚韧勤勉。
Hale Waihona Puke 6、最大的骄傲于最大的自卑都表示心灵的最软弱无力。——斯宾诺莎 7、自知之明是最难得的知识。——西班牙 8、勇气通往天堂，怯懦通往地狱。——塞内加 9、有时候读书是一种巧妙地避开思考的方法。——赫尔普斯 10、阅读一切好书如同和过去最杰出的人谈话。——笛卡儿
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36、“不可能”这个字(法语是一个字 )，只在愚人的字典中找得到。--拿破仑。 37、不要生气要争气，不要看破要突破，不要嫉妒要欣赏，不要托延要积极，不要心动要行动。 38、勤奋，机会，乐观是成功的三要素。(注意：传统观念认为勤奋和机会是成功的要素，但是经过统计学和成功人士的分析得出，乐观是成功的第三要素。
Thank you

材料合成与制备新技术》课件：第五章定向凝固

金属材料领域
制备高性能合金、金属基复合材料等。
能源领域
制备核反应堆燃料元件、太阳能电池板等。
复合材料领域
制备纤维增强复合材料、梯度功能复合材料等。
02
定向凝固的原理与特点
BIG DATA EMPOWERS TO CREATE A NEW
ERA
定向凝固的原理
定向凝固是一种通过控制热流方向，使液态金属在特定方向上凝固结晶的技术。
ERA
定向凝固技术的定义
01
定向凝固技术是一种通过控制热流和物质流，使金属或合金从液态到固态在特定方向上实现单向凝固的工艺方法。
02
在定向凝固过程中，固液界面在特定方向上保持恒定，使晶体沿着这个方向生长，从而获得具有单一取向的晶体组织。
定向凝固技术的发展历程
20世纪50年代
定向凝固技术初步发展，主要应用于高温合金的制备。
详细描述
热压定向凝固法是在高温下对熔体施加单向压力，使熔体在压力下凝固结晶。这种方法可以控制晶体的生长方向，获得单晶体或单向性良好的多晶体。热压定向凝固法具有较高的生产效率和较低的成本，适用于大规模生产。
快速定向凝固法
总结词
通过快速冷却技术，使熔体在极短时间内凝固，以获得定向凝固组织。
详细描述
快速定向凝固法采用快速冷却技术，使熔体在极短时间内凝固结晶。这种方法可以获得具有定向凝固组织的材料，提高材料的力学性能和热物理性能。快速定向凝固法可以采用各种快速冷却技术，如激光束、电子束、高压气体等。
真空定向凝固
在真空环境下进行定向凝固，降低杂质和气体含量，提高材料纯度和性能。
拓展定向凝固技术的应用领域
航空航天领域
利用定向凝固技术制备高性能轻质材料，满足航空航天领域对材料的高要求。

定向凝固技术及其运用

影响因素： 1冷却剂的温度
2 模壳传热性、厚度和形状 3 挡板位置 4 熔液温度 5液态金属冷却剂的选择条件： 6 有低的蒸气压，可在真空中使用 7 熔点低，热容量大，热导率高 8 不溶解在合金中 9 价格便宜
流态床冷却法（FBQ法）
在相同条件下，液态金属冷却法的温度梯度GTL为100～300℃/cm，流态床冷却法的温度梯度GTL为100～200℃/cm，两者的凝固速率和糊状区宽度相同，分别50～
ห้องสมุดไป่ตู้
深过冷定向凝固技术
➢ 过冷熔体中的定向凝固首先由B.Lux等人在1981年提出
➢ 基本原理：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。
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。利用激光快速熔凝方法可以实现与Bridgman法相似的超高温度梯度快速定向凝固,其温度梯度可高达106K/m,速度可高达24mm/s,冷却速度较区熔液态金属冷却法大大提高(约为三个数量级)。
可以在保持较高力学性能的同时实现人骨所需的较大的空孔率, 同时它具有减震性、耐磨性和化学稳定性, 这对绝大多数不具备自恢复效应的人工骨材料来说是极为重要的。
谢谢！
所谓定向凝固，就是指在凝固过程中采用强制手段，在凝固金属样未凝固熔体中建立起沿特定方向的温度梯度，从而使熔体在气壁上形核后沿着与热流相反的方向，按要求的结晶取向进行凝固的技术。

定向凝固技术及其运用

定向凝固技术能够减少材料浪费，降低生产成
本。
该技术适用于多种材料，如金属、陶瓷等，具有
广泛的适用性。
挑战
技术门槛高
定向凝固技术需要专业的设备和熟练的操作人员，增加了技术门槛。
成本高
由于需要高精度的设备和专业的操作人员，导致定向凝固技术的成本较高。
生产周期长
由于定向凝固技术的生产过程较为复杂，导致生产周期相对较长。
降低能耗和减少废弃物排放，推动定向凝固技术的可持续发展。
03
跨学科融合
定向凝固技术涉及到材料科学、物理学、化学等多个学科领域，未来将
加强跨学科的交流与合作，促进定向凝固技术的创新发展。
05
定向凝固技术的前沿研究与最新进展
前沿研究
定向凝固技术的基本原理
定向凝固技术是一种先进的金属材料制备技术，通过控制金属材料的凝固过程，实现材料的定向生长和组织控制。目前，研究者正在深入研究定向凝固技术的基本原理，包括凝固过程中的传热、传质和流动等机制，以期进一步优化材料的性能。
特点
可制备单向组织材料，可实现材料的轻量化、具有优异的力学性能。小型化和高效化。
可用于制备高性能的金属基复合材料和陶瓷基复合材料。
发展历程
01
02
03
04
20世纪50年代
定向凝固技术初步发展，主要应用于制备单晶材料。
20世纪60年代
定向凝固技术逐渐成熟，开始应用于航空航天领域。
20世纪70年代
定向凝固技术的工业应用
随着技术的成熟和进步，定向凝固技术已经逐渐从实验室走向工业化应用。目前，定向凝固技术已经在汽车、航空航天、能源和轨道交通等领域得到广泛应用，为现代工业的发展提供了重要的技术支持。

【优】凝固组织与技术PPT资料

顶部覆盖发热剂的铸型中，在金属液和已凝固金属中建立起一个自上
而下的温度梯度，使铸件自上而下进行凝固，实现单向凝固。
定向凝固技术
• b 功率降低法（PD法）:将保温炉的加热器分成几组，保温炉是分段加热的。当熔融的金属液置于保温炉内后，在从底部对铸件冷却的同时，自下而上顺序关闭加热器，金属则自下而上逐渐凝固，从而在铸件中实现定向凝固。
c 工作表面熔化与自淬火法(surface melting and selfquenching)：用激光束或电子束扫描工件表面，使表面极薄层的金属迅速熔化，热量由下层基底金属迅速吸收，使表面层(<10 μm）在很高的冷却速度(>108℃/S)下重新凝固。
快速凝固技术
d雾化法(atomization)：普通雾化法其冷却速度不超过102~103 ℃/S。为加快冷却速度，采取冷却介质的强制对流，使合金液在N2、 Ar、He等气体的喷吹下，雾化凝固为细粒，或使雾化后的合金在高速水流中凝固。
• c 高速凝固法（HRS法）:为了改善功率降低法在加热器关闭后，冷却速度慢的缺点，在Bridgman晶体生长技术的基础上发展成了一种新的定向凝固技术，即高速凝固法。
定向凝固技术
• d 区域熔化液态金属冷却法（ZMLMC法）:该方法采用在距液固界面极近的位置处设置感应线圈进行强制加热，使金属局部熔化过热，产生的熔化区很窄，从而将液固界面位置下压，同时使液相中的最高温度尽量靠近凝固界面，启动抽拉装置，不断地向下抽拉熔化的试样进入液态合金中冷却。
4 快速凝固技术在镁合金中的应用 5 快速凝固技术在铝合金上的应用
定向凝固技术
• 1 定义：
• 定向凝固是在凝固的过程中采用强制手段，在凝固金属和凝固熔体中

定向凝固技术及其应用

定向凝固技术及其应用1.定向凝固理论基础及方法定向凝固又称定向结晶，是指金属或合金在熔体中定向生长晶体的一种方法。

定向凝固技术是在铸型中建立特定方向的温度梯度，使熔融合金沿着热流相反的方向，按要求的结晶取向进行凝固铸造的工艺。

它能大幅度地提高高温合金综合性能。

定向凝固的目的是为了使铸件获得按一定方向生长的柱状晶或单晶组织。

定向凝固铸件的组织分为柱状、单晶和定向共晶3种。

要得到定向凝固组织需要满足的条件，首先要在开始凝固的部位形成稳定的凝固壳，凝固壳的形成阻止了该部位的型壁晶粒游离，并为柱状晶提供了生长基础，该条件可通过各种激冷措施达到。

其次，要确保凝固壳中的晶粒按既定方向通过择优生长而发展成平行排列的柱状晶组织，同时，为使柱状晶的纵向生长不受限制，并且在其组织中不夹杂有异向晶粒，固液界面前方不应存在生核和晶粒游离现象。

这个条件可通过下述措施来满足：（1）严格的单向散热。

要使凝固系统始终处于柱状晶生长方向的正温度梯度作用下，并且要绝对阻止侧向散热，以避免界面前方型壁及其附近的生核和长大。

（2）要有足够大的液相温度梯度与固液界面向前推进速度比值以使成分过冷限制在允许的范围内。

同时要减少熔体的非均质生核能力，这样就能避免界面前方的生核现象，提高熔体的纯净度，减少因氧化和吸氧而形成的杂质污染，对已有的有效衬底则通过高温加热或加入其他元素来改变其组成和结构等方法均有助于减少熔体的非均质生核能力。

（3）要避免液态金属的对流。

搅拌和振动，从而阻止界面前方的晶粒游离，对晶粒密度大于液态金属的合金，避免自然对流的最好方法就是自下而上地进行单向结晶。

当然也可以通过安置固定磁场的方法阻止其单向结晶过程中的对流。

从这三个条件我们可以推断，为了实现定向凝固，在工艺技术上必须采取措施避免侧向散热，同时在靠近固液界面的熔体中维持较高的温度梯度。

定向生长理论和它的应用很大程度上取决于先进定向凝固技术。

自从Bridgman和Stockbarger在20世纪20年达提出奠定了现代定向凝固和单晶生长技术基础的Bridgman定向凝固技术，定向凝固就被广泛运用于制备各种结构和功能材料。

第八章-凝固新技术—定向凝固

• 凝固过程中固-液界面前沿液相中的温度梯度GL • 固-液界面向前推进速度，即晶体生长速度R • GL/R值是控制晶体长大形态的重要判据
在提高GL的条件下，增加R，才能获得所要求的晶体形态，细化组织，改善质量，并且，提高定向凝固铸件生产率。
定向凝固技术和装置不断改进，其关键技术之一是提高固-液界面前沿液相中的温度梯度GL。目前， GL已经达到 100-300℃/cm，工业生产中已达到30-80℃/cm。
西北工业大学李建国等人通过改变加热方式，在液态金属冷却法（LMC法）的基础上发展的一种新型定向凝固技术—区域熔化液态金属冷却法，即ZMLMC法。
33
这种方法将区域熔炼与液态金属冷却相结合，利用感应加热机中队了凝固洁面前沿液相进行加热，从而有效地提高了固液前沿的温度梯度。西北工业大些研制的 ZMLMC定向凝固装置，其最高温度梯度可达1300K/cm,最
怎么看都是个美女，可是她与众不同，十分特殊。
7、鬓珠作衬，乃具双目如
星复作月，脂窗粉塌能鉴人。略有妖意，未见媚态，妩然一段风姿，谈笑间，唯
少
• 定向凝固涡轮叶片，寿命是普通铸造的2.5倍 • 单晶叶片，寿命是普通铸造的5倍
等轴晶、定向柱状晶、单晶叶片
自1965年美国普拉特·惠特尼航空公司采用高温合金定向凝固技术以来，这项技术已经在许多国家得到应用。
此外，由于凝固速率慢，铸件偏析严重，热处理困难。因此HRS法生产重型燃机用大尺寸叶片时，成品率低，效率低，成本高。
• 4．液态金属冷却法(L．M．C法)
• 1974年出现的一种新的单向凝固方法； • 工艺过程与H.R.S 法基本相同，主要区别：在于冷却介质为低
熔点的液态金属。当合金液浇入型壳后，按选择的速度将壳型拉出炉体，模壳直接浸入金属浴中冷却。金属浴的水平面保持在凝固的固一液界面近处，并使其保持在一定温度范围内。散热大大增强。

定向凝固

高速凝固法
为了改善功率降低法在加热器关闭后，冷却速度慢的缺点，在Bridgman晶体生长技术的基础上发展成了一种新的定向凝固技术，即快速凝固法。
应用
普通铸造获得的是大量的等轴晶，等轴晶粒的长度和宽度大致相等，其纵向晶界与横向晶界的数量也大致相同。对高温合金涡轮叶片的事故分析发现，由于涡轮高速旋转时叶片受到的离心力使得横向晶界பைடு நூலகம்纵向晶界更容易开裂。应用定向凝固方法，得到单方向生长的柱状晶，不产生横向晶界，较大地提高了材料的单向力学性能。应用单晶铸造获得的单晶叶片可显著提高现代航空对于磁性材料，应用定向凝固技术，可使柱状晶排列方向与磁化方向一致，大大改善了材料的磁性能。定向凝固技术还广泛用于自生复合材料的生产制造，用定向凝固方法得到的自生复合材料消除了其他复合材料制备过程中增强相与基体间界面的影响，使复合材料的性能大大提高。
定义
定向凝固是在凝固过程中采用强制手段，在凝固金属样未凝固熔体中建立起沿特定方向的温度梯度，从而使熔体在气壁上形核后沿着与热流相反的方向，按要求的结晶取向进行凝固的技术。该技术最初是在高温合金的研制中建立并完善起来的。采用、发展该技术最初是用来消除结晶过程中生成的横向晶界，从而提高材料的单向力学性能。该技术运用于燃气涡轮发动机叶片的生产，所获得的具有柱状乃至单晶组织的材料具有优良的抗热冲击性能、较长的疲劳寿命、较高的蠕变抗力和中温塑性，因而提高了叶片的使用寿命和使用温度，成为当时震动冶金界和工业界的重大事件之一。
定向凝固
使金属或合金在熔体中定向生长晶体的工艺方法
01 定义
03 方法
目录
02 原理 04 应用
定向凝固，又称为定向结晶，是指使金属或合金在熔体中定向生长晶体的一种工艺方法。定向凝固技术是在铸型中建立特定方向的温度梯度，使熔融合金沿着热流相反方向，按要求的结晶取向进行凝固铸造的工艺。它能大幅度地提高高温合金综合性能。