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。定向凝固技术最大的一个成果之一就是涡轮叶片的生产，这直接促进了高温合金材料设计上的巨大进步。自从这个突破后，一系列的定向凝固技术，比如：快速凝固技术（HRS），液态金属冷却（LMC）等可以提高定向凝固组织都发展起来。如今，定向凝固理论是一种重要的材料制备方法和一种研究凝固现象的有利工具。因此，研究和开发新的定向凝固方法吸引了世界范围内的材料工程师和科学家。

定向凝固方法主要有以下几种：

（1）发热剂法。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，建立自下而上的

凝固条件。由于无法调节凝固速率和温度梯度，因此该法只能制备晓得柱状

晶铸件。

（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移动。当型壳被预热到一定过热度时，向型壳中浇入过热金属液，切断下部电源，上部继续

加热。温度梯度随着凝固距离的增大而不断减少。

（3）快速凝固法。与功率降低法的主要区别是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。另外，在热区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。与功率降低法相比，该法可大大缩小凝固

前沿两相区，局部冷却速度增大，有利于细化组织，提高力学性能。

（4）液态金属冷却法。该法工艺过程与快速凝固法基本相同。当合金液浇入型壳后，按选择的速度将型壳拉出炉体，浸入金属浴，金属浴的水平面保持在凝

固的固液界面近处，并使其保持在一定温度范围内。

（5）流化床冷却法。液态金属冷却法采用低熔点合金冷却，成本高，可能使铸件产生低熔点金属脆性。

（6）区域熔化液态金属冷却法。在液态金属冷却法的基础上发展的一种新型的定向凝固技术。其冷却方式与液态金属冷却法相同，但改变了加热方式，利用

电子束或高频感应电场集中对凝固界面前沿液相进行加热，充分发挥过热度

对温度梯度的贡献，从而有效地提高了固液界面前沿温度梯度，可在较快的

生长速率下进行定向凝固，可以使高温合金定向凝固一次枝晶和二次枝晶间

距得到非常明显的细化。但是，单纯采用强制加热的方法以求提高温度梯度

从而提高凝固速度，仍不能获得很大的冷却速度，因为需要散发掉的热量相

对而言更多了，故冷却速度提高有限。

（7）激光超高温度梯度快速定向凝固。激光能量高度集中的特性，使它具备了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的可能

性。激光束作为热源，加热固定在陶瓷衬底上的高温合金薄片，激光束使金

属表面迅速熔化，达到很大的过热度。在激光表面快速熔凝时，凝固界面的

温度梯度可高达5×104 K/cm。但一般的激光表面熔凝过程并不是定向凝固，

因为熔池内部局部温度梯度和凝固速度是不断变化的，且两者都不能独立控

制；同时，凝固组织是从基体外延生长的，界面上不同位置的生长方向也不

相同。

（8）连续定向凝固。将结晶器的温度保持在熔体的凝固温度以上，绝对避免熔体在型壁上形核，熔体的凝固只在脱离结晶器的瞬间进行。随着铸锭不断离开

结晶器，晶体的生长方向沿热流的反方向进行。可以得到完全单方向凝固的

无限长柱状组织；铸件气孔、夹渣等缺陷较少；组织致密，消除了横向晶界。

但它的局限性在于依赖于固相的导热，所以只适用于具有较大热导率的铝合

金及铜合金的小尺寸铸锭。

（9）电磁约束成形定向凝固。利用电磁感应加热直接熔化感应器内的金属材料，利用在金属熔体表层部分产生的电磁压力来约束已熔化的金属熔体成形。

无坩埚熔炼、无铸型、无污染的定向凝固成形，可得到具有柱状晶组织的铸

件，同时还可实现复杂形状零件的近终成形。但对某些密度大、电导率小的

金属，实现完全无接触约束时，约束力小，不容易实现稳定的连续的凝固。

（10）深度过冷定向凝固。装有试样的坩埚装在高频线圈中循环过热，使异质核心通过蒸发与分解去除；或通过净化剂的吸附消除和钝化异质核心，获得深过

冷的合金熔体。再将坩埚的底部激冷，底部先形核，晶体自下而上生长，形

成定向排列的树枝晶骨架，残余的金属液向已有的枝晶骨架上凝固，最终获

得了定向凝固组织[1]。

2.定向凝固的应用

定向凝固（DS）技术常用于制备柱状晶和单晶。合金在凝固过程中由于晶粒的竞争生长，形成了平行于抽拉方向的结构。最初产生的晶粒，其取向呈任意分布。其中取向平行于凝固方向的晶体凝固较快，而其他取向的晶体，最后都消失了。因此，存在一个凝固的