连续定向凝固
连续定向凝固技术研究
连续定向凝固技术研究摘要针对日趋活跃的金属定向凝固技术,阐述定向凝固技术的基本原理,以及其特点。
简要说明了金属定向凝固技术的应用。
介绍了目前金属定向凝固技术在国内外的发展状况,存在的问题及未来的前景。
关键词金属；定向凝固；基本原理；技术特点；应用Continuous Unidirectional Solidification TechnologyZuojinrongAMM, University of Science and Technology Beijing, Beijing 100083, ChinaABSTRACT Directional solidification technology of metal has become ncreasingly act ive.Its basic principle and characteristics are descri bed.Its applications are also overviewed .The development state at home and abroad , problems and future prospects of directional solidification are summ arized.KEY WORDS Metal；directional solidification ；basic principle ；technicalcharacteristic ；application 绪论：金属的凝固，从传热学的角度是液态金属转变为固态的过程；从物理化学、金属学的观点就是结晶，即：形核和生长。
形核过程对金属材料晶粒的大小起着至关重要的作用；晶体生长关系到凝固后微观组织的形态，由于组成金属材料的晶体形态与金属材料的性质有关，如何控制晶体生长已成为控制金属材料性能的重要手段。
凝固组织的控制包括两方面的内容：(l)凝固组织形态的选择(2)控制凝固组织的尺寸、间距。
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。
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
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
【国家自然科学基金】_连续定向凝固_基金支持热词逐年推荐_【万方软件创新助手】_20140803
推荐指数 3 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1
2009年 序号 1 2 3 4 5 6 7 8
科研热词 温度场 显微组织 数值计算 定向凝固 初始过渡区 凝固界面 冷坩埚 ti-43al-3si合金
推荐指数 1 1 1 1 1 1 1 1
2010年 序号 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13 14 15 16 17 18 19 20 21 22 23 24 25 26 27
2013年 序号 1 2 3 4 5 6 7
科研热词 定向凝固 微观组织 冷坩埚 ti44al6nb合金 连续切片三维重构 小平面和非小平面枝晶 laves相cu_2mg
推荐指数 3 2 2 2 1 5 6 7 8 9 10 11 12 13 14 15
科研热词 推荐指数 连续柱状晶组织 2 脱铝腐蚀 2 耐腐蚀性能 2 cu-12 2 连续切片技术 1 定向凝固 1 初生al_2cu相 1 共晶组织 1 三维组织重构 1 dealuminizationcorrosion 1 cu-12％a1合金 1 corrosion resistance 1 continuous columnar-grained microstructure 1 al合金 1 al alloy 1
2008年 序号 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13 14 15 16 17 18 19
科研热词 定向凝固 钛合金ti60 钛合金 连续铸造 连续定向凝固 近矩形冷坩埚 管材 稀土复合物 短流程制备 激光熔化沉积 温度场 柱状晶 显微组织 微观组织模拟 冷坩埚 元胞自动机 tial合金 dz125高温合金 cuaini合金
科研热词 推荐指数 定向凝固 4 高温合金 1 钛合金 1 连续定向凝固 1 连续切片 1 规则多孔结构 1 管材 1 界面 1 电磁成形 1 电磁场 1 激光熔覆 1 激光熔化沉积 1 水冷铜坩埚 1 气泡形核 1 柱状晶 1 微观组织 1 微观偏析 1 微弧火花沉积 1 定向外延生长 1 多相合金 1 固-气共晶生长 1 凝固组织 1 冷坩埚 1 三维重构 1 tial基合金 1 gh163/rene95镍基双合金 1 bfe10-1-1合金 1
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。
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
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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
定向凝固-2014
表3-1 生产Mar-M200高温合金的三种定向凝固工艺比较
工艺参数
过热度/ K 循环周期/min 模子直径/cm
GL/Kcm-1 R/cm/h-1 糊状区宽度/cm 局部凝固时间/min 冷却速度/ K h-1
功率降低法
120 170 3.2 7 11 3 12 10 15 85 88 90
该定向凝固工艺的特点：
GL很高，可以达到73103 K/mm ； 定向凝固组织完整、细小；
试样尺寸有限，直径只有几十毫米，长度也有 限；
据我国定向凝固技术进步奖，该工艺加区域熔 炼技术可使GL达到1300 K/cm的超高温度梯度。
3.2.3 发热保温法定向凝固工艺(EP) 发热保温法定向凝固工艺：
与功率降低法定向凝固工艺比较，高速凝固法 定向凝固工艺具有较大的温度梯度GL ，约为 30K/cm，改善了柱状晶的质量，在300mm的高 度内可以获得完全的柱状晶；
比功率降低法定向凝固工艺的凝固速度快23 倍，R可以达到300mm/h；
由于局部凝固时间和糊状区都变小，铸件显微 组织致密、偏析减小，改善了合金组织，如图39所示。
图3-9 高速凝固法与功率降低法制备的定向凝固铸锭宏观组织比较
3.2.6 液态金属冷却法定向凝固工艺(LMC)(2)
液态金属冷却法定向凝固特点：
以液态金属代替冷却水作为模壳的冷却介质， 模壳直接浸入到液态金属冷却剂中，散热强度大 大增强，产生很高的GL ； 液态金属冷却剂的温度、模壳传热性及模壳厚 度、挡板位置、高温合金液的温度等因素都会影 响液态金属的温度梯度GL 。 液态金属冷却剂的选择：低的蒸气压、熔点低、 热容量大、导热率高、不易溶解于合金中、价格 便宜。
液态金属冷却剂可以是静止的，也可以 是流动的。
大直径单晶铜棒材的连续定向凝固制备
99 999 % 的纯铜为原料 , 采用下引式真空熔炼、 氩气 保护连续定向凝固技术制备 较大直径 ( 16 mm ) 的 单晶铜杆, 研究纯铜棒材的连续定向凝固工艺和组 织性能 , 为开发高质量、 高性能的大直径单晶纯铜棒 材提供参考 .
S chool ofM aterials S cien ce and E ngineering, U nivers ity of S cien ce and T echnology Bei jing, Beijing 100083 , Ch ina
ABSTRACT
Sing le crystal pure copper barsw ith la rge dia m eter we re prepa red by a se lf dev eloped vacuum m e lting and argon pro tec
) , 男 , 教授 , 博士生导师 , E ma i:l w angzdg@ 263 . net
1298
北
京
科
技
大
学
学
报
第 32 卷
1 实验
1 1 实验设备 实验使用自行研制的下引式真空熔炼、 氩气保 护连续定向凝固设备 . 该设备由感应熔炼系统、 真 空和氩气保护系统、 冷却系统及牵引系统组成 . 感 应熔炼系统采用电磁感应加热熔化方式 , 使熔化时 间加快, 熔化效率提高, 感应磁场的搅拌作用还可以 降低溶质偏析 , 有利于凝固组织的均匀化; 真空和氩 气保护系统可有效地避免金属熔化和凝固过程中的 吸气和氧化, 减少铸坯缺陷; 冷却系统采用环绕喷淋 方式 , 直接冷却铸坯, 提高了固 液界面前沿温度梯 度, 创造出良好的定向凝固条件, 牵引系统中以链式 滚轮牵引铸坯 , 与铸坯接触面积小 , 运行平稳, 可保 证铸坯表面质量的光洁 , 避免划伤 . 同时设备采用 双牵引系统, 可以根据需要改变结晶器设计 , 实现一 炉多流连续定向凝固而提高工作生产效率 . 设备原 理简图如图 1 所示 . 1 2 工艺确定 实验中主要的工艺参数包括熔体温度、 结晶器 出口温度、 冷却水量、 冷却距离和拉坯速度等. 熔体 温度是指结晶器入口处熔融铜液的温度 ; 结晶器出 口温度是指结晶器出口处固液界面以下铸态铜棒的 温度 ; 冷却水量是指对铸坯冷却所用水量; 冷却距离
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。
连续定向凝固技术的研究进展
１ 前 言
向温 度梯 度 ，使 熔 体 的凝 固 只在 脱 离结 晶 器 的瞬 间 进行 ， 随着铸 锭 不 断离 开结 晶器 ， 晶体 的生 长方 向沿 热流 的反 方 向进 行 ， 得定 向结 晶组 织 ， 至单 晶组 获 甚
织［， ４ 其原 理 如 图 １所示 。这 种方 法最 大 的特 点是改 ｌ
点， 又相 互 弥补 了各 自的缺 点及 不足 ， 而 可 以得 到 从 具有 理想 定 向凝 固组 织 、任 意长 度 和 断面 形状 的铸 锭 或 铸件 ；它 的出现 标志 着定 向凝 固技 术进 入 了一 个 新 的 阶段 ｌ 】 １ 。 连续 定 向凝 固 的思想 首先 是 由 日本 的 大野 笃美
维普资讯
连续定向凝固技术的研究进展
Ｒｅ ｅ ｒ ｈ ｏ ｒ ｓ ｎ ｓ ａ ｃ Ｐｒ ｇ ｅ ｓｉ Ｕｎｉ ｉ ｅ ｔｏ ｌ ｏ ｉ ｆｃ ｔｏ ｃ ｎｏ ｏｇ ｄ ｒ ｃ ｉ ｎａ ｌｄｉｉ ａ ｉ ｎ Ｔｅ ｈ ｌ ｙ ｓ
王 艳林 王 自东 张 鸿
向凝 固技 术 ，该 技术 是通 过 加热 结 晶器 模 型到 金 属 熔 点 温度 以上 ， 型 只能 约束 金 属液 的形 状 ， 属不 铸 金 会在 型壁 表 面凝 固 ； 时冷却 系 统与 结 晶器 分 离 ， 同 在 型外 对铸 件进 行 冷却 ，维 持 很高 的 牵 引方 向 的温度 梯 度 ， 证凝 固界 面是 凸向液 相 的 ， 保 以获得 强 烈 的单
提 出 的 】 。上 世 纪 ６ Ｏ年 代 末 ，大 野 笃 美 在 研 究 Ｃ ａｍ ｒ 出 的等 轴 晶“ 晶 游 离 ” 论 时 ， 实 了 ｈｌ ｅｓ提 结 理 证 等 轴 晶 的 形 成 不 是 由 熔 液 整 体 过 冷 （ ｏｓ ｔｔ ｎ ｌ Ｃ ｎｔｕｉ ａ ｉ ｏ
连续定向凝固设备的设计和制造
本 文根 据 连 续定 向凝 固原 理 ， 原有 设备 的基 础上 ， 在 对原 有设 备进 行 了改 造 。改造 后 的加 热 系统 、 引 系 牵
统 以 及 冷 却 系统 能 够 生 产 出 高 熔 点 金 属 的 连 续 定 向 凝 固 拉 棒 。
关 键 词 ： 续 定 向凝 固 ；设 备 改 造 ；高 熔 点 金 属 连
设计 与 计 算 ・
连 续 定 向 凝 固 设 备 的 设 计 和 制 造
王贵清 ’ 张 晓波’ 薛 。 。 飞 ’ 王 自东 卢 ， 。 宁 胡 汉 起 。
（ ．太 原 钢 铁 集 团有 限公 司 ， １ 太原
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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。
连续定向凝固方式制备柱状晶铜棒
图1-1（ａ）连续定向凝固 （ｂ）传统连铸法
最初的OCC技术采用简单的下引方式见图1-1பைடு நூலகம்a)，仅拉出长度50mm左右形状不规整的镜面铸锭，直到1980年，才开发出三种方法，即下引法、上引法和水平法见图1-2:
图1-2 四种OCC法
（a）简单下引式；（b）虹吸管下引式；（c）上引式；（d）水平引锭式
现代材料科学主要研究各种材料,特别是新型材料的化学成分、组织结构和各种性能之间的关系[]。提高材料性能的途径之一是改变材料内部组织状态。为此，谢建新等人提出了将连续定向凝固与冷强加工工艺相结合的新工艺。采用该方法制备单晶高保真导线。由于消除了横向晶界，即可降低电阻率，减小信号传递损失，提高保真能力，又容易获得足够的强度和优良的柔韧性、抗弯折性，提高高保真导线的综合性能。该制备工艺可提高小直径铜线材成品率、简化生产工艺、降低生产成本、提高导电率。
连续定向凝固技术，即OCC（Ohno Continuous Casting）法，是由大野笃美（A.Ohno）于1986年首次发表的。它是将高效的连铸技术和先进的定向凝固技术相结合而发展起来的一种新型的近净形加工技术。由于综合了连续铸造和定向凝固的优点，又相互弥补各自的不足，从而可以得到具有理想定向凝固组织、任意长度和断面形状的铸锭。它的出现标志着定向凝固技术进入了一个新的阶段。
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1连续定向凝固的基本原理
连续定向凝固技术是热型连铸即OCC法发展的高级阶段，也是目前应用较多的单晶连铸方法。
其基本原理与OCC法相似，均是将结晶器的温度保持在熔体的凝固温度以上，绝对避免熔体在型壁上形核，完全消除等轴晶的来源，获得了单向凝固的柱状晶连续铸锭，熔体的凝固只在脱离结晶器的瞬间进行。
随着铸锭不断离开结晶器，熔体的凝固方向沿热流的反方向进行，这种方法最大的特点是改变传统的连续铸造中冷却结晶器为加热结晶器，熔体的凝固不在结晶器内部进行。
其原理见图1。
2连续定向凝固技术的特点
连续定向凝固技术的特点:
(1)在铸型出口端与冷却区之间具有高的温度梯度，型内金属液的热量主要沿拉铸方向单向传输，造成有利于定向凝固的条件，可铸出长度不受限制的单晶和柱状晶铸锭。
(2)铸锭与铸型之间始终存在一层液体膜，铸锭表面在离开铸型出口一小段距离之后才自由凝固，铸锭表面光滑呈镜面状。
金属液在铸型出口处凝固结壳，显著地减小铸件与型壁的磨擦磨损，可铸得表面非常光洁的复杂截面形状的薄壁型材。
因此，OCC技术可以称为一种新型成形技术，可用于制造那些通过塑性加工难以成型的硬脆合金及金属间化合物等线材、板材及复杂管材等。
(3)凸出的固液界面有利于凝固过程中析出的气体及夹杂不断排向液体，不被卷入铸锭，而且不存在补缩困难的问题。
因此，铸锭组织致密，无气孔、缩孔、缩松等铸造缺陷。
有利于后续的冷加工，可以减少甚至消除冷加工过程中的中间退火，节省了能源，提高了生产效率。
(4)凸出的固液界面有利于引晶阶段晶体的竞争生长，易于实现多晶组织向单晶的演化。
但是，由于铸锭在离开铸型时，表面仍呈液体状态，铸锭的成形依靠液膜表面张力与液体金属静压力和重力的平衡，使得该技术在具体的工艺方案及工艺控制上有其特殊性。
3连续定向凝固技术的应用
定向凝固技术的实现，对研发新型金属材料和近成型产品，进一步开发金属材料的潜力起到了积极的推动作用。
目前，世界范围内有多家企业采用该技术开发产品，如日本大阪富士公司制造的连铸单晶镁以及用于弧焊的一系列铝合金线;日本O saka FujiKogyo公司生产的Sn-Bi共晶合金的焊
丝;三井公司开发的各种复杂形状的热型连铸铜管等。
国内也有西北工业大学超晶科技发展有限责任公司、焦作森格高新材料有限责任公司、慧邦科技有限公司和广州协力创壹科技发展有限公司等几家公司，在从事热型连铸制品的开发。
从目前热型连铸的发展状况及技术的特点来看，其制品主要应用在以下几个方面。
3. 1金属单晶材料
定向凝固组织对金属材料冷加工性能的改善是非常显著的，因其消除了横向晶界，减少了位错塞积，使得塑性加工更易进行;且减少加工时在晶界处的断裂，尤其是单晶材料更是不会出现晶界断裂的情况。
因而定向凝固单晶制品可以加工成超细丝和超薄箔，在集成电路、大型计算机以及电子仪器等领域有很广阔的应用前景，且因其晶界减少，也大大降低了对信号的损耗，因此也是高保真音响设备所需的高新材料。
3. 2特种焊接材料
热型连铸技术制得的含钴Stellite合金焊条，可完全消除气孔、夹杂、缩孔淞得内部缺陷，且表面质量良好。
同时，热型连铸焊条的生产效率高于挤压焊条的生产效率。
3. 3复杂界面的薄壁型材、管材
由于热型连铸型内金属呈液态，与型壁无摩擦力，因而有可能拉铸截面形状复杂、壁厚很薄的铸件。
例如拥有内外翅片、双层壁和多通道特征的铜管。
3. 4其他方法难以加工的型材
上世纪90年代初，热型连铸技术的应用研究开始向高合金高熔点材料发展，OCC研究中心和O saka Fuji Kogyc)公司进行了钻基合金棒材和板材的试验研究，同时也进行了Ni-Ti、Ni-Al合金和纯Si的连铸试验。
热型连铸技术能改善金属的性能、提高难加工材料的塑性加工性能，如Mn、Sn-Zn等;还能改善产品的抗疲劳性能。
3.5金属包铸复合材料
目前，利用双金属连铸装置已经成功连铸出Sn包铸Sn–Pb、Sn-Bi、Sn-Zn共晶管材和线材，AL包覆Al-Cu共晶管材以及SiC增强AL基复合材料棒材和线材，并对其工艺过程进行了研究。
同时，采用OCC法已成功用Sn和铝合金包铸光纤，金属包铸光纤克服了不锈钢套保护光纤费用高、施工不便的缺点。
4结束语
单晶连铸定向凝固技术在国外发达国家研究起步较早，也较为活跃，而国内则落后许多。
目前还很难实现市场上的广泛应用，其主要是连铸工艺参数的制定及控制方面欠缺，难以实现单晶连续稳定的生产。
今后还要展开更深入的研究，针对连铸工艺参数对凝固方式、固液界面位置和形状、晶体生长方式的影响;单晶组织演化机制;各。