定向凝固和单晶材料制备工程及技术
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• refractory metals, • monolithic ceramics, • intermetallic compounds, • composites (natural or synthetic).
Figure 1. (a), (b) Photographs of a high-pressure turbine (HPT) vane and a HPT blade of a jet engine. (c) Schematic arrangement of the stationary vanes relative to the rotating blades within the engine. (d) Illustration of the GE 90-115B jet engine, showing its various components. (e) Pressure and temperature trends from the front to the back of the engine. 定向凝固与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
Fra Baidu bibliotek
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。
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
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:
Chalmers成分过冷判据：
G Lm0(C 1k0)(或 T1T2)
R
D Lk0
D L
一般单相合金晶体生长符合上式时，界面前方不存在成分 过冷，界面将以平面生长方式长大。
定向凝固与单晶材料制备工程及技术
金属的性质（T1-T2）/DL和工艺条件GL/R对单相合金结 晶特点影响的示意图
定向凝固与单晶材料制备工程及技术
• 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
定向凝固技术和装置不断改进，其关键技术之一是提高 固-液界面前沿液相中的温度梯度GL。目前， GL已经达到 100-300℃/cm，工业生产中已达到30-80℃/cm。
定向凝固与单晶材料制备工程及技术
（1）温度梯度GL
以坩埚下降定向凝固为例的 温度梯度的简化模型见图。
s(d dST )xxXL(d dLT )xxXm Ld dx t
SG SLG LmLR
GL
SGS L
LRm L
m-熔点附近熔体密度 S、L-晶体与熔体的导热系数 GS 、GL-固相和液相的温度梯度 L-结晶潜热
Advances in Coating Design for High-Performance Gas Turbines
Figure 1. Improvement in efficiency with increasing turbine operating temperatures and pressures for a family of Rolls-Royce engines developed during the period 1970–2000. SFC is specific fuel consumption. Overall pressure ratio is the ratio of compressor exit pressure relative to ambient.Temperatures are turbine entry gas temperatures, measured in K. Data points are engine operating conditions during the test. A “civil type test” is an engine performance evalua定ti向o凝n固c与rit单e晶ri材on料制ap备p工li程e及d技to术civil aircraft engines.
2. 定向凝固技术原理与工艺
凝固概念的回顾 • 溶质分配
定向凝固与单晶材料制备工程及技术
• 形成溶质富集区
定向凝固与单晶材料制备工程及技术
• 成分过冷
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
定向凝固与单晶材料制备工程及技术
与界面距离Z
定向凝固与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
定向凝固与单晶材料制备工程及技术
1.4.1 定向凝固技术
1. General remarks
定向凝固技术是使金属或合金由熔体中定向生长晶体 的一种工艺方法，用于制备单晶、柱状晶和定向共晶铸件， 是20世纪60年代发展起来的技术。
例如，喷气发动机高温合金叶片的制造
• 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
Figure 1. (a), (b) Photographs of a high-pressure turbine (HPT) vane and a HPT blade of a jet engine. (c) Schematic arrangement of the stationary vanes relative to the rotating blades within the engine. (d) Illustration of the GE 90-115B jet engine, showing its various components. (e) Pressure and temperature trends from the front to the back of the engine. 定向凝固与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
Fra Baidu bibliotek
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。
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
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
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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:
Chalmers成分过冷判据：
G Lm0(C 1k0)(或 T1T2)
R
D Lk0
D L
一般单相合金晶体生长符合上式时，界面前方不存在成分 过冷，界面将以平面生长方式长大。
定向凝固与单晶材料制备工程及技术
金属的性质（T1-T2）/DL和工艺条件GL/R对单相合金结 晶特点影响的示意图
定向凝固与单晶材料制备工程及技术
• 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
定向凝固技术和装置不断改进，其关键技术之一是提高 固-液界面前沿液相中的温度梯度GL。目前， GL已经达到 100-300℃/cm，工业生产中已达到30-80℃/cm。
定向凝固与单晶材料制备工程及技术
（1）温度梯度GL
以坩埚下降定向凝固为例的 温度梯度的简化模型见图。
s(d dST )xxXL(d dLT )xxXm Ld dx t
SG SLG LmLR
GL
SGS L
LRm L
m-熔点附近熔体密度 S、L-晶体与熔体的导热系数 GS 、GL-固相和液相的温度梯度 L-结晶潜热
Advances in Coating Design for High-Performance Gas Turbines
Figure 1. Improvement in efficiency with increasing turbine operating temperatures and pressures for a family of Rolls-Royce engines developed during the period 1970–2000. SFC is specific fuel consumption. Overall pressure ratio is the ratio of compressor exit pressure relative to ambient.Temperatures are turbine entry gas temperatures, measured in K. Data points are engine operating conditions during the test. A “civil type test” is an engine performance evalua定ti向o凝n固c与rit单e晶ri材on料制ap备p工li程e及d技to术civil aircraft engines.
2. 定向凝固技术原理与工艺
凝固概念的回顾 • 溶质分配
定向凝固与单晶材料制备工程及技术
• 形成溶质富集区
定向凝固与单晶材料制备工程及技术
• 成分过冷
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
定向凝固与单晶材料制备工程及技术
与界面距离Z
定向凝固与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
定向凝固与单晶材料制备工程及技术
1.4.1 定向凝固技术
1. General remarks
定向凝固技术是使金属或合金由熔体中定向生长晶体 的一种工艺方法，用于制备单晶、柱状晶和定向共晶铸件， 是20世纪60年代发展起来的技术。
例如，喷气发动机高温合金叶片的制造
• 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