定向凝固及其应用
定向凝固实验报告(3篇)
第1篇一、实验目的本次实验旨在研究定向凝固技术在金属材料制备中的应用，通过对单晶高温合金的定向凝固实验，探讨重力对合金凝固过程的影响，揭示合金凝固缺陷的形成机理，为航空发动机和燃气轮机叶片等关键部件的材料制备提供理论依据。
二、实验材料与设备1. 实验材料- 铝硅合金样品：由中国科学院金属研究所提供，用于定向凝固实验。
- 单晶高温合金样品：由中国科学院金属研究所提供，用于地面重力条件下的对照实验。
2. 实验设备- 定向凝固炉：用于在空间站内进行定向凝固实验。
- 显微镜：用于观察和分析样品的微观结构。
- X射线衍射仪：用于分析样品的晶体结构。
- 电子探针微分析（EPMA）：用于分析样品的化学成分。
三、实验方法1. 空间站定向凝固实验- 将铝硅合金样品放入定向凝固炉中，设置合适的温度梯度，进行定向凝固实验。
- 实验过程中，通过实时监测样品的温度、压力等参数，确保实验过程的顺利进行。
2. 地面重力条件下的对照实验- 将单晶高温合金样品放入定向凝固炉中，在地面重力条件下进行定向凝固实验。
- 实验过程与空间站实验相同，但需注意控制实验过程中的重力影响。
3. 样品分析与比较- 将空间站实验样品和地面对照实验样品分别进行微观结构、晶体结构和化学成分分析。
- 通过对比分析，探讨重力对合金凝固过程的影响，揭示合金凝固缺陷的形成机理。
四、实验结果与分析1. 微观结构分析- 空间站实验样品的微观结构显示，气泡表面较少，内部气泡较多。
- 地面对照实验样品的微观结构显示，气泡表面较多，内部气泡较少。
2. 晶体结构分析- 空间站实验样品的晶体结构与地面对照实验样品相似，但空间站实验样品的晶粒尺寸略大。
3. 化学成分分析- 空间站实验样品和地面对照实验样品的化学成分基本一致。
五、结论与讨论1. 结论- 重力对合金定向凝固过程有显著影响，导致空间站实验样品的气泡分布与地面对照实验样品存在差异。
- 通过对比分析，揭示了重力在合金凝固过程中的作用机理，为解决合金凝固缺陷问题提供了理论依据。
材料合成与制备新技术课件第五章定向凝固
温度梯度控制
温度梯度对凝固过程的影 响需要进一步研究和优化。
工艺稳定性
定向凝固工艺的稳定性和 一致性需要提高，以便大 规模应用。
新材料研究
未来定向凝固将用于开发 新型材料，满足不同领域 的需求。
总结
定向凝固是一种重要的材料合成与制备新技术，具有广泛的应用前景和潜力。 通过进一步研究和优化，定向凝固将为材料科学和工程领域带来更多突破和 创新。
定向凝固可制备高性能金属 合金铸件，提高材料的力学 性能和耐热性。
定向凝固技术的优点
1 晶体和材料的有序排列
定向凝固可实现晶体和材料的有序排列，提高性能和功能。
2 减少晶界和缺陷
定向凝固可减少晶界和缺陷，提高材料的强度和韧性。
3 制备复杂结构材料
定向凝固可制备复杂结构的材料，扩展应用领域和功能。
存在的问题及未来发展趋势
定向凝固过程控制及设备
定向凝固的关键是控制凝固速度、温度梯度和界面形态，常用设备包括自由凝固、悬浮液凝固和 偏心凝固等。
应用案例介绍
半导体晶片制备
定向凝固可用于制备高纯度 的半导体晶片，提高电子元 件的性能和可靠性。
单晶涡轮叶片
定向凝固可制备单晶涡轮叶 片，提高航空发动机的效率 和寿命。
金属合金铸件
材料合成与制备新技术课 件第五章定向凝固
定向凝固是一种重要的材料制备技术，本章将介绍其概念、控制方法、应用 案例和未来发展趋势。
定向凝固技术概述
定向凝固是一种制备晶体和材料的技术，通过控制凝固过程中的温度梯度和固液界面形态，实现 晶体和材料的有序排列和定向生长。
晶体生长与定向凝固的异同
虽然晶体生长和定向凝固都涉及材料的凝固过程，但定向凝固在固液界面形态和晶体排列定向等 方面有独特优势和应用。
布里奇曼斯托克定向凝固法
布里奇曼斯托克定向凝固法介绍布里奇曼斯托克定向凝固法（Bridgman-Stockbarger method）是一种重要的实验方法，用于研究单晶的生长和凝固过程。
它是由二位科学家布里奇曼斯和斯托克巴格发展而成的，并在材料科学领域得到广泛应用。
该方法通过控制熔体的温度梯度和凝固速度来实现单晶的生长，以获得高纯度和大尺寸的晶体材料。
工艺原理温度梯度布里奇曼斯托克定向凝固法的关键在于创建一个合适的温度梯度。
通常，熔体温度从下到上逐渐降低，形成一个从高温到低温的温度梯度。
这样可以控制晶体的生长方向和生长速率。
凝固速度凝固速度是另一个重要的参数。
通过调节凝固速度，可以控制晶体的晶格缺陷和晶体缺陷密度。
快速凝固可以得到高度有序的晶体，而慢速凝固则会导致晶格缺陷的增加。
实验过程1.准备样品：选择合适的晶体材料，并将其制成适当尺寸和形状的熔体。
2.设计熔体容器：选择合适的容器，通常为石英管或陶瓷坩埚。
3.创建温度梯度：将熔体置于熔炉中，通过控制熔炉上下部分的温度来形成温度梯度。
4.开始生长：将熔体加热至适当温度，使其开始凝固。
凝固过程中，缓慢下移熔体容器，保持温度梯度不变。
5.结束生长：当晶体生长到所需尺寸时，停止加热并冷却样品，使其完全凝固。
6.取出晶体：将晶体从熔体容器中取出，并进行后续处理和分析。
应用布里奇曼斯托克定向凝固法在材料科学领域有广泛的应用，特别是在单晶生长和研究方面。
它可以用于生长各种材料的单晶，如金属、半导体和陶瓷。
其应用不仅限于实验室研究，还可以用于工业生产中的单晶材料制备。
优势与局限性优势•能够制备大尺寸和高纯度的单晶材料。
•可以控制晶体的生长方向和生长速率。
•数据可重复性高，实验结果可预测性强。
局限性•该方法需要复杂的实验条件和设备。
•凝固过程中容易引入晶体缺陷，需要进一步的处理和调控。
•在某些材料中，可能会出现晶体断裂或晶格缺陷过多的问题。
发展趋势随着材料科学的发展，人们对高性能材料的需求日益增加。
铜的定向凝固实验原理
铜的定向凝固实验原理铜的定向凝固是一种金属凝固工艺，通过控制铜合金的凝固过程，使其具有特定的晶体结构和力学性能。
定向凝固技术广泛应用于航空航天、能源、汽车和电子等高科技领域中。
定向凝固技术的原理主要包括凝固传热、束流定向、溶质重分配和相界限控制等方面。
首先，凝固传热是定向凝固的基础。
在凝固过程中，铜合金的熔化和凝固过程是同时进行的。
凝固是通过传递热量来达到的，而热量的传递方式主要有导热和对流两种。
在凝固过程中，通过合理的控制传热方式，可以影响晶体生长的速度和方向，从而控制晶体的取向。
其次，束流定向是定向凝固中的关键环节。
束流定向是指在凝固过程中通过施加外加的磁场、温度梯度或拉伸力等辅助手段，将熔融合金中的晶粒定向生长。
束流定向的方法有很多种，常用的方法有磁场定向、模具形状定向和温度梯度定向等。
这些方法可以在凝固过程中控制晶粒的取向和排列，从而获得所需的晶体结构。
第三，溶质重分配是定向凝固中的另一个关键因素。
在凝固过程中，合金中的溶质会因为凝固过程中的温度变化而发生重分配。
通常情况下，溶质倾向于富集在凝固前沿的液相区域，导致凝固后的固相区域出现不均匀分布的现象。
为了减小溶质的偏聚效应，定向凝固过程中通常采用稳态定向凝固和自辐射稳态凝固等技术。
最后，相界限控制是定向凝固中的另一个重要环节。
合金中的相界限对晶体的取向和力学性能具有重要影响。
在定向凝固中，通过调整合金的化学成分、凝固速度和温度梯度等参数，可以控制相界限的位置和形态。
这样可以使晶体取向更加均匀，并且减少晶界的数量和位错密度，提高合金的力学性能。
总的来说，铜的定向凝固是通过控制凝固传热、束流定向、溶质重分配和相界限控制等工艺参数来实现的。
利用这些技术，可以控制铜合金的晶体取向、结构和力学性能，为高科技领域中的应用提供了可靠的材料基础。
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
定向凝固制备铸造多晶硅的原理及应用综述
定向凝固制备铸造多晶硅的原理及应用综述摘要：阐述了介绍了定向凝固应用于硅材料的理论基础，论述了近年来定向凝固制备技术在杂质提纯和晶体生长的研究进展，提出了定向凝固制备铸造多晶硅研究现状和存在的问题。
展望今后的发展前景，认为新型的定向凝固技术制备出的硅锭在杂质含量、晶体结构方面均优于传统凝固技术，应积极改善定向凝固技术，以制备高品质的太阳能硅材料。
关键词定向凝固；铸造多晶硅；杂质和缺陷；转化效率晶体硅太阳能电池包括单晶电池和多晶电池2种，多晶电池的市场份额占到一半以上，商业化的多晶电池效率可以达到14%左右[1]。
实验条件下，多晶电池的最高转化效率达到20.30左右，多晶电池的效率虽然略低于单晶电池1%～2%，但多晶电池制造成本低、环境污染小，仍有很高的性价比和市场[2]。
近年来，由于技术改良、电池效率提高及生产成本下降等有利因素，因而大大促进了多晶电池应用技术的发展，也使业内专家学者给予了多晶电池制备技术更多研究和关注[3]。
影响多晶电池转换效率主要有2个方面：一是多晶硅铸锭的纯度，即使材料中含有少量的杂质，对电池的光电性能就有很大的影响[4]；二是尽量减少材料中各种缺陷，多晶硅铸锭中的晶界、位错与杂质聚集成载流子复合中心，大大的降低了多晶电池效率。
由以上表述可知，要提高多晶电池的效率，必须围绕提高材料纯度和降低材料缺陷的技术进行研究，而定向凝固技术正是制备硅晶体材料的典型应用。
定向凝固技术开始只用于传统的高温合金研制，经过几十年的发展，它已经是一种成熟的材料制备技术[5]。
定向凝固技术在多晶硅铸造主要是控制晶体生长和杂质提纯2方面的应用。
定向凝固技术可以很好地控制组织的晶面取向，消除横向晶界，获得大晶粒或单晶组织，提高材料的力学性能[6]。
同时，定向凝固可生成按照一定晶面取向、排列整齐的晶体结构,由于分凝系数的不同，杂质凝聚于晶界和铸锭上方，对材料起到提纯作用。
1. 基本原理多晶硅铸锭实际上就是由定向排列的柱状晶体组合形成，形成的理论基础就是定向凝固原理。
液态金属加工中的定向凝固技术
定向凝固技术是一种在液态金属加工中广泛应用的技术，它通过控制金属凝固的方向，从而实现高效、高质量的金属零部件制造。
定向凝固技术不仅提高了金属零件的性能，而且减少了生产过程中的能源消耗和废品率，因此越来越受到工业界的关注。
在液态金属加工中，传统的凝固方法往往是随意凝固，导致金属材料无法充分利用，并且容易导致孔洞、偏析等缺陷。
而定向凝固技术则通过对金属凝固过程的精确控制，使得金属材料能够按照预定的方向进行凝固，从而获得更加均匀、致密的金属组织。
定向凝固技术的核心在于控制金属凝固的速度和方向。
通过控制凝固速度，可以使得金属凝固过程中产生的应力最小化，从而减少金属变形和裂纹的风险。
通过控制凝固方向，可以使得金属材料在特定的方向上获得更高的强度和硬度，从而实现更加高效、高质量的金属零件制造。
定向凝固技术通常采用计算机控制系统来实现。
该系统可以通过传感器实时监测金属凝固过程中的温度、压力、流量等参数，并根据这些参数的变化来调整凝固过程。
此外，计算机控制系统还可以通过模拟软件来预测金属凝固过程中的缺陷和问题，从而提前采取措施进行预防和解决。
在实际应用中，定向凝固技术已经广泛应用于航空航天、汽车、电子等领域。
例如，在航空航天领域中，定向凝固技术可以制造出更加轻量化、高强度的金属零部件，从而提高飞行器的性能和效率。
在汽车领域中，定向凝固技术可以制造出更加耐腐蚀、耐高温的金属零部件，从而提高汽车的安全性和使用寿命。
总之，定向凝固技术是一种高效、高质量的液态金属加工技术，它通过控制金属凝固的速度和方向，从而实现更加均匀、致密的金属组织。
该技术已经在多个领域得到广泛应用，并且具有广阔的发展前景。
随着计算机技术和控制技术的发展，定向凝固技术将会更加成熟和完善，为工业界带来更多的效益和价值。
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。
定向凝固的特点
在熔模铸造型壳中建立特定方向的温度梯度，使熔融合金沿着与热流相反的方向按照要求的结晶取向凝固的一种铸造工艺。
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。
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。
难熔金属及合金在航空航天、电子信息、能源、化工、冶金和核工业等国防及民用领域有着不可替代的作用，受到世界各国的高度重视，已成为材料科学界最为活跃的研究领域之一。
本文采用电子束悬浮区熔技术(EB FZM)探索难熔金属钼单晶的低成本电子束悬浮区熔定向凝固工艺，研究了钼单晶的无籽晶法和籽晶法定向凝固组织演变及生长机理，考察了晶体的力学性能与工艺参数和凝固组织的关系。
本文的研究工作主要分为三部分：(一) 成功地设计了新型电子束悬浮区熔电子枪，实现了快速、均匀、稳定的电子束悬浮区熔定向凝固。
(二) 采用无籽晶法电子束悬浮区熔定向凝固技术，利用粉末烧结冶金级钼和电弧熔炼高纯钼，经多次区熔获得了取向为(110)的定向凝固多晶钼。
研究结果表明：定向凝固钼晶体的生长符合竞争生长机制，晶体取向与热流方向偏离较大的晶粒的生长被抑制，大角度晶界数量明显减少；随着区熔速率的增大，小角度晶界数量明显增多；区熔定向凝固使得晶体纯度提高，成分分布均匀；显微硬度的测试结果表明，定向凝固钼晶体晶界处的硬度明显高于晶内，晶粒内硬度值趋于一致。
随着区熔速率的升高，显微硬度降低随着全球经济的发展，人类对能源的需求不断增长，石油、煤炭等不可再生资源日益枯竭。
太阳能作为一种清洁的可再生能源，其研究和开发得到了快速发展。
光伏产业的爆发式增长使得太阳能级多晶硅材料的供给出现巨大缺口。
传统的西门子法已经不能满足光伏市场的发展需求。
物理冶金法具有投资小、成本低等优点而受到各国的广泛关注。
定向凝固工艺是物理冶金法制备太阳能级多晶硅的一个重要环节。
monte carlo方法在定向凝固微观组织模拟中的应用
monte carlo方法在定向凝固微观组织模拟中的应用
随着金属材料表面凝固后结构的研究，已经越来越受到关注。
在宏观级别，它与尺寸和形状效应有关，如表面的粗糙度和摩擦特性。
在微观级别，它与定向凝固行为有关，也就是组织结构中晶体晶格形状和大小的变化。
在宏观和微观级别上，定向凝固微观组织模拟都是极其复杂的过程，模拟后的结果非常容易受到随机扰动的影响。
因此开发一种可以精确模拟定向凝固微观组织变化过程的有效算法就成为了材料工程
领域的热点问题。
目前，Monte Carlo方法已经成为定向凝固微观组织模拟的一种有效的方法。
它的基本原理是根据模拟的环境情况来随机探索系统可能的状态，并从中选择最佳状态。
在定向凝固模拟中，Monte Carlo
方法可以简化组织分布的计算，使空间结构变化的计算效率大大提高。
在实际应用中，Monte Carlo方法可以用来模拟各种定向凝固组织，如多孔晶体、断裂晶体、无定向凝固晶体以及各种合金的晶体组织。
它可以模拟凝固过程中晶胞形状、晶粒形状及其尺寸的变化，也可以在定向凝固中模拟各类不同组相之间的相变。
此外，Monte Carlo方法可以应用于分析定向凝固行为的原因。
它可以用来研究不同空间形状对定向凝固的影响，并研究不同应力水平对定向凝固的影响。
它还可以用来评估不同温度、湿度和其他环境因素对定向凝固过程的影响。
总之，Monte Carlo方法是一种有效且功能强大的定向凝固微观
组织模拟方法，它可以模拟组织结构的变化，并分析定向凝固行为的原因。
它的应用不仅可以提高模拟的准确性，还可以改善材料的性能，为材料工程领域的研究和应用奠定坚实的基础。
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。
《定向凝固Al-Cu-Si共晶合金组织形成与性能》范文
《定向凝固Al-Cu-Si共晶合金组织形成与性能》篇一一、引言随着现代科技的发展，金属材料在众多领域中发挥着重要作用。
其中，Al-Cu-Si共晶合金因其优异的物理和机械性能，被广泛应用于航空航天、汽车制造、电子封装等领域。
本文将重点研究定向凝固Al-Cu-Si共晶合金的组织形成及其性能，以期为相关领域的研究和应用提供理论依据。
二、定向凝固Al-Cu-Si共晶合金的组织形成1. 合金成分与相图Al-Cu-Si三元合金系统具有复杂的相图，其中共晶成分的合金在一定的温度范围内可以形成共晶组织。
通过调整合金的成分，可以获得具有特定组织和性能的共晶合金。
2. 定向凝固工艺定向凝固是一种通过控制合金的冷却速度和结晶方向，从而获得具有特定组织和性能的材料的方法。
在Al-Cu-Si共晶合金的定向凝固过程中，通过控制温度梯度和冷却速度，可以获得具有特定晶体取向的共晶组织。
3. 组织形成过程在定向凝固过程中，Al-Cu-Si共晶合金的组织形成主要受到温度梯度、结晶速度和合金成分的影响。
当合金在一定的温度梯度下冷却时，首先形成初生相，随后在初生相的基础上形成共晶组织。
共晶组织的形成过程包括初生相的生长、共晶相的形成和共晶片的生长等步骤。
三、Al-Cu-Si共晶合金的性能1. 机械性能Al-Cu-Si共晶合金具有较高的强度和硬度，同时具有良好的塑性和韧性。
这主要得益于其独特的共晶组织结构，使得合金在受到外力作用时能够产生良好的变形协调能力。
2. 物理性能Al-Cu-Si共晶合金具有良好的导热性和导电性，这使得其在电子封装和导电材料等领域具有广泛的应用。
此外，该合金还具有较好的耐腐蚀性能，能够在恶劣的环境中长时间使用。
四、定向凝固对Al-Cu-Si共晶合金性能的影响通过定向凝固工艺，可以获得具有特定晶体取向的Al-Cu-Si 共晶合金。
这种合金的机械性能和物理性能得到进一步提高，同时具有更好的各向异性。
定向凝固使得合金中的晶体结构更加规整，从而提高了合金的强度和硬度。
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。
定向凝固技术的发展与应用
定向凝固技术的发展与应用摘要：定向凝固技术是指利用一定的设备，在一定的工艺条件下使材料的组织具有特殊取向从而获得优异性能的工艺过程。
定向凝固技术是伴随着高温合金的发展而逐步发展起来的。
本文综述了定向凝固技术的定向凝固理论，对比分析了不同定向凝固方法的优缺点，并从四个方面论述了提高温度梯度的途径，最后对定向凝固技术的发展及应用前景做了展望。
关键词：定向凝固；工艺特点；温度梯度；应用1.引言凝固是材料制备与加工的重要手段之一，先进的凝固技术为先进材料开发与利用提供了技术条件。
凝固过程中包含了热量、质量和动量的传输过程，它们决定了材料凝固组织和成分分布，进而影响材料性能。
近20年中，不仅开发出许多先进凝固技术，也丰富和发展了凝固理论。
其中，先进凝固技术主要集中于如下几种类型：定向凝固、快速凝固与近快速凝固技术、外加物理场（压力场、电磁场、超重力或微重力场）中的凝固技术以及强制流动条件下的凝固技术等。
定向凝固技术是对金属材料进行凝固过程进行研究的重要手段之一，可用于模拟合金的凝固过程，制备高质量航空发动机定向和单晶叶片等。
同时，也是研究固液界面形态及凝固组织行之有效的技术手段。
定向凝固技术的出现是涡轮叶片发展过程中的一次重大变革。
铸造高温合金叶片的制造工艺经历了从等轴晶铸造到定向单晶凝固的发展过程，不仅在晶粒结构的控制上取得了很大进展，而且铸造性能也有了很大提高，常规的铸造高温合金尽管有较高的耐温能力，但材料的中温蠕变强度较低。
定向凝固技术能够使晶粒定向排列，在垂直于应力方向没有晶界，同时由于沿晶粒生长的（001）方向具有最低的弹性模量，这样将大大降低叶片工作时因温度不均匀所造成的热应力，因此使蠕变断裂寿命和热疲劳强度得到很大提高，如DS Mar-M200+Hf比等轴晶合金热疲劳性能提高了8倍。
此后，随着各种定向凝固技术的不断发展，固液界面前沿的温度梯度不断增大、冷却速率逐渐提高，定向生产的叶片综合性能也日2. 定向凝固理论2.1成分过冷理论Chalmers、Tiller［1, 2］等人在研究中发现在合金中液固界面前沿由于溶质富集导致平界面失稳而形成胞晶和枝晶，首次提出了著名的成将会产生成分过冷”分过冷”判据：G L m L C o( k o _ 1)V k0D L ( 1) 式中，G L为液固界面前沿液相温度梯度；V为界面生长速度；m L为液相线斜率；C o为合金平均成份；k o为平衡溶质分配系数；D L为液相中溶质扩散系数。
定向凝固合金
定向凝固合金
定向凝固合金是一种先进的材料，它是由精密的凝固工艺而制成的。
这种材料具有高强度、高延展性、高耐腐蚀性和高温稳定性等优点，因此在航空航天、船舶、汽车、电子、医疗等领域得到广泛应用。
定向凝固合金的制备过程主要是通过精密的熔融凝固技术，在特定的温度、压力和成分条件下，使液态合金逐渐凝固形成晶体，同时通过控制凝固过程中的凝固速率、温度梯度和晶体取向等参数，使得晶体的结构排列呈现出一定的方向性，从而得到具有定向性的凝固合金。
定向凝固合金的优点不仅在于其材料性能的提高，还在于其具有很好的可塑性和可加工性。
这种材料可以通过特殊的机械加工和热处理工艺，得到精密的形状和尺寸，以满足各种特定的应用需求。
总之，定向凝固合金的研究和应用具有非常广泛的前景和重要的意义，相信在未来的发展中，这种材料将会得到更加广泛的应用和发展。
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原位实时观察技术为直观的观测凝固过程提供了有效的手 段。
MS稳定性理论只适用于稀溶液，并且忽略了凝固速率对溶质分配系 数的影响。
在固液界面的形态演化中，生长速率一方面促进成分过冷效应增大 的作用, 另一方面又促进界面曲率效应强化的作用。在生长速率较低 的近平衡条件下,前者占主要地位,对固液界面的影响较大,后者虽然对 固液界面也有作用,但是更多的是促进成分过冷加剧,使界面的稳定性 降低。但两者相等时,即表明界面曲率效应的作用同成分过冷的作用 相抵消,达到了界面的绝对稳定。
kTM R2 mLGDL2
1
固液界面达到绝对稳定的临界生长速率为
R
mLC0 (1 k)DL k 2
MS稳定性理论的不足之处
MS稳定性理论预言,在高速凝固时,固液界面将恢复平面状生长,即达 到所谓的绝对稳定性。但该理论未能给出在低速下,平界面失稳后得 到胞晶、进而得到树枝晶后至绝对稳定性这一广阔区间内界面形态 的转变过程。
由于没有明确的理论判据以及实验技术的限制, 在过去的 研究中, 高梯度绝对稳定性被不适当地忽视了。对大多数 合金, 实现高梯度绝对稳定性的临界温度梯度在 5000K/cm 以上, 远远超过常规的定向凝固方法所能达到 的温度梯度。
KF稳定性判据
Kurz和Fisher在MS稳定性理论的基础上做了一些 简化，得到KF稳定性判据：
G
mGc
k R2 D2
特征长度
有以下3个特征长度影响定向凝固的组织：
（1）溶质扩散长度
D lS R
（2）热扩散系数
lT
T0 GTL
（3）毛细管长度
对纯金属：
lC
cL h
对合金 ：
lC T0
abc 1
组织特征长度
组织特征长度 li A(lT )a (lS )b (lC )c a b c 1
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。
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。
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
区激深电侧对重
热率速态
域光过磁向流力
铸降凝金
熔超冷约约下场
型低固属
化高定束束的作
法法法冷
液温向成下定用
却
态度凝形的向下
法
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
In situ and real-time imaging
法
定 向
高梯度绝对稳定性
在过去的理论和实验研究中, 关注的是凝固速率而忽视温 度梯度的影响。近年来对M S 理论界面稳定性条件所做 的进一步分析表明,M S 理论还隐含着另一种绝对稳定性 现象, 即当温度梯度G 超过一临界值Ga 时, 温度梯度的稳 定化效应会完全克服溶质扩散的不稳定化效应, 这时无论 凝固速度如何, 界面总是稳定的, 这种绝对稳定性称为高 梯度绝对稳定性。
定向凝固的理论基础
成分过冷理论 固液界面形态的选择
界面稳定性的动力学 理论
特征长度 定向凝固时的枝晶生长 枝晶生长
一次间距选择的历史 相关性
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。
如对于溶质分配系数小于1的合金体系, 随着凝固的进行,部分溶质在界面处的 液相中富集,并形成一定的溶质梯度,与 这 与 其种 真 差溶 实 值质 温T(x梯 度)大度Tq于(相x零)分对时布应,意之的味间液着有相该不线部同温分的度熔值TL体(,x) 处于过冷状态,有形成固相的可能性而 影响界面的稳定性。平界面凝固的稳定 条件为无成分过冷区,即:
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。
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。
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。
In situ and real-time imaging
1/3
1/3
1/3
0
1/2
定向凝固时界面失稳的临界条件
定向凝固时界面失稳的临界条件
（1）低R时，服从成分过冷理论平界面向胞状转化条件为
lS lT
（2）高R时，服从绝对稳定理论，胞晶向平界面转化条件
改变试样的局部冷却条件促使 凝固过程发生变化。
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。
界面稳定性的动力学理论
也称为绝对稳定理论、MS稳定性理论。Mullins和Sekerka鉴 于成分过冷理论的不足，提出一个考虑了溶质浓度场和温 度场、固液界面能以及界面动力学的理论。研究了温度场 和浓度场的干扰行为、干扰振幅和时间的依赖关系以及它 们对界面稳定性的影响,总结出平界面绝对稳定性判据为：
GL R
mL (1 k0 DL k0
)
C0
不同类型合金平界面凝固条件
共晶合金平界面凝固的条件为 偏晶合金平界面凝固的条件为
GL mL (wE wc0 )
R
DL
GL mL (wL2 wC0 )
R
DL
包晶反应合金平面凝固条件为
GL mL (wLp wC0 )
R
DL
Байду номын сангаас
成分过冷理论的不足之处
实例
Al-Cu合金凝固过程中在液相温度 梯度为2×104K/m时界面稳定与 合金成分C0和界面速度R（凝固 速度）的关系
不同成分的Al-Cu合金凝固时界面稳定性 与各参数间的关系。在非常高的界面速度 下，界面是绝对稳定的，这个稳定界限和
液相的温度梯度无关；在很低的界面速度
下界面也是稳定的；只在中等的界面速度 下界面才是不稳定的。
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。
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。
synchrotron X-ray imaging
tert butyl alcohol-water system
定向凝固技术小结
纵观定向凝固技术的发展,人们在不断地提高温度梯度、生 长速度和冷却速度,以得到性能更好的材料。而温度梯度无 疑是其中的关键,提高固液界面前沿的温度梯度在理论上有 以下途径: ①缩短液体最高温度处到冷却剂位置的距离; ② 增加冷却强度和降低冷却介质的温度; ③提高液态金属的 最高温度。
以热力学平衡态为基点的理论能否作为描述动态 的理论根据。
在固液界面上引入局部的曲率变化要增加系统的 自由能，这一点被成分过冷理论忽略了。
成分过冷理论没有说明界面形态改变的机制。 成分过冷理论不适用于快速凝固领域。因为凝固
速度很大时，G/R值越来越小，更应该出现树枝 晶，但实际情况是快速凝固后，固液界面反而又 稳定起来，产生无特征无偏析的组织，得到成分 均匀的材料。
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。
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。
Trivedblcai i和Kurz将各种组织特征长度收集在表 1.1中