定向、单晶凝固基础理论和工艺讲义
材料合成与制备新技术》课件：第五章定向凝固PPT课件
5.2 定向凝固基本原理
定向凝固技术 的基本定义 定向凝固理论 定向凝固技术的适用范围
7
定 在凝固过程中采用强制手段，在
向 凝 固
凝固金属和为凝固熔体中建立起 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，
获得具有特定取向柱状晶的技术。
8
定向凝固技术的工艺参数
• 凝固过程中固液界面前沿液相中的温度梯度GL • 固液界面向前推进的速度R • GL/R值是控制晶体长大形态的重要判据。
在固液界面上引入局部的曲率变化要增加系统的自 由能，这一点在成分过冷理论中被忽略了；
成分过冷理论没有说明界面形态的改变机制。
随着快速凝固新领域的出现，上述理论已不能适用。
19
2、绝对稳定性理论
MullniS和skeerka鉴于成分过冷理论存在 不足，提出一个考虑溶质浓度场和温度场、 固液界面能以及界面动力学的绝对稳定理论 (MS理论)。对于平界面生长，Ms理论可表示 为：
9
5.2.2 定向凝固理论
定向凝固技术实验的发展推动了凝固理论的 发展和深入。Charlmers、Tiller等人在研究中 发现在合金中液固界面前沿由于溶质富集将 会产生“成分过冷”导致平衡界面失稳而形 成胞晶核枝晶。首次提出了成分过冷理论。
10
1、成分过冷理论
纯金属的凝固过程
正温度梯度下，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进， 即晶体以平面方式向前生散长度 远大于空间扰动波长，上式中的分子可简化为：
S 2 G r2m 0 G C p V V //D D L L
式中
Gr KLGL2KKSGS
24
表达式中三个项分别代表了温度梯度、 界面能、溶质边界层这三方面的因素对界面 稳定性的贡献，其中界面能的作用总是使界 面趋于稳定，溶质边界层的存在总是使界面 趋于失稳，而温度梯度对稳定性的作用则取 决于梯度的方向。
第八章-凝固新技术—定向凝固
5、那女孩有
一双晶亮的眸子，明净清澈，灿若繁 星，不 知她想 到了什 么，对 着自己 兴奋的 一
笑，眼睛弯的像月牙儿一样，仿佛那 灵韵也 溢了出 来。一 颦一笑 之间， 高贵的 神
色自然流露，让人不得不惊叹于她清 雅灵秀 的光芒 。
6、她，高高的个子，一
条马尾辫在身后，一双不大的眼睛闪 着智慧 的光芒 ；她， 白白净 净，眉 清目秀 ，
怎么看都是个美女，可是她与众不同 ，十分 特殊。
7、鬓珠作衬，乃具双目如
星复作月，脂窗粉塌能鉴人。略有妖 意，未 见媚态 ，妩然 一段风 姿，谈 笑间， 唯
少
• 定向凝固涡轮叶片，寿命是普通铸造的2.5倍 • 单晶叶片，寿命是普通铸造的5倍
等轴晶、定向柱状晶、单晶叶片
自1965年美国普拉特·惠特尼航空公司采用高 温合金定向凝固技术以来，这项技术已经在许多 国家得到应用。
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。
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深过冷定向凝固
ZMLMC法的一个显著特点是通过提高温度梯度，扩大 所允许的抽拉速率，从而达到亚快速凝固水平，实现组织 超细化。但是单纯采用强制加热的方法增大温度梯度来提 高凝固速率，人不能获得很大的冷却速率，因为此时要求 散发的热量更多了，一般来说采用这样的技术很难实现快 速凝固。
• 3.快速凝固法（ H．R．S法）
• Erickson于1971年提出。原理如图所示。
• 与P．D法的主要区别：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。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。热量主要通过已凝固部分 及冷却底盘由冷却水带走。
11111第八章凝固新技术2-精选文档68页
由判据
G L ＜ mL C0 (1 K 0 )
R
DL
K0
可见，下列条件有助于抑制
“成分过冷”：
• 液相中温度梯度大（G L大）； • 晶体生长速度慢，R小；
工艺因素
• m L小，即陡的液相线斜率； • 原始成分浓度小，C 0 小； • 液相中溶质扩散系数 D L 高； • K 0＜1 时，K 0大；K 0＞1 时，K 0 小
• 1．发热剂法(EP法)
• 原理：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，建立了自下而上的凝固条件。
• 特点：工艺简单、成本低。 • 适用：小型的定向凝固实验与生产。
发热剂法（炉外法）
最原始的方法。 缺点：无法调节凝固速率和 温度梯度，只能制备小的柱 状晶铸件，这种方法多用于 磁钢生产。
第八章 凝固新技术
一、 定向凝固
• 1、定向凝固定义、概述 • 2、定向凝固原理 • 3、定向凝固工艺 • 4、定向凝固的应用
1、定向凝固定义
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，获得 具有特定取定向柱状晶或单晶的技术。
区激深电侧对重
域光过磁向流力
熔超冷约约下场
化高定束束的作
液温向成下定用
态度凝形的向下
金梯固定定凝的
属度技向向固定
冷快术凝凝技向
却速
固固术凝
法定
技技
固
向
术术
技
凝
术
固
3.1 传统定向凝固工艺
• 发热剂法 （EP） • 功率降低法 （PD） • 快速凝固法 （HRS） • 液态金属冷却法（LMC）
单晶铜 定向凝固
单晶铜定向凝固
单晶铜是一种由晶体结构完全一致、没有晶界和晶粒边界的铜材料。
它在制备过程中通过定向凝固技术来控制晶体的生长方向，使得整个材料的晶体结构保持一致。
定向凝固是一种被广泛应用在材料科学和工程中的技术。
在定向凝固过程中，材料的熔融态被控制在一个特定的温度下，然后慢慢降温，使得晶体从熔融态开始逐渐生长。
通过合理的温度和降温速率控制，可以使得晶体的生长方向保持一致，从而得到单晶材料。
在制备单晶铜时，通常采用一种被称为"铸造"的方法。
首先，将铜加热至熔点，然后将熔化的铜放入一个狭长的容器中，容器的底部有一小个开口。
通过控制温度和降温速率，使得熔化的铜从容器的底部缓慢流出，逐渐凝固。
在凝固过程中，晶体从容器底部开始生长，然后逐渐向上延伸。
最终得到的铜材料就是一个无晶界的单晶体。
单晶铜具有一些独特的性质和应用。
由于没有晶界和晶粒边界，它具有更高的强度和塑性，且疲劳和脆性性能更好。
这使得单晶铜在航空航天、能源、电子、光学等领域具有重要的应用前景。
例如，单晶铜可以用于制造高温下的涡轮叶片、燃烧室壁板、导热器等部件，以提高发动机的性能和效率。
此外，单晶铜还可以用于制造高精度的光学元件，如激光反射镜片、X射线透射窗口等。
材料合成与制备新技术》课件：第五章定向凝固
制备高性能合金、金属基复合材料等。
能源领域
制备核反应堆燃料元件、太阳能电池板等。
复合材料领域
制备纤维增强复合材料、梯度功能复合材料 等。
02
定向凝固的原理与特点
BIG DATA EMPOWERS TO CREATE A NEW
ERA
定向凝固的原理
定向凝固是一种通过控制热流方向，使液态金属在特定方向上凝固结晶的 技术。
ERA
定向凝固技术的定义
01
定向凝固技术是一种通过控制热 流和物质流，使金属或合金从液 态到固态在特定方向上实现单向 凝固的工艺方法。
02
在定向凝固过程中，固液界面在 特定方向上保持恒定，使晶体沿 着这个方向生长，从而获得具有 单一取向的晶体组织。
定向凝固技术的发展历程
20世纪50年代
定向凝固技术初步发展，主要应用于 高温合金的制备。
详细描述
热压定向凝固法是在高温下对熔体施加单向压力，使熔体在压力下凝固结晶。这种方法可以控制晶体的生长方向 ，获得单晶体或单向性良好的多晶体。热压定向凝固法具有较高的生产效率和较低的成本，适用于大规模生产。
快速定向凝固法
总结词
通过快速冷却技术，使熔体在极短时间内凝固，以获得定向凝固组织。
详细描述
快速定向凝固法采用快速冷却技术，使熔体在极短时间内凝固结晶。这种方法可以获得具有定向凝固 组织的材料，提高材料的力学性能和热物理性能。快速定向凝固法可以采用各种快速冷却技术，如激 光束、电子束、高压气体等。
真空定向凝固
在真空环境下进行定向凝 固，降低杂质和气体含量 ，提高材料纯度和性能。
拓展定向凝固技术的应用领域
航空航天领域
利用定向凝固技术制备高 性能轻质材料，满足航空 航天领域对材料的高要求 。
定向凝固及单晶制备技术5.
1
V
DL
k0
V
e DL
1 k0
图5-6 Pb-Sn 单相合金界面形态与凝固工艺常数之间的关系
在许多情况下，平凝固界面失稳并不是随机出现的，
而是出现在界面的缺陷处，而沟槽的稳定性同样可以借助 于成分过冷判据进行分析，获得的沟槽稳定性的条件为：
GS mL (1 k0 )Ci
V
DL
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。
第5章 凝固界面稳定性分析
为了深刻理解凝固组织的形成原因，必须要了解和 掌握凝固科学中两个重要的凝固界面形态稳定性理 论，一是成分过冷理论；二是Mullins-Sekerka理 论(MS理论)。本章将系统地讨论它们在凝固科学所 起的作用及其应用。
§5.1 纯物质的界面稳定性
5.1.1 界面稳定性分析方法―扰动法
成分过冷区的过冷度及其极值
T TL Tq
Tq Ti GL z
TL
(z)
Tm
mLC0 [1
1 k0 k0
exp(
Vz D
)]
Ti Tm mLC0 / k0
T
mLC0 (1
1 k
)
mL
C0 (1 k0
k0 )
exp(
Vz DL
)
GL z
Tmax
图5-4 干扰波长与振幅增长率ak之间的关系
第1章 凝固理论共25页文档
形核功及临界半径
当液体金属中出现晶体 时，系统自由能的变化
液相与固相之间的摩尔体积自由能 差（GV），它是相变驱动力
由于出现固液界面，使系统增加了 界面能（GS），它是相变阻力
设出现的晶体为半径r的球形，则总的自由能变化为：
G3 4πr3 V G SV4πr2LS
G的极大值相应的r为临界半径r*
SC4r2 a2
a为原子距离，a2为1个原子所占的面积
LS
D a2
LS
D0 a2
expG KAT
扩散系数D=D0exp(-GA/KT)，其中GA为 扩散激活能，D0为随系统而变的常数
ni
nexp G* KT
I n e x G K * 4 p a r 2 T * 2 D a 2 0 e x G K A C p e T K x G A e p T K x G * p T
第一章 凝固基本理论
凝固热力学
相变驱动力 溶质平衡分配系数
凝
形核功及临界半
固
均质形核
形核率
基
形核功及形核速率
本
非均质形核
形核剂的条件
理
形核的影响因素与形核控制
论
连续长大
晶体长大
二维晶核台阶长大 螺型位错长大
凝固热力学之
相变驱动力
G=HTS =HTS=U+PVTS =UTS=F
微分
有时也粗略地将自由焓称为自由能
dG=dU-TdS-SdT+PdV+VdT dU=QW
dU=TdS-PdV
dG=SdT+VdP 在恒压条件下dP=0
dG= SdT
在恒温下只有膨胀功时 Q=TdS，W=PdV，
dG/dT=S
定向凝固和单晶制备技术62页PPT
END
16、业余生活要有意义，不要越轨。——华盛顿 17、一个人即使已登上顶峰，也仍要自强不息。——罗素·贝克 18、最大的挑战和突破在于用人，而用人最大的突破在于信任人。——马云 19、自己活着，就是为了使别人过得更美好。——雷锋 20、要掌握书，莫被书掌握；要为生而读，莫为读而生。——布尔沃
定向凝固和单晶制备技术
11、获得的成功越大，就越令人高兴 。野心 是使人 勤奋的 原因， 节制使 人枯萎 。 12、不问收获，只问耕耘。如同种树 ，先有 根茎， 再有枝 叶，尔 后花实 ，好好 劳动， 不要想 太多， 那样只 会使人 胆孝懒 惰，因 为不ห้องสมุดไป่ตู้ 践，甚 至不接 触社会 ，难道 你是野 人。(名 言网) 13、不怕，不悔(虽然只有四个字，但 常看常 新。 14、我在心里默默地为每一个人祝福 。我爱 自己， 我用清 洁与节 制来珍 惜我的 身体， 我用智 慧和知 识充实 我的头 脑。 15、这世上的一切都借希望而完成。 农夫不 会播下 一粒玉 米，如 果他不 曾希望 它长成 种籽； 单身汉 不会娶 妻，如 果他不 曾希望 有小孩 ；商人 或手艺 人不会 工作， 如果他 不曾希 望因此 而有收 益。-- 马钉路 德。
定向、单晶凝固基础理论和工艺讲义解析
各种结晶形态
等轴晶
柱状晶
柱状晶
单晶
基本原理
铸件定向凝固需要两个条件：首先，热流向单一方向 流动并垂直于生长中的固-液界面；其次，晶体生长前 方的熔液中没有稳定的结晶核心。为此，在工艺上必 须采取措施避免侧向散热,同时在靠近固-液界面的熔 液中应造成较大的温度梯度。这是保证定向柱晶和单 晶生长挺直，取向正确的基本要素。以提高合金中的 温度梯度为出发点，定向凝固技术已由功率降低法、 快速凝固法发展到液态金属冷却法。
液态金属冷却法（LMC法）常用的金属
常用的液态金属有Ga—In合金和Ga—In—Sn合金，以 及Sn液，前二者熔点低，但价格昂贵，因此只适于在 实验室条件下使用。 Sn液熔点稍高(232℃)，但由于价 格相对比较便宜，冷却效果也比较好，因而适于工业 应用。
单晶、定向凝固工艺
由于单晶、定向铸件与等轴晶铸件凝固方式的不同，故铸 件整个技术要求、工艺方案、生产过程、过程控制和检验 内容也与等轴晶要求不同。 以下就不同之处和关键点按工序过程进行讲解。
2 功率降低法（PD法）
将保温炉的加热器分成几组，保温炉是分段加热的。 当熔融的金属液置于保温炉内后，在从底部对铸件冷 却的同时，自下而上顺序关闭加热器，金属则自下而 上逐渐凝固，从而在铸件中实现定向凝固。通过选择 合适的加热器件，可以获得较大的冷却速度，但是在 凝固过程中温度梯度是逐渐减小的，致使所能允许获 得的柱状晶区较短，且组织也不够理想。加之设备相 对复杂，且能耗大，限制了该方法的应用。
4 液态金属冷却法（LMC法）
HRS法是由水换热来冷却的，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。
定向凝固与单晶材料制备
定向凝固与单晶材料制备定向凝固是一种用来制备单晶材料的重要方法。
单晶材料具有统一的晶体结构和尺寸，其物理、化学和力学性能均优于多晶材料。
因此，单晶材料在电子、光电子、航空航天等领域具有广泛的应用前景。
定向凝固技术是通过控制晶体在凝固过程中的生长方向，使晶体的结构保持一致。
该技术通常使用的方法是通过向凝固相中引入定向凝固器，通过控制温度梯度和晶体生长速度来实现晶体的定向生长。
定向凝固技术的核心是控制晶界运动以及晶体生长速度。
定向凝固技术的发展可以追溯到19世纪末。
当时，许多科学家致力于研究晶体生长的机理和规律。
20世纪50年代，随着单晶硅的大规模应用，定向凝固技术得到了广泛的应用。
目前，定向凝固技术已成为制备高质量单晶材料的主要方法之一在定向凝固过程中，温度梯度是关键因素之一、温度梯度的控制直接影响晶体的生长方向和生长速度。
通常，温度梯度越高，晶体生长速度越快，但容易导致杂质和缺陷的引入。
因此，在定向凝固中，需要合理调控温度梯度，以获得高质量的单晶材料。
另一个重要的因素是晶界运动。
晶界是指两个不同晶体之间的界面。
在定向凝固中，晶界的运动是通过控制材料中的缺陷和杂质的形成和扩散来实现的。
通过引入合适的控制材料中的缺陷和杂质的方法，可以有效地控制晶界的运动，从而实现单晶材料的制备。
定向凝固技术可以应用于多种材料的制备。
最常用的材料之一是金属材料。
金属单晶材料具有优异的力学性能和热传导性能，在航空航天和汽车制造等领域有重要应用。
此外，定向凝固技术还可以用于制备半导体材料和光学材料等各种功能材料。
总之，定向凝固是一种制备单晶材料的重要方法。
通过控制温度梯度和晶体生长速度，可以实现晶体的定向生长。
定向凝固技术在多个领域有广泛的应用前景，对于提高材料的性能和开发新材料具有重要意义。
定向单晶凝固基础理论和工艺讲义
定向单晶凝固基础理论和工艺讲义定向凝固是指在凝固过程中使液态金属或合金的组织结构按照一定的方向排列，以得到具有特定性能和结构的晶体。
它是一种重要的金属材料制备方法，可以较好地改善金属材料的性能和结构。
单晶凝固是定向凝固的一种特殊形式，指的是在凝固过程中只有一个晶体核心在生长，最终获得单一晶体结构的材料。
单晶凝固材料具有优异的性能，如高温力学性能、抗氧化性能等，在航空航天、能源等领域有广泛的应用。
定向凝固的基础理论主要包括凝固动力学和结构演变两个方面。
凝固动力学研究凝固过程中的物理和化学变化，如凝固速度、晶界分布等。
结构演变研究凝固过程中的晶体生长和相变等现象，以及凝固过程中的微观结构演化。
定向凝固的基础工艺主要包括一次凝固、再结晶和热处理等步骤。
一次凝固是指将液态金属或合金置于特定的凝固器中，通过合适的降温速率使其凝固，并通过控制凝固条件来实现定向生长。
再结晶是指将凝固得到的多晶材料通过再加热至临界温度以上，使其再次凝固并形成单晶结构。
热处理是指对凝固得到的单晶材料进行退火、固溶和时效等处理，以进一步改善其组织结构和性能。
定向凝固的工艺条件包括凝固速率、温度梯度、晶界能等因素。
凝固速率是指液态金属或合金冷却的速率，过快或过慢的凝固速率都会导致晶体结构不完善。
温度梯度是指凝固过程中金属或合金的温度变化率，较大的温度梯度有利于晶体的定向生长。
晶界能是指晶界处的能量大小，控制晶界能可以减小晶界的数量和强度，提高材料的强度和韧性。
定向凝固是一项复杂的工艺，需要合理设计凝固器结构、控制凝固条件和优化热处理过程等。
通过不断深入研究定向凝固的基础理论和工艺，可以获得具有特殊结构和性能的材料，为各行各业的发展提供了重要的支持和保障。
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。
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件整个技术要求、工艺方案、生产过程、过程控制和检验 内容也与等轴晶要求不同。 以下就不同之处和关键点按工序过程进行讲解。
一、蜡模车间
陶瓷型芯
为了满足铸造过程中高温合金液的冲击，因此要求型芯
要有定的高温强度；（保证陶芯不断裂） 必须满足铸造过程中陶芯在高温合金液中长期工作1h～ 4h，故高温挠度变形值小。（保证铸件内腔尺寸）
一小时，随炉冷却至200 ℃以下，出壳。 对带陶瓷型芯的模壳，预焙烧温度应小于600 ℃，模 壳出、进炉和整个搬运过程必须轻拿轻放，不得有震 动，防止陶瓷型芯断裂或损坏。
模壳清洗
对不带陶瓷型芯的模壳可直接用自来水进行清洗。 对带陶瓷型芯的模壳必须用工业酒精进行清洗。
注意：1、第一遍清洗时，应将内腔一端封堵，水或酒精 中加亚甲基蓝，灌满型腔，检查模壳外表面是否有渗 漏，保证模壳处于完好状态。 2、对可修补的模壳缺陷，一定要使用同种制壳 材料进行修补。
由于液态高温合金与型芯接触时间长，故型芯材料不能
与合金有化学或热反应（保证化学成分和铸件冶金质量）
陶芯自由端、固定端制作和铸件壁厚尺 寸的控制
陶芯自由端、固定端制作和铸件壁厚尺寸的控制
引晶端的制作（模具）
。
计算机模拟结果
模拟结果
，
模拟结果和实际相比 规律相似。
定向凝固组合形式
支撑棒
受力方向，横向断裂
去除横向晶界提高抗高温蠕变性能
研究的对象
定向凝固过程中温度梯度和凝固速率这两个凝固参数
能够独立变化，成为凝固理论研究的重要手段。
定向/单晶设备
测温机构 加料室 操作机构 操作平台 熔炼和模壳加热室 隔离阀 铸型室 升降机构 关键结构: 1;模壳加热室 2;模壳加热室和铸型 室的隔板结构
（霍山） 2015年7月
引言
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。
定向凝固技术的应用基础理论研究
定向凝固技术的应用基础理论研究
主要涉及定向凝固过程的热场流动场及溶质场的动态分析 定向组织及其控制以及组织与性能关系等多年来通过生产 实践与定向凝固应用基础研究总结出得到优质定向组织的 四个基本要素 ①热流的单向性或发散度 ②热流的温度梯度 ③冷却速度或晶体生长速度 ④结晶前沿液态金属中的形核控制 人们围绕上述四个基本要素的控制 做了大量的研究工作随着热流控制技术的发展 凝固技术也不断向前发
4 液态金属冷却法（LMC法）
HRS法是由水换热来冷却的，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。
常用的定向、单晶制壳材料
面层：熔融三氧化二铝（高纯度电熔刚玉）
锆英粉 EC95（莫来石基体） 加固层：熔融三氧化二铝 莫来石 EC95（莫来石基体） 粘结剂：硅溶胶（30%二氧化硅）
制壳过程
模壳的预焙烧
一般情况下，模壳都需进行预焙烧。 对不带陶瓷型芯的模壳，焙烧温度为850-900 ℃保温
关键结构
加料室
1
熔炼室Biblioteka 盖板中频感应炉 中频感应线圈
石墨加热套
模壳
水冷结晶器
隔热板 主轴 铸型室
单晶凝固
定向/单晶的凝固技术
1
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
各种结晶形态
等轴晶
柱状晶
柱状晶
单 晶
基本原理
铸件定向凝固需要两个条件：首先，热流向单一方向
流动并垂直于生长中的固-液界面；其次，晶体生长前 方的熔液中没有稳定的结晶核心。为此，在工艺上必 须采取措施避免侧向散热,同时在靠近固-液界面的熔 液中应造成较大的温度梯度。这是保证定向柱晶和单 晶生长挺直，取向正确的基本要素。以提高合金中的 温度梯度为出发点，定向凝固技术已由功率降低法、 快速凝固法发展到液态金属冷却法。
定向凝固技术的应用基础理论研究
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。由于该技术较好地控制了凝固组织 的晶粒取向，消除了横向晶界，大大提高了材料的纵 向力学性能。因此，将该技术用于燃气涡轮发动机叶 片的生产，所获得的柱状晶组织具有优良的抗热冲击 性能、长的疲劳寿命、高的高温蠕变抗力和中温塑性， 进而提高了叶片的使用寿命和使用温度。该技术的进 一步发展是单晶生产，它除了用于高温合金单晶叶片 的研制外，还逐渐推广到半导体材料、磁性材料、复 合材料的研究中，成为现代凝固成形的重要手段之一。
3 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，采用水冷导 热的方式，而且炉子保持加热状态。这种方法由于避 免了炉膛的影响，且利用结晶器中水冷却导热，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，现在生产中大量应用。
2 功率降低法（PD法）
将保温炉的加热器分成几组，保温炉是分段加热的。
当熔融的金属液置于保温炉内后，在从底部对铸件冷 却的同时，自下而上顺序关闭加热器，金属则自下而 上逐渐凝固，从而在铸件中实现定向凝固。通过选择 合适的加热器件，可以获得较大的冷却速度，但是在 凝固过程中温度梯度是逐渐减小的，致使所能允许获 得的柱状晶区较短，且组织也不够理想。加之设备相 对复杂，且能耗大，限制了该方法的应用。
陶芯自由端 铸件 起始端
底盘
单晶凝固组合形式
支撑棒 陶芯自由端 铸件 选晶器 起始端
底盘
浇注系统带过滤网
制壳车间
要获得优质定向、单晶壳型，壳型材料应满足以下要
求： ① 在配置料浆中壳型材料不与粘结剂发生化学反应而 降低料浆的化学稳定性； ② 壳型材料与熔融金属润湿性好，又不发生化学作用； ③ 铸型材料与粘结剂所组成的铸型材料体系具有足够 的耐热温度、高温强度和高温长时间抗变形能力，能 抵御熔融金属的机械冲击和热冲击； ④ 具有优良而稳定的热物理性能，如热膨胀系数的、 导热性等； ⑤ 壳型材料与粘结剂组成的铸型具有良好的溃散性， 浇注后铸型容易从铸件上清除。
液态金属冷却法（LMC法）常用的金属
常用的液态金属有Ga—In合金和Ga—In—Sn合金，以
及Sn液，前二者熔点低，但价格昂贵，因此只适于在 实验室条件下使用。 Sn液熔点稍高(232℃)，但由于价 格相对比较便宜，冷却效果也比较好，因而适于工业 应用。
单晶、定向凝固工艺
由于单晶、定向铸件与等轴晶铸件凝固方式的不同，故铸
终焙烧、熔炼、浇注与凝固
终焙烧：在定向炉内的模壳加热室进行，一般焙烧温
度与浇注温度一致，下区略高于浇注温度。 熔炼、浇注与凝固工艺 例:浇注温度：1500℃。 精炼温度：1550℃±10℃，精练时间：5min 浇注速度：10s～30s 真空度：≤3Pa 上区温度1500℃ 下区温度1520℃，到温后保温20 min开始浇注，浇注后静置2-5min，开始下拉， 抽拉速度：定向叶片 6mm/min ，下拉40 min，快 下。 单晶叶片 3mm/min，下拉60min，快下。
模壳浇注
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浇注后的铸件
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单晶
定向