10.0 定向凝固技术
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形成柱状晶的基本条件： 热流方向定向 定向散热
（பைடு நூலகம்）单晶生长
1、单晶体的特点 （1）晶体和熔体成分相同 （2）晶体和熔体成分不同 （3）有第二相或出现共晶相的晶体
2、单晶体的制备方法
坩埚移动 晶体提拉 炉体移动 制备方法 区熔法
正常凝固法
水平区熔法
悬浮区熔法
(1)正常凝固法 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
（三）定向凝固合金的力学行为
1、弹性各向异性 2、塑性各向异性 3、蠕变特性 4、循环形变 5、断裂
第三节 非重力凝固
失重条件（也称微重力条件）的凝固与重力 条件下完全不同，如无容器条件下的形核以 及由温度梯度（或密度梯度）引起的对流等， 使得不同成分的液体能够长时间共存，因此 可以减少沿凝固方向的成分偏析，还可以利 用微重力条件制备难混熔偏晶合金。
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 的红宝石等。
优点： 1）可观察晶体生长情况 2）晶体在自由表面处生长，减少晶体的应力， 防止寄生生核。 3）可以以较快的速度生长，晶体直径可控
（2）区熔法
水平区熔法 悬浮区熔法 悬浮区熔法是在20世纪50年代提出 并很快被应用到晶体制备技术中。 在悬浮区熔法中，使圆柱形硅棒固 定于垂直方向，用高频感应线圈在 氩气气氛中加热，使棒的底部和在 其下部靠近的同轴固定的单晶籽晶 间形成熔滴，这两个棒朝相反方向 旋转。然后将在多晶棒与籽晶间只 靠表面张力形成的熔区沿棒长逐步 向上移动，将其转换成单晶。
在微重力场下液态金属的特点 ① 液态金属由于重力引起的对流几乎消失 ②液态金属中由于不同物质密度差引起的下沉、上 浮以及成分偏析现象几乎消失。 ③掖体表面张力和润湿作用变得突出 ④可进行无容器加工 ⑤可在高真空条件下凝固．在距地球表面500km 的 太空轨道飞行器上，真空下，可排除金属材料中 的气体，制取高纯材料。 ⑤ 可在液态急冷条件下凝固。
二、超重力凝固
超重力的获得： 离心机
结晶 减少条纹缺陷
小 结
定向凝固 非重力凝固
作 业
6.4 6.6 6.7
目前，定向凝固技术的最主要应用是生产具有均匀柱 状晶和单晶组织的铸件，特别是在航空领域生产高温 合金的发动机叶片，与普通铸造方法获得的铸件相比， 该技术使叶片的高温强度、抗蠕变和持久性能、热疲 劳性能得到大幅度提高
（一）柱状晶的生长
采用定向凝固工艺，使晶体有控制的向着 与热流方向相反的方向生长，减少偏析、 疏松，形成取向平行于主应力轴的经历。
二、 微重力试验环境的获得
落塔 塔内有“舱体”，从塔顶自由下落时 舱内呈现失重状态，就像太空飞行器在 运行中出现失重一样。落塔中的舱体在 很短时间就落到地上，当今世界上落差 最大的落塔(利用废竖井建成，约800米) 也不过获取10秒失重时间。
中关村新景--110米高 “落塔”
还有利用上抛、下落全过程取得失重时间的， 也是10秒。这短短数秒却是宝贵的，有些 太空实验过程可在塔内模拟重现。严格地 讲，整个过程中不可能完全失重，称作微 重力实验塔更准确。这种塔全球有数十座， 有高出地面的、也有地下的，还有地上、 地下结合的。
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 功率降低法
方法
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。
常用的液态金属 Ga—In合金和Ga—In—Sn合金，以及sn液和Al液， 前二者熔点低，但价格昂贵，因此只适于在实验室条 件下使用。 Sn液熔点稍高(232℃)，但由于价格相对比较便宜， 冷却效果也比较好，因而适于工业应用。 该法已被美国、前苏联等国用于航空发动机叶片的生 产。
三、定向凝固技术的应用
（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
第二节 定向凝固
一、定向凝固工艺参数
定向凝固技术是在高温合金的研制中建立 和完善起来的。该技术最初用来消除结晶 过程中生成的横向晶界，甚至消除所有晶 界，从而提高材料的高温性能和单向力学 性能。
在定向凝固过程中温度梯度GL和凝固速率 R这两个重要的凝固参数能够独立变化，可 以分别研究它们对凝固过程的影响。这既 促进了凝固理论的发展，也激发了不同定 向凝固技术的出现。
（பைடு நூலகம்）单晶生长
1、单晶体的特点 （1）晶体和熔体成分相同 （2）晶体和熔体成分不同 （3）有第二相或出现共晶相的晶体
2、单晶体的制备方法
坩埚移动 晶体提拉 炉体移动 制备方法 区熔法
正常凝固法
水平区熔法
悬浮区熔法
(1)正常凝固法 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
（三）定向凝固合金的力学行为
1、弹性各向异性 2、塑性各向异性 3、蠕变特性 4、循环形变 5、断裂
第三节 非重力凝固
失重条件（也称微重力条件）的凝固与重力 条件下完全不同，如无容器条件下的形核以 及由温度梯度（或密度梯度）引起的对流等， 使得不同成分的液体能够长时间共存，因此 可以减少沿凝固方向的成分偏析，还可以利 用微重力条件制备难混熔偏晶合金。
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 的红宝石等。
优点： 1）可观察晶体生长情况 2）晶体在自由表面处生长，减少晶体的应力， 防止寄生生核。 3）可以以较快的速度生长，晶体直径可控
（2）区熔法
水平区熔法 悬浮区熔法 悬浮区熔法是在20世纪50年代提出 并很快被应用到晶体制备技术中。 在悬浮区熔法中，使圆柱形硅棒固 定于垂直方向，用高频感应线圈在 氩气气氛中加热，使棒的底部和在 其下部靠近的同轴固定的单晶籽晶 间形成熔滴，这两个棒朝相反方向 旋转。然后将在多晶棒与籽晶间只 靠表面张力形成的熔区沿棒长逐步 向上移动，将其转换成单晶。
在微重力场下液态金属的特点 ① 液态金属由于重力引起的对流几乎消失 ②液态金属中由于不同物质密度差引起的下沉、上 浮以及成分偏析现象几乎消失。 ③掖体表面张力和润湿作用变得突出 ④可进行无容器加工 ⑤可在高真空条件下凝固．在距地球表面500km 的 太空轨道飞行器上，真空下，可排除金属材料中 的气体，制取高纯材料。 ⑤ 可在液态急冷条件下凝固。
二、超重力凝固
超重力的获得： 离心机
结晶 减少条纹缺陷
小 结
定向凝固 非重力凝固
作 业
6.4 6.6 6.7
目前，定向凝固技术的最主要应用是生产具有均匀柱 状晶和单晶组织的铸件，特别是在航空领域生产高温 合金的发动机叶片，与普通铸造方法获得的铸件相比， 该技术使叶片的高温强度、抗蠕变和持久性能、热疲 劳性能得到大幅度提高
（一）柱状晶的生长
采用定向凝固工艺，使晶体有控制的向着 与热流方向相反的方向生长，减少偏析、 疏松，形成取向平行于主应力轴的经历。
二、 微重力试验环境的获得
落塔 塔内有“舱体”，从塔顶自由下落时 舱内呈现失重状态，就像太空飞行器在 运行中出现失重一样。落塔中的舱体在 很短时间就落到地上，当今世界上落差 最大的落塔(利用废竖井建成，约800米) 也不过获取10秒失重时间。
中关村新景--110米高 “落塔”
还有利用上抛、下落全过程取得失重时间的， 也是10秒。这短短数秒却是宝贵的，有些 太空实验过程可在塔内模拟重现。严格地 讲，整个过程中不可能完全失重，称作微 重力实验塔更准确。这种塔全球有数十座， 有高出地面的、也有地下的，还有地上、 地下结合的。
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 功率降低法
方法
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。
常用的液态金属 Ga—In合金和Ga—In—Sn合金，以及sn液和Al液， 前二者熔点低，但价格昂贵，因此只适于在实验室条 件下使用。 Sn液熔点稍高(232℃)，但由于价格相对比较便宜， 冷却效果也比较好，因而适于工业应用。 该法已被美国、前苏联等国用于航空发动机叶片的生 产。
三、定向凝固技术的应用
（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
第二节 定向凝固
一、定向凝固工艺参数
定向凝固技术是在高温合金的研制中建立 和完善起来的。该技术最初用来消除结晶 过程中生成的横向晶界，甚至消除所有晶 界，从而提高材料的高温性能和单向力学 性能。
在定向凝固过程中温度梯度GL和凝固速率 R这两个重要的凝固参数能够独立变化，可 以分别研究它们对凝固过程的影响。这既 促进了凝固理论的发展，也激发了不同定 向凝固技术的出现。