第七章特殊条件下的凝固与成形
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关键是创造单向散热的冷却条件。
第七章
3
特殊条件下的凝固与成形
定向凝固装置
第七章
4
特殊条件下的凝固与成形
涡轮叶片的微观与宏观组织
等轴多晶体
定向凝固柱状晶 单晶
第七章
5
特殊条件下的凝固与成形
定向凝固基本原理
• 定向凝固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， 获得具有特定取向柱状晶的技术。
第七章
特殊条件下的凝固与成形
材料工程学院 杨晓莉
第七章：特殊条件下的凝固与
1
成形
主要内容
6.1 定向凝固 6.2 快速凝固（非晶态凝固） 6.3 失重条件下的凝固
第七章
2
特殊条件下的凝固与成形
6.1定向凝固
定向凝固：铸件按一定方向由一端开始，逐步向另一 端结晶。
柱状晶组织纯净、致密，当排列方向与受力方向 一 致时，其强度、抗蠕变和抗热疲劳特性明显提高。
第七章
6
特殊条件下的凝固与成形
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
法定
技技
固
向
术术
技
凝
术
第七固章
7
特殊条件下的凝固与成形
• 定向凝固技术是在高温合金的研制中建立和完 善起来的。该技术最初用来消除结晶过程中生 成的横向晶界，甚至消除所有晶界，从而提高 材料的高温性能和单向力学性能。
• 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。
2、基本原理：根据结晶理论，制备单晶的基本要求是液 体结晶时只存在一个晶核，要严格防止另外形核。为此， 材料必须高度纯净以限制形核；结晶速度必须非常缓慢 以保证定向生长。 3、制备方法：尖端形核法和垂直提拉法。
9
制备单晶体有两种方法
1）尖端形核法 模子尖端首先移出炉外缓慢冷却，于尖端处产
生一个晶核。随着模子向右缓慢移动，晶核向左 定向生长成单晶体。
定向凝固典型应用——单晶制备
由一个晶核长大而成的一大块晶体叫单晶体。
1、意义：由于完全消除了晶界，单晶体在高
温力学、抗热疲劳、抗热腐蚀以及服役温度等方
面都具有更为优异的性能，因而获得了广泛的应
用。
单晶是电子元件和激光元件的重要原料。金属
单晶也开始应用于某些特殊场合如喷气发动机叶
片等。
第七章
8
特殊条件下的凝固与成形
坩埚及金属 加热线圈
急冷条带
旋转辊
熔体旋转法
第七章
16
特殊条件下的凝固与成形
通常生产几十微米 厚的薄带
图 双辊法快速凝固技术的基本原理
1一带材2－合金液流3－加热炉 4一坩埚5一漏出孔6－双辊
第七章
17
特殊条件下的凝固与成形
通常生产几十微米 厚的薄带
图 单辊法复合层快速凝固过程原理图
1－单辊 2－合金液1 3一坩埚1 4－坩埚2 5－合金液2 6－感应加热线圈 7一复合层带材
液态金属
雾化法的装置
第七章
14
特殊条件下的凝固与成形
图 气体雾化设备工作原理图
1一 细粉 2一 气体 3一 气源 4－ 合金液 5一真空感应加热器
6一 喷嘴 7 — 雾化室 8一 收集室 9一 粉末
15
2、快速凝固方法
②熔体旋转法 使液流保持一个
很小的截面，并与高 效冷却（散热）器接 触，如熔体旋转法或 薄截面连续铸造法。
晶体内容易产生 应力或寄生形核， 很少用于制备质量 要求高的单晶。
第三章 凝固热力学与动力学
10
2）垂直提拉法
将籽晶接触熔体表面，在籽晶与熔体间形成固 液界面，由于籽晶的定向传热作用，液相原子将 在固液界面上凝固，随着籽晶的提拉上升，单晶 体便在籽晶下部生长出来。
晶体内部应力小，并 可避免在坩埚壁上寄生 形核，可制得高质量的 单晶。
第七章
18
特殊条件下的凝固与成形
2、快速凝固方法
③表面熔化法 使材料的一个薄层
快速熔化并与无限大散 热器紧密接触，散热器 通常是同一种材料或相 关的材料，如电子或激 光束表面脉冲/移动熔 化。
表面熔化法示意图
第七章
19
特殊条件下的凝固与成形
图 几种激光表面熔化处理方法的工作原理图
a）表面硬化 b）表面熔凝 c）表面合金化 d）表面粘附 20
④深过冷法
深过冷法是另一类快速凝固方法，其核心是： 消除合金液中的异质形核核心。 熔融玻璃净化法
通过熔融玻璃对合金液的净化作用，消除合金 液中的异质形核核心。 悬浮熔炼法（电磁悬浮、静电悬浮、声悬浮）
通过无容器熔炼消除合金熔体与容器接触对形 核的促进作用。
第七章
21
特殊条件下的凝固与成形
3、快速凝固显微组织
T1 ＜ T2
凝固在很大的过冷度和很高的冷 却速率下进行，凝固组织中会出现 非平衡相 。
可以把温度梯度G和生长速率R 联系起来，用GR空间表示显微组 织的变化和枝晶间距（偏析间距） 的变化：
GR dT dx dT T dx dt dt
对铸件和铸锭，通常
GR=10-3~101K/s，但对雾化法，
GR=102~106K/s。相应地，偏析间
距λ从1000μm减小到0.01μm。
第七章
22
特殊条件下的凝固与成形
Zn-1.8％(Ag的摩尔分数)合金在不同冷却速率下的显微组织 (a、b、c、d生长速率分别为12mm/s、3.54mm/s、2.06mm/s、0.48mm/s)
第七章
23
特殊条件下的凝固与成形
第七章
12
特殊条件下的凝固与成形
快速凝固 的目的
形成
超细组织 过饱和固溶体 亚稳相或新的结晶相 微晶、纳米晶或金属玻璃
获得优异的 强度、塑性、 耐磨性、耐腐蚀性 等。
第七章
13
特殊条件下的凝固与成形
2、快速凝固方法
①雾化法 把金属或合金熔体
分散成小液滴（也称之 为雾化技术、乳化技术 气体 或喷射成形技术），以 使这些小液滴在凝固前 达到很大的过冷度。
第三章 源自文库固热力学与动力学
11
6.2快速凝固
1、快速凝固简介 快速凝固是指采用急冷技术或深过冷技术获得 很高的凝固前沿推进速率的凝固过程。
界面推进速率大于10 mm/s 冷却速率达到105～1010 K/s
固-液界面的移动速率赶上或超过原子间扩散 速率时，晶体将来不及转移成分，界面固、液相 成分不再平衡。
第七章
3
特殊条件下的凝固与成形
定向凝固装置
第七章
4
特殊条件下的凝固与成形
涡轮叶片的微观与宏观组织
等轴多晶体
定向凝固柱状晶 单晶
第七章
5
特殊条件下的凝固与成形
定向凝固基本原理
• 定向凝固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， 获得具有特定取向柱状晶的技术。
第七章
特殊条件下的凝固与成形
材料工程学院 杨晓莉
第七章：特殊条件下的凝固与
1
成形
主要内容
6.1 定向凝固 6.2 快速凝固（非晶态凝固） 6.3 失重条件下的凝固
第七章
2
特殊条件下的凝固与成形
6.1定向凝固
定向凝固：铸件按一定方向由一端开始，逐步向另一 端结晶。
柱状晶组织纯净、致密，当排列方向与受力方向 一 致时，其强度、抗蠕变和抗热疲劳特性明显提高。
第七章
6
特殊条件下的凝固与成形
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
法定
技技
固
向
术术
技
凝
术
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特殊条件下的凝固与成形
• 定向凝固技术是在高温合金的研制中建立和完 善起来的。该技术最初用来消除结晶过程中生 成的横向晶界，甚至消除所有晶界，从而提高 材料的高温性能和单向力学性能。
• 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。
2、基本原理：根据结晶理论，制备单晶的基本要求是液 体结晶时只存在一个晶核，要严格防止另外形核。为此， 材料必须高度纯净以限制形核；结晶速度必须非常缓慢 以保证定向生长。 3、制备方法：尖端形核法和垂直提拉法。
9
制备单晶体有两种方法
1）尖端形核法 模子尖端首先移出炉外缓慢冷却，于尖端处产
生一个晶核。随着模子向右缓慢移动，晶核向左 定向生长成单晶体。
定向凝固典型应用——单晶制备
由一个晶核长大而成的一大块晶体叫单晶体。
1、意义：由于完全消除了晶界，单晶体在高
温力学、抗热疲劳、抗热腐蚀以及服役温度等方
面都具有更为优异的性能，因而获得了广泛的应
用。
单晶是电子元件和激光元件的重要原料。金属
单晶也开始应用于某些特殊场合如喷气发动机叶
片等。
第七章
8
特殊条件下的凝固与成形
坩埚及金属 加热线圈
急冷条带
旋转辊
熔体旋转法
第七章
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特殊条件下的凝固与成形
通常生产几十微米 厚的薄带
图 双辊法快速凝固技术的基本原理
1一带材2－合金液流3－加热炉 4一坩埚5一漏出孔6－双辊
第七章
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特殊条件下的凝固与成形
通常生产几十微米 厚的薄带
图 单辊法复合层快速凝固过程原理图
1－单辊 2－合金液1 3一坩埚1 4－坩埚2 5－合金液2 6－感应加热线圈 7一复合层带材
液态金属
雾化法的装置
第七章
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特殊条件下的凝固与成形
图 气体雾化设备工作原理图
1一 细粉 2一 气体 3一 气源 4－ 合金液 5一真空感应加热器
6一 喷嘴 7 — 雾化室 8一 收集室 9一 粉末
15
2、快速凝固方法
②熔体旋转法 使液流保持一个
很小的截面，并与高 效冷却（散热）器接 触，如熔体旋转法或 薄截面连续铸造法。
晶体内容易产生 应力或寄生形核， 很少用于制备质量 要求高的单晶。
第三章 凝固热力学与动力学
10
2）垂直提拉法
将籽晶接触熔体表面，在籽晶与熔体间形成固 液界面，由于籽晶的定向传热作用，液相原子将 在固液界面上凝固，随着籽晶的提拉上升，单晶 体便在籽晶下部生长出来。
晶体内部应力小，并 可避免在坩埚壁上寄生 形核，可制得高质量的 单晶。
第七章
18
特殊条件下的凝固与成形
2、快速凝固方法
③表面熔化法 使材料的一个薄层
快速熔化并与无限大散 热器紧密接触，散热器 通常是同一种材料或相 关的材料，如电子或激 光束表面脉冲/移动熔 化。
表面熔化法示意图
第七章
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特殊条件下的凝固与成形
图 几种激光表面熔化处理方法的工作原理图
a）表面硬化 b）表面熔凝 c）表面合金化 d）表面粘附 20
④深过冷法
深过冷法是另一类快速凝固方法，其核心是： 消除合金液中的异质形核核心。 熔融玻璃净化法
通过熔融玻璃对合金液的净化作用，消除合金 液中的异质形核核心。 悬浮熔炼法（电磁悬浮、静电悬浮、声悬浮）
通过无容器熔炼消除合金熔体与容器接触对形 核的促进作用。
第七章
21
特殊条件下的凝固与成形
3、快速凝固显微组织
T1 ＜ T2
凝固在很大的过冷度和很高的冷 却速率下进行，凝固组织中会出现 非平衡相 。
可以把温度梯度G和生长速率R 联系起来，用GR空间表示显微组 织的变化和枝晶间距（偏析间距） 的变化：
GR dT dx dT T dx dt dt
对铸件和铸锭，通常
GR=10-3~101K/s，但对雾化法，
GR=102~106K/s。相应地，偏析间
距λ从1000μm减小到0.01μm。
第七章
22
特殊条件下的凝固与成形
Zn-1.8％(Ag的摩尔分数)合金在不同冷却速率下的显微组织 (a、b、c、d生长速率分别为12mm/s、3.54mm/s、2.06mm/s、0.48mm/s)
第七章
23
特殊条件下的凝固与成形
第七章
12
特殊条件下的凝固与成形
快速凝固 的目的
形成
超细组织 过饱和固溶体 亚稳相或新的结晶相 微晶、纳米晶或金属玻璃
获得优异的 强度、塑性、 耐磨性、耐腐蚀性 等。
第七章
13
特殊条件下的凝固与成形
2、快速凝固方法
①雾化法 把金属或合金熔体
分散成小液滴（也称之 为雾化技术、乳化技术 气体 或喷射成形技术），以 使这些小液滴在凝固前 达到很大的过冷度。
第三章 源自文库固热力学与动力学
11
6.2快速凝固
1、快速凝固简介 快速凝固是指采用急冷技术或深过冷技术获得 很高的凝固前沿推进速率的凝固过程。
界面推进速率大于10 mm/s 冷却速率达到105～1010 K/s
固-液界面的移动速率赶上或超过原子间扩散 速率时，晶体将来不及转移成分，界面固、液相 成分不再平衡。