定向凝固及其应用

电磁约束成形定向凝固工艺将成为一种 很有竞争力的定向凝固技术。但该技术 涉及电磁流体力学、冶金、凝固以及自 动控制等多学科领域，目前还处于研究 阶段。
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侧向约束下的定向凝固技术
随着试样截面的突然减小，合 金凝固组织由发达的粗枝状很 快转化为细的胞状。随着凝固 的继续进行，胞晶间距继续增 加，之后胞晶间距保持基本恒 定，凝固进入新的稳态，最后 当试样截面由小突然增大时， 凝固形态也由胞状很快转化为 粗枝状。
法定
技技
固
向
术术
技
凝
术
固
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发热铸型法和功率降低法
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，在金属液和己凝固 金属中建立起一个自上而下的温度梯度，使铸 件自上而下进行凝固，实现单向凝固。
石墨感应发热器放在分上下两部分的感应圈内。 加热时上下两部分感应圈全通电，在模壳内立 起所要求的温度场．然后注入过热的合金熔液。 此时下部感应圈停电，通过调节输入上部感应 圈的功率，使之产生一个轴向温度梯度。
基本原理是将盛有金属液的坩埚置于一 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。
改变试样的局部冷却条件促使 凝固过程发生变化。
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对流下的定向凝固技术
在加速旋转过程中造成液相 强迫对流，由于极大的改变 热质传输过程而引起了界面 形貌的显著变化，导致糊状 区宽度显著减小。
液相快速流动引起界面前沿 液相中的温度梯度极大的提 高，非常有利于液相溶质的 均匀混合和材料的平界面生 长，枝晶生长形态发生显著 的变化，由原来具有明显主 轴的枝晶变为无明显主轴的 穗状晶，穗状晶具有细密的 显微组织。
液态金属冷却法是在快速凝固法的基础上，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。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，得到比较长的单向柱晶。
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。 该法已被美国、前苏联等国用于航空发动机叶片的生 产。
定向凝固技术是在高温合金的研制中建立和完善 起来的。该技术最初用来消除结晶过程中生成的 横向晶界，甚至消除所有晶界，从而提高材料的 高温性能和单向力学性能。
在定向凝固过程中温度梯度和凝固速率这两个重 要的凝固参数能够独立变化，可以分别研究它们 对凝固过程的影响。这既促进了凝固理论的发展， 也激发了不同定向凝固技术的出现。
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。
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快速凝固法和液态金属冷却法
快速凝固法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。
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重力场作用下的定向凝固技术
微重力下的晶体生长，由于重力加速度减 小而有效的抑制了重力造成的无规则热质 对流，从而获得溶质分布高度均匀的晶体；
超重力下的晶体生长，通过增大重力加速 度而加强浮力对流，当浮力对流增强到一 定程度时，就转化为层流状态，即重新层 流化，同样抑制了无规则的热质对流。
定向凝固及其应用
丁国华 2006年12月11日
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1
一 定向凝固的原理 二 定向凝固技术的发展 三 定向凝固的理论基础 四 定向凝固在凝固理论研究中的应用 五 定向凝固在新材料研究与开发中的应用 六 自制定向凝固装置介绍 七 我的研究内容
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定向凝固基本原理
定向凝固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，获得具 有特定取向柱状晶的技术。
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定向凝固技术的发展
传统定向凝固技术
新型定向凝固技术
发功快液 热率速态 铸降凝金 型低固属 法法法冷
却 法
In situ and real-time imaging
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
在激光表面快速熔凝时，凝固界面的 温度梯度可高达5×104K/cm,凝固速 度高达数米每秒。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。
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深过冷定向凝固技术
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区域熔化液态金属冷却法
该方法将区域熔化与液态 金属冷却相结合，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。最高温度梯 度可达1300K/cm，最大冷 却速度可达50K/s。
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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。
一旦形核,生长速率很快,基本上不受外界 散热条件的影响。可以免除复杂的抽拉 装置。
另外,凝固速度快,时间短,可大幅度提高生 产效率。
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电磁约束成形定向凝固技术
该技术利用电磁感应加热熔化感应器内 的金属材料，并利用在金属熔体表层部 分产生的电磁压力来约束已熔化的金属 熔体成形。同时，冷却介质与铸件表面 直接接触，增强了铸件固相的冷却能力， 在固液界面附近熔体内可以产生很高的 温度梯度，使凝固组织超细化，显著提 高铸件的表面质量和内在综合性能。