C u- Z r 合金定向凝固组织的研究
材料合成与制备 第5章 定向凝固技术
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。
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。
向凝固织构的研究及其机理的探讨
摘要织构在传统的基础上，经过多年的发展已成为一门新兴发展的科学而受到了人们广泛的关注。
广义的说，某种具有择优取向的结构称为织构。
其特点之一是晶粒的微观取向可以在宏观某方向上得到表现，故显示了微观取向和宏观某方向的统一，可以体现出各种宏观性能的各向异性。
大多数的金属材料都存在这种现象，这就使得织构的研究加倍重要。
大量的实验和理论的创新丰富了这门科学的内容，并进一步推动了与之相关联的其他学科的发展，从而使这门学科所涵盖的知识面更加广博，因此随着织构这一科学的不断完善发展，也就出现了不同的分支。
定向凝固织构就是其中的一种很具代表意义的分支。
它主要是通过定向凝固的手段，使金属或合金生长出某一特定织构，从而满足性能在某个方向的择优的要求。
国内外许多研究人员已经做了许多相关实验，通过改变实验条件而改变织构的方向，并且发现了不同结构的金属或合金能产生的不同织构。
但是，到底是什么因素影响织构的生长呢？织构生长的机理是什么呢？在这方面至今还没什么进展，因而机理的提出对于定向凝固织构方面的工作就显得尤为重要。
本人在硕士阶段通过对面心立方，体心立方，密排六方和菱方结构四种具有不同结构和对称性的织构的研究，并做出了面心立方，密排六方和菱方结构的金属或合金的定向凝固样品，对他们进行了极图，反极图和ODF 定量分析，得出了它们的织构，然后从结晶学的角度考虑晶体生长习性，提出了不同晶体结构的定向凝固织构的生长机理。
这一机理可以很好解释并预测单一温度场条件下的各种结构的定向凝固织构。
虽然这一机理还不够完善，但是，相信在以后的研究中，如果考虑到更多的影响因素，有更多的不同条件下的实验数据的支持，一定可以提出更加完善的机理。
关键词：定向凝固织构极图反极图ODF提要第一节 织构的发展背景自从1937年戈斯发现硅钢片中导磁性能的各向异性以来，织构就被作为一门学科被广大科研工作者进行研究。
大量的研究情况表明织构在金属材料与合金中的存在具有普遍性。
第八章 凝固新技术—定向凝固
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（LMΒιβλιοθήκη 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
34
1.试样 2.感应圈 3.隔热板 4.冷却水 5.液态金属 6.拉锭机构 7.熔区 8.坩埚 超高温度梯度定向凝固装置图
35
电磁约束成形定向凝固（DSEMS）
在ZMLMC法基础上，凝固剂属国家重点实验室提出并 探索研究了近十年的电磁约束成形定向凝固技术。该技 术是将电磁约束成型技术与定向凝固技术相结合而产生 的一种新型定向凝固技术。利用电磁感应加热熔化感应 器内的金属材料，并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，获得特定形状铸件的 无坩埚熔炼、无铸型、无污染定向凝固成形。 由于电磁约束成形定向凝固取消了粗厚、导热性能 查的陶瓷模壳、实现无接触铸造，使冷却介质可以直接 作用于金属铸件上，可获得更大的温度梯度，用于生产 无（少）偏析、组织超细化、无污染的高纯难熔金属及 合金，具有广阔的应用前景。
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？
10
合金固溶体凝固时的晶体生长形态 a) 不同的成分过冷情况
b) 无成分过冷
C) 窄成分过冷区间
平面晶
胞状晶
d) 成分过冷区间较宽 柱状树枝晶 e) 宽成分过冷 内部等轴晶
强磁场下Zn-2 wt.%Cu合金定向凝固的初步研究
第 ２ 卷 第 １ ４ 期
Ｖｏ ２４ １． Ｎｏ ．１
材
料
科
学
与 工 程
学
报
总 第 ９９期
Ｆ ｂ． ｅ ２００６
Ｊ ｕ ａ ｏ ｔｒ ｌ ｃｅ ｃ ｏ ｒ ｌ ｆＭａｅ ａｓ Ｓ ｉｎ ｅ＆ Ｅ ｇｎ ｅ ｎ ｎ ｉ ｎ ｉｅ ｒ ｇ ｉ
（ ｈ ｎ ｈ ｉｅ ｓ ｙ ｏｌ ｅｏ ｔｒａ ｃｅ ｃ ｎ ｎ ｉｅ ｒ ｇ ｈ ｎ ｈ ｉ２ ０ ７ Ｓ ａ ｇ ａ Ｕｎｖ ｒｉ ，Ｃ ｌｇ ｆｍａｅｉｌｓｉｎ ｅａ ｄ ｅ ｇｎｅ ｉ ，Ｓ ａ ｇ ａ ００ ２，Ｃｈｎ ） ｉ ｔ ｅ ｎ ｉａ
【 ｂｔ ｃ】 Ｔ ｅｄ ｅｔｎｌｓｌｉ ａｏ ｆＺ 一ｗ ． Ｃ ｅ ｔ ｔ ｌｙｗｔ ｈ ｈ ｍ ｇｅｃ ｆｌ ｕ ｏ １Ｔ ｈｓｂｅ ｔ ｉ Ａ ｓ ａｔ ｒ ｈ ｉｃｏａ ｏｄ ｃｔｎｏ ｎ２ ｔ％ ｕ ｐｒｅ ｉ ａｏ ｉ ｉ ａｎｔ ｅ ｐｔ ０ ａ ｅｎｓ ｄ ｄ ｒ ｉ ｉｆ ｉ ｉ ｉｃ ｃ ｌ ｈ ｇ ｉ ｉｄ ｕｅ
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定向凝固技术的研究进展与应用
１．２ 新 型 定 向 凝 固 技 术 由于常规的定向凝固技术存在着温度梯度低和冷却速
率小等缺点。造成 凝 固 过 程 中 组 织 粗 化，枝 晶 偏 析 严 重，阻 碍了材料性能的提高。随着定向凝固技术 的 迅 速 发 展，研 究 者在吸收融合常规凝固技术优 点基础上，开发出 了 许 多 新 型 定向凝固技术。
表 １ 常 规 定 向 凝 固 法 的 优 缺 点 及 应 用 范 围 Ｔａｂｌｅ １ Ａｄｖａｎｔａｇｅｓ，ｄｉｓａｄｖａｎｔａｇｅｓ ａｎｄ ａｐｐｌｉｃａｔｉｏｎ ｏｆ ｔｈｅ
ｔｒａｄｉｔｉｏｎａｌ ｄｉｒｅｃｔｉｏｎａｌ ｓｏｌｉｄｉｆｉｃａｔｉｏｎ ｐｒｏｃｅｓｓｅｓ
方法
优点
缺点
应用范围
· １１６ ·
材料导报 Ａ：综述篇
２０１６ 年 ２ 月 （上 ）第 ３０ 卷 第 ２ 期
定向凝固技术的研究进展与应用＊
问 亚 岗 ，崔 春 娟 ，田 露 露 ，杨 猛 ，薛 添
（西安建筑科技大学冶金工程学院，西安 ７１００５５）
摘要 定向凝固技术是制备具有单一取向要求的凝固组织和高性能材料的重要方法，是研究 凝 固 理 论 和 新 型 材料的重要手段。在介绍定向凝固技术原理的基础上，评述 了 传 统 定 向 凝 固 技 术 的 发 展 及 存 在 的 弊 端 ，简 述 了 几 种 新 型 定 向 凝 固 技 术 ，以 及 它 们 在 制 备 新 材 料 中 的 应 用 。
１．２．１ 区 域 熔 化 液 态 金 属 冷 却 法 （ＺＭＬＭＣ） 西北工业大学李 建 国 等 通 过 改 变 ＬＭＣ 法 的 加 热 方 式，
将区域熔化与 ＬＭＣ 法 相 结 合，开 发 出 区 域 熔 化 液 态 金 属 冷 却定向凝固法，即 ＺＭＬＭＣ 法 。 ［１３］ 该 方 法 与 ＬＭＣ 方 法 冷 却 方式相同，利用电子束或高频感应电场集中对 凝 固 界 面 前 液 相进行加热，进一步提 高 了 温 度 梯 度。 他 们 自 制 的 ＺＭＬＭＣ 装置，其温度梯 度 最 高 可 达 １３００ Ｋ／ｃｍ，冷 却 速 度 最 大 可 达 ５０Ｋ／ｓ，凝 固 速 率 可 在６～１０００μｍ／ｓ内 调 节 。 采 用 ＺＭＬＭＣ 法，可显著细化高温合金定向凝固一次枝晶和 二 次 枝 晶 的 间 距。但是，该方法单 纯 地 采 用 强 制 加 热 方 法，通 过 提 高 温 度 梯度来提高凝固 速 度，未 能 获 得 较 大 的 冷 却 速 度，却 需 要 散 发掉较多的热量，冷 却 速 度 的 提 高 受 限，一 般 很 难 达 到 快 速 凝固。目前这方面的研究还处于试验阶段。 １．２．２ 电 磁 约 束 成 形 定 向 凝 固 （ＤＳＥＭＳ）
Cu-1.0% Cr亚共晶合金定向凝固组织演化
2 实验结果
211 不同定向凝固速率下合金的纵截面凝固组织
收稿日期 : 2007 2 12 2 05; 修订日期 : 2008 2 03 2 25 基金项目 : 国家自然 科学 基金 项目 (批准号 : 5 043 202 0 ) 作者简介 : 李晓 历 ( 19 71 —) , 女 , 硕 士 , 工程 师 , ( E 2 mail)
外一种是更小的胞状组织 (鱼鲮状组织形态 ) , 其与 较长的胞状组织形态的差别是由于两种胞状组织生 长方向存在差别 , 即它们处于不同生长方向的晶粒 中 , 造成的原因可能是试样中的溶质和热流分布在 各个部位有所不同。
图 1 不同定向 凝固 速率下 Cu 2 110% Cr合金凝固组织纵截面形态
第 28 卷 第 5 期
2008 年 10 月
航 空 材 料 学 报
JOURNAL OF AERONAUTI CAL MATER obe r 2008
Cu 2 110% Cr 亚 共 晶 合 金 定 向 凝 固 组 织 演 化
李晓历 , 李金山 , 胡 锐, 寇宏超 , 傅恒志
(西北工业大学 凝固技 术国 家重点实验室 , 西安 710072 )
摘要 : 在定向凝固下计 算和 比较 了 Cu 2 1. 0% Cr亚共晶合金 组织中 各相的 界面生 长温度 ,结果 表明当 定向凝 固速 率大于 5 μ m / s时 ,α2Cu相的界面生长温度高于共晶 组织 ,α2 Cu 相会作为 初生相首先 析出凝固 ,从而 难以制备 出全 耦合生长的共晶组织的复合材料 , 计算获得的结果与实验结果 相一致 。另外 随定向凝固 速率的 增加 , 初生 胞状 α2 Cu 相一次枝晶间距和尖端半径以及共晶组织的体积分 数都 相应地减少 ,其中 α2 Cu 相一次枝晶间距实验结果与 KF 一次枝晶间距模型计算结果较为接近 。 关键词 : 定向凝固 ; Cu 2 Cr合 金 ; 微观组织 ; 一次枝晶间距 中图分类号 : TG14611 文献标识码 : A 文章编号 : 1005 2 5053 ( 2008 ) 05 2 0001 2 05
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;
定向凝固微观组织的相场法模拟研究进展
定向凝固微观组织的相场法模拟研究进展
朱昌盛;肖荣振;王智平;徐建林;王延露
【期刊名称】《铸造》
【年(卷),期】2006(055)001
【摘要】定向凝固过程中的界面形态对凝固组织有着决定性作用,相场法可以很好地展示凝固过程界面形态的演化.阐述了二元合金定向凝固相场方法数值模拟的基本原理及国内外研究现状,以Ni-Cu二元合金为例,采用相场法模拟了定向凝固过程中界面形态的演化,并指出该领域目前所面临的问题及进一步的研究方向.
【总页数】4页(P43-46)
【作者】朱昌盛;肖荣振;王智平;徐建林;王延露
【作者单位】兰州理工大学材料科学与工程学院,甘肃,兰州,730050;兰州理工大学材料科学与工程学院,甘肃,兰州,730050;兰州理工大学材料科学与工程学院,甘肃,兰州,730050;兰州理工大学材料科学与工程学院,甘肃,兰州,730050;兰州理工大学材料科学与工程学院,甘肃,兰州,730050
【正文语种】中文
【中图分类】TG248;TG244
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1.定向凝固微观组织相场法模拟的研究进展 [J], 李勇;李焕;赵亚茹;周雅婷
2.相场法模拟定向凝固微观组织演化研究进展 [J], 杨剑;李焕;易志勇;胡艳艳;
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4.定向凝固微观组织相场法模拟进展 [J], 王艳林;王自东;张鸿
5.过冷定向凝固Ti-44Al合金微观组织的相场法模拟 [J], 李新中;郭景杰;苏彦庆;吴士平;傅恒志
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定向凝固Cu-Cr自生复合材料的组织与断口分析
图６韧窝的形貌
Ｆｉｇ．６ Ｍｏｒｐｈｏｌｏｇｙ ｏｆ ｔｈｅ ｄｉｍｐｌｅｓ
图７共晶体撕裂的断口形貌
Ｆｉｇ．７ Ｆｒａｃｔｕｒｅ ｍｏｒｐｈｏｌｏｇｙ ｏｆ ｔｈｅ ｌａｃｅｒａｔｅｄ ｅｕｔｅｃｔｉｃ ｐｈａｓｅ
３ 结论
（１）Ｃｕ．Ｃｒ自生复合材料的定向凝固组织是由ａ 基体相和分布于ａ相间的纤维状共晶体组成。随着 凝固速率增加，纤维状共晶体分布规整、均匀，横向晶
Ｆｉｇ．５ Ｆｒａｃｔｕｒｅ ｍｏｒｐｈｏｌｏｇｙ ｏｆ Ｃｕ一１．０％Ｃｒ ｉｎ—ｓｉｔｕ ｃｏｍｐｏｓｉｔｅｓ（４００胛／ｓ）
（ａ）ｍａｃｒｏ—ｍｏｒｐｈｏｌｏｇｙ；（ｂ）ｍｉｃｒｏ—ｍｏｒｐｈｏｌｏｇｙ
第３期
毕晓勤等：定向凝固ｃｕ—Ｃｒ自生复合材料的组织与断口分析
３７
为，由于纤维增强体是在凝固过程中自生的，与基体 相存在热力学平衡，两相结合较稳定；同时两相在凝 固过程中又有严格的结晶学关系¨０｜，因而承接载荷 的能力较强。根据图６、图７形貌分析可知，当Ｃｕ—Ｃｒ 自生复合材料受载时，较多的纤维体承担了外加载荷 的作用，纤维体成为主要的应力承载体，而有良好塑 性变形能力的基体只起传递应力和松弛应力的媒介 作用，因而纤维体的断裂控制了ｃｕ．Ｃｒ自生复合材料 的断裂，使得复合材料的强度提高（在抽拉速率为 ４００“耐ｓ时的抗拉强度值达到３８７ＭＰａ）。另外，从断
图５为ｃｕ．Ｃｒ自生复合材料铸态试样的拉伸断 口形貌。从宏观上看（图５ａ），断口变形均匀，形貌呈 多角杯形，这是典型的定向凝固组织的断口形貌特 征。这表明在采用的定向凝固条件下，晶粒在纵向上 的生长方向呈良好的一致性，因而各晶粒滑移变形协 调性好，当各晶粒表面出现的波纹状滑移带相遇交接 时，便形成了多角杯形貌的断口。从微观上看（图 ５ｂ），在断裂区分布着大量的等轴韧窝，韧窝尺寸相对 均匀且较深，韧窝通过撕裂棱相互联结起来，这表明 基体有良好的塑性变形能力。
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-2014
表3-1 生产Mar-M200高温合金的三种定向凝固工艺比较
工艺参数
过热度/ K 循环周期/min 模子直径/cm
GL/Kcm-1 R/cm/h-1 糊状区宽度/cm 局部凝固时间/min 冷却速度/ K h-1
功率降低法
120 170 3.2 7 11 3 12 10 15 85 88 90
该定向凝固工艺的特点：
GL很高，可以达到73103 K/mm ； 定向凝固组织完整、细小；
试样尺寸有限，直径只有几十毫米，长度也有 限；
据我国定向凝固技术进步奖，该工艺加区域熔 炼技术可使GL达到1300 K/cm的超高温度梯度。
3.2.3 发热保温法定向凝固工艺(EP) 发热保温法定向凝固工艺：
与功率降低法定向凝固工艺比较，高速凝固法 定向凝固工艺具有较大的温度梯度GL ，约为 30K/cm，改善了柱状晶的质量，在300mm的高 度内可以获得完全的柱状晶；
比功率降低法定向凝固工艺的凝固速度快23 倍，R可以达到300mm/h；
由于局部凝固时间和糊状区都变小，铸件显微 组织致密、偏析减小，改善了合金组织，如图39所示。
图3-9 高速凝固法与功率降低法制备的定向凝固铸锭宏观组织比较
3.2.6 液态金属冷却法定向凝固工艺(LMC)(2)
液态金属冷却法定向凝固特点：
以液态金属代替冷却水作为模壳的冷却介质， 模壳直接浸入到液态金属冷却剂中，散热强度大 大增强，产生很高的GL ； 液态金属冷却剂的温度、模壳传热性及模壳厚 度、挡板位置、高温合金液的温度等因素都会影 响液态金属的温度梯度GL 。 液态金属冷却剂的选择：低的蒸气压、熔点低、 热容量大、导热率高、不易溶解于合金中、价格 便宜。
液态金属冷却剂可以是静止的，也可以 是流动的。
《定向凝固Al-Cu-Si共晶合金组织形成与性能》范文
《定向凝固Al-Cu-Si共晶合金组织形成与性能》篇一一、引言随着现代科技的发展，金属材料在众多领域中发挥着重要作用。
其中，Al-Cu-Si共晶合金因其优异的物理和机械性能，被广泛应用于航空航天、汽车制造、电子封装等领域。
本文将重点研究定向凝固Al-Cu-Si共晶合金的组织形成及其性能，以期为相关领域的研究和应用提供理论依据。
二、定向凝固Al-Cu-Si共晶合金的组织形成1. 合金成分与相图Al-Cu-Si三元合金系统具有复杂的相图，其中共晶成分的合金在一定的温度范围内可以形成共晶组织。
通过调整合金的成分，可以获得具有特定组织和性能的共晶合金。
2. 定向凝固工艺定向凝固是一种通过控制合金的冷却速度和结晶方向，从而获得具有特定组织和性能的材料的方法。
在Al-Cu-Si共晶合金的定向凝固过程中，通过控制温度梯度和冷却速度，可以获得具有特定晶体取向的共晶组织。
3. 组织形成过程在定向凝固过程中，Al-Cu-Si共晶合金的组织形成主要受到温度梯度、结晶速度和合金成分的影响。
当合金在一定的温度梯度下冷却时，首先形成初生相，随后在初生相的基础上形成共晶组织。
共晶组织的形成过程包括初生相的生长、共晶相的形成和共晶片的生长等步骤。
三、Al-Cu-Si共晶合金的性能1. 机械性能Al-Cu-Si共晶合金具有较高的强度和硬度，同时具有良好的塑性和韧性。
这主要得益于其独特的共晶组织结构，使得合金在受到外力作用时能够产生良好的变形协调能力。
2. 物理性能Al-Cu-Si共晶合金具有良好的导热性和导电性，这使得其在电子封装和导电材料等领域具有广泛的应用。
此外，该合金还具有较好的耐腐蚀性能，能够在恶劣的环境中长时间使用。
四、定向凝固对Al-Cu-Si共晶合金性能的影响通过定向凝固工艺，可以获得具有特定晶体取向的Al-Cu-Si 共晶合金。
这种合金的机械性能和物理性能得到进一步提高，同时具有更好的各向异性。
定向凝固使得合金中的晶体结构更加规整，从而提高了合金的强度和硬度。
定向凝固
定向凝固定向凝固是指在凝固过程中采用强制手段，在凝固金属和未凝固金属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，最终得到具有特定取向柱状晶的技术。
定向凝固是研究凝固理论和金属凝固规律的重要手段，也是制备单晶材料和微米级(或纳米级)连续纤维晶高性能结构材料和功能材料的重要方法。
自20世纪60年代以来，定向凝固技术发展很快。
由最初的发热剂法、功率降低法发展到目前广泛应用的高速凝固法、液态金属冷却法和连续定向凝固技术。
现代航空发动机的涡轮叶片和导向叶片是用铸造高温合金材料制成，这类材料晶界在高温受力条件下是较薄弱的地方，这是因为晶界处原子排列不规则，杂质较多，扩散较快，于是人们设想利用定向凝固方法制成单晶，消除所有晶界，结果性能明显提高了。
定向凝固技术广泛应用于高温合金、磁性材料、单晶生长、自生复合材料的制备等力面，并且在类单晶金属间化合物、形状记忆合金领域具有极广阔的应用前景。
制备方法：1. 发热剂法定向凝固技术的起始阶段。
基本原理:将铸型预热到一定温度后，迅速放到水冷铜底座上并立即进行浇注，顶部覆盖发热剂，侧壁采用隔热层绝热，水冷铜底座下方喷水冷却，从而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，实现定向凝固。
2. 功率降低法铸型加热感应圈分两段，铸件在凝固过程中不动，在底部采用水冷激冷板。
加热时上下两部分感应圈全通电，在加入熔化好的金属液前建立所要的温度场，注入过热的合金液。
然后下部感应圈断电，通过调节输入上部感应圈的功率，在液态金属中形成一个轴向温度梯度。
热量主要通过已凝固部分及底盘由冷却水带走。
由于热传导能力随着离水冷平台距离的增加而明显降低，温度梯度在凝固过程中逐渐减小，所以轴向上的柱状晶较短。
并且柱状晶之间的平行度差，合金的显微组织在不同部位差异较大，甚至产生放射状凝固组织。
3. 高速凝固法装置和功率降低法相似，多了拉锭机构，可使模壳按一定速度向下移动，改善了功率降低法温度梯度在凝固过程中逐渐减小的缺点；另外，在热区底部使用辐射挡板和水冷套，挡板附近产生较大的温度梯度，局部冷却速度增大，有利于细化组织，提高力学性能。
定向凝固和单晶材料制备工程及技术
定向凝固与单晶材料制备工程及技术
单向凝固技术的重要工艺参数包括：
• 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。
定向凝固与单晶材料制备工程及技术
国产涡喷-7涡轮喷气发动机及剖视图
定向凝固与单晶材料制备工程及技术
喷气发动机
Illustration of the GE 90定-1向1凝5固B与je单t晶en材g料in制e备, 工sh程o及w技in术g its various components.
There are only four categories of materials that can be considered:
• 成分过冷对凝固过程的影响
2.16 窄成分过冷的情况 2.17 成分过冷区逐渐加宽的情况
定向凝固与单晶材料制备工程及技术
2.18 成分过冷区足够大时形 成枝晶骨架的情况
2.19 成分过冷区进一步加宽， 成分过冷的极大值大于熔体中 非均匀形核所需过冷，从而在
定向凝固与单晶材料制备工前程方及技形术 成等轴晶的情况
凝固过程的工艺参数：
• 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 • 凝固过程中的成分过冷或金属的性质（T1-T2）/DL
m0C (1k0)(或T1T2)
DLk0
DL
定向凝固与单晶材料制备工程及技术
由溶质再分配导致界面 前方熔体成分及其凝固 温度发生变化而引起的 过冷——成分过冷
定向凝固和单晶制备技术
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。
Al-4%Cu合金定向凝固枝晶_胞晶转变速率的研究
Al 4%Cu合金定向凝固枝晶/胞晶转变速率的研究Research of Dendrite/Cellular Int erfacial T ransitionalV elocity in Directionally Solidified Al 4%Cu Alloy屈 敏,刘 林,张卫国,赵新宝,张 军,傅恒志(西北工业大学凝固技术国家重点实验室,西安710072)QU M in,LIU Lin,ZH ANG Wei g uo,ZH A O Xin bao,ZH ANG Jun,FU H eng zhi(State Key Labo rato ry of Solidificatio n Pro cessing,N orthw estern Polytechnical U niversity,Xi an710072,China)摘要:通过实验和理论对比研究Al 4%(质量分数)Cu合金定向凝固胞晶/枝晶转变过程,得到胞晶/枝晶转变发生在尖端半径变化的拐点处。
采用K GT模型与非平衡效应研究与胞晶/枝晶转变过程相对应的高速枝晶/胞晶转变特征。
结果表明:尖端半径和界面温度均随抽拉速率的增加而减小,到达临界值后又急速增大。
枝晶/胞晶转变发生在尖端半径和界面温度的拐点处,即在尖端半径和界面温度最小时发生转变;溶质截留在枝晶/胞晶转变过程中作用明显,大大减小了微观偏析。
关键词:定向凝固;枝晶/胞晶转变;界面温度;尖端半径;溶质截留中图分类号:T G113 1;T G111 4 文献标识码:A 文章编号:1001 4381(2008)12 0001 05Abstract:T he transition from cellular to dendrite w as obtained at the spindle o f tip radius by compa r ing experimental and theoretical study o n Al 4%Cu allo y during directional so lidification.It w as found that the tip radius fell quickly in cellular stag e but fell slow ly in dendr ite stag e.The KGT(W. Kurz,B.Giovano la and R.T rivedi)m odel and non equilibrium effect w ere applied to research the tip radius and interface tem perature in o rder to obtain the transitional char acteristic from dendrite to cel lular.The results indicated that the tip r adius and interface tem perature w ere both decreased w ith in creasing w ithdraw al rate,after r eached the cr itical points,finally turned to rise sharply.It w as even tually obtained that the transitio n from dendrite to cellular w as occurred at the spindle of tip r adiusand tem perature,that w as the tip radius and tip tem perature reached minimum,V Rmin and V Tmin.Mor eo ver,solute tr apping becam e obvious during the transitio n,w hich led to decrease o f microseg reg a tion.Key words:directional so lidification;dendrite to cellular transition;inter face temperature;tip radius; solute trapping凝固界面形态演化与选择直接决定了实际材料和铸件的凝固组织特征和性能,由于定向凝固过程的可控性及其在凝固理论研究上的重要性,因此定向凝固界面形态演化及其稳定性一直是物理学家和材料学家关注的焦点之一。
单晶高温合金与定向凝固的文献综诉
绪论单晶铸造是定向凝固中的一个特例…由一个柱状晶构成的铸件即单晶！！航空发动机涡轮叶片的运行经验表明，大多数裂纹都是沿着垂直于叶片主应力方向的晶粒间界即横向晶界上产生和发展的。
因此消除这种横向晶界，则可大大提高叶片抗裂纹生长能力。
定向凝固就是基于这种设想对叶片铸件的凝固过程进行控制，以获得平行干叶片轴向的柱状晶粒组织。
柱状晶之间只有纵向晶界而无横向品界，这就是定向凝固的柱晶叶片，如果采取某些措施，只允许有一个晶粒成长的柱晶，从面消除了一切晶界，这就是单晶叶片。
由于定向凝固技术用于真空熔铸高温合金涡轮叶片，航空发动机的材料和性能有了极大的提高，特别是单晶叶片的性能和使用寿命比普通精铸叶片提高了许多倍，因此自70年代初期，定向凝固高温合金涡轮叶片开始应用以来，世界各先进的军用及民用航空发动机都普遍采用定向凝固或单晶铸造叶片。
1.定向凝固1.1定向凝固原理进行定向凝固以得到连续完整的柱状晶组织，必须满足以下两基本条件:(l)在整个凝固过程中，铸件的固一液相界面上的热流应保持单一方向流出，使成长晶体的凝固界面沿一个方向推进;(2)结晶前沿区域内必须维持正向温度梯度，以阻止其他新晶核的形成。
1.1.1定向凝固过程定向凝固时合金熔液注入壳型，首先同水冷底板相遇，于是靠近板面的那一层合金熔液迅速冷至结晶温度以下而开始结晶，但此时形成的晶粒，其位向是混乱的，各个方向都有。
在随后的凝固进行过程中，由于热流是通过已结晶的固体金属合金有方向性地向冷却板散热，且结晶前沿是正向温度梯度，根据立方晶系的金属及合金（Ni、Fe、Co等及其高温合金）在结晶过程中晶体<100>是择优取向，长大速度最快，从而那些具有<100>方向的晶粒择优长大，而将其他方向的晶粒排挤掉。
只要上述定向凝固条件保持不变，取向为<100>的柱状晶继续生长，直到整个叶片，如图1-1所示。
正温度梯度散热方向图1-1晶体定向生长示意图1.1.2凝固参数定向凝固的结晶组织与凝固参数即温度梯度G和凝固成长速率R有密切关系。
凝固技术和凝固组织
凝固技术随着科学技术的发展，对凝固技术的重视和深入研究, 形成了许多种控制凝固组织的方法, 其中快速凝固技术，定向凝固技术，均衡凝固技术等已经取得了较快的发展。
这些新兴的凝固技术以其独特的方法在不同的方向都取得了很好的成果。
在金属，无机非金属，高分子材料中都有应用。
快速凝固快速凝固已成为一种具有挖掘金属材料潜在性能与发展前景的开发新材料的重要手段, 同时也成了凝固过程研究的一个特殊领域。
过去对凝固过程的模拟考虑了在熔融状态下的热传导和凝固过程潜热的释放，不考虑金属在型腔内必然存在的流动以及金属在凝固过程中存在的流动。
目前快速凝固技术作为一种研制新型合金材料的技术已开始研究了合金在凝固时的各种组织形态的变化以及如何控制才能得到符合实际生活、生产要求的合金。
着重于大的温度梯度和快的凝固速度的快速凝固技术，正在走向逐步完善的阶段。
快速凝固技术一般指以大于105K/s-106K/s的冷却速率进行液相凝固成固相，是一种非平衡的凝固过程，通常生成亚稳相(非晶、准晶、微晶和纳米晶)，使粉末和材料具有特殊的性能和用途。
快速凝固技术得到的合金具有超细的晶粒度，无偏析或少偏析的微晶组织，形成新的亚稳相和高的点缺陷密度等与常规合金不同的组织和结构特征。
由于凝固过程的快冷，起始形核过冷度大，生长速率高，使固液界面偏离平衡，因而呈现出一系列与常规合金不同的组织和结构特征。
快速凝固大致有气枪法，悬铸法，工作表面熔化与自淬火法，雾化法，喷射沉积法等。
气枪法：这种方法的基本原理是将熔解的合金液滴，在高压( >50 atm)惰性气体流(如Ar 或He)的突发冲击作用下，射向用高导热率材料(经常为纯铜)制成的急冷衬底上，由于极薄的液态合金与衬底紧密相贴，因而获得极高的冷却速度( >109℃/S) 。
这样得到的是一块多孔的合金薄膜，其最薄的厚度小于0.5~1.0 μm (冷速达109℃/S)。
旋铸法(chill block melt-spinning)。
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图1Cu-12.25Zr合金的X射线衍射曲线
(a)退火前(b)退火后
F ig.1The X RD pa t t e rn of a s-cas t mi cr os t ruc tur e o f Cu-12.25Zr
(a)Be f ore annea l ing(b)Af t er annea l ing
2.2生长速度对定向凝固组织的影响
在温度梯度一定的前提下,本实验通过改变生长速度使Cu-12.25Zr合金在不同的生长速度下进行定向凝固,考察了生长速度对定向凝固组织形态的影响.结果发现,当生长速度低于0.6μm s时,定向凝固组织为层片状(图2a),此时晶体以平面晶方式生长;随着生长速度的增加,平面界面失稳,凝固组织由层片状转化为棒状(图2b),此时晶体以胞晶方式生长;当进一步提高生长速度,胞晶的主枝干两侧出现扰动,继而出现了2次分枝,凝固组织转变为
图2不同生长速度下的定向凝固组织形态
Fi g.2The mo rphol og ies o f di rec t i ona l s ol i di f ica t ion
s t ruct ure s under di f fe rent g rowth ve loc i t ies 2.3复合材料中的相组成
图3定向凝固组织中的Cu
5
Zr相
(a)形貌(b)衍射斑点
Fi g.3The TE M images o f Cu
5
Zr i n d i rec t i ona l so l i di f i ca t i on s t ruc tur e
(a)Mo rpho l ogy o f Cu5Zr(b)Di f f r act i on pa t t ern
(a)形貌(b)衍射斑点
图4定向凝固组织中的Cu
8
Zr
3
相
(a)Morpho logy(b)Di f f r ac t i on pa t te rn
Fi g.4The TE M imag ies o f Cu
8
Zr
3
in di rec t iona l
so l i di f i ca t i on s t ruct ure
(a)形貌(b)衍射斑点
图5定向凝固组织中的Cu
10
Zr
7
相
(a)Morpho logy(b)Di f f r ac t i on pa t te rn
Fig.5The TE M imag i es of Cu
10
Zr
7
i n d i r ec t i onal
so l id i f ica t ion s t ruc t ure
(a)宏观偏析(b)Zr元素分布曲线
图6枝晶端部的溶质偏析
(a)M acr o s eg regat i on(b)Di s t r ibu t ion cur ve o f Zr el ement。