定向凝固和单晶制备技术

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
法定
技技
固
向
术术
技
凝
术
固
2 传统定向凝固技术
2.1 炉外法
p 1.
又1 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。
成分过冷发生的1必要条件
Ø 固液界面前沿溶质的富 集而引起溶质再分配 Ø 固液界面前方的也想实 际温度必须到达一定的值 才会发生成分过冷现象
1 定向凝固技术概述
1.3 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
1S了e溶ke质rk浓a鉴度于场成和分温过度冷场理、论固的液不界足面，能提以出及一界个面考动虑力
2 传统定向凝固技术
2.1 炉外法
1
1.
优点：工艺简 单，生产成本 低。
缺点：温度梯 度不大而且很 难控制，不适 合大型件生产。
图6 炉外法原理图
2 传统定向凝固技术
2.2 功率降低法（PD法）
p 1.
基本原理：把熔融的金属液置于保温炉，
1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。
1 定向凝固技术概述
1.3 定向凝固技术的理论基础
(2) 20世1纪60年代末Versnyder提出的高温合金定向凝固
方法，使得涡轮叶片的制备技术发生了革命性变化， 成为材料制备历史上的里程碑之一。
高温合金定向凝固方法（典型的涡轮叶片）原理： 用柱状晶的同方向凝固，将细长的柱状晶朝着凝固 方向平行涡轮叶片运转产生的离心力，从而形成单 晶叶片。
成分过冷是指凝固时由于溶质再分配造成固液界面
1前液沿界溶 面质 液浓 相度 内变 形化 成， 的引 过起 冷理 ，论 而凝 这固种温由度固的液改界变面在前固方
溶质再分配引起的过冷成为成分过冷。 成分过冷的不足之处 在于不适用于快速凝 固领域。
图3 成分过冷现象
1 定向凝固技术概述
1.3 成分过冷理论
定向凝固技术
1 定向凝固技术概述 2 传统定向凝固技术 3 新型定向凝固技术
4
1 定向凝固技术概述
1.1 定向凝固技术的背景
u 随着20世纪60年代后期大量能源相关的设
1备需求不断增加，如核电站的开发、大型 压力容器的运用，相对应的用于这些设备 的大型板类件也迅速增加，从而对这些板 件的性能要求也逐渐严格，例如疏松、偏 析、非金属夹杂等。甚至还要求有良好的 铸造性能和焊接性能，这就对传统的普通 锭生产工艺提出了挑战。
定向凝固技术的理论基础是凝固和晶体生长理论， 20世纪的几项技术极大促进定向凝固技术的发展。
1
(1) 20世纪20-30年代Bridgeman-Stockbarger技术奠定了
现代单晶生长和定向凝固的理论基础。
Bridgeman-Stockbarger技术又称为坩埚下降法，是一 种常见的晶体生长方法，原理：通过加热是的坩埚中的 材料被熔融，当坩埚持续下降过程中，底部的温度先降 低熔点以下，开始结晶，晶体从而不断的长大而形成。 这种方法常用于制备碱金属和碱式金属化合物以及氟化 物单晶。
1.
能和单向力学性能。
Ø 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。
定向凝固技术
传统定向凝固技术
新型定向凝固技术
炉功快液 外率速态 法降凝金
低固属 法法冷
却 法
区激深电侧对重
域光过磁向流力
(3) 20世纪60年代末Jackon和Hunt发明的低熔体有机物
模拟定向方法开辟了凝固过程和微观组织演化实时 观察的新时代，从而推动了金属凝固理论的发展。
1 定向凝固技术概述
1.3 凝固和晶体生长理论
1 固液界面形 态的选择
成分过冷理论
பைடு நூலகம்
界面稳定性的 动力学理论
1 定向凝固技术概述
1.3 成分过冷理论
1 定向凝固技术概述
1.2 定向凝固技术的发展
定向凝固在研究领域主要研究金属凝固和晶体生长 的基本手段，从某种意义上讲，凝固和晶体生长的
1理论发展以及新材料的研发取决于当时定向凝固的
发展水平。 p 表层细晶区 p 柱状晶区 p 中心等轴晶区
图2 典型铸锭的晶区结构
1 定向凝固技术概述
1.3 定向凝固技术的理论基础
1.
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。
p 定向凝固（Directional Solidfication）实质在材料部
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。
1 定向凝固技术概述
1.5 定向凝固的原理
Ø 定向凝固利用晶体的生长方向与热流方向平行且相
u 正是在这个背景下，日本与法国在70年代
末期相继提出了小高径比、高冷却强度的 定向凝固锭技术。
1 定向凝固技术概述
1.2 定向凝固技术的发展
定向凝固在工业和高科技方面有重要的运用，在生 产领域中，磁性材料、航空航天材料、和地面燃油
1机涡轮叶片、复合材料、以及各种功能材料。
图1：最左边那个是原本金属晶体颗粒，中间那个是单方向晶 体，右边那个就是单晶叶片。
1反使的熔自 融然 合规 金律 沿， 着在 与铸 热型 流中 方建 向立 相特 反定的方方向向的、按温照度要梯求度
1.
的结晶取向进行凝固的铸造工艺。
图5 定向凝固原理图
1 定向凝固技术概述
1.5 定向凝固的原理
Ø 定向凝固技术是在高温合金的研制中建立和完善起
1来晶的界。 ，该 甚技 至术 消最 除初 所用 有来 晶消 界除 ，结 从晶 而过提程高中材生料成的的高横温向性
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。
不足之处
三 个 条 图4 界面振动是否稳定的正弦现象 件
凝固为稳定状态
固液界面扰动振 幅要很小
扰动振幅随时间 成线性变化
1 定向凝固技术概述
1.4 定向凝固的定义
p
1定程向中凝采固 用强（制Dir手ec段tio,n在al凝S固oli金dfi属ca和tio未n）凝是固指金在属凝熔固体过中