定向凝固

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图5.3 PMN-0.30PT定向压电陶瓷的XRD图谱
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由 图 5.3 可 看 出 ， 晶 粒 生 长 方 向 主 要 为 [112], 其次为 [011] ，此外还有少量（ 001 ）、 （ 111 ）、（ 003 ）面的衍射。按照 Lotgering 计算方法，所得到陶瓷沿 [112] 方向的取向度 约为 35% 。他们认为定向凝固技术可望成为 之额比高性能PMN-PT定压压电陶瓷的有前景 的技术。
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定 向 凝 固
在凝固过程中采用强制手段，在
凝固金属和为凝固熔体中建立起
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。
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定向凝固技术的工艺参数
• 凝固过程中固液界面前沿液相中的温度梯度GL • 固液界面向前推进的速度R • GL/R值是控制晶体长大形态的重要判据。
凝固技术已成为富有生命力的工业生产手段，应用也 日益广泛。
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单晶在生长过程中绝对要避免固 — 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 冷或成分过冷。固液界面前沿的熔体应处于过热状态，
结晶过程的潜热只能通过生长着的晶体导出。定向凝固
满足上述热传输的要求，只要恰当的控制固 —液界面前 沿熔体的温度和速率，是可以得到高质量的单晶体的。
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最近又用定向凝固方法制备了择优方向为 [112] 的 PMN-0.30PT 高性能定向压电陶瓷，它的压电常 熟远大于PZT陶瓷，达到1500pC/N以上，耦合系数 Kt 为 0.51 ， k33 达 0.82 ， 22kV/cm 时的场致应变达到 了0.23%。片状样品的XRD结果如图5.3。
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成分过冷理论提供了判断液固界面稳定性的
第一个简明而适用的判据，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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2、绝对稳定性理论（自学）
MullniS和skeerka鉴于成分过冷理论存在
不足，提出一个考虑溶质浓度场和温度场、
固液界面能以及界面动力学的绝对稳定理论
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29ຫໍສະໝຸດ Baidu
(MS理论)。
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• 定向凝固的总原则：
• 金属熔体中的热量严格按单一方向导出，并垂
直于生长的固液界面，使金属或合金按柱状晶
或单晶的方式生长
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6.2.3 定向凝固技术的适用范围
应用定向凝固方法，得到单方向生长的柱状晶， 甚至单晶，不产生横向晶界，较大提高了材料的单向
力学性能，热强性能也有了进一步提高，因此，定向
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6.功能材料的制备
压电陶瓷和稀土超磁致伸缩材料在换能器、传感 器和电子器件等方便都有广泛的应用。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曾用定向凝固技术制备了择优方 向为[111]、晶粒为柱状的PMN-0.35PT定向陶瓷和 择优方向为[011]，[001]的定向陶瓷。
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在 MAR—M200 基础上研究成功的定向凝固高 温合金 PWA1422 不仅具有良好的中高温蠕变断裂 强度和塑性,而且具有比原合金高5倍的热疲劳性能， 在先进航空航天发动机上获得广泛的应用。
在激光超高温度梯度定向凝固条件下，超高温 梯度和较快凝固速度共同作用，使镍基高温合金高 度细化，同常规凝固相比，组织细化36倍，而且得 到了新颖的超细胞状晶组织，该组织是镍基合金的 定向凝固组织，组织的微观偏析大大得到改善，甚 至消除。
负的温度梯度下， 界面前方的液体强烈过冷， 晶体以树枝晶方式生长。
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在晶体生长过程中，当不存在成分过冷时，如果在
平直的固液界面上由于不稳定因素扰动产生凸起，也会 由于过热的环境将其熔化而继续保持平面界面。 而当界面前沿存在成分过冷时，界面前沿由于不稳定 因素而形成的凸起会因为处于过冷区而发展，平界面失
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3.高温合金制备
高温合金是现在航空燃气涡
高 温 合 金
轮 . 舰船燃气轮机、地面和火箭发 动机的重要金属材料，在先进大 航空发动机中，高温合金的用量 占 40%—60% ， 因 此 这 种 材 料 被
喻为燃气轮的心脏。
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采用定向凝固技术生产的高温合金基本上消除了 垂直于应力轴的横向晶界，并以其独特的平行于零件 主应力轴择优生长的柱晶组织以及有意的力学性能而 获得长足的发展。 MAR—M200 中温性能尤其是中温塑性很低，作 为涡轮叶片在工作中常发生无预兆的断裂。
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5.2.2 定向凝固理论
定向凝固技术实验的发展推动了凝固理论的 发展和深入。Charlmers、Tiller等人在研究中 发现在合金中液固界面前沿由于溶质富集将 会产生“成分过冷”导致平衡界面失稳而形 成胞晶核枝晶。首次提出了成分过冷理论。
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1、成分过冷理论
纯金属的凝固过程
正温度梯度下，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进， 即晶体以平面方式向前生长。
第五章 定向凝固技术
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材料制备与加工技术的发展对新材料的研发、
应用和产业化具有决定性作用。同时还可有效
的改进和提高传统材料的使用性能。对传统材
料的产业更新和改造具有重要作用。定向凝固
技术被广泛应用于获得具有特殊取向的组织和 优异性能的材料。
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5.1定向凝固的发展历史
稳，导致树枝晶的形成。
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在此基础上， Charlmers 、 Tiller 等人首次 提出了著名的“成分过冷”判据：
（ ） T0 G L mL C 0 k0 1 V k 0 DL DL
式中：GL为液固界面前沿液相温度梯度（K/mm）； V为界面生长速度（mm/s）；mL为液相线斜率；C0为合 金平均成分；k0为平衡溶质分配系数；DL为液相中溶质 扩散系数；ΔT0为平衡结晶温度间隔。
定向凝固过程的理论研究的出现是在 1953
年，那是 Charlmers 及其他的同事们在定向凝
固方法考察液 / 固界面形态演绎的基础上提出 了被人们称之为定量凝固科学的里程碑的成分 过冷理论。
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在20世纪60年代，定向凝固技术成功的应用于 航空发动机涡轮叶片的制备上，大幅度提高了叶片 的高温性能，使其寿命加长，从而有力地推动了航 空工业发展。 近 20 年来，不仅开发了许多先进的定向凝固技 术，同时对定向凝固理论也进行了丰富和发展，从 Charlmers 等的成分过冷理论到 Mullins 等的固 / 液界面稳定动力学理论（MS理论），人们对凝固 过程有了更深刻的认识，从而又能进一步指导凝固 技术的发展。
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8.多孔材料的制备
日本学者用定向凝固技术制 备了藕状多孔铜材料和硅材料， 在材料中孔都是长而直的。图 5.4 和图 5.5 分别是多孔铜材料 和硅材料的光学显微图。他们
多 孔 材 料
研究了制备的多孔材料气孔率、
气孔大小及分布与性能关系， 认为多孔材料在许多新的领域
有应用前景。
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图5.4多孔铜材料的光学图谱