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。

[4] （2）MS稳定性理论
针对成分过冷理论存在的问题，Mullins等研究人员研究了温度场和浓度场的干扰行为、干扰振幅和时间的依赖关系以及它们对界面稳定性的影响，在1964年提出了界面稳定性的动力学理论（MS稳定性理论），总结出平界面绝对稳定性判据。

MS稳定性理论成功的预言了[5]：随着生长速度的增加，固液界面形态将经历从平界面-胞晶-树枝晶-胞晶-带状组织-绝对稳定平界面的转变。

近年来对MS理论界面稳定性条件所做的进一步分析表明，MS理论还隐含着另一种绝对性现象，即当温度梯度G超过一临界值时，温度梯度的稳定化效应会完全克服溶质扩散的不稳定化效应，这时无论凝固速度如何，界面总是稳定的，这种绝对稳定性称为高梯度绝对稳定性。

但是这种理论只适合稀溶液，即低溶质质量分数的情况，并且忽略了凝固速率对溶质分配因数的影响。

1.2定向凝固技术的研究
熔体中的热流垂直于固/液界面并严格的单向导出，是定向凝固成功的关键。

伴随着对热流控制技术的发展，研究者对定向凝固技术进行多种方法的改进，不断细化材料的结构组织，大大提高了温度梯度和凝固速度，制备出的材料性能大幅度提高。

伴随着对热流控制（不同的加热、冷却方式）技术的发展，传统定向凝固技术经历了发热剂法（EP）、功率降低法(PD)、高速凝固法(HRS)、液态金属冷却法(LMC)、流态床冷却法(FBQ)等多种方法的发展。

传统定向凝固工艺的主要缺点[6]是冷却速度慢，这样就使得凝固组织
有充分的时间长大、粗化，以致产生严重的枝晶偏析，限制了材料性能的提高。

造成冷却速度慢的主要原因是凝固界面与液相中最高温度面距离太远，固液界面并不处于最佳位置，因此所获得的温度梯度不大，这样为了保证界面前液相中没有稳定的结晶核心的形成，所能允许的最大凝固速度就有限。

为了进一步提高定向凝固过程中的温度梯度，从而提高凝固速度，最终提高材料的性能，研究者在传统定向凝固技术的基础上，吸收了其它凝固技术如快速凝固等的优点，开发出了一些新的定向凝固技术。

这些新型定向凝固技术[7]包括区域熔化液态金属冷却法（ZMLMC）、深过冷定向凝固(DUDS）、电磁约束成形定向凝固技术(DSEMS）、激光超高温度梯度快速定向凝固（LRM）。

新型定向凝固技术提高了凝固速度，进而得到组织性能更加优越的材料，使得定向凝固技术的使用范围更广。

2、定向凝固的特征及应用
2.1定向凝固的特征
根据定向凝固的理论研究和技术研究，可知定向凝固的热流是单向的，因此其性能是各向异性、晶间杂质少、组织致密、缩松少。

定向凝固技术所得到的材料综合性能提高很多，更有利于定向凝固技术的广泛应用。

但是定向凝固技术凝固时枝晶相向生长的界面杂质多，性能较差，因此其不能应用于要求横向性能良好的场合。

现在定向凝固技术正朝着无铸型、无污染、成本低等方向发展，这使得定向凝固技术更符合现代绿色生产的发展。

2.2定向凝固的应用
2.2.1制备高温合金
定向凝固技术最初就是应用于高温合金的研制，自从定向凝固和单晶合金出现以后，所有国家的先进新型发动机几乎无一例外地选用铸造高温合金制作最高温区工作的叶片，目前几乎所有先进航空发动机都以采用单晶叶片为特色，正在研制中的许多新型发动机都采用单晶高温合金制作涡轮叶片[8]。

西北工业大学凝固技术国家重点实验室[9]利用特殊设计的双频双感应器成功地实现了多种截面形状的无接触电磁约束成形。

同时，他们利用软接触电磁约束成形定向凝固技术，制备出了不同尺寸的高温合金叶片模拟样件。

中国科学院金属研究所[10]应用定向凝固工艺成功研制出一种性能优异的低成本定向凝固镍基高DZ417G。

DZ417G 合金从室温至高温瞬时拉伸性能良好，无缺口敏感性，横向性能优异，其中最突出的优点是室温至高温的拉伸塑性优异，且室温冲击韧性高。

这种合金综合性能优异，可用作先进航空发动机低压涡轮叶片等零件。

2.2.2制备磁性材料
深过冷快速凝固是目前国内外制备块体纳米磁性材料的研究热点之一，采用该工艺可先制备出大块磁性非晶，再将其进行退火热处理而获得纳米磁性材料，也直接将整块金属进行晶粒细化至纳米级而获得纳米磁性材料。

深过冷快速凝固方法所制备块体纳米材料的厚度及平均晶粒尺寸在很大程度上是由合金成分以及液态金属获得的过冷度决定的。

蒋成保等[11]人采用JSL-500区域熔化真空定向凝固装置，对TbDyFe超磁致伸缩合金定向凝固的磁致伸缩性能的研究表明：胞枝晶组织是制备高性能TbDyFe合金样品的关键，因为胞状枝晶方式生长的样品轴向择优取向为<112>时，磁致伸缩性能优越。

2.2.3制备共晶复合材料
定向凝固共晶复合材料是一种自生纤维(或片层)增强的金属基复合材料，它的纤维或片层是在合金熔体定向凝固时和基体同时生长的。

这种方法是原位生成法中的一种，采用定向凝固技术制备的复合材料增强体和基体的结合良好，不会出现界面反应问题和增强体与基体之间润湿性的问题，所得到的复合材料增强相的排列取向较好。

定向凝固技术制备复合材料在镍基和锆基复合材料上应用较多，得到的共晶型复合材料具有优异的韧性、抗疲劳性能、抗蠕变性能和持久强度，并且对热循环影响很不敏感，所以这种新型复合材料在航空发动机
方面的应用前景极为美好。

[12]西北工业大学[13]在自行研制的具有高真空、高温度梯度、宽抽拉速度等特点的定向凝固设备上制备出自生Cu-Cr 复合材料棒，复合材料的综合性能得到提高。

2.2.4制备多孔材料
金属中的气孔一般都被认为是一种缺陷，但是利用金属中的气体可以制备出多孔材料，现在使用最多的方法是金属-气体共晶定向凝固法，所得到的气体-固体共晶结构为圆柱形气孔规则定向排列于金属基体中的材料。

这种工艺所得到的多孔金属不仅具有比相同材质的整块致密金属高的综合力学性能（密度低，比模量、比强度高），而且与传统方法制造的多孔材料比较起来，也具有很多优异的性能特点。

[14]清华大学刘源等[15]利用金属-气体共晶定向凝固新工艺，在自行开发的Gasar装置上，成功制备了具有规则气孔分布的藕状多孔金属Mg，并研究了铸型预热温度和气体压力等工艺参数对气孔率、气孔大小和分布的影响。

2.2.5制备其他新型材料
随着社会的发展，各种材料应运而生，因此定向凝固技术的使用在不断地扩大，如制备高温超导体材料、功能材料、纳米材料形状记忆合金、单晶连铸坯等。

由此可以看出：定向凝固技术必将为新材料的制备和新加工技术的开发提供广阔
的前景，也必将使凝固理论得到完善和发展。

3、定向凝固研究中存在的问题
虽然初步的实验表明定向凝固技术的应用前景非常广阔，但是目前仍然存在一些问题需要解决。

（1）定向凝固技术制备单晶涡轮叶片时，易形成叶片凸台边缘的杂晶缺陷、成分偏析引起的斑点缺陷等[16]。

此外，叶身的小角度晶界不得超过6°，这使得在生产中不易控制。

（2）定向凝固技术中的深过冷技术局限于纯金属或简单的二元合金，如何应用深过冷技术获得性能优良的复杂合金材料是一个亟待解决的问题[17]。

（3）电磁约束成形定向凝固技术是一项涉及电磁流体力学、冶金、凝固以及自动控制等多学科的技术，各种工艺参数如电磁压力、加热密度、抽拉速度的选择将决定铸件的表观质量和性能，目前还处于研究阶段。

（4）激光超高温度梯度快速定向凝固技术存在的主要问题[18]是如何控制热流的方向使固液界面的生长方向与激光束的扫描方向一致，实现传统意义上的定向凝固，目前该工作正在进行之中。

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大连交通大学材料科学与工程学院。