材料定向凝固的前沿进展

材料定向凝固的前沿进展

傅恒志刘林

西北工业大学

哈尔滨工业大学

1

2

10-3k/s10-1101103

3

4

5

6

Possible microstructure obtained from

3-phase alloys,in order of increasing G/R .

高梯度定向凝固

7

T=10-1K.s-1

HRS

8

9

CMSX-2合金的凝固界面形态G L

=250K/cm

10

1µm 1µm 1µm

1µm

1µm 1µm

1µm 1µm 1µm

11

12

深过冷定向凝固

熔体保持过冷至液相线以下，沿设定方向凝固,最大的驱动力--细化组织（原理示意图

）

两种定向凝固的工艺特性（工艺示意图）

低炉膛温度高炉膛温度

低温度梯度高温度梯度

不需抽拉限定抽拉速度

不需档板严格的档板技术

凝固速度快凝固速度慢

深过冷定向凝固组织形态，枝晶、柱晶、粒晶

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单晶连铸技术

15

16

单晶铜材的主要应用

17

18

19

&优良的导电性和信号传输性能&良好的塑性加工性能&优良的抗腐蚀、抗疲劳性能&减少偏析、夹杂、气孔、缩孔等铸造缺陷，纯净度和洁净度显著提高

产品特

性

20良好的塑性加工性能

02040

6080

100120

140

160

180

抗拉强度M P a 屈

服强度M P a 延

伸率（％）断

面

收缩

率（％）

21

与日本的单晶铜的性能对比

（相对电导率）10214038115

13256

102

135

60

延伸率%强度Mpa IACS 日本（4N ）超晶（3N ）日本（6N ）

特种合金的电磁约束成形

定向凝固

22

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特种钢、高温合金、钛、铌、锆等特种合金特点

电磁约束成形与凝固控制－在真空下进行

大比重

高熔点

低磁导率、电导率

高活泼－易氧化、易

污染

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目前已有的比较典型

的电磁成形技术电磁连铸（EMC ）电磁半悬浮熔铸（MSMP

）

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&真空或惰性气体

&母合金坯料（熔铸、压制、烧结）

&熔化、过热、成形、凝固同时进行

&无接触成形成凝固

&特设冷却措施，可大范围调节冷却速率

&液固界面形状与EMC 相反，呈上凸状

&可大范围控制凝固过程与凝固

组

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软接触电磁约束成形与凝固控制（EMSCC ）

12

345678910

P m 1 固态料棒2 磁模3 绝热层4 上加热线圈

5 保温层

6 约束成形熔体

7 下加热成形线圈

8 磁化套9 凝固的金属10 水冷铜盘ô真空、母合金坯料。

ô磁模作为软接触成形结晶器。ô无坩埚，熔化在磁模中进行。

ô磁模中熔体形成驼峰，实现半悬浮。

ô熔体与磁模接触时间短（3～5分）。

ô少污染。ô可成形各类复杂形状坯、构件。ô可大范围控制凝固过程与凝固组织

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晶体特定取向控制定向凝固

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TiAl 片层组织

Nd-Fe-B

Ti-45Al 合金定向凝固组织

Directional solidified microstructure of Ti-45Al

(a)Only βgrowth (b)co-growth of β+α

30非平衡多包晶多相反应中组成相从不同母相中形核与生长间的竞争与结构匹配，以及它们之间位向关系的变

化

46-49at.%Al L →[β]+L →[β+α]+L →[β+α]+γ→[α]+γ→[α2]+γ→[α2+γ]+γ

自β→α→γ

自α→γ

自L →γ

31T T

Scheme of dual temperature gradient directional solidification <1210>

Schematic illustration of columnar grains and their lamellar microstructure by seeding T T Turn 90°(0001)α//(111)γ

(110)β//(0001)α

[1210]α//[110]γ

Interface=(0001)α

Microstructure of a directionally solidified Ti-43Al-3Si ingot grown from a seed with Ti5Si3silicide particles marked in each figure by arrows.

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高性能陶瓷材料定向凝固