第八章-凝固新技术—定向凝固
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：G L/v和G L·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
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。
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
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
Your company slogan
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。
Your company slogan
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。
Your company slogan
Your company slogan
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。
Your company slogan
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。
Your company slogan
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;
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。
第八章-凝固新技术—定向凝固
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。
第八章-凝固新技术—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
第八章 凝固新技术
一、 定向凝固
• 1、定向凝固定义、概述 • 2、定向凝固原理 • 3、定向凝固工艺 • 4、定向凝固的应用
1、定向凝固定义
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，获得 具有特定取定向柱状晶或单晶的技术。
金属所 LMC法制备的发动机叶片
金属所研制的大型“高温度梯度液态金属冷 却” （LMC）定向凝固设备
实验室用LMC定向凝固设备——沈阳可以生产
液态金属冷却法
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
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。
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
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。
第八章-凝固新技术—定向凝固
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
发热剂法（EP法）：所谓的发热剂法就是将熔化好的金属液浇入一侧壁绝热，底部冷却，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，使铸件自下而上进行凝固，实现单向凝固。这种方法由于所能获得的温度梯度不大，并且很难控制，致使凝固组织粗大，铸件性能差，因此，该法不适于大型、优质铸件的生产。但其工艺简单、成本低，可用于制造小批量零件。
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，即快速凝固法。该方法的特点是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，在生产中有一定的应用。
液态金属冷却法（LMC法）：HRS法是由辐射换热来冷却的，所能获得的温度梯度和冷却速度都很有限。为了获得更高的温度梯度和生长速度。在HRS法的基础上，将抽拉出的铸件部分浸入具有高导热系数的高沸点、低熔点、热容量大的液态金属中，形成了一种新的定向凝固技术，即LMC法。这种方法提高了铸件的冷却速度和固液界面的温度梯度，而且在较大的生长速度范围内可使界面前沿的温度梯度保持稳定，结晶在相对稳态下进行，能得到比较长的单向柱晶。
普通铸件一般均由无一定结晶方向的多晶体组成。在高温疲劳和蠕变过程中，垂直于主应力的横向晶界往往是裂纹产生和扩展的主要部位，也是涡轮叶片高温工作时的薄弱环节。采用定向凝固技术可获得生长方向与主应力方向一致的单向生长的柱状晶体）。定向凝固由于消除了横向晶界，从而提高了材料抗高温蠕变和疲劳的能力。定向凝固铸件的组织分为柱状、单晶和定向共晶3种。
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
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。
11111第八章凝固新技术2-精选文档68页
由判据
G L ＜ mL C0 (1 K 0 )
R
DL
K0
可见，下列条件有助于抑制
“成分过冷”：
• 液相中温度梯度大（G L大）； • 晶体生长速度慢，R小；
工艺因素
• m L小，即陡的液相线斜率； • 原始成分浓度小，C 0 小； • 液相中溶质扩散系数 D L 高； • K 0＜1 时，K 0大；K 0＞1 时，K 0 小
• 1．发热剂法(EP法)
• 原理：将型壳置于绝热耐火材料箱中，底部安放水冷结晶 器。型壳中浇入金属液后，在型壳上部盖以发热剂，使金 属液处于高温，建立了自下而上的凝固条件。
• 特点：工艺简单、成本低。 • 适用：小型的定向凝固实验与生产。
发热剂法（炉外法）
最原始的方法。 缺点：无法调节凝固速率和 温度梯度，只能制备小的柱 状晶铸件，这种方法多用于 磁钢生产。
第八章 凝固新技术
一、 定向凝固
• 1、定向凝固定义、概述 • 2、定向凝固原理 • 3、定向凝固工艺 • 4、定向凝固的应用
1、定向凝固定义
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，获得 具有特定取定向柱状晶或单晶的技术。
区激深电侧对重
域光过磁向流力
熔超冷约约下场
化高定束束的作
液温向成下定用
态度凝形的向下
金梯固定定凝的
属度技向向固定
冷快术凝凝技向
却速
固固术凝
法定
技技
固
向
术术
技
凝
术
固
3.1 传统定向凝固工艺
• 发热剂法 （EP） • 功率降低法 （PD） • 快速凝固法 （HRS） • 液态金属冷却法（LMC）
- 1、下载文档前请自行甄别文档内容的完整性，平台不提供额外的编辑、内容补充、找答案等附加服务。
- 2、"仅部分预览"的文档,不可在线预览部分如存在完整性等问题,可反馈申请退款(可完整预览的文档不适用该条件!)。
- 3、如文档侵犯您的权益，请联系客服反馈,我们会尽快为您处理(人工客服工作时间：9:00-18:30)。
5、那女孩有
一双晶亮的眸子，明净清澈，灿若繁 星，不 知她想 到了什 么，对 着自己 兴奋的 一
笑，眼睛弯的像月牙儿一样，仿佛那 灵韵也 溢了出 来。一 颦一笑 之间， 高贵的 神
色自然流露，让人不得不惊叹于她清 雅灵秀 的光芒 。
6、她，高高的个子，一
条马尾辫在身后，一双不大的眼睛闪 着智慧 的光芒 ；她， 白白净 净，眉 清目秀 ，
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。
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。
36
深过冷定向凝固
ZMLMC法的一个显著特点是通过提高温度梯度，扩大 所允许的抽拉速率，从而达到亚快速凝固水平，实现组织 超细化。但是单纯采用强制加热的方法增大温度梯度来提 高凝固速率，人不能获得很大的冷却速率，因为此时要求 散发的热量更多了，一般来说采用这样的技术很难实现快 速凝固。
• 3.快速凝固法（ H．R．S法）
• Erickson于1971年提出。原理如图所示。
• 与P．D法的主要区别：铸型加热器始终加热，在凝固时，铸 件与加热器之间产生相对移动。底部使用辐射挡板和水冷套。 在挡板附近产生较大的温度梯度。热量主要通过已凝固部分 及冷却底盘由冷却水带走。
• 特点：局部冷却速度增大，有利于细化组织，从下到上获得 均匀柱状晶，提高力学性能。
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。
TL
(
x'
)
T (X') TmL mLC0
1
1
cK)0 K0
e
R DL
x
'
成 分 过冷 区
Ti
X'
• “成分过冷”的判据
G L ＜ mL C0 (1 K 0 )
R
DL
K0
式中：GL为液固界面前沿液相温度梯度（K/mm）； R为界面生长速度（mm/s）；mL为液相线斜率；C0为合 金平均成分；k0为平衡溶质分配系数；DL为液相中溶质 扩散系数。
功率降低法（PD法）
• 工艺流程：把熔融的金属液置于保温炉， 保温炉是分段加热的，其底部采用水冷 激冷板。自上而下逐段关闭加热器，金 属则自下而上逐渐凝固。
功率降低法
• 特点： • GL、R值不能人为控制。 • 金属熔体内的温度梯度，随
凝固距离增大而不断减小， 柱状晶在高度上粗化严重； • 设备复杂； • 适合：高度120mm以下定向 凝固铸件。
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
定向凝固技术用于制造发动机叶片
1、魔鬼般惹火的身材，一头大波浪形金 黄卷发 发出耀 眼的光 芒，修 长的大 腿
穿着一条鹅黄色的超短迷你裙，显出 身材的 完美绝 伦。
2、染成暗红、长度未
至肩膀的短发，随风轻柔的飘着，与 她那可 爱俏丽 、带点 婴儿肥 的椭圆 脸蛋， 把
她那活泼、可爱、好动的气质，完全 衬托了 出来。
是20世纪60年代发“具有特定取定向柱状晶或单晶”？
1、柱状晶 在航空发动机中，定向结晶叶片消除了对空洞
和裂纹敏感的横向晶界，使全部晶界平行于应 力轴方向，从而改善了合金的使用性能。
单晶叶片消除了全部晶界，不必加入晶界强 化元素，使合金的初熔温度相对升高，从而提 高了合金的高温强度，并进一步改善了合金的 综合性能。
合金本身 的因素
无成分过冷时的平面生长
平面生长的条件：
GL
R
mC 0 DL
1 K0 K0
dTL(x)/dx x=0 GL T1
TL(x)
GS T2
ΔTK
S
L (a) 局部不稳定界面
界面前方无成分过冷时平面
生长
a）局部不稳定界面 b）最终稳定界面
S
L (b) 最终稳定界面
定向凝固技术的重要工艺参数包括：
由判据
G L ＜ mL C0 (1 K 0 )
R
DL
K0
可见，下列条件有助于抑制
“成分过冷”：
• 液相中温度梯度大（G L大）； • 晶体生长速度慢，R小；
工艺因素
• m L小，即陡的液相线斜率； • 原始成分浓度小，C 0 小； • 液相中溶质扩散系数 D L 高； • K 0＜1 时，K 0大；K 0＞1 时，K 0 小
发功快液 热率速态 铸降凝金 型低固属 法法法冷
却 法
区激深电侧对重
域光过磁向流力
熔超冷约约下场
化高定束束的作
液温向成下定用
态度凝形的向下
金梯固定定凝的
属度技向向固定
冷快术凝凝技向
却速
固固术凝
法定
技技
固
向
术术
技
凝
术
固
3.1 传统定向凝固工艺
• 发热剂法 （EP） • 功率降低法 （PD） • 快速凝固法 （HRS） • 液态金属冷却法（LMC）
3.2 新型定向凝固技术
➢超高温度梯度定向凝固（ZMLMC） ➢电磁约束成形定向凝固（DSEMS） ➢深过冷定向凝固 ➢激光超高温梯度快速凝固技术（LRM） ➢连续定向凝固技术（OCC法）
32
超高温度梯度定向凝固（ZMLMC）
加热和冷却是定向凝固过程的两个基本环节，对固液 界面前沿温度梯度具有决定性的影响。
L．M．C法示意图 •1一真空室 2一熔炼坩埚 •3一烧杯 4一炉子的热区 •5一挡板 6一模壳 •7一锡浴加热器 8一冷热罩 • 9一锡浴搅拌器
• 液态金属作为冷却剂应满足以下要求： • 1)熔点低，有良好的热学性能。 • 2)不溶于合金中。 • 3)在高真空条件下蒸气压低，可在真空条件下使用。 • 4)价格便宜。
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
第八章 凝固新技术
一、 定向凝固
• 1、定向凝固定义、概述 • 2、定向凝固原理 • 3、定向凝固工艺 • 4、定向凝固的应用
1、定向凝固定义
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，获得 具有特定取定向柱状晶或单晶的技术。
• 目前使用的金属浴有：锡液、镓铟合金、镓铟锡合金等。 • 镓、铟价格过于昂贵，在工业生产中难以采用。 • 至今锡液应用得较多，其熔点232℃，沸点 2267 ℃ ，有理
想的热学性能，只是锡对高温合金是有害元素，操作不善使 锡污染了合金，将会严重恶化其性能。
• 缺点：L.M.C法设备复杂，操作麻烦，因此在工业上未广泛 应用。
（3）单向凝固技术工艺 形成定向凝固的柱晶组织需要两个基本条件：
• 热流向单一方向流动并垂直于生长中的固-液界面 • 晶体生长的前方的熔体中没有稳定的结晶核心
因此，工艺上必须避免侧向散热。
晶体生 长方向
侧向无温度梯度，不 散热
热流方向 定向凝固柱状晶生长示意图
3、 定向凝固工艺
传统定向凝固技术
新型定向凝固技术
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。
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
平面晶
C) 窄成分过冷区间 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
成分过冷对晶体生长方式影响模型
成分过冷”条件和判据
• “成分过冷”的形成条件分析
（K0＜1 情况下) ：
→ 界面前沿形成溶质富集层
大冷却速度可达50K/s。凝固速度可在6~1000um/s内调节。 但是，这种方法单纯采用强制加热来提高温度梯度，