定向凝固技术的发展及应用

定向凝固技术的发展及应用摘要：定向凝固技术可使材料凝固组织按特定方向排列，获得定向及单晶组织结构，从而大大改善材料的力学和物理性能。

本文详细地评述了传统定向凝固技术的发展过程和存在的问题，阐述了几种新近发展起来的新型定向凝固技术。

介绍了定向凝固技术在材料制备中的应用。

关键词：定向凝固技术，温度梯度，材料制备金属的定向凝固就是指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。

它是在高温合金的研制中建立和完善起来的。

该技术被广泛用于获得具有特殊取向的组织和优异性能的材料，因而自其诞生以来得到了迅速的发展。

应用定向凝固方法，可以得到定向组织、甚至单晶，可以明显地提高材料所需的性能。

因此，定向凝固技术自其诞生以来得到了迅速的发展。

1定向凝固技术的发展过程定向凝固技术除早期用于高温合金的研制外，后来还逐渐推广到半导体材料、磁性材料、复合材料等的研制中，并成为凝固理论研究的重要手段之一。

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。

伴随着对热流控制(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、快速凝固法直到液态金属冷却法等的发展过程。

1.1炉外结晶法炉外结晶法有叫发热剂法（EP法），是定向凝固技术中最原始的方法之一。

Versnyder 等早在20 世纪50年代就应用于试验中。

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。

但该方法工艺简单，成本低，在小批量零件生产中任然还有应用。

1.2功率降低法（PD法）在20世纪60年代，Versnyder等人提出了功率降低法。

其原理是采用水冷底盘，上面放一个底部开放的模壳，外面套有石墨罩，石墨上套有中间抽头的两组感应线圈，在模壳上安有热电偶，在加入熔化好的金属液前，建立所要的温度场。

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。

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。

由于其生长长度受到限制，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，加之设备相对复杂，且能耗大，限制了该方法的应用。

1.3快速凝固法（HRS法）快速凝固法是Erickson等于1971年提出的，其装置和功率降低法相似，不过多了一个拉锭机构，可使模壳按一定速度向下移动，改善了温度梯度在凝固过程中逐渐减小的缺点，其原理是在炉子底部设有一个挡板，上面有一个略大于铸件形状的开口，把炉子和外部分开。

抽拉装置将铸件以一定的速度从炉子的开口中移出或炉子移离铸件，在空气中冷却，而炉子始终保持加热状态。

这种方法避免了炉膛对已凝固层的影响，且利用空气冷却，因而获得了较高的温度梯度和冷却速度，所获得的柱状晶较长，组织细密挺直均匀，使铸件的性能得以提高，在生产中有一定的应用。

但HRS法是靠辐射换热来冷却的，获得的温度梯度和冷却速度都很有限。

1.4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热导率的高沸点、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。

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、前苏联等用于航空发动机叶片的生产。

2新型定向凝固技术从定向凝固技术引进到我国以后，多年来的实验及工业生产实践表明，传统的定向凝固技术虽然解决了一些问题，但任然存在缺陷。

主要体现在冷却速率受控制于固相端热量的散失，不容易控制。

使得组织粗大与偏析缺陷也时有发生；追求高温度梯度造成成本的增加，以及获得缓慢的抽拉速度而造成生产周期的延长。

这些问题严重阻碍了定向凝固技术的广泛应用于发展。

为了进一步细化材料的组织结构，就需提高凝固过程的冷却速率，而冷却速率的提高，可通过提高凝固过程中固液界面前沿的温度梯度和生长速率的比值来实现。

如何采用新工艺去实现高温度梯度和高生长速率的定向凝固技术，继而制备具有更优越性能的新材料，是众多研究人员所追求的目标之一。

2.1超高温度梯度定向凝固法西北工业大学李建国等人通过改变加热方式，在LMC法的基础上发展了一种新型定向凝固技术——区域熔化液态金属冷却法,即ZMLMC法。

这种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。

他们研制的ZMLMC定向凝固装置，最高温度梯度可达1300k/cm 最大冷却速度可达50k/s凝固速率可在6～1000μm/s内调节。

但是，这种方法单纯采用强制加热来提高温度梯度，从而提高凝固速度，仍不能获得很大的冷却速度，因为需要散发掉的热量相对而言更多了，故冷却速率提高有限，一般很难达到快速凝固。

目前这方面的研究还都处于实验室规模，要进一步广泛运用，还有待于进一步的努力和改进。

2.2电磁约束成形定向凝固西北工业大学傅恒志等在系统研究电磁场与温度场及其耦合作用的基础上，将电磁约束成形技术与定向凝固技术相结合，设计了无接触电磁约束成形与凝固控制和软接触电磁约束成形与凝固控制。

两者分别可以实现高熔点、大密度合金的无污染或低污染约束成形，对于诸如钛合金、高温合金、难熔金属、高合金钢、各类金属间化合物以及其它难加工成形先进材料的制备具有特别重要的意义。

但电磁约束成形定向凝固涉及电磁流体力学、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。

2.3深过冷定向凝固过冷熔体中的定向凝固首先由BILux等在1981年提出，其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，最终获得定向凝固组织。

与传统定向凝固工艺相比，深过冷定向凝固法具有下述特点：铸件和炉子之间没有相对运动，省去了复杂的传动和控制装置，大大降低了设备要求；深过冷定向凝固中，导出的热量只包括结晶潜热和熔体的过热热量，而且铸件的散热可在三维方向进行，故铸件的生产周期短、效率高；深过冷定向凝固组织形成过程中的晶体生产速度高，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。

2.4激光超高温度梯度快速定向凝固杨森等认为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。

他们通过对激光表面快速熔凝过程中熔凝组织生长方向的研究，发现通过选择合适的工艺参数，可实现与bridgman法类似的超高温度梯度快速定向凝固，其温度梯度可高达106k/s速度可高达24mm/s。

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速度方向一致的温度梯度；根据合金凝固特性选择适当的激光工艺参数以获得胞晶组织。

现在激光超高温度梯度快速定向凝固还处于探索性实验阶段。

2.5单晶连铸技术单晶材料的制造方法虽然有Czochralski法、Bridgeman法和区熔法等，但这些方法生产的单晶铸件长度均受到设备和坩埚尺寸的限制，不能生产近终形、任意断面形状和长度的单晶线、棒和板等型材。

上世纪80年代初，日本千叶工业大学大野笃美将传统连铸中冷铸型改为加热铸型，发明了一种新的连续铸造方法，即OCC法。

该法将先进定向凝固技术和高效连续铸造技术相结合，同以往的单晶生产方法相比具有铸件长度不受限制、工艺简单、高效等特点，能生产近终形、无限长的单晶线、棒材。

在国内，自1994年开始，凝固技术国家重点实验室开展了单晶连铸技术研究，在实验室成功地拉出了长8～10m，直径8mm、表面呈镜面光滑的铝、铜单晶线材。

3定向凝固技术的应用3.1制备高温合金铸件定向凝固技术最初就是应用于高温合金的研制。

20世纪70年代之后，由于定向凝固和单晶合金的出现，使得所有国家的先进新型发动机几乎无一例外地选用铸造高温合金制作最高温区工作的叶片，目前几乎所有先进航空发动机都以采用单晶叶片为特色，正在研制中的推重比为10的发动机F119（美）F120（美）GE90（美）EJ2000（英德、意、西）M88-2（法）P2000（俄）以及其他新型发动机都采用单晶高温合金制作涡轮叶片。

我国的西北工业大学凝固技术国家重点实验室利用特殊设计的双频双感应器成功地实现了多种截面形状的无接触电磁约束成形。

中国科学院金属研究所应用定向凝固工艺成功研制出一种性能优异的低成本定向凝固镍基高温合金DZ417G。

该合金从室温至高温瞬时拉伸性能良好，无缺口敏感性，横向性能优异，其中最突出的优点是室温至高温的拉伸塑性优异，且室温冲击韧性高。

3.2制备高温超导材料YBCO高温超导体由于具有高临界电流密度和低的导热率,是做电线的潜在材料。

如果要在SMES等方面有广泛的应用,为了减少热泄漏,并且在磁场中具有高临界电流密度,那么就必须需要大尺寸的电线。

日本学者用定向凝固技术制备出了长150mm的大尺寸的单畴YBCO超导棒条体。

他们研究了在不同体积分数时的特性和沿长度方向相晶粒组织。

另外，日本学者用定向凝固技术还制备出了单畴smBCO超导棒条体。

这个试样在温度为77K磁场强度为1T时，其临界电流密度可达3.5×04A/cm2。

3.3制备功能材料压电陶瓷和稀土超磁致伸缩材料在换能器、传感器和电子器件等方面都有广泛的应用。

定向凝固技术在制备这两种功能材料中也得到了应用。

中国科学院上海硅酸盐研究所高性能陶瓷和超微结构国家重点实验室用定向凝固的方法制备出了PMN-0.35PT定向陶瓷，性能优良，已被广泛的应用与各个领域。

北京有色金属研究总院稀土材料国家工程研究中心采用自行开发的“一步法”新工艺，成功地制备出了我国直径最大的（直径700mm、长度250mm）稀土超磁致伸缩材料。