定向凝固技术及其应用
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。
第三章定向凝固
第三章定向凝固技术3.1定向凝固技术概论定向凝固技术是上世纪60年代，为了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，而首先提出的。
目前，定向凝固技术被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。
定向凝固技术的最主要应用是生产具有均匀柱状晶组织的铸件。
利用定向凝固技术制备的航空领域的高温合金发动机叶片，与普通铸造方法获得的铸件相比，它使叶片的高温强度、抗蠕变和持久性能、热疲劳性能得到大幅度提高。
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。
用定向凝固方法得到的自生复合材料消除了其它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方向相反的方向凝固，最终得到具有特定取向柱状晶的技术。
热流的控制是定向凝固技术中的重要环节，获得并保持单向热流是定向凝固成功的重要保证。
伴随着对热流控制技术的发展，定向凝固技术由最初的发热剂法(EP法)、功率降低法(PD法)发展到目前广泛应用的高速凝固法(HRS法)、液态金属冷却法(LMC法)何连续定向凝固法。
3.2 定向凝固的理论基础定向凝固是研究凝固理论和金属凝固规律的重要手段，定向凝固技术的发展直接推动了凝固理论的发展。
从Chalmers等的成分过冷到Mullins的界面绝对稳定动力学理论，人们对凝固过程有了更深刻的认识。
在定向凝固过程中，随着凝固速度的增加，固液界面的形态由低速生长平面晶→胞晶→枝晶→细胞晶→高速生长的平面晶变化。
无论是那一种固液界面形态，保持固液界面的稳定性对材料的制备和材料的力学性能非常重要。
因此固液界面稳定性是凝固过程中一个非常重要的科学问答题。
低速生长的平面晶固液界面稳定性可以用成分过冷理论来判定，高速生长的平面晶固液界面稳定性可以用绝对稳定理论来判定。
材料合成技术与方法7-定向凝固法
柱状晶（1）提出过程：Charlmers、Tiller等观察到正温度梯度（dT/dx>0）：液相的热量和结晶潜热沿已结晶的固相和模壁散失，液体中心温度平面方式生长，晶体沿温度梯度的方向，或散热的反方向生长，负温度梯度（dT/dx<0）：在极缓慢的冷却条件，液体内部温度分布均匀，一定过冷度下，液体中区域形核并长大，放出潜热，使液-固界面温度距离固液负温度梯度（dT/dx<0）：树枝状方式生长，d 1一次枝晶臂间距d 2二次枝晶臂间距（4）固液界面形成成分过冷的条件： 溶质在固相和液相中的固溶度不同 固液界面固相一侧不同位置温度不同材料合成技术与方法00000(1)L L LL LCS L L m C k k D G D V T G m k T −<=∆∆出现成分过冷判断依据平衡界面生长的临界速度其中，为液固界面前沿液相温度梯度(K/mm)为界面生长速度(mm/s)，为液相线斜率，为合金平均成分，为平衡溶质分配系数为液相中溶质扩散系数，为平衡结晶温度间隔材料合成技术与方法不同成分过冷程度的三个区域及晶体生长方式T D >T L ,平界面，不产生成分过冷，离开界面，过冷度减小胞晶状界面，液相温度梯度减小，较小的成分过冷树枝状界面方式，较大的成分过冷理论结晶温度成功判定低俗生长条件下，无偏析特和Skeerka 考虑溶质浓度场、温度场、固溶界面和界面动力学2）绝对稳定性理论（MS理论）/0/LLV D pV D αα−≤−界面稳定---界面稳定第三项：溶质边界层---界面失稳定向凝固示意图利用晶体的生长方向和热流方向平行且相反的规律，在铸造中建立特1、定向凝固技术2、过程参数3、织构的晶体学条件4、相变中的织构演变材料合成技术与方法7.3 定向凝固工艺1）传统定向凝固技术及设备2）新型定向凝固技术及设备目的：为消除由于金属液凝固收缩产生的缩材料合成技术与方法）功率降低法（PD），加热感应线圈；较大冷却速度，柱状晶区短，组织不理想；设备复杂，能耗大LMC）最原始；工艺简单、成本低，适用小批量零件；铸件质量差；发热剂和激冷板加热感应线圈；较大冷却速度，柱状晶区短，组织不理想；设备复杂，能耗大铸件与加热器相对运动，辐射挡板和水冷套，较大的温度梯度；避免炉膛影响，利用空气冷却，组织较均匀；广泛应用），速度-金属浴；液态金属冷却剂；大的温度梯度和冷却速度，理想的方法），流态床-冷却剂，经济2）新型定向凝固技术及设备（1）超高温度梯度（ZMLMC），局域熔化液态金属冷（2）电磁约束成形定向凝固（DSEMS）（4）激光超高温度梯度快速凝固（LRM）（2）电磁约束成形（DSEMS），提高温度梯度，冷却速度材料合成技术与方法（5）连续定向凝固（OCC）局域熔化液态金属冷1）固液界面前沿液相中的温度梯度G L 和固相界面的推进速度R ，即G L /R2）G L /R 同时增加，细化组织，改善质量，增加生产效率3）G L ：10～15℃/cm →100～300 /cm ，工业上30～80℃/cm材料合成技术与方法2、过程参数凝固过程原子从随机堆积的列阵直接转变为有序阵列，这种转变是通过固液界面的移动逐渐液固粗糙界面定向凝固过程晶体生长为强制生长系统，即强制CeO 2晶面的稳定性{111}> {110}>{001}。
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。
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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
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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
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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？
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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
定向凝固制备铸造多晶硅的原理及应用综述
定向凝固制备铸造多晶硅的原理及应用综述摘要：阐述了介绍了定向凝固应用于硅材料的理论基础，论述了近年来定向凝固制备技术在杂质提纯和晶体生长的研究进展，提出了定向凝固制备铸造多晶硅研究现状和存在的问题。
展望今后的发展前景，认为新型的定向凝固技术制备出的硅锭在杂质含量、晶体结构方面均优于传统凝固技术，应积极改善定向凝固技术，以制备高品质的太阳能硅材料。
关键词定向凝固；铸造多晶硅；杂质和缺陷；转化效率晶体硅太阳能电池包括单晶电池和多晶电池2种，多晶电池的市场份额占到一半以上，商业化的多晶电池效率可以达到14%左右[1]。
实验条件下，多晶电池的最高转化效率达到20.30左右，多晶电池的效率虽然略低于单晶电池1%～2%，但多晶电池制造成本低、环境污染小，仍有很高的性价比和市场[2]。
近年来，由于技术改良、电池效率提高及生产成本下降等有利因素，因而大大促进了多晶电池应用技术的发展，也使业内专家学者给予了多晶电池制备技术更多研究和关注[3]。
影响多晶电池转换效率主要有2个方面：一是多晶硅铸锭的纯度，即使材料中含有少量的杂质，对电池的光电性能就有很大的影响[4]；二是尽量减少材料中各种缺陷，多晶硅铸锭中的晶界、位错与杂质聚集成载流子复合中心，大大的降低了多晶电池效率。
由以上表述可知，要提高多晶电池的效率，必须围绕提高材料纯度和降低材料缺陷的技术进行研究，而定向凝固技术正是制备硅晶体材料的典型应用。
定向凝固技术开始只用于传统的高温合金研制，经过几十年的发展，它已经是一种成熟的材料制备技术[5]。
定向凝固技术在多晶硅铸造主要是控制晶体生长和杂质提纯2方面的应用。
定向凝固技术可以很好地控制组织的晶面取向，消除横向晶界，获得大晶粒或单晶组织，提高材料的力学性能[6]。
同时，定向凝固可生成按照一定晶面取向、排列整齐的晶体结构,由于分凝系数的不同，杂质凝聚于晶界和铸锭上方，对材料起到提纯作用。
1. 基本原理多晶硅铸锭实际上就是由定向排列的柱状晶体组合形成，形成的理论基础就是定向凝固原理。
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;
定向凝固技术及其运用
影响因素： 1冷却剂的温度
2 模壳传热性、厚度和形状 3 挡板位置 4 熔液温度 5液态金属冷却剂的选择条件： 6 有低的蒸气压，可在真空中使 用 7 熔点低，热容量大，热导率高 8 不溶解在合金中 9 价格便宜
流态床冷却法（FBQ法）
在相同条件下， 液态金属冷却法的温度梯度GTL为100～300℃/cm， 流态床冷却法的温度梯度GTL为100～200℃/cm， 两者的凝固速率和糊状区宽度相同，分别50～
ห้องสมุดไป่ตู้
深过冷定向凝固技术
➢ 过冷熔体中的定向凝固首先由B.Lux等人在1981年提 出
➢ 基本原理：将盛有金属液的坩锅置于一激冷基座上,在 金属液被动力学过冷的同时,金属液内建立起一个自下 而上的温度梯度,冷却过程中温度最低的底部先形核, 晶体自下而上生长,形成定向排列的树枝晶骨架,其间 是残余的金属液。在随后的冷却过程中,这些金属液依 靠向外界散热而向已有的枝晶骨架上凝固,最终获得了 定向凝固组织。
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。利用激光快速熔 凝方法可以实现与Bridgman法相似的超高温度梯 度快速定向凝固,其温度梯度可高达106K/m,速度 可高达24mm/s,冷却速度较区熔液态金属冷却法 大大提高(约为三个数量级)。
可以在保持较高力学性能的同时实现人骨所需的较大 的空孔率, 同时它具有减震性、耐磨性和化学稳定性, 这对绝大多数不具备自恢复效应的人工骨材料来说是 极为重要的。
谢谢！
所谓定向凝固，就是指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。
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。
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。
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。
定向凝固技术的发展及应用
定向凝固技术的发展及应用摘要：定向凝固技术可使材料凝固组织按特定方向排列，获得定向及单晶组织结构，从而大大改善材料的力学和物理性能。
本文详细地评述了传统定向凝固技术的发展过程和存在的问题，阐述了几种新近发展起来的新型定向凝固技术。
介绍了定向凝固技术在材料制备中的应用。
关键词：定向凝固技术，温度梯度，材料制备金属的定向凝固就是指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。
它是在高温合金的研制中建立和完善起来的。
该技术被广泛用于获得具有特殊取向的组织和优异性能的材料，因而自其诞生以来得到了迅速的发展。
应用定向凝固方法，可以得到定向组织、甚至单晶，可以明显地提高材料所需的性能。
因此，定向凝固技术自其诞生以来得到了迅速的发展。
1定向凝固技术的发展过程定向凝固技术除早期用于高温合金的研制外，后来还逐渐推广到半导体材料、磁性材料、复合材料等的研制中，并成为凝固理论研究的重要手段之一。
热流的控制是定向凝固技术中的重要环节，获得并保持单向热流是定向凝固成功的重要保证。
伴随着对热流控制(不同的加热、冷却方式)技术的发展，定向凝固技术经历了由炉外法、功率降低法、快速凝固法直到液态金属冷却法等的发展过程。
1.1炉外结晶法炉外结晶法有叫发热剂法（EP法），是定向凝固技术中最原始的方法之一。
Versnyder 等早在20 世纪50年代就应用于试验中。
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。
但该方法工艺简单，成本低，在小批量零件生产中任然还有应用。
1.2功率降低法（PD法）在20世纪60年代，Versnyder等人提出了功率降低法。
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。
定向凝固技术的发展与应用
定向凝固技术的发展与应用摘要：定向凝固技术是指利用一定的设备，在一定的工艺条件下使材料的组织具有特殊取向从而获得优异性能的工艺过程。
定向凝固技术是伴随着高温合金的发展而逐步发展起来的。
本文综述了定向凝固技术的定向凝固理论，对比分析了不同定向凝固方法的优缺点，并从四个方面论述了提高温度梯度的途径，最后对定向凝固技术的发展及应用前景做了展望。
关键词：定向凝固；工艺特点；温度梯度；应用1.引言凝固是材料制备与加工的重要手段之一，先进的凝固技术为先进材料开发与利用提供了技术条件。
凝固过程中包含了热量、质量和动量的传输过程，它们决定了材料凝固组织和成分分布，进而影响材料性能。
近20年中，不仅开发出许多先进凝固技术，也丰富和发展了凝固理论。
其中，先进凝固技术主要集中于如下几种类型：定向凝固、快速凝固与近快速凝固技术、外加物理场（压力场、电磁场、超重力或微重力场）中的凝固技术以及强制流动条件下的凝固技术等。
定向凝固技术是对金属材料进行凝固过程进行研究的重要手段之一，可用于模拟合金的凝固过程，制备高质量航空发动机定向和单晶叶片等。
同时，也是研究固液界面形态及凝固组织行之有效的技术手段。
定向凝固技术的出现是涡轮叶片发展过程中的一次重大变革。
铸造高温合金叶片的制造工艺经历了从等轴晶铸造到定向单晶凝固的发展过程，不仅在晶粒结构的控制上取得了很大进展，而且铸造性能也有了很大提高，常规的铸造高温合金尽管有较高的耐温能力，但材料的中温蠕变强度较低。
定向凝固技术能够使晶粒定向排列，在垂直于应力方向没有晶界，同时由于沿晶粒生长的（001）方向具有最低的弹性模量，这样将大大降低叶片工作时因温度不均匀所造成的热应力，因此使蠕变断裂寿命和热疲劳强度得到很大提高，如DS Mar-M200+Hf比等轴晶合金热疲劳性能提高了8倍。
此后，随着各种定向凝固技术的不断发展，固液界面前沿的温度梯度不断增大、冷却速率逐渐提高，定向生产的叶片综合性能也日2. 定向凝固理论2.1成分过冷理论Chalmers、Tiller［1, 2］等人在研究中发现在合金中液固界面前沿由于溶质富集导致平界面失稳而形成胞晶和枝晶，首次提出了著名的成将会产生成分过冷”分过冷”判据：G L m L C o( k o _ 1)V k0D L ( 1) 式中，G L为液固界面前沿液相温度梯度；V为界面生长速度；m L为液相线斜率；C o为合金平均成份；k o为平衡溶质分配系数；D L为液相中溶质扩散系数。
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。
10.0定向凝固技术讲解
▪ 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
▪ 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
▪ 方法
功率降低法 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。
（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
▪ 形成柱状晶的基本条件： 热流方向定向 定向散热
定向凝固铸造的特点和应用
定向凝固铸造的特点和应用《定向凝固铸造的特点和应用》在我老家的那个小镇上，有个老铁匠铺。
老铁匠李大爷，那可是个名人。
他那双手啊，就像有魔法一样，能把一块块生硬的铁块变成各种各样实用的东西。
每次路过他的铺子，都能看到他在火炉前忙活着，徒弟小王在一旁打下手。
有一天，我去铁匠铺找李大爷聊天。
正赶上他在给一个顾客打制一把特殊的农具。
我好奇地问：“大爷，您这打铁的手艺可真是绝了，不过您听说过定向凝固铸造吗？”李大爷停下手中的锤子，抬起头，眼睛里满是疑惑：“啥是定向凝固铸造啊？听着挺玄乎的。
”我笑着开始解释：“大爷，这定向凝固铸造啊，就像是给金属安排了一场特殊的旅行。
在普通的铸造里啊，金属溶液冷却凝固的时候那可是乱哄哄的，就像一群没头的苍蝇到处乱撞。
可是定向凝固铸造不一样，它能让金属溶液按照咱们设定好的方向，有条不紊地凝固。
这就好比您指挥着一群小士兵，让它们朝着您指定的方向整齐地行进。
”说到这，小王也凑了过来，眼睛里闪着好奇的光：“哥，那这有啥好处呢？”我清了清嗓子说道：“这好处可多了去了。
首先啊，这种铸造方式能让铸出来的东西内部结构特别整齐有序。
打个比方，如果普通铸造出来的金属像一团乱麻，那定向凝固铸造出来的就像一束精心梳理过的丝线。
这就使得铸出来的零件或者产品啊，性能特别好，比如说它的强度和韧性就比普通铸造的要强很多。
”我继续说道：“还有啊，这种铸造方式能减少缺陷。
您想啊，普通铸造的时候，金属溶液乱凝固，就容易产生气孔啊、裂缝之类的问题。
而定向凝固铸造就像是给金属凝固过程上了一道保险，能让这些缺陷大大减少。
这就好比您打铁的时候，如果火候掌握不好，铁就容易有问题，而定向凝固铸造就是掌握好了这个‘火候’。
”“那这东西都能用在哪呢？”李大爷问道。
我想了想回答道：“大爷，这用处可广了。
在航空航天领域，那些飞机发动机的叶片啊，就经常用定向凝固铸造。
您想啊，飞机在天上飞，发动机叶片得承受多大的压力啊。
要是用普通铸造的叶片，说不定就会出问题。
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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，存在一个凝固的初始阶段，在这个阶段柱状晶密度大，随着晶体的生长，柱状晶密度趋于稳定。
因此，任何定向凝固铸件都有必要设置可以切去的结晶起始区，以便在零件本体开始凝固前就建立起所需的晶体取向结构。
柱状晶包括柱状树枝晶和胞状柱状晶。
通常采用定向凝固工艺，使晶体有控制地向着与热流方向相反的方向生长，减少偏析、疏松等，形成取向平行于主应力轴的晶粒，基本上消除了垂直应力轴的横向晶界，使合金的高温强度、蠕变和热疲劳性能有大幅度地改善。
获得定向凝固柱状晶的基本条件是合金凝固时热流方向必须是定向的。
在固液界面前沿应有足够高的温度梯度，避免在凝固界面前沿出现成分过冷或外来核心，使柱状晶横向生长受到限制。
另外，还应该保持定向散热，绝对避免侧面型壁生核长大，长出横向新晶体。
因此，要尽量抑制液态合金的形核能力。
提高液态合金的纯洁度，减少氧化、吸气所形成的杂质污染是用来抑制形核能力的有效措施。
另外，还可以通过添加适当的元素或添加物，使形核剂失效。
定向凝固是制备单晶最有效的办法。
单晶在生长过程中要绝对避免固液界面不稳定而长出胞状晶或柱状晶，因而固液界面前沿不允许有温度过冷河成分过冷。
固液界面前沿的熔体应处于过热状态，结晶过程的潜热只能通过生长的晶体导出。
定向凝固满足上述热传输的要求，只要恰当地控制固液界面前沿熔体的温度和晶体生长速率，是可以得到高质量的单晶体的。
为了得到高质量的单晶体，首先要在金属熔体中形成一个单晶核，而后在晶核和熔体界面上不断生长出单晶体。
L．Liu[2]等人用单晶超合金CMSX-2 (8 wt.% Cr, 8W, 4.8Co,0.6Mo, 5.6Al, 1Ti, 6Ta and Ni as balance)对定向凝固技术进行了研究，图1就是他们的部分研究成果。
图1. 不同温度梯(T)和抽拉速度（V）下合金组织形貌(a) Planar, V=0.13 μm/s, G=200 K/cm; (b) cellularV=0.33 μm/s,G=200 K/cm; (c) cellular–dendrite, V=5.50 μm/s, G=200 K/cm; (d) coarse dendrite, V=6.67 μm/s, G=200 K/cm; (e) coarse dendrite, V=13.3 μm/s, G=200 K/cm;(f) fine dendrite, V=50 μm/s, G=200 K/cm;(g) fine dendrite–cellular, V=100 μm/s, G=200 K/cm; (h) superfine cellular, V=100 μm/s, G=1000 K/cm.观察图1中（a）-（e）我们发现，在很低的抽拉速度下（小于0.15μm/s）固液界面处是平面。
随着V的增大，界面形貌的依次变化为平面、蜂窝状、蜂窝-枝晶状、枝晶状。
而在更高的抽拉速度下，如图1中（f）-（g）所示，枝晶的分支生长被抑制，一次枝晶间距和二次枝晶间距均减小；最后，当V很大时，如图1中（h）所示，可以得到一种超细小的枝晶-蜂窝状界面。
3.定向凝固方法发展与前瞻定向凝固技术的主要技术参数有固液界面前沿液相中的温度梯度G和固液界面向前推进的速度即晶体生长速度V。
实际上，对于成分确定的某一种合金而言，合金定向凝固所形成的微观组织的形貌、晶粒大小都由固液界面前沿液相中温度梯度和晶体生长速度的变化来决定。
比如，冷却速度T（T=GV）对微观元素的形貌和尺寸有很大影响，冷却速度越大，合金的微观组织越细小；还有，成分过冷度（G/V）影响着微观组织形貌发展方式（平面，胞状，枝状）[3]。
图2.实验用定向凝固设备图3.Bridgamn定向凝固方法简单示意图及其温度场现如今，在工业和实验室环境中，各类无损探测技术和有损探测技术被广泛运用来获得G和V的精确数值[4]-[20]。
并且，定向凝固时，G和V都是可以控制的，将试样以不同的速度远离加热中心即可获得不同的生长速度V；而温度梯度又可由加热区域和冷却区域的温度差所控制[21]。
为了得到均匀连续的柱状晶组织，铸造区域的温度场和相关的温度梯度应该得到有效控制。
特别地，液固界面前沿的温度梯度是确保组织沿着热流相反方向顺序凝固以及阻止结晶晶核在熔体的成分过冷区形成的一个重要参数。