第7章定向凝固
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。
铜的定向凝固实验原理
铜的定向凝固实验原理铜的定向凝固是一种金属凝固工艺，通过控制铜合金的凝固过程，使其具有特定的晶体结构和力学性能。
定向凝固技术广泛应用于航空航天、能源、汽车和电子等高科技领域中。
定向凝固技术的原理主要包括凝固传热、束流定向、溶质重分配和相界限控制等方面。
首先，凝固传热是定向凝固的基础。
在凝固过程中，铜合金的熔化和凝固过程是同时进行的。
凝固是通过传递热量来达到的，而热量的传递方式主要有导热和对流两种。
在凝固过程中，通过合理的控制传热方式，可以影响晶体生长的速度和方向，从而控制晶体的取向。
其次，束流定向是定向凝固中的关键环节。
束流定向是指在凝固过程中通过施加外加的磁场、温度梯度或拉伸力等辅助手段，将熔融合金中的晶粒定向生长。
束流定向的方法有很多种，常用的方法有磁场定向、模具形状定向和温度梯度定向等。
这些方法可以在凝固过程中控制晶粒的取向和排列，从而获得所需的晶体结构。
第三，溶质重分配是定向凝固中的另一个关键因素。
在凝固过程中，合金中的溶质会因为凝固过程中的温度变化而发生重分配。
通常情况下，溶质倾向于富集在凝固前沿的液相区域，导致凝固后的固相区域出现不均匀分布的现象。
为了减小溶质的偏聚效应，定向凝固过程中通常采用稳态定向凝固和自辐射稳态凝固等技术。
最后，相界限控制是定向凝固中的另一个重要环节。
合金中的相界限对晶体的取向和力学性能具有重要影响。
在定向凝固中，通过调整合金的化学成分、凝固速度和温度梯度等参数，可以控制相界限的位置和形态。
这样可以使晶体取向更加均匀，并且减少晶界的数量和位错密度，提高合金的力学性能。
总的来说，铜的定向凝固是通过控制凝固传热、束流定向、溶质重分配和相界限控制等工艺参数来实现的。
利用这些技术，可以控制铜合金的晶体取向、结构和力学性能，为高科技领域中的应用提供了可靠的材料基础。
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。
材料科学基础第7章下
图7.51 成分过冷的产生示意图 （a）相图 （b）成分过冷 （c） 成分过冷区
（二）产生成分过冷的临界条件
假定相图的液相线为直线，其斜率为m（相当于每1％溶质浓度所 降低的温度），则液相线可表示为：
TL Tm mCL
பைடு நூலகம்
式中Tm为纯A的熔点，则
TL
Tm
mC0
1
1
k0 k0
exp
Rx D
G1时，成分过冷消失，产生成分过冷的必要条件为T﹤TL，即：
Ti Gx
Ti
mC0
(1 k0
k0
)
1
exp
Rx D
对液体而言，D较大，Rx/D较小，则
所以有：
exp
Rx D
1
Rx D
G mC0 • 1 k0 R D k0
此式即为产生成分过冷的临界条件。从中可以看出，液体的温度
梯度小，成长速度大，组元的扩散能力弱，液相线陡峭以及液相线和
图7.44 水平单相凝固示意图
（一）液体中仅借扩散而混合的情况
CS
C
0
1
X L
11
C0
CL
C0
1
1 K0 K0
exp
RX D
图7.45 液相中只有扩散的单相结晶过程
课件：第七章 二元相图及其合金的凝固
(7.7)式称为杠杆法则，在α和β两相共存时，可用杠杆法则求出两
相的相对量，α相的相对量为 x2 x ，β相的相对量为 x x1 ，
两相的相对量随体系的成分x而变x2。 x1
x2 x1
7.2.4 从自由能—成分曲线推测相图
根据公切线原理可求出体系在某一温度下平衡相的成分。图7．7表 示由T1，T2，T3，T4及T5温度下液相(L)和固相(S)的自由能一成分 曲线求得A，B两组元完全互溶的相图。
• 当Ω ＞0，A—B对的能量高于A-A和B-B对的平均能量，意味着 A—B对结合不稳定，A，B组元倾向于分别聚集起来，形成偏聚状 态，此时ΔHm ＞0。
7.2.2 多相平衡的公切线原理
两相平衡时的成分由两相自由能—成分曲线的公切线所确定，如图7．4 所示。
由图可知：
对于二元系在特定温度下可出现三相平衡，如7.5所示：
对上式用二阶泰勒级数展开，可得
由此表明， 在拐点迹线以内的溶混间隙区，任意小的成分起伏Δx都能使体系自 由能下降，从而使母相不稳定，进行无热力 学能垒的调幅分解，由上坡扩散使 成分起伏增大，从而直接导致新相的形成，即发生调幅分解。
7.3.5 其他类型的二元相图
1. 具有化合物的二元相图
a．形成稳定化合物的相图 没有溶解度的化合物在相图中是一条垂线，可把它看作为一 个
7.1 相图的表示和测定方法
• 二元相图中的成分在国家标准有两种表示方法：质量分数（ω） 和摩尔分数（x），两者换算如下：
式中，ωA，ωB分别为A，B组元的质量分数；ArA，ArB分别为组元A，B的 相对原子质量；xA，xB分别为组元A，B的摩尔分数，并且ωA+ωB=1（或 100％），xA+xB=1（或100％）。
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
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。
材料科学基础第7章 下
C S ( X ) = k 0 C0 (1 − X / L ) k0 −1
剩余液相的平均浓度: 剩余液相的平均浓度:
C L ( X ) = C0 (1 − X / L ) k0 −1
其中 L：合金棒长度；C0：合金的原始浓度。 合金棒长度； 合金的原始浓度。
图7.46 液相中溶质完全混合时溶质再分配示意图
所以有： 所以有：
G mC0 1 − k0 ≺ • R D k0
此式即为产生成分过冷的临界条件。从中可以看出， 此式即为产生成分过冷的临界条件。从中可以看出，液体的 温度梯度小，成长速度大，组元的扩散能力弱， 温度梯度小，成长速度大，组元的扩散能力弱，液相线陡峭以及液相 线和固相线之间的距离大，这些因素都有利于产生成分过冷。 线和固相线之间的距离大，这些因素都有利于产生成分过冷。
（二）初始过渡区的建立 当从固体界面输出溶质的速度等于溶质从界面层扩散出 去的速度时，则达到稳定状态， 去的速度时，则达到稳定状态，从凝固开始至建立稳定的边界层这 一段长度称为“初始过渡区” 达到稳定状态后的凝固过程， 一段长度称为“初始过渡区”，达到稳定状态后的凝固过程，称为 稳态凝固过程。 稳态凝固过程。 在稳态凝固过程中，固溶体溶质分布方程为： 在稳态凝固过程中，固溶体溶质分布方程为：
定向凝固
工艺比较
工艺比较
几种新型定向凝固技术
区域熔化液态金属冷却法 超高梯度定向凝固技术(ZMLMC) 深过冷定向凝固技术 电磁约束成形定向凝固技术 激光超高温度梯度快速定向凝固技术
区域熔化液态金属冷却法(ZMLMC)
ZMLMC法是采用区域熔化和液态金属 冷却相结合的方法。它利用感应加热,集中 对凝固界面前沿液相进行加热,从而有效地 提高了固液界面前沿的温度梯度。由于冷 却速率明显提高,导致凝固组织细化,大幅 度提高了合金的力学性能。
与传统定向凝固相比,深过冷定向凝固 有下述特点: (1)深过冷凝固与快淬急冷液态金属具 有相似的凝固机制,本质上均属快速凝固。 (2)定向凝固组织形成过程中的晶体 生长速度高,组织结构细小,微观成分偏析 程度低,促使铸件的各种力学性能大幅度提 高。目前,深过冷的研究还局限于纯金属或 简单的二元合金,如何获得具有一定外形的 零件是关系到该技术能否实用化的主要问 题。
第7章 定向凝固技术
定向凝固技术
定向凝固技术的特点
定向凝固设备与方法
定向凝固中温度场分布
定向凝固中浓度场分布 定向凝固界面稳定性
定向凝固技术的发展
从七十年代后期开始,与能源相关的设备, 如核电站设备、压力容器等的需求量增加,相 应地用于这些设备的大型板类件激增。这些板 类件不仅趋于大重量、超厚度,而且对疏松、 偏析、非金属夹杂物的要求极为严格,甚至还 要求有较好锻造性能和焊接性能。这些苛刻的 要求对普通锭生产工艺提出了挑战。 正是在上述背景下,法国和日本在七十年 代末相继提出了小高径比、高冷却强度的定向 凝固锭技术。
液态金பைடு நூலகம்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 不溶解在合金中 价格便宜
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。
第7章定向凝固课件
1
定向凝固技术
o 定向凝固技术的特点 o 定向凝固设备与方法 o 定向凝固中温度场分布 o 定向凝固中浓度场分布 o 定向凝固界面稳定性
2
定向凝固技术
3
涡轮叶片
图1 等轴晶、定向柱状晶和单晶叶片
4
光学晶体
图 2 光学晶体CaF2(左1:φ220×150mm).
5
定向凝固技术的特点
41
(b) 液相完全混合的情况 (Complete mixing)
42
43
(c) 液相中没有混合的情况(Nomixing)
界面处排出的成分只能通过液相扩散进行，而固相 中无溶质扩散，则溶质达到稳态分布的情况
z’=z+Vt
边界条件： z=0 ，CL(0)=CS/k0 ；z= ， CL( )=C0
21
定向凝固技术
o 定向凝固中温度场分布
22
23
24
25
26
27
28
29
30
31
32
33
34
定向凝固技术
o 定向凝固中浓度场分布
35
定向凝固中的溶质场
x0<x1<x0+ x; x0<x2<x0+ x 方程中左边为控制单元体的溶质变化，右边第一项和第二项为 从x0位置处传入的溶质和从x0+ x传出的溶质，其中J(x0,T)为位 置为x0 ，T时刻的溶质流量密度，而第三项为单元体中存在源或 黑洞产生或消耗溶质的部分。
6
提拉法
直拉法(丘克拉斯 基法)， Czochralshi method(process) 简称CZ) Czochralshi crystal pulling technique
第七章单相固溶体合金及铸锭的凝固
c1
c2
C0
C0
B%
(b)
K 0 1 此阶段满足：固相结晶排向液相 的溶质量＞溶质原子离开界面排 1 向液相的溶质量。 l Rx （2）凝固的稳定阶段（Ⅱ阶段）： 0 D 当界面成分是C0，前沿的液相成 分为C0/k时,如图(b)的T5温度和 0 图(c)的第Ⅱ阶段直至Ⅱ阶段结束。 此阶段满足：固相结晶排向液相的溶质量＝溶质原子离
图7-1不同KO的相图
（液相线与固相线近似为直线时K0为常数）
二.正常凝固时液－固相线中溶液的分布
研究水平园棒的定向凝固，对于KO<1的相图， 成分为C0 ,假设固相中无扩散，液相中可通过 扩散、对流和搅拌使溶液混合。
液相中溶液的混合分为三种： 完全混合、完全无混合、部分混合。
（一）液相完全混合时固相、液相的溶质分布:
（1）初期阶段：
①由于液相原子扩散速度较 小，边界层成分(CL)i与大体 积液相成分(CL)B相差较大， 且： (CL)B>C0
②固相结晶排出溶质部分进 入大体积液相，使边界层中 的浓度梯度不断增大C KC1x L 如图(d)的第Ⅰ阶段。
Ke1 S 00
d c L d x
定向凝固结论： ① 液相混合越充分,铸锭凝固后溶质分布越不均匀， 区域偏析越严重。 ② 利用定向凝固进行提纯材料，液相混合越充分,提 纯效果越好。
§7.2 固溶体合金的成分过冷
一.成份过冷的产生
①设K0<1的相图,液相完全 无混合，合金成分为C0, 进行完全无混合的单向 凝固如图（a）; ②液相中实际的温度分布 图（b）为dT/dx>0,只 受壁模和已凝固的固相 散 热 单向散热所控制;
第7章定向凝固.ppt
T
mLC0 (1
1 k
)
mL
C0 (1 k0 ) k0
exp(
Vz DL
) GL z
Tmax
mLC0 (1
1 ) (GL DL
k0
V
){1 ln[ VmLC0 (1 k0 )]} GL DLk0
z0
DL V
ln[ VmLC0 (1 k0 )] GL DLk0
dz 2
dz
t
边界条件：
CL D 2CL
t
z 2
z=0，CL(0)=CS/k0；z=， CL()=C0
z’=z+Vt
液相中没有混合的情况（No mixing）
?
CL (z)
C0[1
1 k0 k0
exp( Vz )] D
对流对溶质分凝的影响
D
d 2CL dz 2
定向凝固界面稳定性
常规条件 下，合金凝 固组织绝大 部分为枝晶 形态，所以 固液界面通 常是不稳定 的，而稳定 平界面组织 只有在特殊 情况下才能 获得。
定向凝固界面稳定性
(a)限制性生长和(b)非限制性生长的界面稳定性
对纯物质来 说，正温度梯 度下限制性生 长的界面形态 是稳定的，而 负温度梯度下 非限制性生长 的界面形态是 不稳定的。
界面稳定性分析方法―扰动法
由于金属材料不透明，所以难以直接观察界面失稳的 过程，但我们可以利用透明有机物来模拟金属凝固界面形 态演化，获得所需的信息。对于界面形态是否稳定，我们 可以在界面前沿加以微小干扰，如果干扰随凝固时间增长 趋于消失，我们说该界面是稳定的；如果界面上的干扰随 凝固时间增长越来越大，我们说该界面是不稳定的。
定向凝固和单晶材料制备工程及技术
定向凝固与单晶材料制备工程及技术
单向凝固技术的重要工艺参数包括：
• 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。
定向凝固与单晶材料制备工程及技术
国产涡喷-7涡轮喷气发动机及剖视图
定向凝固与单晶材料制备工程及技术
喷气发动机
Illustration of the GE 90定-1向1凝5固B与je单t晶en材g料in制e备, 工sh程o及w技in术g its various components.
There are only four categories of materials that can be considered:
• 成分过冷对凝固过程的影响
2.16 窄成分过冷的情况 2.17 成分过冷区逐渐加宽的情况
定向凝固与单晶材料制备工程及技术
2.18 成分过冷区足够大时形 成枝晶骨架的情况
2.19 成分过冷区进一步加宽， 成分过冷的极大值大于熔体中 非均匀形核所需过冷，从而在
定向凝固与单晶材料制备工前程方及技形术 成等轴晶的情况
凝固过程的工艺参数：
• 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 • 凝固过程中的成分过冷或金属的性质（T1-T2）/DL
m0C (1k0)(或T1T2)
DLk0
DL
定向凝固与单晶材料制备工程及技术
由溶质再分配导致界面 前方熔体成分及其凝固 温度发生变化而引起的 过冷——成分过冷
第七章铸件宏观组织
二、孕育处理
孕育处理( Inoculation) : 是浇注之前或浇注过程中向液态金 属中添加少量物质以达到细化晶粒、改善宏观组织目的的一 种工艺方法。 孕育主要是影响生核过程, 促进非自发形核以细化晶粒；促进 晶粒游离,细化晶粒.
变质处理（Modification）: 则是改变晶体的生长机理，从而 影响晶体形貌。 变质在改变共晶合金的非金属相的结晶形貌上有着重要的应 用，而在等轴晶组织的获得和细化中采用的则是孕育方法。
32
4．流变铸造
这流种变细铸小造圆又整称的半固半态固铸 态造，金这属种浆方液法由是于当液具体有金 较属凝好固的达流50动～性60而％时容，易在 成氩气形保。护因下为进它行高的速温搅度拌， 远使金低属于成液为相半线固温态浆度液，， 所以对于黑色金属的
将半固态浆液凝固成坯料
压铸件来说，能大大
或挤压至铸型凝固成形。
论 三、 枝晶熔断及结晶雨理论 四.单个等轴晶形成过程的动态演示 8
一、“成分过冷”理论
该理论认为，随着凝固层向内 推移，固相散热能力逐渐削弱， 内部温度梯度趋于平缓，且液相 中的溶质原子越来越富集，从而 使界面前方成分过冷逐渐增大。 当成分过冷大到足以发生非均质 生核时，便导致内部等轴晶的形 成。
第七章 铸件宏观组织的控制机理 及方法
一、铸件的宏观组织构成 二、表面激冷区及柱状晶区的形成 三、 内部等轴晶的形成机理 四、 铸件宏观结晶组织的控制
1
一、 铸件的宏观组织构成
内部等轴晶区 表层急冷晶区
1.表面激冷细晶 区，晶粒细小均 匀
2.柱状晶区，晶 粒垂直于型壁排 列，平行于热流 方向.
中间柱状晶区
孕孕育育剂衰加退入: 几合乎金所液有后的要孕经育历剂一都个有孕在育孕期育和处衰理退后期一。 段在时孕间育出期现内孕，育作衰为退孕现育象剂. 的中间合金的某些组分完 成影熔响化孕过育程效，果或的与因合素金: 液孕反育应剂生的成种化类合(成物分，)和起孕细育化
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。
第一节快速凝固第二节失重条件下的凝固第三节定向凝固-资料
其核心是: 熔融金玻液璃中的净异化质法形核核心。
消除合
通过熔融玻璃对合金液的净化作用，消除合金液
中的异质形核核心。
悬浮熔炼法（电磁悬浮、静电悬浮、声悬浮）
通过无容器熔炼消除合金熔体与容器接触对形核 的促进作用。
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T1
三、快速凝固显微组织
T1 ＜ T2
凝固在很大的过冷度和很 高的冷却速率下进行，凝固 组织中会出现非平衡相 。
定向凝固的单晶叶片是通过对多 晶的螺旋选择生长凝固而成的。
等轴晶、柱状晶和单晶的发动机叶片比较
柱状晶、螺旋选择器及生长的单晶
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失重条件下材料的凝固实验在地面富上Co可相以在通富过Cu
悬浮熔炼 和 落管技术 得到 。
基体上均匀分 布
不同过冷度（ΔT）下Cu84Co16合金电磁悬浮试样的背散射组织
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第三节 定向凝固
• 定向凝固技术在共晶凝固、定向柱状晶生 长和单晶铸造等方面都有重要的意义。
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四、金属玻璃
• 金金属属玻玻璃璃的拉（伸也强称度可非高晶态合金）是Duwez等人在
达139～604年GP首a，先并发具有现很的好，的 他们通过对熔融
耐A腐u蚀80性S能i2、0优合异金的快软磁速性冷能淬、获得了金属玻璃。
优良的超导性能、较高的热稳 金属玻璃保留了液态金属
定性和较低的表面活性，已经 的短程有序的类似原子簇的 或可望应用于机械结构材料、 结构 ，微观组织中不存在晶 磁性材料、声学材料、仿生材 界、位错和偏析等缺陷，其 料、光学材料、体育器材以及 结构类似于普通玻璃 。 电子材料等多个方面。
《定向凝固Al-Cu-Si共晶合金组织形成与性能》
《定向凝固Al-Cu-Si共晶合金组织形成与性能》篇一一、引言定向凝固技术是一种重要的金属材料制备技术，通过控制凝固过程中的温度梯度和凝固速度，可以获得具有特定组织和性能的合金材料。
Al-Cu-Si共晶合金作为一种具有优异力学性能和物理性能的合金体系，其组织和性能的研究具有重要意义。
本文旨在探讨定向凝固Al-Cu-Si共晶合金的组织形成过程及其性能表现。
二、实验方法1. 材料选择与合金制备：选用纯度较高的铝、铜和硅原料，按照一定比例配制Al-Cu-Si共晶合金。
采用真空熔炼法制备合金铸锭。
2. 定向凝固实验：将合金铸锭放入定向凝固设备中，控制温度梯度和凝固速度，进行定向凝固实验。
3. 组织观察与性能测试：利用金相显微镜、扫描电子显微镜和透射电子显微镜观察合金的组织形态，测试合金的硬度、拉伸性能、导电性能等。
三、定向凝固Al-Cu-Si共晶合金的组织形成1. 组织结构特点：Al-Cu-Si共晶合金在定向凝固过程中，形成了一种特殊的共晶组织结构。
这种组织结构由α-Al基体、CuAl2相和Si颗粒组成，各相之间呈现出一定的取向关系。
2. 共晶组织形成过程：在定向凝固过程中，合金中的各元素按照一定的比例和速度进行扩散和迁移，最终形成共晶组织。
其中，温度梯度和凝固速度对组织形成具有重要影响。
温度梯度越大，共晶组织的生长方向越趋向于热流方向；凝固速度越慢，共晶组织的尺寸越大。
四、Al-Cu-Si共晶合金的性能表现1. 力学性能：Al-Cu-Si共晶合金具有优异的力学性能，包括高强度、高硬度、良好的塑性和韧性。
这些性能主要得益于其特殊的共晶组织结构和各相之间的相互作用。
2. 物理性能：Al-Cu-Si共晶合金具有良好的导电性和导热性，这使其在电子封装、散热器等领域具有广泛的应用前景。
此外，该合金还具有较好的耐腐蚀性能。
五、结论通过定向凝固技术制备的Al-Cu-Si共晶合金具有优异的组织和性能。
其特殊的共晶组织结构由α-Al基体、CuAl2相和Si颗粒组成，各相之间呈现出一定的取向关系。
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
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z z0
mL GC mL
dCL ( z ) dz
z z0ຫໍສະໝຸດ 0 界面稳定 GL mLGC 0 界面处于 0 临界稳定
界面失稳
成分过冷判据
mL C0 (1 k 0 ) T0 GL V DL k0 DL
D T
D D /V
T T0 / GL
定向凝固技术
定向凝固界面稳定性
定向凝固界面稳定性
界面稳定性分析方法―扰动法
由于金属材料不透明，所以难以直接观察界面失稳的
过程，但我们可以利用透明有机物来模拟金属凝固界面形 态演化，获得所需的信息。对于界面形态是否稳定，我们
可以在界面前沿加以微小干扰，如果干扰随凝固时间增长
趋于消失，我们说该界面是稳定的；如果界面上的干扰随 凝固时间增长越来越大，我们说该界面是不稳定的。
(1 k0 )CL ( z )dz A ( L z ) A dCL ( z )
dCL ( z ) (1 k 0 ) C L ( z ) dz ( L z )
z k0 1 C L ( z ) (1 ) L
CL ( z ) C0 f L
t
C L 2CL D t z 2
z’=z+Vt
边界条件： z=0，CL(0)=CS/k0；z=， CL()=C0
液相中没有混合的情况（No mixing）
?
1 k0 Vz C L ( z ) C0 [1 exp( )] k0 D
对流对溶质分凝的影响
d 2CL dCL D V 0 2 dz dz
如果液相存在流动，则成分过冷判据为：
mL C0 GL V DL 1 k0 e 1 k0
V DL
成分过冷判据实验验证
图 Pb-Sn 单相合金界面形态与凝固工艺常数之间的关系
?
成分过冷判据
成分过冷区的过冷度及其极值
T TL Tq
Tq Ti GL z
1 k0 Vz TL ( z ) Tm mLC0 [1 exp( )] k0 D
C C C C i j k x y z
q1=-DC q2=CV
Q2 ( DC CV )dS
s
C Q3 dv t v
不同凝固条件下的溶质分凝
溶质保守系统的一维定向凝固过程(a)和非溶质保守系统的区熔过程(b)
（a) 平衡凝固的情况（Equilibrium freezing） 凝固足够慢，液相和固相都能充分扩散，没有成分梯度 存在于固相和液相中。根据溶质守恒有： CSfS+CL(1-fS)=C0
两种凝固生长模式中系统过冷度、温度与成分之间的关系
(a) 限制性生长
(b) 非限制性生长
合金的平界面界面稳定性分析
C L ( z ) C0 [1
GC dCL ( z ) dz
1 k0 Vz exp( )] k0 D
1 k0 V C0 D k0
1 k0 Vm L C0 D k0
CS[fS+(1-fS)/k0]=C0
CS=C0k0/(1+(k0-1)fS) 方程中CS为凝固的固相成分，C0为原始液相成分，k0为平衡 溶质分布系数，fs为已凝固的固相分数，因此只要知道C0、k0 就可以计算不同凝固位置fs下的成分Cs。
(b) 液相完全混合的情况 (Complete mixing)
边界条件： [CL(0)-CS]V+D[dCL(z)/dz]z=0=0， z=0； CL()=C0, z=；
V C L ( z ) C 0 (C 0 / k 0 C 0 ) exp[ ( z )] D
V C L (0) C 0 (C 0 / k 0 C 0 ) exp[ ] D
k0 1
CS ( z ) k0C0 (1 f S ) k0 1
(c) 液相中没有混合的情况（No mixing）
界面处排出的成分只能通过液相扩散进行，而固相 中无溶质扩散，则溶质达到稳态分布的情况
C (u )C D 2 C t d 2CL dCL D V 0 C 2 2 D C dz dz
直拉法(丘克拉斯 基法)， Czochralshi method(process) 简称CZ） Czochralshi crystal pulling technique
定向凝固的定义
（1）在材料部分熔化状态下，通过移动固－液界面， 以实现晶体特定方向生长，称为定向凝固。 （2）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。 （3）directional solidification(定向凝固)
x0<x1<x0+x; x0<x2<x0+x 方程中左边为控制单元体的溶质变化，右边第一项和第二项为 从x0位置处传入的溶质和从x0+x传出的溶质，其中J(x0,)为位 置为x0，时刻的溶质流量密度，而第三项为单元体中存在源或 黑洞产生或消耗溶质的部分。
定向凝固中的溶质场
c( x0 , ) J ( x0 , ) Q ( x 0 , ) x J=J1+J2
J1=-Dc/x (扩散造成的通量)
x0
J2=cV
（对流造成的通量）
c( x, ) 2 c ( x, ) c( x, ) D Vx 2 x x
c( x, ) c( x, ) 2 c ( x, ) Vx D x x 2
定向凝固中的溶质场
定向凝固方法
定向凝固方法
HRS法
定向凝固方法
定向凝固方法
定向凝固方法
定向凝固方法
定向凝固方法
定向凝固方法
定向凝固方法
定向凝固方法
定向凝固方法
定向凝固方法
定向凝固方法
定向凝固技术
定向凝固中温度场分布
定向凝固技术
定向凝固中浓度场分布
定向凝固中的溶质场
定向凝固界面稳定性
常规条件 下，合金凝 固组织绝大 部分为枝晶 形态，所以 固液界面通 常是不稳定 的，而稳定 平界面组织 只有在特殊 情况下才能 获得。
定向凝固界面稳定性
对纯物质来 说，正温度梯 度下限制性生 长的界面形态 是稳定的，而 负温度梯度下 非限制性生长 的界面形态是 不稳定的。
(a)限制性生长和(b)非限制性生长的界面稳定性
z0
Vm C (1 k0 ) DL ln[ L 0 ] V GL DL k0
Ti Tm mLC0 / k0
T mLC0 (1 C (1 k0 ) 1 Vz ) mL 0 exp( ) GL z k k0 DL
Vm C (1 k0 ) GD 1 ) ( L L ){1 ln[ L 0 ]} k0 V GL DL k0
Tmax mLC0 (1
第7章 定向凝固技术
定向凝固技术
定向凝固技术的特点
定向凝固设备与方法
定向凝固中温度场分布
定向凝固中浓度场分布 定向凝固界面稳定性
定向凝固技术
涡轮叶片
图1 等轴晶、定向柱状晶和单晶叶片
光学晶体
图 2 光学晶体CaF2(左1:φ220×150mm).
定向凝固技术的特点
提拉法
x0 x
x0
c( x, )dx J ( x0 , ) J ( x0 x0 , )
x0 x
x0
Q( x, )dx
[c( x1 , )]x J ( x0 , ) J ( x0 x0 , ) Q( x 2 , )x