定向凝固
材料合成与制备 第5章 定向凝固技术
4、磁性材料
稀土超磁致伸缩材料RFe(R-Tb、Dy)作为一种电-磁-机械能量或信 息转换的新型功能材料，从20世纪70年代以来得到了迅速发展，它具有 很高的磁致伸缩值(1500~2000×10 )和能量密度(14000~25000J／m )，而 且还具有低频响应速度快、机电耦舍系数大等特点，故在大功率声纳换 能器、磁弹性波器件、液压阀门控制、精密加工徽定位、精度高速线性 马达、伺服系统和特殊兵器等高新技术领域展示出广阔的应用前景。对 于Tb-Dy-Fe材料，人们一直希望得到具有<111>方向择优取向的样品。 通过改变材料的定向凝固条件、控制材料的取向度、以及对材料进行热 处理消除晶界提高材料磁致伸缩性能。
(4)激光超高温梯度快速凝固
利用激光器作为热源来实现定向凝固。 激光具有能量高度集中的特性，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。利用激光表面熔凝技术实现 超高温度梯度快速定向凝固的关键在于：在激光熔池内获得与激光扫 描方向一致的温度梯度；根据合金凝固特性选择适当的工艺参数以获 得胞晶组织。
定向凝固过程工艺参数分别为： 合金熔融温度1450℃，温度梯度140℃/cm，牵引速度0.5-0.8 mm/min。
2、柱状晶生长
控制热流方向和温度梯度。
3、高温合金制备
定向凝固制备Fe-Cr-C过共晶原位生长复合材料
高铬铸铁是一种优良的耐磨材料，普通条件下凝固的高铬铸铁碳 化物呈网状，在实际磨损中往往会因为碳化物脆裂或折断而失效。 为此，通过定向凝固的方法，使碳化物纤维定向排列，即将Fe-C-Cr 合金制备成碳化物呈定向分布的原位生长复合材料，使高硬度的碳 化物垂直于磨面的方向定向生长，可以显著提高其性能。
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。
第八章 凝固新技术—定向凝固
西北工业大学李建国等人通过改变加热方式，在液态
金属冷却法（LMΒιβλιοθήκη 法）的基础上发展的一种新型定向凝固 技术—区域熔化液态金属冷却法，即ZMLMC法。
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这种方法将区域熔炼与液态金属冷却相结合，利用
感应加热机中队了凝固洁面前沿液相进行加热，从而有
效地提高了固液前沿的温度梯度。西北工业大些研制的 ZMLMC定向凝固装置，其最高温度梯度可达1300K/cm,最
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1.试样 2.感应圈 3.隔热板 4.冷却水 5.液态金属 6.拉锭机构 7.熔区 8.坩埚 超高温度梯度定向凝固装置图
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电磁约束成形定向凝固（DSEMS）
在ZMLMC法基础上，凝固剂属国家重点实验室提出并 探索研究了近十年的电磁约束成形定向凝固技术。该技 术是将电磁约束成型技术与定向凝固技术相结合而产生 的一种新型定向凝固技术。利用电磁感应加热熔化感应 器内的金属材料，并利用在金属熔体部分产生的电磁压 力来约束已熔化的金属熔体成形，获得特定形状铸件的 无坩埚熔炼、无铸型、无污染定向凝固成形。 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。
图 2 光学晶体CaF2 (左1:φ220×150mm).
金属单晶具有特殊的力学物理性能
2、 定向凝固原理
—如何实现定向凝固？
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合金固溶体凝固时的晶体生长形态 a) 不同的成分过冷情况
b) 无成分过冷
C) 窄成分过冷区间
平面晶
胞状晶
d) 成分过冷区间较宽 柱状树枝晶 e) 宽成分过冷 内部等轴晶
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;
定向凝固技术及其运用
定向凝固技术能够减少 材料浪费，降低生产成
本。
该技术适用于多种材料， 如金属、陶瓷等，具有
广泛的适用性。
挑战
技术门槛高
定向凝固技术需要专业的设备和熟练的操作 人员，增加了技术门槛。
成本高
由于需要高精度的设备和专业的操作人员， 导致定向凝固技术的成本较高。
生产周期长
由于定向凝固技术的生产过程较为复杂，导 致生产周期相对较长。
降低能耗和减少废弃物排放，推动定向凝固技术的可持续发展。
03
跨学科融合
定向凝固技术涉及到材料科学、物理学、化学等多个学科领域，未来将
加强跨学科的交流与合作，促进定向凝固技术的创新发展。
05
定向凝固技术的前沿研究与最新进展
前沿研究
定向凝固技术的基本原理
定向凝固技术是一种先进的金属材料制备技术，通过控制金属材料的凝固过程，实现材料 的定向生长和组织控制。目前，研究者正在深入研究定向凝固技术的基本原理，包括凝固 过程中的传热、传质和流动等机制，以期进一步优化材料的性能。
特点
可制备单向组织材料， 可实现材料的轻量化、 具有优异的力学性能。 小型化和高效化。
可用于制备高性能的 金属基复合材料和陶 瓷基复合材料。
发展历程
01
02
03
04
20世纪50年代
定向凝固技术初步发展，主要 应用于制备单晶材料。
20世纪60年代
定向凝固技术逐渐成熟，开始 应用于航空航天领域。
20世纪70年代
定向凝固技术的工业应用
随着技术的成熟和进步，定向凝固技术已经逐渐从实验室走向工业化应用。目前，定向凝固技术已经在 汽车、航空航天、能源和轨道交通等领域得到广泛应用，为现代工业的发展提供了重要的技术支持。
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
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光学晶体
图 2 光学晶体CaF2(左1:φ220×150mm).
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定向凝固技术的特点
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(b) 液相完全混合的情况 (Complete mixing)
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(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
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定向凝固技术
o 定向凝固中温度场分布
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定向凝固技术
o 定向凝固中浓度场分布
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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
简述定向(顺序)凝固的概念
简述定向(顺序)凝固的概念
定向(顺序)凝固是一种特殊的冷凝作用，其特点是在凝固过程
中有定向发展的能力，即凝固材料的微观结构可以朝一个特定
的方向发展，这与普通的凝固过程不同。
定向凝固可以按照不同的形式进行，它们囊括了若干技术，例
如熔模凝固、熔炉凝固、激光凝固和离子凝固。
它们可以精确
控制板块件材料的结构，从而为其在后面的切削、加工和组装
过程提供一种优化的解决方案。
定向凝固的主要优势是能够提高产品质量，并且产品经过定向
凝固之后可以大大提高结构强度。
它们可以很好的控制有害的
晶界胞晶的形成，从而提高凝固后的材料力学性能。
定向凝固
可以有效的减少材料结合过程中的力学应力，从而改善光学性能，使产品结构更加稳定，能满足客户对抗衰耗、高电流密度
和低功耗的要求。
此外，定向凝固还可以提高材料的耐热能力、抗化学介质能力
和电气绝缘性，因此它是一种有利可图的金属制造方式。
它在
机械制造、航空航天制造和军事制造领域中得到了广泛的应用。
总之，定向凝固可以提高产品的强度和稳定性，从而减少产品
的加工时间，降低加工成本，有效的提高产品的质量和性能，
是一种广泛应用的金属制造工艺技术。
第八章-凝固新技术—定向凝固
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。
西北工业大学李建国等人通过改变加热方式，在液态 金属冷却法（LMC法）的基础上发展的一种新型定向凝固 技术—区域熔化液态金属冷却法，即ZMLMC法。
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这种方法将区域熔炼与液态金属冷却相结合，利用 感应加热机中队了凝固洁面前沿液相进行加热，从而有 效地提高了固液前沿的温度梯度。西北工业大些研制的 ZMLMC定向凝固装置，其最高温度梯度可达1300K/cm,最
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。
此外，由于凝固速率慢，铸件偏析严 重，热处理困难。因此HRS法生产重型燃机 用大尺寸叶片时，成品率低，效率低，成 本高。
• 4．液态金属冷却法(L．M．C法)
• 1974年出现的一种新的单向凝固方法； • 工艺过程与H.R.S 法基本相同，主要区别：在于冷却介质为低
熔点的液态金属。当合金液浇入型壳后，按选择的速度将壳 型拉出炉体，模壳直接浸入金属浴中冷却。金属浴的水平面 保持在凝固的固一液界面近处，并使其保持在一定温度范围 内。散热大大增强。
定向凝固技术
定向凝固技术
定向凝固技术是一种用于制造具有特定晶体取向的金属或合金材料的技术。
这种技术通过控制材料的凝固过程，使其在特定方向上生长，从而获得具有特定晶体取向的材料。
定向凝固技术的基本原理是在材料凝固过程中，通过控制凝固速度和温度分布，使晶粒在特定方向上生长。
这种技术通常使用定向凝固炉或定向凝固模具来实现。
定向凝固技术的优点包括：
1. 可以获得具有特定晶体取向的材料，从而提高材料的力学性能和物理性能。
2. 可以控制材料的晶粒尺寸和分布，从而提高材料的强度和韧性。
3. 可以减少材料中的缺陷和杂质，从而提高材料的质量和可靠性。
定向凝固技术广泛应用于航空航天、汽车、电子、医疗等领域，特别是在制造高强度、高韧性、高耐腐蚀性的材料方面具有重要作用。
定向凝固
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Bridgman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。
应用
普通铸造获得的是大量的等轴晶，等轴晶粒的长度和宽度大致相等，其纵向晶界与横向晶界的数量也大致相 同。对高温合金涡轮叶片的事故分析发现，由于涡轮高速旋转时叶片受到的离心力使得横向晶界பைடு நூலகம்纵向晶界更容 易开裂。应用定向凝固方法，得到单方向生长的柱状晶，不产生横向晶界，较大地提高了材料的单向力学性能。 应用单晶铸造获得的单晶叶片可显著提高现代航空对于磁性材料，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。定向凝固技术还广泛用于自生复合材料的生产制造，用定向凝固方法得 到的自生复合材料消除了其他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。
定义
定向凝固是在凝固过程中采用强制手段，在凝固金属样未凝固熔体中建立起沿特定方向的温度梯度，从而使 熔体在气壁上形核后沿着与热流相反的方向，按要求的结晶取向进行凝固的技术。该技术最初是在高温合金的研 制中建立并完善起来的。采用、发展该技术最初是用来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。该技术运用于燃气涡轮发动机叶片的生产，所获得的具有柱状乃至单晶组织的材料具有优良的抗热冲击 性能、较长的疲劳寿命、较高的蠕变抗力和中温塑性，因而提高了叶片的使用寿命和使用温度，成为当时震动冶 金界和工业界的重大事件之一。
定向凝固
使金属或合金在熔体中定向生长晶体的工艺方法
01 定义
03 方法
目录
02 原理 04 应用
定向凝固，又称为定向结晶，是指使金属或合金在熔体中定向生长晶体的一种工艺方法。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。
定向凝固技术的主要流程
定向凝固技术的主要流程下载温馨提示:该文档是我店铺精心编制而成，希望大家下载以后，能够帮助大家解决实际的问题。
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定向凝固技术
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。
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Bridgman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。
液态金属冷却法（LMC法）：HRS法是由辐射换热来冷却的，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。
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。
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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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
流态床冷却法（FBQ法）
在相同条件下， 液态金属冷却法的温度梯度 GTL为100～300℃/cm， 流态床冷却法的温度梯度 GTL为100～200℃/cm， 两者的凝固速率和糊状区宽 度相同，分别50～80cm/h 和1cm
定向凝固技术的特点
几种定向凝固方法
炉外法 功率降低法 快速凝固法 液态金属冷却法
炉外法
又叫发热剂法，是定向凝固工艺中最原始的 一种。 基本原理：将铸型预热至一定温度后，迅速 放到激冷板上并进行浇铸，激冷板上喷水冷 却，从而在金属液和已凝固金属中建立一个 自下而上的温度梯度，实现单向凝固。也有 采用发热铸型的，铸型不预热，而是将发热 材料充在铸型壁四周，底部采用喷水冷却。
对定向凝固的研究奠定了现代凝固理论基础, 如成分过冷,Ｍ-Ｓ理论,Ｊ-Ｈ理论等。在结构与功 能材料的定向凝固加工中,其典型和突出的贡献有: 高梯度定向及单晶叶片凝固; 晶向择优控制定向凝固—金属间化合物定向 熔体织构定向凝固—高温氧化物超导材料; 超精细控制定向凝固—高温结构陶瓷定向; 晶体连续生长定向凝固—单晶连铸等。
区域熔化液态金属冷却法
深过冷定向凝固技术
过冷熔体中的定向凝固首先由B.Lux等人在1981 年提出 基本原理：将盛有金属液的坩锅置于一激冷基座上, 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。
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)
晶体连续生长定向凝固-单晶连铸
利用定向凝固过程中多晶粒竞争生长的特 点,制备连续的单晶是定向凝固技术中的一 个重要内容。西北工业大学凝固技术实验室 在Ｏ Ｃ Ｃ技术基础上将定向凝固、高梯度 与连续铸造结合起来,制备出准无限长的铜 单晶,为高频、超高频信号的高清晰、高保 真传输提供了关键技术。
图11是连铸单晶的样件。与多晶相比,其塑性大幅度提高, 电阻率降低38%。特别要指出的是他们用纯度99 .9%铜所 获的单晶的相对导电率优于日本用纯度99 .9999%的性能。
定向凝固技术的原理
定向凝固技术是利用晶体的生长方向与热流 方向平行且相反的自然规律,在铸型中建立特定 方向的温度梯度,使熔融合金沿着与热流方向相 反的方向、按照要求的结晶取向进行凝固的铸造 工艺。 实现定向凝固的总原则为:金属熔体中的热 量严格地按单一方向导出,并垂直于生长中的固 液界面,使金属或合金按柱状晶或单晶的方式生 长。其工作原理如图1所示。
它是提高金属材料产品性能和成材率的重要方向之一。 电磁成形是一种先进的材料成形加工技术,应用该技术,不仅 可以实现金属的无坩锅熔化,而且还可以达到无铸型成形的效 果,避免了材料在冶炼和成形中的污染。 该技术是一项涉及电磁流体力学、冶金、凝固以及自动控制 等学科的技术,各种工艺参数如电磁压力、加热密度、抽拉速 度的选择将决定铸件的表观质量和性能。 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,但还需研究解决靠近固液界面处熔体的侧向是否有横 向传热等问题。
图8则是 不同凝固速 率所得到的 定向组织。 这些均表明, 通过调节和 控制凝固参 数,可以有 效地改善Ｙ ＢＣＯ的组 织结构与性 能。
ＹＢＣＯ超导体的定向凝固是一个集连续包晶反应,多相熔体 相变和棱面晶体取向多变,晶向控制困难的液固转变过程,许多定向 凝固中的现象尚有待研究,如图9所展示的定向凝固中ＹＢａ2Ｃｕ 3Ｏ7-δ超导相形成与生长的几种机制都有可能单独或综合出现。
图5则是ＮｄＦｅＢ永磁合金晶体择优生长方向 与易磁化轴方向的关系。而图5则展示ＮｄＦｅ Ｂ易磁化方向与晶体择优生长方向成90°角。这 些都要求在定向凝固过程中除了要控制相与组织 的竞争选择外,还必须精确调节和控制晶体的生长 方向,使具有最佳性能而非优先生长的晶向转变为 择优生长。
图6是两种调节晶体生长方向的方案,分 别采用旋转籽晶法及双梯度法改变和调节 晶体的择优生长方向。
定向凝固的方法
定向凝固技术的发展历史是不断提高设备 温度剃度的历史。 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。 随着对热流控制（不同的加热、冷却方式） 技术的发展，定向凝固技术经历了由炉外 法、功率降低法、快速凝固法到液态金属 冷却法等的发展历程。
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
x0 x
x0
c ( x, ) dx J ( x 0 , ) J ( x 0 x 0 , )
x 0 x
高梯度定向及单晶叶片定向凝固
高梯度定向及单晶叶片由于消除横向或完全消 除晶界,晶体沿[001]特定方向生长,提高初熔温度 及固溶处理窗口温度,增加γ′数量并细化,故大幅 度提高性能,提高使用温度。 为了进一步发掘高温合金材料的潜力,西北工 业大学凝固实验室开发出高梯度与超细化定向凝 固技术,使单晶镍基合金的凝固组织与析出强化相 分别达到微米及亚微米级,从而使高温持久性能得 到成倍的提高。
熔体织构定向凝固
ＹＢＣＯ是一种强各向异性的高温 超导体,过去通用粉末烧结法制备。由 于弱连接、夹杂和空洞,严重降低了Ｊ Ｃ;后开发出熔体织构生长法(ＭＴＧ) 定向生长,可提高超导性能,促进大尺寸 ＹＢＣＯ制备发展。
图7是 ＹＢＣＯ 超导体定 向凝固中 临界电流 密度与温 度梯度和 凝固速率 比值的关 系。
图2是ＣＭ ＳＸ-2合 金的凝固 组织随冷 却速率演 变的结果。
图3是 ＣＭＳ Ｘ-2合 金γ′相 随冷却 速率演 变的结 果。
晶向择优控制定向凝固
主要针对各向异性的金属间化合物, 特别是其最佳性能方向与晶体择优生长 方向不一致或伴随有复杂固态相变的材 料。
图4是高温 ＴｉＡｌ金属 间化合物γ片 层组织取向与 初生β相或α相 晶体生长方向 的关系。 图4表明,Ｔ ｉＡｌ合金最 终的γ片层与 择优生长方向 垂直或成45° 角
电磁约束成形定向凝固技术
电磁约束成形定向凝固技术是利用电磁 感应加热金属材料,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有直接 接触,增强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。
电磁约束成形定向凝固技术
发热剂（炉外法）
缺点：温度梯度 不大而且很难 控制，不适合 大型、优质件 的生产 优点：工艺简单、 生产成本低
功率降低法（PD法）
工艺流程：把熔融的金属液置于保温炉， 保温炉是分段加热的，其底部采用水冷激 冷板。自上而下逐段关闭加热器，金属则 自下而上逐渐凝固。
功率降低法
缺点：设备较复杂， 能耗消耗比较大， 温度梯度小 优点：温度梯度容易 难控制
激光超高温度梯度快速定向凝固
定向凝固方法,由于受加热方法的限制,温度梯度不 可能再有很大提高,要使温度梯度产生新的飞跃,必须寻 求新的热源或加热方式。激光具有能量高度集中的特性, 这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。 利用激光表面熔凝技术实现超高温度梯度快速定向 凝固的关键在于:在激光熔池内获得与激光扫描方向一 致的温度梯度;根据合金凝固特性选择适当的工艺参数 以获得胞晶组织。利用激光快速熔凝方法可以实现与 Bridgman法相似的超高温度梯度快速定向凝固,其温 度梯度可高达106K/m,速度可高达24mm/s,冷却速度 较区熔液态金属冷却法大大提高(约为三个数量级)。