10.0 定向凝固技术

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定向凝固

定向凝固
原理：由隔热层将装置的上部加热区和下部冷却区隔开而形成沿着铸件轴向形成的一维温度梯度，铸件再上部被融化和过热，下部进行强制冷却，凝固界面位于隔热板附近，通过向下抽拉实现单向排列的凝固组织。

两个因素：（1）温度梯度：高的温度梯度提高界面稳定性，增加冷却速率，细化晶枝作用明显，细化伽马强化相，枝晶偏析减轻。

（2）控制界面位置：抽拉速率的提高，元素偏析先增大后减小。

HRS:高速凝固法LMC：液态金属冷却法
高温度梯度凝固：可以显著提高合金的持久性能和疲劳寿命，但是过快的凝固速率将会导致柱晶生长偏离<001>取向，由此引起持久强度的下降。

因此，合适的温度梯度和凝固速率才能获得最佳性能。

定向凝固锭技术文献综述

定向凝固锭技术文献综述Ξ清华大学　顾江平　赵　勇　刘　庄【提要】　本文在查阅专利文献和其它相关文献的基础上对定向凝固锭技术作了回顾和总结,供有关人员参考。

关键词:定向凝固　钢锭A Summ ary of L iterature on T echniques ofU nidirecti onal Solidificati on IngotsGu J i a ngp i n g　Zhao Y ong　L i u Zhuang[ABSTRACT]Based on consulting patent literature and other literature,this paper revie w ed and summ arized the techniques on the unidirecti onally s olidified ingots,p roviding reference for the related pers onnel.KE YWOR D S:U nidirecti onally Solidifying,Ingot1.引言(1)定向凝固锭提出的背景从七十年代后期开始,与能源相关的设备,如核电站设备、压力容器等的需求量增加,相应地用于这些设备的大型板类件激增。

这些板类件不仅趋于大重量、超厚度,而且对疏松、偏析、非金属夹杂物的要求极为严格,甚至还要求有较好锻造性能和焊接性能。

这些苛刻的要求对普通锭生产工艺提出了挑战。

众所周知,普通锭中存在正偏析、V偏析、A偏析、疏松及沉积锥(负偏析)等缺陷。

而且钢锭的重量越大,这些偏析越严重,越难于控制。

显然,如果用普通锭来制造核电站设备或压力容器,其在役期内的质量是较难保证的。

为改善大钢锭的质量,科技人员在大量的理论研究、实验研究及生产实践中认识了许多定量的或定性的规律。

一般认为,凝固过程中,局部溶质再分配会引起高浓度、低密度溶质在枝晶间的上浮和聚集,当其推进速度超过凝固前沿的推进速度时,将形成A偏析[1]。

定向凝固技术

5.1 定向凝固旳发展历史 5.2 定向凝固基本原理 5.3 定向凝固工艺 5.4 应用实例
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5.1定向凝固旳发展历史
定向凝固过程旳理论研究旳出现是在 1953年，那是Charlmers及其他旳同事们在定向凝固措施考察液/固界面形态演绎旳基础上提出了被人们称之为定量凝固科学旳里程碑旳成份过冷理论。
而当界面前沿存在成份过冷时，界面前沿因为不稳定原因而形成旳凸起会因为处于过冷区而发展，平界面失稳，造成树枝晶旳形成。
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成份过冷理论提供了判断液固界面稳定性旳第一种简要而合用旳判据，对平界面稳定性，甚至胞晶和枝晶形态稳定性都能够很好地做出定性地解释。
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1、成份过冷理论
纯金属旳凝固过程
在正旳温度梯度下，固液界面前沿液体几乎没有过冷，固液界面以平面方式向前推动，即晶体以平面方式向前生长。
在负旳温度梯度下，界面前方旳液体强烈过冷，晶体以树枝晶方式生长。
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成份过冷理论能成功旳鉴定低速生长条件下无偏析特征旳平面凝固，防止胞晶或枝晶旳生长。
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单晶在生长过程中绝对要防止固—液界面不稳定而生出晶胞或柱晶。故而固—液界面前沿不允许有温度过冷或成份过冷。固液界面前沿旳熔体应处于过热状态，结晶过程旳潜热只能经过生长着旳晶体导出。定向凝固满足上述热传播旳要求，只要恰当旳控制固—液界面前沿熔体旳温度和速率，是能够得到高质量旳单晶体旳。
但是这一判据本身还有某些矛盾，如：
成份过冷理论把平衡热力学应用到非平衡动力学过程中，必然带有很大旳近似性;

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。

定向凝固技术的发展与应用

定向凝固技术的发展与应用定向凝固技术的发展与应用摘要：定向凝固技术是指利用一定的设备，在一定的工艺条件下使材料的组织具有特殊取向从而获得优异性能的工艺过程。

定向凝固技术是伴随着高温合金的发展而逐步发展起来的。

本文综述了定向凝固技术的定向凝固理论，对比分析了不同定向凝固方法的优缺点，并从四个方面论述了提高温度梯度的途径，最后对定向凝固技术的发展及应用前景做了展望。

关键词：定向凝固；工艺特点；温度梯度；应用1.引言凝固是材料制备与加工的重要手段之一，先进的凝固技术为先进材料开发与利用提供了技术条件。

凝固过程中包含了热量、质量和动量的传输过程，它们决定了材料凝固组织和成分分布，进而影响材料性能。

近20年中，不仅开发出许多先进凝固技术，也丰富和发展了凝固理论。

其中，先进凝固技术主要集中于如下几种类型：定向凝固、快速凝固与近快速凝固技术、外加物理场（压力场、电磁场、超重力或微重力场）中的凝固技术以及强制流动条件下的凝固技术等。

定向凝固技术是对金属材料进行凝固过程进行研究的重要手段之一，可用于模拟合金的凝固过程，制备高质量航空发动机定向和单晶叶片等。

同时，也是研究固液界面形态及凝固组织行之有效的技术手段。

定向凝固技术的出现是涡轮叶片发展过程中的一次重大变革。

铸造高温合金叶片的制造工艺经历了从等轴晶铸造到定向单晶凝固的发展过程，不仅在晶粒结构的控制上取得了很大进展，而且铸造性能也有了很大提高，常规的铸造高温合金尽管有较高的耐温能力，但材料的中温蠕变强度较低。

定向凝固技术能够使晶粒定向排列，在垂直于应力方向没有晶界，同时由于沿晶粒生长的（001）方向具有最低的弹性模量，这样将大大降低叶片工作时因温度不均匀所造成的热应力，因此使蠕变断裂寿命和热疲劳强度得到很大提高，如DS Mar-M200+Hf比等轴晶合金热疲劳性能提高了8倍。

此后，随着各种定向凝固技术的不断发展，固液界面前沿的温度梯度不断增大、冷却速率逐渐提高，定向生产的叶片综合性能也日益提高。

定向凝固

工艺比较
工艺比较
几种新型定向凝固技术
区域熔化液态金属冷却法超高梯度定向凝固技术(ZMLMC) 深过冷定向凝固技术电磁约束成形定向凝固技术激光超高温度梯度快速定向凝固技术
区域熔化液态金属冷却法(ZMLMC)
ZMLMC法是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。
与传统定向凝固相比,深过冷定向凝固有下述特点: (1)深过冷凝固与快淬急冷液态金属具有相似的凝固机制,本质上均属快速凝固。 (2)定向凝固组织形成过程中的晶体生长速度高,组织结构细小,微观成分偏析程度低,促使铸件的各种力学性能大幅度提高。目前,深过冷的研究还局限于纯金属或简单的二元合金,如何获得具有一定外形的零件是关系到该技术能否实用化的主要问题。
第7章定向凝固技术
定向凝固技术
定向凝固技术的特点
定向凝固设备与方法
定向凝固中温度场分布
定向凝固中浓度场分布定向凝固界面稳定性
定向凝固技术的发展
从七十年代后期开始,与能源相关的设备, 如核电站设备、压力容器等的需求量增加,相应地用于这些设备的大型板类件激增。这些板类件不仅趋于大重量、超厚度,而且对疏松、偏析、非金属夹杂物的要求极为严格,甚至还要求有较好锻造性能和焊接性能。这些苛刻的要求对普通锭生产工艺提出了挑战。正是在上述背景下,法国和日本在七十年代末相继提出了小高径比、高冷却强度的定向凝固锭技术。
液态金பைடு நூலகம்冷却法
影响因素：冷却剂的温度模壳传热性、厚度和形状挡板位置熔液温度液态金属冷却剂的选择条件：有低的蒸气压，可在真空中使用熔点低，热容量大，热导率高不溶解在合金中价格便宜

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。

定向凝固技术

5.2 定向凝固基本原理
5.2.1 定向凝固技术的基本定义 5.2.2 定向凝固理论 5.2.3 定向凝固技术的适用范围
定在凝固过程中采用强制手段，在
向凝固金属和为凝固熔体中建立起
凝固
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，
获得具有特定取向柱状晶的技术。
定向凝固技术的工艺参数
凝固过程中固液界面前沿液相中的温度梯度GL
固液界面向前推进的速度R GL/R值是控制晶体长大形态的重要判据。
5.2.2 定向凝固理论
定向凝固技术实验的发展推动了凝固理论的发展和深入。 Charlmers、Tiller等人在研究中发现在合金中液固界面前沿由于溶质富集将会产生“成分过冷”导致平衡界面失稳而形成胞晶核枝晶。首次提出了成分过冷理论。
成分过冷理论提供了判断液固界面稳定性的第一个简明而适用的判据，对平界面稳定性，甚至胞晶和枝晶形态稳定性都能够很好地做出定性地解释。
但是这一判据本身还有一些矛盾，如：
成分过冷理论把平衡热力学应用到非平衡动力学过程中，必然带有很大的近似性;
在固液界面上引入局部的曲率变化要增加系统的自由能，这一点在成分过冷理论中被忽略了；
成分过冷理论没有说明界面形态的改变机制；
随着快速凝固新领域的出现，上述理论已不能适用。
2、绝对稳定性理论
MullniS 和 skeerka 鉴于成分过冷理论存在不足，提出一个考虑了溶质浓度场和温度场、固液界面能以及界面动力学的绝对稳定理论(MS理论)。对于平界面生长， Ms理论可表示为：
在此基础上，Charlmers、Tiller等人首次提出了著名的“成分过冷”判据：
GL mLC（0 k0 1） T0

简述定向(顺序)凝固的概念

简述定向(顺序)凝固的概念
定向(顺序)凝固是一种特殊的冷凝作用，其特点是在凝固过程
中有定向发展的能力，即凝固材料的微观结构可以朝一个特定
的方向发展，这与普通的凝固过程不同。

定向凝固可以按照不同的形式进行，它们囊括了若干技术，例
如熔模凝固、熔炉凝固、激光凝固和离子凝固。

它们可以精确
控制板块件材料的结构，从而为其在后面的切削、加工和组装
过程提供一种优化的解决方案。

定向凝固的主要优势是能够提高产品质量，并且产品经过定向
凝固之后可以大大提高结构强度。

它们可以很好的控制有害的
晶界胞晶的形成，从而提高凝固后的材料力学性能。

定向凝固
可以有效的减少材料结合过程中的力学应力，从而改善光学性能，使产品结构更加稳定，能满足客户对抗衰耗、高电流密度
和低功耗的要求。

此外，定向凝固还可以提高材料的耐热能力、抗化学介质能力
和电气绝缘性，因此它是一种有利可图的金属制造方式。

它在
机械制造、航空航天制造和军事制造领域中得到了广泛的应用。

总之，定向凝固可以提高产品的强度和稳定性，从而减少产品
的加工时间，降低加工成本，有效的提高产品的质量和性能，
是一种广泛应用的金属制造工艺技术。

定向凝固技术

定向凝固技术
定向凝固技术是一种用于制造具有特定晶体取向的金属或合金材料的技术。

这种技术通过控制材料的凝固过程，使其在特定方向上生长，从而获得具有特定晶体取向的材料。

定向凝固技术的基本原理是在材料凝固过程中，通过控制凝固速度和温度分布，使晶粒在特定方向上生长。

这种技术通常使用定向凝固炉或定向凝固模具来实现。

定向凝固技术的优点包括：
1. 可以获得具有特定晶体取向的材料，从而提高材料的力学性能和物理性能。

2. 可以控制材料的晶粒尺寸和分布，从而提高材料的强度和韧性。

3. 可以减少材料中的缺陷和杂质，从而提高材料的质量和可靠性。

定向凝固技术广泛应用于航空航天、汽车、电子、医疗等领域，特别是在制造高强度、高韧性、高耐腐蚀性的材料方面具有重要作用。

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。

定向凝固和单晶制备技术

优点：温度梯度容易控制缺点：设备较为复杂，能消耗较大，温度梯度较小
图7 PD法原理图

2 2.3
传统定向凝固技术
快速凝固法（HRS法）
1 快速凝固法是指铸件以一定的速度从炉中移出或炉子移离铸件，采用空冷的方式，而且炉子保持加热状态。这种方法由于避免了炉膛的影响，且利用空气冷却，因而获得了较高的温度梯度和冷却速度,，所获得的柱状晶间距较长，组织细密挺直，且较均匀，使铸件的性能得以提高。
对流下的定向凝固技术
重力场作用下的定向凝固技术
2 2.1
传统定向凝固技术
炉外法
又叫发热剂法，是定向凝固工艺中最原始的一种。 1 基本原理：将铸型预热至一定温度后，迅速放到激冷板上并进行浇铸，激冷板上喷水冷却，从而在金属液和已凝固金属中建立一个自下而上的温度梯度，实现单向凝固。也有采用发热铸型的，铸型不预热，而是将发热材料充在铸型壁四周，底部采用喷水冷却。
镍铬合金
实例
表2-1:Mar-M200合金三种不同定向凝固工艺比较 1
2
传统定向凝固技术总结
小结
定向凝固技术从炉外法发展到炉内法，从PD法 1 LMC法其目的都是共同的，都是通过改 HRS法再到变对凝固金属的冷却方式来提高对单向热流的控制，从而获取更理想的定向凝固组织，尤其是LMC方法已经被美国、俄罗斯等国家利用航空发动机的叶片。然后，这些方法所获得的冷却速度却是有限的，从而引发了对新型定向凝固技术的研究。
图10 区域融化液态金属冷却原理图
3
新型定向凝固技术
激光超高温度梯度快速定向凝固
定向凝固方法，由于受加热方法的限制，温 1 度梯度不可能再有很大提高，要使温度梯度产生新的飞跃，必须寻求新的热源或加热方式。

第八章-凝固新技术—定向凝固

采用定向凝固技术可以生产具有优良的抗热冲击性能较长的疲劳寿命较好的蠕变抗力和中温塑性的薄壁空心涡轮叶片。应用这种技术能使涡轮叶片的使用温度提高10～30oC，涡轮进口温度提高 20～60oC，从而提高发动机的推力和可靠性，并延长使用寿命。
进口温度提高50度，推力提高10%。
2、单晶在单晶硅中掺入微量的第ЩA族元素，形成P型半导体，掺
入微量的第VA族元素，形成N型。单晶硅主要用于制作半导体元件如芯片、太阳能电池板。
氟化钙单晶在紫外、可见光和红外波段都有很高的透过率，机械性
能好。制作红外光学系统中的光学棱镜、透镜和窗口等光学元件。
图 2 光学晶体CaF2 (左1:φ220×150mm).
金属单晶具有特殊的力学物理性能
2、定向凝固原理 —如何实现定向凝固？
→ 液相线温度TL(x‘)随x’增大上升
→ 当GL（界面前沿液相的实际温度梯度）小于液相线的斜率时，即:
GL
TL ( x ' )
x '
x' 0
出现“成分过冷” 。
T M
T
S C =C S0
C*
C% L C*
S
m
a)
L
C *=C /k
L
00
C (X') L
C%
b)
C 0
界面
界面
X'
T
T实 1
际
T 实际 2
• 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

定向凝固技术1、定向凝固的研究状况定向凝固成形技术是伴随高温合金的发展而逐渐发展起来的，是在凝固过程中采用强制手段，在凝固金属和未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，以获得具有特定取向柱状晶的技术。

定向凝固技术很好的控制了凝固组织的晶粒取向，消除横向晶界，提高了材料的纵向力学性能，因而自美国普拉特·惠特尼航空公司采用高温合金定向凝固技术以来，这项技术得到广泛的应用。

1.1定向凝固理论的研究定向凝固理论的研究，主要涉及定向凝固中液-固界面形态及其稳定性，液-固界面处相变热力学、动力学，定向凝固过程晶体生长行为以及微观组织的演绎等，其中包括成分过冷理论、MS 界面稳定性、线性扰动理论、非线性扰动理论等。

从Chalmers[1]等的成分过冷理论到Mullins[2]等的界面稳定动力学理论(MS理论)，人们对凝固过程有了更深刻的认识。

下面主要分析一下成分过冷理论和界面稳定性理论。

（1）成分过冷理论成分过冷理论是针对单相二元合金凝固过程界面成分的变化提出的，如对于平衡分配系数小于1的合金在冷却下来时，由于溶质在固相和液相中的分配系数不同，溶质原子随着凝固的进行，被排挤到液相中去，并形成一定的浓度梯度，与这种溶质梯度相对应的液相线温度与真实温度分布之间有不同的值，其差值大于零时，意味着该部分熔体处于过冷状态，有形成固相的可能性而影响界面的稳定性。

Chalmers等人通过分析得出了成分过冷的判据，确定了合金凝固过程中固液界面前沿的形态取决于两个参数：GL/v和GL·v，即分别为界面前沿液相温度梯度和凝固速度的商和积。

前者决定了界面形态，而后者决定了晶体的显微组织（即枝晶间距或晶粒大小）[3]。

成分过冷理论能成功的判定无偏析特征的平面凝固的条件，避免胞晶或枝晶的生成。

但是成分过冷理论只考虑了温度梯度和浓度梯度这两个具有相反效应的因素对界面稳定性的影响，忽略了非平面界面的表面张力、凝固时的结晶潜热及固相中温度梯度等的影响。

定向凝固技术

从Chalmers[1]等的成分过冷理论到Mullins[2]等的界面稳定动力学理论(MS理论)，人们对凝固过程有了更深刻的认识。

下面主要分析一下成分过冷理论和界面稳定性理论。

前者决定了界面形态，而后者决定了晶体的显微组织（即枝晶间距或晶粒大小）[3]。

成分过冷理论能成功的判定无偏析特征的平面凝固的条件，避免胞晶或枝晶的生成。

10.0定向凝固技术讲解

▪ 坩埚下降法，从熔体中生长晶体的方法。通常，坩埚在结晶炉中下降，通过温度梯度较大的区域时，熔体在坩埚中自下而上结晶为整块晶体。这个过程也可以用结晶炉沿着坩埚上升，或者坩埚和结晶炉都不动通过结晶炉缓慢降温来实现
▪ 晶体提拉法
▪ 这是一种直接从熔体中拉出单晶的方法。熔体置柑塌中，籽晶固定于可以旋转和升降的提拉杆上。降低提拉杆，将籽晶插入熔体，调节温度使籽晶生长。提升提拉杆，使晶体一面生长，一面被慢慢地拉出来。这是从熔体中生长晶体常用的方法。用此法可以拉出多种晶体，如单晶硅、白钨矿、钇铝榴石和均匀透明
▪ 在R固定时， ▪ 增加Gs可增强固相的散热强度 -----实际中用来获得较大的GL的重要途径提高固液界面前沿熔体的温度
-----界面附近加辐射板
二、常用定向凝固方法
发热剂法
▪ 方法
功率降低法快速凝固法液态金属冷却法
（1）发热剂法
▪ 其原理是水冷模底部采用水冷铜底座，顶部覆盖发热剂，侧壁采用隔热层绝热，浇入金属液后，在金属液和已凝固金属中建立起一个自下而上的温度梯度，使铸件自下而上，实现定向凝固。由于所能获得的温度梯度小和沿高度不断减小，而且很难控制。因此，该法只可用于制造要求不高的零件。
（2）功率降低法：
自下而上顺序关闭加热线圈，调节功率，使金属建立一个自下而上的温度梯度场，实现定向凝固
（3）快速凝固法
（4）液态金属冷却法
1．浸入机构2 真空室3．坩埚4．炉管 5．挡板6，加热线圈7．冷却剂8．模壳
▪ 作为冷却剂的液态金属应满足以下要求： 1）熔点低，有良好的热学性能。 2）不溶于合金中。 3）蒸气压低，可在高真空条件下使用。 4）价格便宜
▪ 形成柱状晶的基本条件：热流方向定向定向散热