10.0定向凝固技术讲解
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▪ 坩埚下降法，从熔体中生长晶体的方法。 通常，坩埚在结晶炉中下降，通过温度梯 度较大的区域时，熔体在坩埚中自下而上 结晶为整块晶体。这个过程也可以用结晶 炉沿着坩埚上升，或者坩埚和结晶炉都不 动通过结晶炉缓慢降温来实现
▪ 晶体提拉法
▪ 这是一种直接从熔体中拉出单晶的 方法。熔体置柑塌中，籽晶固定于 可以旋转和升降的提拉杆上。降低 提拉杆，将籽晶插入熔体，调节温 度使籽晶生长。提升提拉杆，使晶 体一面生长，一面被慢慢地拉出来。 这是从熔体中生长晶体常用的方法。 用此法可以拉出多种晶体，如单晶 硅、白钨矿、钇铝榴石和均匀透明
▪ 在R固定时， ▪ 增加Gs可增强固相的散热强度 -----实际中用来获得较大的GL的重要途径 提高固液界面前沿熔体的温度
-----界面附近加辐射板
二、常用定向凝固方法
发热剂法
▪ 方法
功率降低法 快速凝固法 液态金属冷却法
（1）发热剂法
▪ 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。
（2）功率降低法：
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
（3）快速凝固法
（4）液态金属冷却法
1．浸入机构2 真空室3．坩埚4．炉管 5．挡板6，加热线圈7．冷却剂8．模壳
▪ 作为冷却剂的液态金属应满足以下要求 ： 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
▪ 形成柱状晶的基本条件： 热流方向定向 定向散热
（二）单晶生长
▪ 1、单晶体的特点 ▪ （1）晶体和熔体成分相同 ▪ （2）晶体和熔体成分不同 ▪ （3）有第二相或出现共晶相的晶体
▪ 2、单晶体的制备方法
坩埚移动
制备方法
正常凝固法
晶体提拉 炉体移动 水平区熔法
区熔法
悬浮区熔法
▪ (1)正常凝固法
第二节 定向凝固
一、定向凝固工艺参数
▪ 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GL和凝固速率 R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。
小结
▪ 定向凝固 ▪ 非重力凝固
▪ 6.4 ▪ 6.6 ▪ 6.7
作业
▪ 在微重力场下液态金属的特点 ① 液态金属由于重力引起的对流几乎消失
②液态金属中由于不同物质密度差引起的下沉、上 浮以及成分偏析现象几乎消失。
③掖体表面张力和润湿作用变得突出
④可进行无容器加工
⑤可在高真空条件下凝固．在距地球表面500km 的 太空轨道飞行器上，真空下，可排除金属材料中 的气体，制取高纯材料。
⑤ 可在液态急冷条件下凝固。
二、 微重力试验环境的获得
落塔 塔内有“舱体”，从塔顶自由下落时 舱内呈现失重状态，就像太空飞行器在 运行中出现失重一样。落塔中的舱体在 很短时间就落到地上，当今世界上落差 最大的落塔(利用废竖井建成，约800米) 也不过获取10秒失重时间。
中关村新景--110米高 “落塔”
▪ 目前，定向凝固技术的最主要应用是生产具有均匀柱 状晶和单晶组织的铸件，特别是在航空领域生产高温 合金的发动机叶片，与普通铸造方法获得的铸件相比， 该技术使叶片的高温强度、抗蠕变和持久性能、热疲 劳性能得到大幅度提高
（一）柱状晶的生长
▪ 采用定向凝固工艺，使晶体有控制的向着 与热流方向相反的方向生长，减少偏析、 疏松，形成取向平行于主应力轴的经历。
还有利用上抛、下落全过程取得失重时间的， 也是10秒。这短短数秒却是宝贵的，有些 太空实验过程可在塔内模拟重现。严格地 讲，整个过程中不可能完全失重，称作微 重力实验塔更准确。这种塔全球有数十座， 有高出地面的、也有地下的，还有地上、 地下结合的。
二、超重力凝固
▪ 超重力的获得： 离心机
▪ 结晶 ▪ 减少条纹缺陷
的红宝石等。
优点：
1）可观察晶体生长情况 2）晶体在自由表面处生长，减少晶体的应力，
防止寄生生核。
3）可以以较快的速度生长，晶体直径可控
（2）区熔法
水平区熔法 悬浮区熔法
悬浮区熔法是在20世纪50年代提出 并很快被应用到晶体制备技术中。 在悬浮区熔法中，使圆柱形硅棒固 定于垂直方向，用高频感应线圈在 氩气气氛中加热，使棒的底部和在 其下部靠近的同轴固定的单晶籽晶 间形成熔滴，这两个棒朝相反方向 旋转。然后将在多晶棒与籽晶间只 靠表面张力形成的熔区沿棒长逐步 向上移动，将其转换成单晶。
▪ 常用的液态金属
▪ Ga—In合金和Ga—In—Sn合金，以及sn液和Al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、前苏联等国用于航空发动机叶片的生 产。
三、定向凝固技术的应用
（三）定向凝固合金的力学行为
▪ 1、弹性各向异性 ▪ 2、塑性各向异性 ▪ 3、蠕变特性 ▪ 4、循环形变 ▪ 5、断裂
ห้องสมุดไป่ตู้
第三节 非重力凝固
失重条件（也称微重力条件）的凝固与重力 条件下完全不同，如无容器条件下的形核以 及由温度梯度（或密度梯度）引起的对流等， 使得不同成分的液体能够长时间共存，因此 可以减少沿凝固方向的成分偏析，还可以利 用微重力条件制备难混熔偏晶合金。
▪ 晶体提拉法
▪ 这是一种直接从熔体中拉出单晶的 方法。熔体置柑塌中，籽晶固定于 可以旋转和升降的提拉杆上。降低 提拉杆，将籽晶插入熔体，调节温 度使籽晶生长。提升提拉杆，使晶 体一面生长，一面被慢慢地拉出来。 这是从熔体中生长晶体常用的方法。 用此法可以拉出多种晶体，如单晶 硅、白钨矿、钇铝榴石和均匀透明
▪ 在R固定时， ▪ 增加Gs可增强固相的散热强度 -----实际中用来获得较大的GL的重要途径 提高固液界面前沿熔体的温度
-----界面附近加辐射板
二、常用定向凝固方法
发热剂法
▪ 方法
功率降低法 快速凝固法 液态金属冷却法
（1）发热剂法
▪ 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。
（2）功率降低法：
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
（3）快速凝固法
（4）液态金属冷却法
1．浸入机构2 真空室3．坩埚4．炉管 5．挡板6，加热线圈7．冷却剂8．模壳
▪ 作为冷却剂的液态金属应满足以下要求 ： 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
▪ 形成柱状晶的基本条件： 热流方向定向 定向散热
（二）单晶生长
▪ 1、单晶体的特点 ▪ （1）晶体和熔体成分相同 ▪ （2）晶体和熔体成分不同 ▪ （3）有第二相或出现共晶相的晶体
▪ 2、单晶体的制备方法
坩埚移动
制备方法
正常凝固法
晶体提拉 炉体移动 水平区熔法
区熔法
悬浮区熔法
▪ (1)正常凝固法
第二节 定向凝固
一、定向凝固工艺参数
▪ 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GL和凝固速率 R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。
小结
▪ 定向凝固 ▪ 非重力凝固
▪ 6.4 ▪ 6.6 ▪ 6.7
作业
▪ 在微重力场下液态金属的特点 ① 液态金属由于重力引起的对流几乎消失
②液态金属中由于不同物质密度差引起的下沉、上 浮以及成分偏析现象几乎消失。
③掖体表面张力和润湿作用变得突出
④可进行无容器加工
⑤可在高真空条件下凝固．在距地球表面500km 的 太空轨道飞行器上，真空下，可排除金属材料中 的气体，制取高纯材料。
⑤ 可在液态急冷条件下凝固。
二、 微重力试验环境的获得
落塔 塔内有“舱体”，从塔顶自由下落时 舱内呈现失重状态，就像太空飞行器在 运行中出现失重一样。落塔中的舱体在 很短时间就落到地上，当今世界上落差 最大的落塔(利用废竖井建成，约800米) 也不过获取10秒失重时间。
中关村新景--110米高 “落塔”
▪ 目前，定向凝固技术的最主要应用是生产具有均匀柱 状晶和单晶组织的铸件，特别是在航空领域生产高温 合金的发动机叶片，与普通铸造方法获得的铸件相比， 该技术使叶片的高温强度、抗蠕变和持久性能、热疲 劳性能得到大幅度提高
（一）柱状晶的生长
▪ 采用定向凝固工艺，使晶体有控制的向着 与热流方向相反的方向生长，减少偏析、 疏松，形成取向平行于主应力轴的经历。
还有利用上抛、下落全过程取得失重时间的， 也是10秒。这短短数秒却是宝贵的，有些 太空实验过程可在塔内模拟重现。严格地 讲，整个过程中不可能完全失重，称作微 重力实验塔更准确。这种塔全球有数十座， 有高出地面的、也有地下的，还有地上、 地下结合的。
二、超重力凝固
▪ 超重力的获得： 离心机
▪ 结晶 ▪ 减少条纹缺陷
的红宝石等。
优点：
1）可观察晶体生长情况 2）晶体在自由表面处生长，减少晶体的应力，
防止寄生生核。
3）可以以较快的速度生长，晶体直径可控
（2）区熔法
水平区熔法 悬浮区熔法
悬浮区熔法是在20世纪50年代提出 并很快被应用到晶体制备技术中。 在悬浮区熔法中，使圆柱形硅棒固 定于垂直方向，用高频感应线圈在 氩气气氛中加热，使棒的底部和在 其下部靠近的同轴固定的单晶籽晶 间形成熔滴，这两个棒朝相反方向 旋转。然后将在多晶棒与籽晶间只 靠表面张力形成的熔区沿棒长逐步 向上移动，将其转换成单晶。
▪ 常用的液态金属
▪ Ga—In合金和Ga—In—Sn合金，以及sn液和Al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、前苏联等国用于航空发动机叶片的生 产。
三、定向凝固技术的应用
（三）定向凝固合金的力学行为
▪ 1、弹性各向异性 ▪ 2、塑性各向异性 ▪ 3、蠕变特性 ▪ 4、循环形变 ▪ 5、断裂
ห้องสมุดไป่ตู้
第三节 非重力凝固
失重条件（也称微重力条件）的凝固与重力 条件下完全不同，如无容器条件下的形核以 及由温度梯度（或密度梯度）引起的对流等， 使得不同成分的液体能够长时间共存，因此 可以减少沿凝固方向的成分偏析，还可以利 用微重力条件制备难混熔偏晶合金。