液态金属在特殊条件下凝固及成形
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随着凝固界面的推移，结晶器的冷却效果 越来越小，温度梯度也逐渐减小，因而凝 固速率不断减缓。
快速凝固法，凝固速率实际上取决于铸型 或炉体的移动速率。通常将固—液界面稳
定在辐射板附近，使之达到一定的GL/R值，
保证晶体稳定生长。
2020/5/11
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利用这种方法，可使铸件在拉出初期，热 量主要靠传导传热，通过结晶器导出。
a）装置示意图 b）温度分布图
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一、定向凝固工艺
定向凝固技术的工艺参数主要有：固液界面前沿
液相中的温度梯度GL和固—液界面向前推进的速 度（即晶体生长速率）R。
GL/R值是控制晶体长大形态的重要判据。 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，提高生产率。
GL mC0 (1 k0 )
R
DL k0
2020/5/11
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定向凝固方法
（1）发热剂法 将型壳置于绝热耐火材料箱中，底部安放
水冷结晶器。 型壳中浇入金属液后，在型壳上部盖以发
热剂，使金属液处于高温，建立自下而上 的凝固条件。 由于无法调节凝固速率和温度梯度，因此 该法只能制备小的柱状晶铸件。
2020/5/11
3/48
一、超重力场的获得及产生原理
在实现超重力的手段中，应用最多的是离 心机。
该方法投资省、试验参数便于控制和测试。
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4/48
理论分析表明，“g”越大，两相接触过程的动力 因素即浮力因子（g）越大，流体相对滑动速
度也越大。 巨大的剪切应力克服了表面张力，可使液体伸展
反映在温度的波动上，层流温度起伏平缓，而紊 流温度波动剧烈。
温度的波动会造成生长界面的热扰动，从而带来 成分的波动。
随着重力水平的提高，熔体的流态由层流转化为 紊流，加速度达一定水平时，熔体又由紊流转化 为层流，即所谓重新层流化。
这是一种高速层流状态，极大地提高凝固界面的 热稳定性，为制备无偏析晶体创造了条件。
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重力wenku.baidu.com的凝固会产生生长条纹缺陷，这是一种微 观不均匀性。
生长条纹是重力驱动的对流造成的。
在超重力条件下，可消除这种生长条纹。
在超重力下，对流流动的增强也能稳定晶体生长 的固液界面。
增加离心加速度，增强对流传输，从而增大在生 长界面的温度梯度，达到稳定固液界面的作用。
17/48
（3）快速凝固法（H. R. S 法）
与功率降低法的主要区别是 铸型加热器始终加热，在凝 固时铸件与加热器之间产生 相对移动。
另外，在热区底部使用辐射 档板和水冷套。在档板附近
产生较大的温度梯度GL和GS。
与功率降低法相比，该法可 大大缩小凝固前沿两相区， 局部冷却速度增大，有利于 细化组织，提高机械性能。
目前，使用的金属浴有：锡液、镓铟合金、镓铟锡合金等。 嫁、铟价格过于昂贵，难以采用，锡液应用较多。但锡为 高温合金的有害元素，如操作不善使锡污染了合金，会严 重恶化合金性能。
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必要条件：
GL>0
GL mC0 (1 k0 )
R
DL k0
必须在固—液界面前沿建立必要的温度梯度； 温度梯度大小直接影响晶体生长速率和晶体质量。
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x
x
熔体 高温区
X
隔热板 X
晶体 低温区
0 a)
0 T0 Tm Tn T b)
坩埚下降单向凝固法生长装置和温度分布
第九章 液态金属在特殊 条件下的凝固及成形 （2）
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主要内容
第三节 超重力凝固 第四节 定向（单向）凝固
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第三节 超重力凝固
只要物体的加速度与重力加速度的比值超 过 1，就可以认为该物体处于超重力状态。
达到超重力条件时，能改变固液界面前沿 的对流，并且可以获得组织均匀、性能良 好的晶体。
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（2）功率降低法 （P.D
法）
铸型加热感应圈分两段， 铸件在凝固过程中不移动。
当型壳被预热到一定过热 度时，向型壳内浇入过热 合金液，切断下部电源， 上部继续加热。
GL随着凝固距离的增大而 不断减小。GL和R都不能
人为地控制。
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采用功率降低法时，定向凝固的铸件在凝 固时所释放的热量，只靠水冷结晶器导出；
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前苏联科学院空间研究院研究认为：超重力引起 的对流对大量形核有利，也使生长方向更有序。
重力降低，使枝间金属液的对流强度减小，结果 使浓度梯度增大，造成在低重力阶段较大的枝晶 间距。
相反，在超重力阶段浓度梯度小，粗化的驱动力 也变小，枝晶粗化速率减慢。
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由于浮力的大小与重力系数成正比，形核功与重 力系数成反比，因此超重力处理金属液，可以提 高金属的洁净度。
以铝熔体为例，经400g超重力处理并凝固，大粒 径不溶性夹杂物Al2O3显著减少，可溶性杂质元素 Fe，Si向晶界富集。
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第四节 定向（单向）凝固
定向凝固又称定向结晶，是使金属或合金 由熔体中定向生长晶体的一种工艺方法。
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（4）液态金属冷却法 该法工艺过程与快速凝固法基本相同。
当合金液浇入型壳后，按选择的速度将型壳拉出炉体，浸 入金属浴，金属浴的水平面保持在凝固的固—液界面近处， 并使其保持在一定温度范围内。
液态金属冷却剂应满足以下要求：
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。
出巨大的相际接触界面，从而极大地强化了传质 过程，这一结论导致了超重力的诞生。
显然，由于（g）的大幅度提高，不仅质量传
递，而且动量、热量传递以及与传递相关的过程 也都会得到强化。 超重力技术被认为是强化传递的一项突破性技术。
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二、超重力下熔体的结晶
在超重力状态下，熔体中浮力对流强度得到加强， 液流状态随对流强度发生变化。
随着铸件不断拉出，铸件向周围辐射传热
逐渐增加。显然，采用快速凝固法时，GL
受到铸件拉出速度、热辐射条件和铸件径 向尺寸的影响。
在稳定态生长条件下，铸件拉出的临界速 率主要受到铸件辐射传热的特性的影响，
在小于临界拉出速率时，凝固速率R与拉出
速率v基本一致，固—液界面稳定在辐射挡 板附近。
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快速凝固法，凝固速率实际上取决于铸型 或炉体的移动速率。通常将固—液界面稳
定在辐射板附近，使之达到一定的GL/R值，
保证晶体稳定生长。
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利用这种方法，可使铸件在拉出初期，热 量主要靠传导传热，通过结晶器导出。
a）装置示意图 b）温度分布图
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一、定向凝固工艺
定向凝固技术的工艺参数主要有：固液界面前沿
液相中的温度梯度GL和固—液界面向前推进的速 度（即晶体生长速率）R。
GL/R值是控制晶体长大形态的重要判据。 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，提高生产率。
GL mC0 (1 k0 )
R
DL k0
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定向凝固方法
（1）发热剂法 将型壳置于绝热耐火材料箱中，底部安放
水冷结晶器。 型壳中浇入金属液后，在型壳上部盖以发
热剂，使金属液处于高温，建立自下而上 的凝固条件。 由于无法调节凝固速率和温度梯度，因此 该法只能制备小的柱状晶铸件。
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一、超重力场的获得及产生原理
在实现超重力的手段中，应用最多的是离 心机。
该方法投资省、试验参数便于控制和测试。
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理论分析表明，“g”越大，两相接触过程的动力 因素即浮力因子（g）越大，流体相对滑动速
度也越大。 巨大的剪切应力克服了表面张力，可使液体伸展
反映在温度的波动上，层流温度起伏平缓，而紊 流温度波动剧烈。
温度的波动会造成生长界面的热扰动，从而带来 成分的波动。
随着重力水平的提高，熔体的流态由层流转化为 紊流，加速度达一定水平时，熔体又由紊流转化 为层流，即所谓重新层流化。
这是一种高速层流状态，极大地提高凝固界面的 热稳定性，为制备无偏析晶体创造了条件。
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重力wenku.baidu.com的凝固会产生生长条纹缺陷，这是一种微 观不均匀性。
生长条纹是重力驱动的对流造成的。
在超重力条件下，可消除这种生长条纹。
在超重力下，对流流动的增强也能稳定晶体生长 的固液界面。
增加离心加速度，增强对流传输，从而增大在生 长界面的温度梯度，达到稳定固液界面的作用。
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（3）快速凝固法（H. R. S 法）
与功率降低法的主要区别是 铸型加热器始终加热，在凝 固时铸件与加热器之间产生 相对移动。
另外，在热区底部使用辐射 档板和水冷套。在档板附近
产生较大的温度梯度GL和GS。
与功率降低法相比，该法可 大大缩小凝固前沿两相区， 局部冷却速度增大，有利于 细化组织，提高机械性能。
目前，使用的金属浴有：锡液、镓铟合金、镓铟锡合金等。 嫁、铟价格过于昂贵，难以采用，锡液应用较多。但锡为 高温合金的有害元素，如操作不善使锡污染了合金，会严 重恶化合金性能。
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必要条件：
GL>0
GL mC0 (1 k0 )
R
DL k0
必须在固—液界面前沿建立必要的温度梯度； 温度梯度大小直接影响晶体生长速率和晶体质量。
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熔体 高温区
X
隔热板 X
晶体 低温区
0 a)
0 T0 Tm Tn T b)
坩埚下降单向凝固法生长装置和温度分布
第九章 液态金属在特殊 条件下的凝固及成形 （2）
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主要内容
第三节 超重力凝固 第四节 定向（单向）凝固
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第三节 超重力凝固
只要物体的加速度与重力加速度的比值超 过 1，就可以认为该物体处于超重力状态。
达到超重力条件时，能改变固液界面前沿 的对流，并且可以获得组织均匀、性能良 好的晶体。
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（2）功率降低法 （P.D
法）
铸型加热感应圈分两段， 铸件在凝固过程中不移动。
当型壳被预热到一定过热 度时，向型壳内浇入过热 合金液，切断下部电源， 上部继续加热。
GL随着凝固距离的增大而 不断减小。GL和R都不能
人为地控制。
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采用功率降低法时，定向凝固的铸件在凝 固时所释放的热量，只靠水冷结晶器导出；
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前苏联科学院空间研究院研究认为：超重力引起 的对流对大量形核有利，也使生长方向更有序。
重力降低，使枝间金属液的对流强度减小，结果 使浓度梯度增大，造成在低重力阶段较大的枝晶 间距。
相反，在超重力阶段浓度梯度小，粗化的驱动力 也变小，枝晶粗化速率减慢。
2020/5/11
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由于浮力的大小与重力系数成正比，形核功与重 力系数成反比，因此超重力处理金属液，可以提 高金属的洁净度。
以铝熔体为例，经400g超重力处理并凝固，大粒 径不溶性夹杂物Al2O3显著减少，可溶性杂质元素 Fe，Si向晶界富集。
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第四节 定向（单向）凝固
定向凝固又称定向结晶，是使金属或合金 由熔体中定向生长晶体的一种工艺方法。
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（4）液态金属冷却法 该法工艺过程与快速凝固法基本相同。
当合金液浇入型壳后，按选择的速度将型壳拉出炉体，浸 入金属浴，金属浴的水平面保持在凝固的固—液界面近处， 并使其保持在一定温度范围内。
液态金属冷却剂应满足以下要求：
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。
出巨大的相际接触界面，从而极大地强化了传质 过程，这一结论导致了超重力的诞生。
显然，由于（g）的大幅度提高，不仅质量传
递，而且动量、热量传递以及与传递相关的过程 也都会得到强化。 超重力技术被认为是强化传递的一项突破性技术。
2020/5/11
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二、超重力下熔体的结晶
在超重力状态下，熔体中浮力对流强度得到加强， 液流状态随对流强度发生变化。
随着铸件不断拉出，铸件向周围辐射传热
逐渐增加。显然，采用快速凝固法时，GL
受到铸件拉出速度、热辐射条件和铸件径 向尺寸的影响。
在稳定态生长条件下，铸件拉出的临界速 率主要受到铸件辐射传热的特性的影响，
在小于临界拉出速率时，凝固速率R与拉出
速率v基本一致，固—液界面稳定在辐射挡 板附近。
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