材料合成與制備-定向凝固

1、定向凝固技術(shù)定向凝固技術(shù)站站長長素材素材 SC.CHINAZ.COM2 材料制備與加工材料制備與加工技術(shù)的發(fā)展對新材料的研技術(shù)的發(fā)展對新材料的研發(fā)、應(yīng)用和產(chǎn)業(yè)化具有決定性作用。同時(shí)還可發(fā)、應(yīng)用和產(chǎn)業(yè)化具有決定性作用。同時(shí)還可有效的改進(jìn)和提高傳統(tǒng)材料的使用性能。對傳有效的改進(jìn)和提高傳統(tǒng)材料的使用性能。對傳統(tǒng)材料的產(chǎn)業(yè)更新和改造具有重要作用。定向統(tǒng)材料的產(chǎn)業(yè)更新和改造具有重要作用。定向凝固技術(shù)被廣泛應(yīng)用于獲得具有凝固技術(shù)被廣泛應(yīng)用于獲得具有特殊取向的組特殊取向的組織和優(yōu)異性能織和優(yōu)異性能的材料。的材料。 3定向凝固的發(fā)展歷史定向凝固的發(fā)展歷史定向凝固基本原理定向凝固基本原理定向凝固工藝定向凝固工藝

2、應(yīng)用實(shí)例應(yīng)用實(shí)例45.1定向凝固的發(fā)展歷史定向凝固的發(fā)展歷史 定向凝固過程的理論研究的出現(xiàn)是在定向凝固過程的理論研究的出現(xiàn)是在1953年，那是年，那是Charlmers及其他的同事們在定向凝及其他的同事們在定向凝固方法考察液固方法考察液/固界面形態(tài)演繹的基礎(chǔ)上提出固界面形態(tài)演繹的基礎(chǔ)上提出了被人們稱之為定量凝固科學(xué)的里程碑的成分了被人們稱之為定量凝固科學(xué)的里程碑的成分過冷理論。過冷理論。 5 在在2020世紀(jì)世紀(jì)6060年代，定向凝固技術(shù)成功的應(yīng)用年代，定向凝固技術(shù)成功的應(yīng)用于航空發(fā)動(dòng)機(jī)渦輪葉片的制備上，大幅度提高了于航空發(fā)動(dòng)機(jī)渦輪葉片的制備上，大幅度提高了葉片的高溫性能，使其壽命加長，從而有

3、力地推葉片的高溫性能，使其壽命加長，從而有力地推動(dòng)了航空工業(yè)發(fā)展。動(dòng)了航空工業(yè)發(fā)展。 近近2020年來，不僅開發(fā)了許多先進(jìn)的定向凝固年來，不僅開發(fā)了許多先進(jìn)的定向凝固技術(shù)，同時(shí)對定向凝固理論也進(jìn)行了豐富和發(fā)展，技術(shù)，同時(shí)對定向凝固理論也進(jìn)行了豐富和發(fā)展，從從CharlmersCharlmers等的等的成分過冷理論成分過冷理論到到MullinsMullins等的等的固固/ /液界面穩(wěn)定動(dòng)力學(xué)理論（液界面穩(wěn)定動(dòng)力學(xué)理論（MSMS理論），理論），人們對凝固人們對凝固過程有了更深刻的認(rèn)識，從而又能進(jìn)一步指導(dǎo)凝過程有了更深刻的認(rèn)識，從而又能進(jìn)一步指導(dǎo)凝固技術(shù)的發(fā)展。固技術(shù)的發(fā)展。6 隨著其他專業(yè)新理論的

4、出現(xiàn)和日趨成熟及隨著其他專業(yè)新理論的出現(xiàn)和日趨成熟及實(shí)驗(yàn)技術(shù)的不斷改進(jìn)，新的凝固技術(shù)也將被不實(shí)驗(yàn)技術(shù)的不斷改進(jìn)，新的凝固技術(shù)也將被不斷創(chuàng)造出來。定向凝固技術(shù)必將成為新材料的斷創(chuàng)造出來。定向凝固技術(shù)必將成為新材料的制備和新加工技術(shù)的開發(fā)提供廣闊前景，也必制備和新加工技術(shù)的開發(fā)提供廣闊前景，也必將使凝固理論得到完善和發(fā)展。將使凝固理論得到完善和發(fā)展。75.2 定向凝固基本原理定向凝固基本原理p定向凝固技術(shù) 的基本定義p定向凝固理論p定向凝固技術(shù)的適用范圍8在凝固過程中采用強(qiáng)制手段，在在凝固過程中采用強(qiáng)制手段，在凝固金屬和凝固熔體中建立起特凝固金屬和凝固熔體中建立起特定方向的溫度梯度，從而使熔體定方

5、向的溫度梯度，從而使熔體沿著與熱流相反的方向凝固，獲沿著與熱流相反的方向凝固，獲得具有特定取向柱狀晶的技術(shù)。得具有特定取向柱狀晶的技術(shù)。 定定向向凝凝固固9定向凝固技術(shù)的工藝參數(shù)定向凝固技術(shù)的工藝參數(shù)凝固過程中固液界面前沿液相中的溫度梯度凝固過程中固液界面前沿液相中的溫度梯度GL 固液界面向前推進(jìn)的速度固液界面向前推進(jìn)的速度R GL/R值是控制晶體長大形態(tài)的重要判據(jù)。值是控制晶體長大形態(tài)的重要判據(jù)。105.2.2 定向凝固理論定向凝固理論 定向凝固技術(shù)實(shí)驗(yàn)的發(fā)展推動(dòng)了凝固理論的定向凝固技術(shù)實(shí)驗(yàn)的發(fā)展推動(dòng)了凝固理論的發(fā)展和深入。發(fā)展和深入。Charlmers、Tiller等人在研究等人在研究中發(fā)

6、現(xiàn)在合金中液固界面前沿由于溶質(zhì)富集中發(fā)現(xiàn)在合金中液固界面前沿由于溶質(zhì)富集將會產(chǎn)生將會產(chǎn)生“成分過冷成分過冷”導(dǎo)致平衡界面失穩(wěn)而導(dǎo)致平衡界面失穩(wěn)而形成胞晶和枝晶。首次提出了形成胞晶和枝晶。首次提出了成分過冷理論成分過冷理論。11純金屬的凝固過程純金屬的凝固過程正溫度梯度下正溫度梯度下，固液界面前，固液界面前沿液體幾乎沒有過冷，固液沿液體幾乎沒有過冷，固液界面以平面方式向前推進(jìn)，界面以平面方式向前推進(jìn)，即晶體以平面方式向前生長。即晶體以平面方式向前生長。負(fù)的溫度梯度下負(fù)的溫度梯度下，界面前方的液體強(qiáng)烈過冷，界面前方的液體強(qiáng)烈過冷，晶體以樹枝晶方式生長。晶體以樹枝晶方式生長。1 1、成分過冷理論、成

7、分過冷理論12 成分過冷理論能成功的判定低速生長條件下無成分過冷理論能成功的判定低速生長條件下無偏析特征的平面凝固，避免胞晶或枝晶的生長。偏析特征的平面凝固，避免胞晶或枝晶的生長。 20世紀(jì)世紀(jì)50年代年代Charlmers、Tiller等人首次提出單等人首次提出單晶晶二元合金成分二元合金成分理論。理論。 13固液界面液相區(qū)內(nèi)形成成分過冷條件固液界面液相區(qū)內(nèi)形成成分過冷條件 一是由于溶質(zhì)在固相和液相中的固溶度不同，即溶一是由于溶質(zhì)在固相和液相中的固溶度不同，即溶質(zhì)原子在液相中固溶度大，在固相中固溶度小，當(dāng)單向質(zhì)原子在液相中固溶度大，在固相中固溶度小，當(dāng)單向合金冷卻凝固時(shí)，溶質(zhì)原子被排擠到液相中

8、去，在固液合金冷卻凝固時(shí)，溶質(zhì)原子被排擠到液相中去，在固液界面液相一側(cè)堆積著溶質(zhì)原子，形成溶質(zhì)原子的富集層。界面液相一側(cè)堆積著溶質(zhì)原子，形成溶質(zhì)原子的富集層。隨著離開固液界面距離增大，溶質(zhì)質(zhì)量分?jǐn)?shù)逐漸降低。隨著離開固液界面距離增大，溶質(zhì)質(zhì)量分?jǐn)?shù)逐漸降低。 二是在凝固過程中，由于外界冷卻作用，在固液界二是在凝固過程中，由于外界冷卻作用，在固液界面固相一側(cè)不同位置上的實(shí)際溫度不同，外界冷卻能力面固相一側(cè)不同位置上的實(shí)際溫度不同，外界冷卻能力強(qiáng)，實(shí)際溫度低；相反實(shí)際溫度高。如果在固液界面液強(qiáng)，實(shí)際溫度低；相反實(shí)際溫度高。如果在固液界面液相一側(cè)，溶液中的實(shí)際溫度低于平衡時(shí)液相線溫度，出相一側(cè)，溶液中的

9、實(shí)際溫度低于平衡時(shí)液相線溫度，出現(xiàn)過冷現(xiàn)象?，F(xiàn)過冷現(xiàn)象。 14 在此基礎(chǔ)上，在此基礎(chǔ)上，Charlmers、Tiller等人首次等人首次提出了著名的提出了著名的“成分過冷成分過冷”判據(jù)判據(jù)：L000L0Lm Ck1GVk DLTD（） 式中：式中：GL為液固界面前沿液相溫度梯度（為液固界面前沿液相溫度梯度（K/mm）；）；V為界面生長速度（為界面生長速度（mm/s）；）；mL為液相線斜率；為液相線斜率；C0為合金為合金平均成分；平均成分；k0為平衡溶質(zhì)分配系數(shù)；為平衡溶質(zhì)分配系數(shù)；DL為液相中溶質(zhì)擴(kuò)散為液相中溶質(zhì)擴(kuò)散系數(shù)；系數(shù)；T0為平衡結(jié)晶溫度。為平衡結(jié)晶溫度。15據(jù)此，可以得到平衡界面生長

10、的臨界速度。據(jù)此，可以得到平衡界面生長的臨界速度。0VcsTLLG D式中，式中，T0=mLC0(k0-1)k0，T0是合金平衡結(jié)晶溫度間隔。是合金平衡結(jié)晶溫度間隔。16 在晶體生長過程中，當(dāng)不存在成分過冷時(shí)，如果在晶體生長過程中，當(dāng)不存在成分過冷時(shí)，如果在平直的固液界面上由于不穩(wěn)定因素?cái)_動(dòng)產(chǎn)生凸起，也在平直的固液界面上由于不穩(wěn)定因素?cái)_動(dòng)產(chǎn)生凸起，也會由于過熱的環(huán)境將其熔化而繼續(xù)保持平面界面。會由于過熱的環(huán)境將其熔化而繼續(xù)保持平面界面。 而當(dāng)界面前沿存在成分過冷時(shí)，界面前沿由于不穩(wěn)而當(dāng)界面前沿存在成分過冷時(shí)，界面前沿由于不穩(wěn)定因素而形成的凸起會因?yàn)樘幱谶^冷區(qū)而發(fā)展，平界面定因素而形成的凸起會因

11、為處于過冷區(qū)而發(fā)展，平界面失穩(wěn)，導(dǎo)致樹枝晶的形成。失穩(wěn)，導(dǎo)致樹枝晶的形成。17 成分過冷理論提供了判斷成分過冷理論提供了判斷液固界面穩(wěn)定性液固界面穩(wěn)定性的的第一個(gè)簡明而適用的判據(jù)，對平衡界面穩(wěn)定性，第一個(gè)簡明而適用的判據(jù)，對平衡界面穩(wěn)定性，甚至胞晶和枝晶形態(tài)穩(wěn)定性都能夠很好地做出定甚至胞晶和枝晶形態(tài)穩(wěn)定性都能夠很好地做出定性地解釋。性地解釋。 18但是這一判據(jù)本身還有一些矛盾，如：但是這一判據(jù)本身還有一些矛盾，如： 成分過冷理論把平衡熱力學(xué)應(yīng)用到非平衡動(dòng)力學(xué)成分過冷理論把平衡熱力學(xué)應(yīng)用到非平衡動(dòng)力學(xué)過程中，必然帶有很大的近似性過程中，必然帶有很大的近似性; ; 隨著快速凝固新領(lǐng)域的出現(xiàn)，上述理

12、論已不能適用隨著快速凝固新領(lǐng)域的出現(xiàn)，上述理論已不能適用。 在固液界面上引入局部的曲率變化要增加系統(tǒng)的在固液界面上引入局部的曲率變化要增加系統(tǒng)的自由能，這一點(diǎn)在成分過冷理論中被忽略了；自由能，這一點(diǎn)在成分過冷理論中被忽略了； 成分過冷理論沒有說明界面形態(tài)的改變機(jī)制。成分過冷理論沒有說明界面形態(tài)的改變機(jī)制。196.2.3 定向凝固技術(shù)的適用范圍定向凝固技術(shù)的適用范圍 應(yīng)用定向凝固方法，得到單方向生長的柱狀晶，應(yīng)用定向凝固方法，得到單方向生長的柱狀晶，甚至甚至單晶單晶，不產(chǎn)生橫向晶界，較大提高了材料的單，不產(chǎn)生橫向晶界，較大提高了材料的單向力學(xué)性能，熱強(qiáng)性能也有了進(jìn)一步提高，因此，向力學(xué)性能，熱強(qiáng)

13、性能也有了進(jìn)一步提高，因此，定向凝固技術(shù)已成為富有生命力的工業(yè)生產(chǎn)手段，定向凝固技術(shù)已成為富有生命力的工業(yè)生產(chǎn)手段，應(yīng)用也日益廣泛。應(yīng)用也日益廣泛。 201.單晶生長單晶生長 晶體生長的研究內(nèi)容之一是制備晶體生長的研究內(nèi)容之一是制備成分準(zhǔn)確成分準(zhǔn)確，盡，盡可能可能無雜質(zhì)無雜質(zhì)，無缺陷無缺陷（包括晶體缺陷）的單晶體。（包括晶體缺陷）的單晶體。晶體是人們認(rèn)識固體的基礎(chǔ)。定向凝固是制備單晶晶體是人們認(rèn)識固體的基礎(chǔ)。定向凝固是制備單晶最有效的方法。為了得到高質(zhì)量的單晶體，首先要最有效的方法。為了得到高質(zhì)量的單晶體，首先要在金屬熔體中形成一個(gè)單晶核：可引入粒晶或自發(fā)在金屬熔體中形成一個(gè)單晶核：可引入粒晶

14、或自發(fā)形核，進(jìn)而在晶核和熔體界面不斷生長出單晶體。形核，進(jìn)而在晶核和熔體界面不斷生長出單晶體。 21 單晶在生長過程中絕對要避免固單晶在生長過程中絕對要避免固液界面不穩(wěn)定而液界面不穩(wěn)定而生出晶胞或柱晶。故而固生出晶胞或柱晶。故而固液界面前沿不允許有溫度過液界面前沿不允許有溫度過冷或成分過冷。固液界面前沿的熔體應(yīng)處于過熱狀態(tài)，冷或成分過冷。固液界面前沿的熔體應(yīng)處于過熱狀態(tài)，結(jié)晶過程的潛熱只能通過生長著的晶體導(dǎo)出。定向凝固結(jié)晶過程的潛熱只能通過生長著的晶體導(dǎo)出。定向凝固滿足上述熱傳輸?shù)囊?，只要恰?dāng)?shù)目刂乒虧M足上述熱傳輸?shù)囊?，只要恰?dāng)?shù)目刂乒桃航缑媲耙航缑媲把厝垠w的溫度和速率，是可以得到高質(zhì)量的

15、單晶體的。沿熔體的溫度和速率，是可以得到高質(zhì)量的單晶體的。222.柱狀晶生長柱狀晶生長 柱狀晶包括柱狀晶包括柱狀樹枝晶柱狀樹枝晶和和胞狀柱晶胞狀柱晶。通常采用。通常采用定向凝固工藝，使晶體有控制的向著與熱流方向相定向凝固工藝，使晶體有控制的向著與熱流方向相反的方向生長。共晶體取向?yàn)樘囟ㄎ幌颍⑶掖蟛糠吹姆较蛏L。共晶體取向?yàn)樘囟ㄎ幌?，并且大部分柱晶貫穿整個(gè)鑄件。這種柱晶組織大量用于高溫分柱晶貫穿整個(gè)鑄件。這種柱晶組織大量用于高溫合金和磁性合金的鑄件上。合金和磁性合金的鑄件上。 23 定向凝固柱狀晶鑄件與用普通方法得到的鑄件定向凝固柱狀晶鑄件與用普通方法得到的鑄件相比，前者可以減少偏析、疏松等，

16、而且形成了取相比，前者可以減少偏析、疏松等，而且形成了取向平行于主應(yīng)力軸的晶粒，基本上向平行于主應(yīng)力軸的晶粒，基本上消除了垂直應(yīng)力消除了垂直應(yīng)力軸的橫向晶界軸的橫向晶界，使航空發(fā)動(dòng)機(jī)葉片的力學(xué)性能有了，使航空發(fā)動(dòng)機(jī)葉片的力學(xué)性能有了新的飛躍。新的飛躍。 另外，對面心立方晶體的磁性材料，如鐵等，另外，對面心立方晶體的磁性材料，如鐵等，當(dāng)鑄態(tài)柱晶當(dāng)鑄態(tài)柱晶沿晶向取向沿晶向取向時(shí)，因與磁化方向一致，而時(shí)，因與磁化方向一致，而大大改善其磁性大大改善其磁性。 2425獲得定向凝固柱狀晶的基本條件是獲得定向凝固柱狀晶的基本條件是： 合金凝固時(shí)熱流方向必須是合金凝固時(shí)熱流方向必須是定向定向的。在固的。在固液

17、界液界面應(yīng)有足夠高的面應(yīng)有足夠高的溫度梯度溫度梯度，避免在凝固界面的前沿出，避免在凝固界面的前沿出現(xiàn)成分過冷或外來核心，使徑向橫向生長受到限制。現(xiàn)成分過冷或外來核心，使徑向橫向生長受到限制。另外，還應(yīng)該保證另外，還應(yīng)該保證定向散熱定向散熱，絕對避免側(cè)面型壁生核，絕對避免側(cè)面型壁生核長大，長出橫向新晶體。長大，長出橫向新晶體。 因此，要盡量抑制液態(tài)合金的因此，要盡量抑制液態(tài)合金的形核能力形核能力。提高。提高液態(tài)金屬的純潔度，減少氧化、吸氣形成的雜質(zhì)的液態(tài)金屬的純潔度，減少氧化、吸氣形成的雜質(zhì)的污染是用來抑制形核能力的有效措施。但是，對于污染是用來抑制形核能力的有效措施。但是，對于某些合金系，常規(guī)

18、化學(xué)組成中含有很多雜質(zhì)，以致某些合金系，常規(guī)化學(xué)組成中含有很多雜質(zhì)，以致即使采用很高的即使采用很高的GL/RGL/R比值，都不足以使液體合金的比值，都不足以使液體合金的形核得到抑制。形核得到抑制。 26 除了凈化合金液外，還可采用除了凈化合金液外，還可采用添加適當(dāng)?shù)暮辖鹪靥砑舆m當(dāng)?shù)暮辖鹪鼗蚧蛱砑游锾砑游?，使形核劑失效。晶體長大的速度與晶向有關(guān)。，使形核劑失效。晶體長大的速度與晶向有關(guān)。在具有一定拉出速度的鑄型中形成的溫度梯度場內(nèi)，取在具有一定拉出速度的鑄型中形成的溫度梯度場內(nèi)，取向晶體競相生長，在生長過程中抑制了大部分晶體的生向晶體競相生長，在生長過程中抑制了大部分晶體的生長，保留了與熱流

19、方向大體平行的單一取向的柱晶繼續(xù)長，保留了與熱流方向大體平行的單一取向的柱晶繼續(xù)生長，有的直至鑄件頂部。生長，有的直至鑄件頂部。 在柱狀晶生長過程中，只有在在柱狀晶生長過程中，只有在高的高的GL/RGL/R比值條件下比值條件下，柱晶的實(shí)際生長方向和柱晶的理論生長方向才越接近，柱晶的實(shí)際生長方向和柱晶的理論生長方向才越接近，否則，晶體生長會偏離軸向排列方向。否則，晶體生長會偏離軸向排列方向。27 采用采用高速凝固法定向凝固高速凝固法定向凝固可以保證柱晶的取向分可以保證柱晶的取向分散度較小。柱晶材料使用于特定的受力條件，當(dāng)主應(yīng)散度較小。柱晶材料使用于特定的受力條件，當(dāng)主應(yīng)力方向與柱晶生長方向一致時(shí)

20、，才能最大限度的顯示力方向與柱晶生長方向一致時(shí)，才能最大限度的顯示柱晶力學(xué)性能上的優(yōu)越性。衡量柱晶組織的標(biāo)志，除柱晶力學(xué)性能上的優(yōu)越性。衡量柱晶組織的標(biāo)志，除了了取向分散度取向分散度外，還有外，還有枝晶臂間距枝晶臂間距和和晶粒的大小晶粒的大小。 隨著晶粒和枝晶臂間距變小，力學(xué)性能提高。隨著晶粒和枝晶臂間距變小，力學(xué)性能提高。GL/R值值決定著合金凝固時(shí)組織的形貌，決定著合金凝固時(shí)組織的形貌，GL/R值又影響值又影響著各組成的尺寸大小。由于在很大程度上受到設(shè)備條著各組成的尺寸大小。由于在很大程度上受到設(shè)備條件的限制，因此，件的限制，因此，凝固速度凝固速度R就成為控制柱晶組織的主就成為控制柱晶組織

21、的主要參數(shù)。要參數(shù)。283.高溫合金制備高溫合金制備 高溫合金是現(xiàn)在航空燃?xì)鉁u高溫合金是現(xiàn)在航空燃?xì)鉁u輪、艦船燃?xì)廨啓C(jī)、地面和火箭輪、艦船燃?xì)廨啓C(jī)、地面和火箭發(fā)動(dòng)機(jī)的重要金屬材料，在先進(jìn)發(fā)動(dòng)機(jī)的重要金屬材料，在先進(jìn)大航空發(fā)動(dòng)機(jī)中，高溫合金的用大航空發(fā)動(dòng)機(jī)中，高溫合金的用量占量占40%60%，因此這種材料，因此這種材料被喻為燃?xì)廨喌男呐K。被喻為燃?xì)廨喌男呐K。 高溫合金高溫合金29 采用定向凝固技術(shù)生產(chǎn)的高溫合金基本上采用定向凝固技術(shù)生產(chǎn)的高溫合金基本上消除消除了垂直于應(yīng)力軸的橫向晶界了垂直于應(yīng)力軸的橫向晶界，并以其獨(dú)特的平行于，并以其獨(dú)特的平行于零件主應(yīng)力軸擇優(yōu)生長的柱晶組織以及優(yōu)異的力學(xué)零件主

22、應(yīng)力軸擇優(yōu)生長的柱晶組織以及優(yōu)異的力學(xué)性能而獲得長足的發(fā)展。性能而獲得長足的發(fā)展。 MAR MARM200M200中溫性能尤其是中溫塑性很低，作為中溫性能尤其是中溫塑性很低，作為渦輪葉片在工作中常發(fā)生無預(yù)兆的斷裂。渦輪葉片在工作中常發(fā)生無預(yù)兆的斷裂。30 在在MARM200基礎(chǔ)上研究成功的基礎(chǔ)上研究成功的定向凝固定向凝固高溫合金高溫合金PWA1422不僅具有良好的中高溫蠕變斷不僅具有良好的中高溫蠕變斷裂強(qiáng)度和塑性裂強(qiáng)度和塑性,而且具有比原合金高而且具有比原合金高5倍的熱疲勞性倍的熱疲勞性能，在先進(jìn)航空航天發(fā)動(dòng)機(jī)上獲得廣泛的應(yīng)用。能，在先進(jìn)航空航天發(fā)動(dòng)機(jī)上獲得廣泛的應(yīng)用。 在激光超高溫度梯度定向

23、凝固條件下，超高在激光超高溫度梯度定向凝固條件下，超高溫梯度和較快凝固速度共同作用，使鎳基高溫合溫梯度和較快凝固速度共同作用，使鎳基高溫合金高度細(xì)化，同常規(guī)凝固相比，組織細(xì)化金高度細(xì)化，同常規(guī)凝固相比，組織細(xì)化36倍，倍，而且得到了新穎的而且得到了新穎的超細(xì)胞狀晶組織超細(xì)胞狀晶組織，該組織是鎳，該組織是鎳基合金的定向凝固組織，組織的微觀偏析大大得基合金的定向凝固組織，組織的微觀偏析大大得到改善，甚至消除到改善，甚至消除。31 在定向凝固的合金基礎(chǔ)上發(fā)展出的完全消除晶在定向凝固的合金基礎(chǔ)上發(fā)展出的完全消除晶界和晶界元素的單晶高溫合金，熱強(qiáng)性能有了進(jìn)一界和晶界元素的單晶高溫合金，熱強(qiáng)性能有了進(jìn)一步

24、的提高。采用高梯度定向凝固技術(shù)，在較高的冷步的提高。采用高梯度定向凝固技術(shù)，在較高的冷卻速率下，可以得到具有卻速率下，可以得到具有超細(xì)枝晶組織超細(xì)枝晶組織的單晶高溫的單晶高溫合金材料。合金材料。 定向凝固技術(shù)促進(jìn)了航空等領(lǐng)域的發(fā)展，目前定向凝固技術(shù)促進(jìn)了航空等領(lǐng)域的發(fā)展，目前幾乎所有現(xiàn)金航空發(fā)動(dòng)機(jī)都采用單晶葉片為特色，幾乎所有現(xiàn)金航空發(fā)動(dòng)機(jī)都采用單晶葉片為特色，第三代的單晶合金制造的渦輪葉片，工作溫度可達(dá)第三代的單晶合金制造的渦輪葉片，工作溫度可達(dá)1240。324.磁性材料的制備磁性材料的制備磁性材料是古老而年輕的功能材磁性材料是古老而年輕的功能材料，指具有可利用的磁學(xué)性質(zhì)的料，指具有可利用的

25、磁學(xué)性質(zhì)的材料。材料。深過冷快速凝固深過冷快速凝固是目前國是目前國內(nèi)外制備塊體納米磁性材料的研內(nèi)外制備塊體納米磁性材料的研究熱點(diǎn)，采用該工藝可先制備出究熱點(diǎn)，采用該工藝可先制備出大塊磁性非晶，再將其進(jìn)行退火大塊磁性非晶，再將其進(jìn)行退火熱處理而獲得納米磁性材料，也熱處理而獲得納米磁性材料，也可直接將整塊金屬進(jìn)行晶粒細(xì)化可直接將整塊金屬進(jìn)行晶粒細(xì)化至納米級獲得納米磁性材料至納米級獲得納米磁性材料。 磁性材料磁性材料33 深過冷快速凝固方法所制備塊體納米材料的厚度深過冷快速凝固方法所制備塊體納米材料的厚度及平均晶粒尺寸在很大程度上是由合金成分以及液態(tài)及平均晶粒尺寸在很大程度上是由合金成分以及液態(tài)金屬

26、獲得的過冷度決定的。金屬獲得的過冷度決定的。 張振忠等采用深過冷水淬方法直接制備出了試樣張振忠等采用深過冷水淬方法直接制備出了試樣直徑為直徑為16mm16mm、平均晶粒尺寸小于、平均晶粒尺寸小于120nm120nm的的FeFe7676B B1212SiSi1212合合金塊體納米軟磁材料，其磁耗損金塊體納米軟磁材料，其磁耗損PFFPFF400400和和PFFPFF10001000僅為普僅為普通硅鋼片的通硅鋼片的45.3%45.3%和和69%69%。 345.高溫超導(dǎo)體材料的制備高溫超導(dǎo)體材料的制備 YBCO高溫超導(dǎo)體由于高溫超導(dǎo)體由于具有高溫臨界電流密度和低具有高溫臨界電流密度和低的導(dǎo)熱率，是做

27、電線的潛在的導(dǎo)熱率，是做電線的潛在材料。如果要在材料。如果要在SMES等方等方面有廣泛的應(yīng)用，為了減少面有廣泛的應(yīng)用，為了減少熱泄露，并且在磁場中具有熱泄露，并且在磁場中具有高臨界電流密度，那么就必高臨界電流密度，那么就必須需要大尺寸的電線。須需要大尺寸的電線。 高溫超導(dǎo)體材料高溫超導(dǎo)體材料35 有學(xué)者研究了在不同體積分?jǐn)?shù)時(shí)的有學(xué)者研究了在不同體積分?jǐn)?shù)時(shí)的jc-B特性特性和沿和沿長度方向長度方向Y211相晶粒組織相晶粒組織，他們發(fā)現(xiàn)在，他們發(fā)現(xiàn)在YBCO超導(dǎo)超導(dǎo)棒條體的中間段棒條體的中間段jc-B特性最優(yōu)，并用此部位的棒條體特性最優(yōu)，并用此部位的棒條體做成電線，在做成電線，在ab面平行于所在磁

28、場方向處，當(dāng)溫度面平行于所在磁場方向處，當(dāng)溫度為為77K，磁場強(qiáng)度為，磁場強(qiáng)度為3T時(shí)，其臨界電流為時(shí)，其臨界電流為380A。 366.功能材料的制備功能材料的制備 壓電陶瓷和稀土超磁致伸縮材料在換能器、傳壓電陶瓷和稀土超磁致伸縮材料在換能器、傳感器和電子器件等方便都有廣泛的應(yīng)用。定向凝固感器和電子器件等方便都有廣泛的應(yīng)用。定向凝固技術(shù)在制備這兩種功能材料中也得到了應(yīng)用。技術(shù)在制備這兩種功能材料中也得到了應(yīng)用。 中國科學(xué)院上海硅酸鹽研究所高性能陶瓷和超中國科學(xué)院上海硅酸鹽研究所高性能陶瓷和超微結(jié)構(gòu)國家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室曾用微結(jié)構(gòu)國家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室曾用定向凝固技術(shù)定向凝固技術(shù)制備了擇制備了擇優(yōu)方向?yàn)閮?yōu)方向?yàn)?/p>

29、111111、晶粒為柱狀的、晶粒為柱狀的PMN-0.35PTPMN-0.35PT定向陶瓷定向陶瓷和擇優(yōu)方向?yàn)楹蛽駜?yōu)方向?yàn)?11011，001001的定向陶瓷。的定向陶瓷。37 最近又用定向凝固方法制備了擇優(yōu)方向?yàn)樽罱钟枚ㄏ蚰谭椒ㄖ苽淞藫駜?yōu)方向?yàn)?12的的PMN-0.30PT高性能定向壓電陶瓷，它的壓電常高性能定向壓電陶瓷，它的壓電常熟遠(yuǎn)大于熟遠(yuǎn)大于PZT陶瓷，達(dá)到陶瓷，達(dá)到1500pC/N以上，耦合系數(shù)以上，耦合系數(shù)Kt為為0.51，k33達(dá)達(dá)0.82，22kV/cm時(shí)的場致應(yīng)變達(dá)到時(shí)的場致應(yīng)變達(dá)到了了0.23%。片狀樣品的。片狀樣品的XRD結(jié)果如圖。結(jié)果如圖。 38圖圖5.3 PMN-0

30、.30PT定向壓電陶瓷的定向壓電陶瓷的XRD圖譜圖譜 39 由圖可看出，晶粒生長方向主要為由圖可看出，晶粒生長方向主要為112,其次為其次為011，此外還有少量（，此外還有少量（001）、）、（111）、（）、（003）面的衍射。按照）面的衍射。按照Lotgering計(jì)算方法，所得到陶瓷沿計(jì)算方法，所得到陶瓷沿112方向的取向度方向的取向度約為約為35%。他們認(rèn)為定向凝固技術(shù)可望成為。他們認(rèn)為定向凝固技術(shù)可望成為之額比高性能之額比高性能PMN-PT定壓壓電陶瓷的有前定壓壓電陶瓷的有前景的技術(shù)。景的技術(shù)。407.復(fù)合材料的制備復(fù)合材料的制備 定向凝固技術(shù)也是一種制備復(fù)合材料的重要手段。定向凝固技

31、術(shù)也是一種制備復(fù)合材料的重要手段。西北工業(yè)大學(xué)在自制的具有高真空、高溫度梯度、寬抽西北工業(yè)大學(xué)在自制的具有高真空、高溫度梯度、寬抽拉速度等特點(diǎn)的定向凝固設(shè)備上制備出自生拉速度等特點(diǎn)的定向凝固設(shè)備上制備出自生Cu-CrCu-Cr復(fù)合復(fù)合材料棒；研究發(fā)現(xiàn)：材料棒；研究發(fā)現(xiàn)：Cu-CrCu-Cr自生復(fù)合材料的定向凝固組自生復(fù)合材料的定向凝固組織是由織是由基體相和分布于基體相和分布于相間的纖維狀共晶復(fù)合組成。相間的纖維狀共晶復(fù)合組成。 隨著凝固速度的增加，各組織生長定向性變好且徑隨著凝固速度的增加，各組織生長定向性變好且徑向尺寸均得到細(xì)化。致密、均勻、規(guī)整排列的組織減少向尺寸均得到細(xì)化。致密、均勻、規(guī)

32、整排列的組織減少了橫向晶界、微觀組織中了橫向晶界、微觀組織中基體相起導(dǎo)電作用，纖維狀基體相起導(dǎo)電作用，纖維狀共晶體起增強(qiáng)作用。共晶體起增強(qiáng)作用。Cu-CrCu-Cr自生復(fù)合材料的強(qiáng)度、塑性、自生復(fù)合材料的強(qiáng)度、塑性、導(dǎo)電性均高于凝固試樣，復(fù)合材料綜合性能得到提高。導(dǎo)電性均高于凝固試樣，復(fù)合材料綜合性能得到提高。41 美國美國NASA Glenn研究中心用研究中心用移動(dòng)區(qū)域激光加移動(dòng)區(qū)域激光加熱方法熱方法研究了定向凝固研究了定向凝固Al2O3/ZrO2 (Y2O3)復(fù)合材料復(fù)合材料的效果，結(jié)果表明：的效果，結(jié)果表明：Al2O3/ZrO2(Y2O3)復(fù)合材料具復(fù)合材料具有低的界面能，并且增強(qiáng)相與基

33、體能形成強(qiáng)而穩(wěn)有低的界面能，并且增強(qiáng)相與基體能形成強(qiáng)而穩(wěn)定的結(jié)合。定的結(jié)合。 428.多孔材料的制備多孔材料的制備 日本學(xué)者用定向凝固技術(shù)日本學(xué)者用定向凝固技術(shù)制備了藕狀多孔銅材料和硅材制備了藕狀多孔銅材料和硅材料，在材料中孔都是長而直的。料，在材料中孔都是長而直的。他們研究了制備的多孔材料氣他們研究了制備的多孔材料氣孔率、氣孔大小及分布與性能孔率、氣孔大小及分布與性能關(guān)系，認(rèn)為多孔材料在許多新關(guān)系，認(rèn)為多孔材料在許多新的領(lǐng)域有應(yīng)用前景。的領(lǐng)域有應(yīng)用前景。多孔材料多孔材料439.單晶連鑄坯的制備單晶連鑄坯的制備 OCC技術(shù)主要要應(yīng)用在單晶材料、技術(shù)主要要應(yīng)用在單晶材料、復(fù)雜截面薄壁型材及其他工

34、藝難以加復(fù)雜截面薄壁型材及其他工藝難以加工的合金連鑄型材。工的合金連鑄型材。OCC技術(shù)制備的技術(shù)制備的金屬單晶材料表面異常光潔，又沒有金屬單晶材料表面異常光潔，又沒有晶界和各種鑄造缺陷，具有優(yōu)異的變晶界和各種鑄造缺陷，具有優(yōu)異的變形加工性能，可拉制成極細(xì)的絲和壓形加工性能，可拉制成極細(xì)的絲和壓延成極薄的箔。延成極薄的箔。 單晶連鑄坯單晶連鑄坯44 西北工業(yè)大學(xué)在西北工業(yè)大學(xué)在OCC的技的技術(shù)基礎(chǔ)上將定向凝固、高梯度術(shù)基礎(chǔ)上將定向凝固、高梯度與連續(xù)鑄造結(jié)合起來制備出準(zhǔn)與連續(xù)鑄造結(jié)合起來制備出準(zhǔn)無限長的銅單晶，為高頻、超無限長的銅單晶，為高頻、超高頻信號的高清晰、高保真?zhèn)鞲哳l信號的高清晰、高保真?zhèn)?/p>

35、輸提供了關(guān)鍵技術(shù)。圖是連鑄輸提供了關(guān)鍵技術(shù)。圖是連鑄單晶的樣件。與多晶相比，其單晶的樣件。與多晶相比，其塑性大幅度提高，電阻率降低塑性大幅度提高，電阻率降低38%。而且他們用純度。而且他們用純度99.9%銅銅鎖獲的單晶的相對導(dǎo)電率優(yōu)于鎖獲的單晶的相對導(dǎo)電率優(yōu)于日本用純度日本用純度99.9999%的性能。的性能。圖銅單晶樣品圖銅單晶樣品 45 從定向凝固技術(shù)的發(fā)展過程可以看出，隨著其它專從定向凝固技術(shù)的發(fā)展過程可以看出，隨著其它專業(yè)新理論的出現(xiàn)和日趨成熟，實(shí)驗(yàn)技術(shù)的改進(jìn)和人們的業(yè)新理論的出現(xiàn)和日趨成熟，實(shí)驗(yàn)技術(shù)的改進(jìn)和人們的不斷努力通過尋找新的熱源或加熱方式、借鑒快速凝固不斷努力通過尋找新的熱源

36、或加熱方式、借鑒快速凝固的技術(shù)以及使用外加作用力等都有可能創(chuàng)造出新的定向的技術(shù)以及使用外加作用力等都有可能創(chuàng)造出新的定向凝固技術(shù)。同時(shí)，定向凝固技術(shù)必將為新材料的制備和凝固技術(shù)。同時(shí)，定向凝固技術(shù)必將為新材料的制備和新加工技術(shù)的發(fā)展提供廣闊的前景，也必將使凝固理論新加工技術(shù)的發(fā)展提供廣闊的前景，也必將使凝固理論得到完善和發(fā)展。得到完善和發(fā)展。466.3 定向凝固工藝定向凝固工藝定向凝固理論定向凝固理論定向凝固過程的生產(chǎn)設(shè)備定向凝固過程的生產(chǎn)設(shè)備定向凝固過程的參數(shù)定向凝固過程的參數(shù)定向凝固織構(gòu)中的晶體學(xué)條件定向凝固織構(gòu)中的晶體學(xué)條件相變中的織構(gòu)演變相變中的織構(gòu)演變476.3.1 定向凝固理論定向

37、凝固理論 定向凝固方法制備材料時(shí)，定向凝固方法制備材料時(shí)，各種熱流能夠被各種熱流能夠被及時(shí)的導(dǎo)出及時(shí)的導(dǎo)出是定向凝固過程得以實(shí)現(xiàn)的關(guān)鍵，也是定向凝固過程得以實(shí)現(xiàn)的關(guān)鍵，也是凝固過程成敗的關(guān)鍵。伴隨著是凝固過程成敗的關(guān)鍵。伴隨著熱流控制熱流控制（不同（不同的加熱、冷卻方式）技術(shù)的發(fā)展。定向凝固經(jīng)歷的加熱、冷卻方式）技術(shù)的發(fā)展。定向凝固經(jīng)歷了由傳統(tǒng)定向凝固向新型定向凝固技術(shù)的轉(zhuǎn)變。了由傳統(tǒng)定向凝固向新型定向凝固技術(shù)的轉(zhuǎn)變。481. 傳統(tǒng)定向凝固技術(shù)傳統(tǒng)定向凝固技術(shù)傳統(tǒng)傳統(tǒng)定向定向凝固凝固技術(shù)技術(shù)發(fā)熱劑法發(fā)熱劑法功率功率降低法降低法高速高速凝固法凝固法液態(tài)液態(tài)金屬金屬冷卻法冷卻法流態(tài)床流態(tài)床冷卻法冷

38、卻法49（1）發(fā)熱劑法）發(fā)熱劑法 發(fā)熱劑法是定向凝固技術(shù)發(fā)展的起始階段，是最發(fā)熱劑法是定向凝固技術(shù)發(fā)展的起始階段，是最原始的一種。是將鑄型預(yù)熱到一定溫度后迅速放到激原始的一種。是將鑄型預(yù)熱到一定溫度后迅速放到激冷板上并立即進(jìn)行澆注，冒口上方覆蓋發(fā)熱劑，激冷冷板上并立即進(jìn)行澆注，冒口上方覆蓋發(fā)熱劑，激冷板下方噴水冷卻，從而在金屬液和已凝固金屬中建立板下方噴水冷卻，從而在金屬液和已凝固金屬中建立起一個(gè)自下而上的溫度梯度，實(shí)現(xiàn)定向凝固。起一個(gè)自下而上的溫度梯度，實(shí)現(xiàn)定向凝固。 也有采用發(fā)熱鑄型的，鑄型不預(yù)熱，而是將發(fā)熱也有采用發(fā)熱鑄型的，鑄型不預(yù)熱，而是將發(fā)熱材料填充在鑄型壁四周，底部采用噴水冷卻。

39、材料填充在鑄型壁四周，底部采用噴水冷卻。 這種方法由于所能獲得的溫度梯度不大，并且很這種方法由于所能獲得的溫度梯度不大，并且很難控制，致使凝固組織粗大，鑄件性能差，因此該法難控制，致使凝固組織粗大，鑄件性能差，因此該法不適于大型、優(yōu)質(zhì)鑄件的生產(chǎn)。但其工藝簡單、成本不適于大型、優(yōu)質(zhì)鑄件的生產(chǎn)。但其工藝簡單、成本低，可用于制造小批量零件。低，可用于制造小批量零件。 50（2）功率降低法（）功率降低法（PD法）法） 在這種工藝過程中，鑄型加熱感應(yīng)圈分兩段，鑄件在這種工藝過程中，鑄型加熱感應(yīng)圈分兩段，鑄件在凝固過程中不移動(dòng)，其底部采用水冷激冷板。當(dāng)模殼在凝固過程中不移動(dòng)，其底部采用水冷激冷板。當(dāng)模殼內(nèi)

40、建立起所要求的溫度場時(shí)，鑄入過熱的合金液，切斷內(nèi)建立起所要求的溫度場時(shí)，鑄入過熱的合金液，切斷下部電源，上部繼續(xù)加熱，通過調(diào)節(jié)上部感應(yīng)圈的功率，下部電源，上部繼續(xù)加熱，通過調(diào)節(jié)上部感應(yīng)圈的功率，使之產(chǎn)生一個(gè)軸向的溫度梯度，以此控制晶體生長。使之產(chǎn)生一個(gè)軸向的溫度梯度，以此控制晶體生長。 該工藝可以根據(jù)預(yù)定的冷卻曲線來控制凝固速率，該工藝可以根據(jù)預(yù)定的冷卻曲線來控制凝固速率，可以獲得較大的冷卻速率。但是在凝固過程中溫度梯可以獲得較大的冷卻速率。但是在凝固過程中溫度梯度是逐漸減小的，致使所能允許獲得的柱狀晶區(qū)較短，度是逐漸減小的，致使所能允許獲得的柱狀晶區(qū)較短，且組織也不夠理想。加之設(shè)備相對復(fù)雜，

41、且能耗大，且組織也不夠理想。加之設(shè)備相對復(fù)雜，且能耗大，限制了該法的應(yīng)用。限制了該法的應(yīng)用。 51（3）快速凝固法（）快速凝固法（HRS） 快速凝固法是對功率降低法的進(jìn)一步改進(jìn)，是在借快速凝固法是對功率降低法的進(jìn)一步改進(jìn)，是在借鑒鑒Brindgman晶體生長技術(shù)特點(diǎn)的基礎(chǔ)上發(fā)展起來的。晶體生長技術(shù)特點(diǎn)的基礎(chǔ)上發(fā)展起來的。它與功率降低法的主要區(qū)別是：鑄型加熱器始終被加它與功率降低法的主要區(qū)別是：鑄型加熱器始終被加熱，凝固時(shí)鑄件與加熱器相對移動(dòng)。熱，凝固時(shí)鑄件與加熱器相對移動(dòng)。 另外，在熱區(qū)底部使用輻射擋板和水冷套，從而在另外，在熱區(qū)底部使用輻射擋板和水冷套，從而在擋板附近產(chǎn)生較大的溫度梯度。擋板

42、附近產(chǎn)生較大的溫度梯度。 其主要其主要特點(diǎn)特點(diǎn)是：鑄型以一定速度從爐中移出，或者是：鑄型以一定速度從爐中移出，或者爐子以一定速度移離鑄件，并采用空冷方式。爐子以一定速度移離鑄件，并采用空冷方式。 52（4）液態(tài)金屬冷卻法（）液態(tài)金屬冷卻法（LMC法）法） 為了獲得更高的溫度梯度和生長速度，在為了獲得更高的溫度梯度和生長速度，在HRSHRS法的基法的基礎(chǔ)上，發(fā)展了礎(chǔ)上，發(fā)展了液態(tài)金屬冷卻法液態(tài)金屬冷卻法。當(dāng)合金液澆入鑄型后，。當(dāng)合金液澆入鑄型后，按選擇的速度將鑄件拉出爐體浸入金屬浴。液態(tài)金屬冷按選擇的速度將鑄件拉出爐體浸入金屬浴。液態(tài)金屬冷卻劑要求熔點(diǎn)低、沸點(diǎn)高、熱容量大和導(dǎo)熱性能好。通卻劑要求

43、熔點(diǎn)低、沸點(diǎn)高、熱容量大和導(dǎo)熱性能好。通常的液態(tài)金屬有常的液態(tài)金屬有Ga-InGa-In合金和合金和Ga-In-SnGa-In-Sn合金。二者熔點(diǎn)低合金。二者熔點(diǎn)低但價(jià)格昂貴，因此只適用于在實(shí)驗(yàn)室條件下使用。但價(jià)格昂貴，因此只適用于在實(shí)驗(yàn)室條件下使用。 由于液態(tài)金屬與已凝固界面之間換熱系數(shù)很大，這種由于液態(tài)金屬與已凝固界面之間換熱系數(shù)很大，這種方法加大了鑄件冷卻速度和凝固過程中的溫度梯度，而且方法加大了鑄件冷卻速度和凝固過程中的溫度梯度，而且在較大的生長速度范圍內(nèi)可使界面前沿溫度梯度保持穩(wěn)定，在較大的生長速度范圍內(nèi)可使界面前沿溫度梯度保持穩(wěn)定，使結(jié)晶在相對穩(wěn)定的條件下進(jìn)行，得到比較長的單向柱晶

44、。使結(jié)晶在相對穩(wěn)定的條件下進(jìn)行，得到比較長的單向柱晶。53（5）流態(tài)床冷卻法（）流態(tài)床冷卻法（FBQ法）法） Nakagawa等首先用等首先用流態(tài)床法流態(tài)床法來獲得很高的來獲得很高的GL，進(jìn)行定向凝固。用流態(tài)化的進(jìn)行定向凝固。用流態(tài)化的150號號ZrO2粉作為冷卻介粉作為冷卻介質(zhì)。質(zhì)。Ar氣用量大于氣用量大于4000cm3/min，冷卻介質(zhì)溫度保持，冷卻介質(zhì)溫度保持在在100-120。在相同條件下，液態(tài)金屬冷卻法的溫度。在相同條件下，液態(tài)金屬冷卻法的溫度梯度為梯度為100-300/cm，而流態(tài)床冷卻法為，而流態(tài)床冷卻法為100-200/cm，F(xiàn)BQ法基本可以得到液態(tài)金屬冷卻法那樣法基本可以得到

45、液態(tài)金屬冷卻法那樣高的溫度梯度。高的溫度梯度。 542. 新型定向凝固技術(shù)新型定向凝固技術(shù)超高溫度梯度定向凝固（超高溫度梯度定向凝固（ZMLMC）電磁約束成形定向凝固（電磁約束成形定向凝固（DSEMS）深過冷定向凝固深過冷定向凝固激光超高溫梯度快速凝固技術(shù)（激光超高溫梯度快速凝固技術(shù)（LRM） 連續(xù)定向凝固技術(shù)（連續(xù)定向凝固技術(shù)（OCC法）法） 55超高溫度梯度定向凝固（超高溫度梯度定向凝固（ZMLMC） 加熱加熱和和冷卻冷卻是定向凝固過程的兩個(gè)基本環(huán)節(jié)，是定向凝固過程的兩個(gè)基本環(huán)節(jié)，對固液界面前沿溫度梯度具有決定性的影響。對固液界面前沿溫度梯度具有決定性的影響。 西北工業(yè)大學(xué)李建國等人通過改

46、變加熱方式，西北工業(yè)大學(xué)李建國等人通過改變加熱方式，在液態(tài)金屬冷卻法（在液態(tài)金屬冷卻法（LMC法）的基礎(chǔ)上發(fā)展的一種法）的基礎(chǔ)上發(fā)展的一種新型定向凝固技術(shù)新型定向凝固技術(shù)區(qū)域熔化液態(tài)金屬冷卻法區(qū)域熔化液態(tài)金屬冷卻法，即，即ZMLMC法。法。 這種方法將區(qū)域熔煉與液態(tài)金屬冷卻相結(jié)合，這種方法將區(qū)域熔煉與液態(tài)金屬冷卻相結(jié)合，利用感應(yīng)加熱機(jī)中對凝固界面前沿液相進(jìn)行加熱，利用感應(yīng)加熱機(jī)中對凝固界面前沿液相進(jìn)行加熱，從而有效提高了固液界面前沿的溫度梯度。從而有效提高了固液界面前沿的溫度梯度。 561.試樣試樣 2.感應(yīng)圈感應(yīng)圈 3.隔熱板隔熱板 4.冷卻水冷卻水5.液態(tài)金屬液態(tài)金屬 6.拉錠機(jī)構(gòu)拉錠機(jī)構(gòu)

47、 7.熔區(qū)熔區(qū) 8.坩堝坩堝圖圖5.8 超高溫度梯度定向凝固裝置圖超高溫度梯度定向凝固裝置圖57電磁約束成形定向凝固（電磁約束成形定向凝固（DSEMS） 在在ZMLMCZMLMC法基礎(chǔ)上，凝固劑屬國家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室提出法基礎(chǔ)上，凝固劑屬國家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室提出并探索研究了近十年的電磁約束成形定向凝固技術(shù)。并探索研究了近十年的電磁約束成形定向凝固技術(shù)。該技術(shù)是將電磁約束成型技術(shù)與定向凝固技術(shù)相結(jié)合該技術(shù)是將電磁約束成型技術(shù)與定向凝固技術(shù)相結(jié)合而產(chǎn)生的一種新型定向凝固技術(shù)。利用電磁感應(yīng)加熱而產(chǎn)生的一種新型定向凝固技術(shù)。利用電磁感應(yīng)加熱熔化感應(yīng)器內(nèi)的金屬材料，并利用在金屬熔體部分產(chǎn)熔化感應(yīng)器內(nèi)的金屬材料，并利

48、用在金屬熔體部分產(chǎn)生的電磁壓力來約束已熔化的金屬熔體成形，獲得特生的電磁壓力來約束已熔化的金屬熔體成形，獲得特定形狀鑄件的無坩堝熔煉、無鑄型、無污染定向凝固定形狀鑄件的無坩堝熔煉、無鑄型、無污染定向凝固成形。成形。 由于電磁約束成形定向凝固取消了粗厚、導(dǎo)熱性由于電磁約束成形定向凝固取消了粗厚、導(dǎo)熱性能查的陶瓷模殼、實(shí)現(xiàn)無接觸鑄造，使冷卻介質(zhì)可以能查的陶瓷模殼、實(shí)現(xiàn)無接觸鑄造，使冷卻介質(zhì)可以直接作用于金屬鑄件上，可獲得更大的溫度梯度，用直接作用于金屬鑄件上，可獲得更大的溫度梯度，用于生產(chǎn)無（少）偏析、組織超細(xì)化、無污染的高純難于生產(chǎn)無（少）偏析、組織超細(xì)化、無污染的高純難熔金屬及合金，具有廣闊的

49、應(yīng)用前景。熔金屬及合金，具有廣闊的應(yīng)用前景。58深過冷定向凝固深過冷定向凝固 ZMLMCZMLMC法的一個(gè)顯著特點(diǎn)是通過提高溫度梯度，法的一個(gè)顯著特點(diǎn)是通過提高溫度梯度，擴(kuò)大所允許的抽拉速率，從而達(dá)到擴(kuò)大所允許的抽拉速率，從而達(dá)到亞快速凝固水平亞快速凝固水平，實(shí)現(xiàn)組織超細(xì)化。但是單純采用強(qiáng)制加熱的方法增實(shí)現(xiàn)組織超細(xì)化。但是單純采用強(qiáng)制加熱的方法增大溫度梯度來提高凝固速率，仍不能獲得很大的冷大溫度梯度來提高凝固速率，仍不能獲得很大的冷卻速率，因?yàn)榇藭r(shí)要求散發(fā)的熱量更多了，一般來卻速率，因?yàn)榇藭r(shí)要求散發(fā)的熱量更多了，一般來說采用這樣的技術(shù)很難實(shí)現(xiàn)快速凝固。說采用這樣的技術(shù)很難實(shí)現(xiàn)快速凝固。 198

50、1 1981年，年，LuxLux等在等在動(dòng)力學(xué)過冷熔體定向凝固動(dòng)力學(xué)過冷熔體定向凝固方面開方面開展了有益的探索，通過改進(jìn)冷卻條件獲得了近展了有益的探索，通過改進(jìn)冷卻條件獲得了近100K100K的的動(dòng)力學(xué)過冷度，并施加很小的溫度梯度，最終得到直動(dòng)力學(xué)過冷度，并施加很小的溫度梯度，最終得到直徑徑21mm,21mm,長長70-80mm70-80mm的的MAR-M-200MAR-M-200高溫合金定向凝固試樣。高溫合金定向凝固試樣。59圖圖5.9 深過冷定向凝固實(shí)驗(yàn)過程的實(shí)驗(yàn)原理圖深過冷定向凝固實(shí)驗(yàn)過程的實(shí)驗(yàn)原理圖 過冷容器中的定向凝固過冷容器中的定向凝固是由是由1981年年B-Lux等首先提等首先提

51、出的。西北工業(yè)大學(xué)采用玻出的。西北工業(yè)大學(xué)采用玻璃凈化和過熱相結(jié)合的凈化璃凈化和過熱相結(jié)合的凈化方法，獲得合金熔體的熱力方法，獲得合金熔體的熱力學(xué)深過冷，并利用過冷度的學(xué)深過冷，并利用過冷度的遺傳性，將熔體深過冷與定遺傳性，將熔體深過冷與定向凝固相結(jié)合，使熔體在固向凝固相結(jié)合，使熔體在固液界面前沿相中溫度梯度液界面前沿相中溫度梯度GL0的條件下凝固。他們稱的條件下凝固。他們稱之 為 深 過 冷 定 向 凝 固之 為 深 過 冷 定 向 凝 固（SDS），整個(gè)實(shí)驗(yàn)過程的），整個(gè)實(shí)驗(yàn)過程的原理簡圖如圖原理簡圖如圖5.9所示。所示。 60激光超高溫梯度快速凝固技術(shù)（激光超高溫梯度快速凝固技術(shù)（LRM

52、） 在激光表面快速熔凝時(shí)，凝固界面的溫度梯度可高達(dá)在激光表面快速熔凝時(shí)，凝固界面的溫度梯度可高達(dá)5104K/cm，凝固速度高達(dá)數(shù)米每秒。但一般的激光表面，凝固速度高達(dá)數(shù)米每秒。但一般的激光表面熔凝過程并不是定向凝固，因?yàn)槿鄢貎?nèi)部局部溫度梯度和熔凝過程并不是定向凝固，因?yàn)槿鄢貎?nèi)部局部溫度梯度和凝固速度是不斷變化的，且兩者都不能獨(dú)立控制；同時(shí)，凝固速度是不斷變化的，且兩者都不能獨(dú)立控制；同時(shí)，凝固組織是從基體外延生長的，界面上不同位置生長方向凝固組織是從基體外延生長的，界面上不同位置生長方向也不相同。也不相同。 激光能量高度集中的特征，使它具備了在作為定向凝激光能量高度集中的特征，使它具備了在作為

53、定向凝固熱源時(shí)可能獲得比現(xiàn)有定向凝固方法高得多的溫度梯度固熱源時(shí)可能獲得比現(xiàn)有定向凝固方法高得多的溫度梯度的可能性。的可能性。 利用激光表面熔凝技術(shù)實(shí)現(xiàn)超高溫度梯度快速定向凝利用激光表面熔凝技術(shù)實(shí)現(xiàn)超高溫度梯度快速定向凝固的關(guān)鍵在于：在激光熔池內(nèi)獲得與激光掃描速度方向一固的關(guān)鍵在于：在激光熔池內(nèi)獲得與激光掃描速度方向一致的溫度梯度。根據(jù)合金凝固特性選擇適當(dāng)?shù)募す饧す夤ぶ碌臏囟忍荻取８鶕?jù)合金凝固特性選擇適當(dāng)?shù)募す饧す夤に噮?shù)以獲得胞晶組織，現(xiàn)在激光超高溫度梯度快速定向藝參數(shù)以獲得胞晶組織，現(xiàn)在激光超高溫度梯度快速定向凝固還處于探索性試驗(yàn)階段。凝固還處于探索性試驗(yàn)階段。61連續(xù)定向凝固技術(shù)（連續(xù)定

54、向凝固技術(shù)（OCC法）法） 連續(xù)定向凝固的思想首先是由日本的大野篤美提連續(xù)定向凝固的思想首先是由日本的大野篤美提出的。上世紀(jì)出的。上世紀(jì)60年代末，大野篤美在研究年代末，大野篤美在研究Chalmers提提出的等軸晶出的等軸晶“結(jié)晶游離結(jié)晶游離”理論時(shí)，證實(shí)了等軸晶的形理論時(shí)，證實(shí)了等軸晶的形成不是由熔液整體過冷（成不是由熔液整體過冷（Constitutional Supercooling）引起，而是主要由鑄型表面形核，分離、帶入溶液內(nèi)引起，而是主要由鑄型表面形核，分離、帶入溶液內(nèi)部，枝晶斷裂或重熔引起的。部，枝晶斷裂或重熔引起的。 因而控制凝固組織結(jié)構(gòu)的關(guān)鍵是控制鑄型表面的形因而控制凝固組織結(jié)

55、構(gòu)的關(guān)鍵是控制鑄型表面的形核過程。大野篤美把核過程。大野篤美把Bridgeman定向凝固法控制晶粒生定向凝固法控制晶粒生長的想法應(yīng)用到連續(xù)鑄造技術(shù)上，提出了一種最新的鑄長的想法應(yīng)用到連續(xù)鑄造技術(shù)上，提出了一種最新的鑄造工藝造工藝熱型連續(xù)法（簡稱熱型連續(xù)法（簡稱OCC法），即連續(xù)定向法），即連續(xù)定向凝固技術(shù)。凝固技術(shù)。62 該技術(shù)是通過加熱結(jié)晶器模型到金屬熔點(diǎn)溫度以該技術(shù)是通過加熱結(jié)晶器模型到金屬熔點(diǎn)溫度以上，鑄型只能約束金屬液相的形狀，金屬不會在型壁上，鑄型只能約束金屬液相的形狀，金屬不會在型壁表面凝固；同時(shí)冷卻系統(tǒng)與結(jié)晶器分離，在型外對鑄表面凝固；同時(shí)冷卻系統(tǒng)與結(jié)晶器分離，在型外對鑄件進(jìn)行冷

56、卻，維持很高的牽引方向的溫度梯度，保證件進(jìn)行冷卻，維持很高的牽引方向的溫度梯度，保證凝固界面是凸向液相的，以獲得單向溫度梯度，使熔凝固界面是凸向液相的，以獲得單向溫度梯度，使熔體的凝固只在脫了結(jié)晶器的瞬間進(jìn)行。體的凝固只在脫了結(jié)晶器的瞬間進(jìn)行。 隨著鑄錠不斷離開結(jié)晶器，晶體的生長方向沿?zé)犭S著鑄錠不斷離開結(jié)晶器，晶體的生長方向沿?zé)崃鞯姆捶较蜻M(jìn)行，獲得定向結(jié)晶組織，甚至單晶組織，流的反方向進(jìn)行，獲得定向結(jié)晶組織，甚至單晶組織，其原理如圖所示。這種方法最大的特點(diǎn)是改變傳統(tǒng)的其原理如圖所示。這種方法最大的特點(diǎn)是改變傳統(tǒng)的連續(xù)凝固中冷卻結(jié)晶器為加熱結(jié)晶器，熔體的凝固不連續(xù)凝固中冷卻結(jié)晶器為加熱結(jié)晶器，熔

57、體的凝固不在結(jié)晶器內(nèi)部進(jìn)行。在結(jié)晶器內(nèi)部進(jìn)行。 63OCC法連續(xù)鑄造技術(shù)與傳統(tǒng)連續(xù)鑄造技術(shù)凝固過程的比較法連續(xù)鑄造技術(shù)與傳統(tǒng)連續(xù)鑄造技術(shù)凝固過程的比較645.3.2 定向凝固過程的生產(chǎn)設(shè)備定向凝固過程的生產(chǎn)設(shè)備HRS生產(chǎn)設(shè)備生產(chǎn)設(shè)備LMC工藝設(shè)備工藝設(shè)備 ZMLMC定向凝固裝置定向凝固裝置 電磁約束成形定向凝固裝置電磁約束成形定向凝固裝置 連續(xù)凝固裝置原理連續(xù)凝固裝置原理 651.HRS生產(chǎn)設(shè)備生產(chǎn)設(shè)備 定向凝固技術(shù)是對金屬材料進(jìn)行凝固過程研究的定向凝固技術(shù)是對金屬材料進(jìn)行凝固過程研究的重要手段之一，可用于研究重要手段之一，可用于研究凝固界面形態(tài)凝固界面形態(tài)、凝固組織凝固組織、定向自生復(fù)合材料

58、定向自生復(fù)合材料和和單晶單晶，同時(shí)也是制備高質(zhì)量航空，同時(shí)也是制備高質(zhì)量航空發(fā)動(dòng)機(jī)定向和單晶葉片、磁性材料以及某些功能材料發(fā)動(dòng)機(jī)定向和單晶葉片、磁性材料以及某些功能材料的一種十分有效的工藝方法。的一種十分有效的工藝方法。 66 快速凝固法（快速凝固法（HRS法）是在最初的功率降法）是在最初的功率降低 法 的 基 礎(chǔ) 上 吸 取 了低 法 的 基 礎(chǔ) 上 吸 取 了Bridgman-Stockbarger晶晶體生長技術(shù)發(fā)展而來的，體生長技術(shù)發(fā)展而來的，其設(shè)備原理圖如圖其設(shè)備原理圖如圖5.11所所示。示。 圖圖5.11 HRS裝置示意圖裝置示意圖672.LMC工藝設(shè)備工藝設(shè)備 在快速凝固法的基礎(chǔ)上

59、，在快速凝固法的基礎(chǔ)上，Tschinkel等人發(fā)明等人發(fā)明了液態(tài)金屬冷卻法，該方法采用低熔點(diǎn)金屬或合了液態(tài)金屬冷卻法，該方法采用低熔點(diǎn)金屬或合金作為冷卻介質(zhì)，使溫度梯度在原有基礎(chǔ)上得到金作為冷卻介質(zhì)，使溫度梯度在原有基礎(chǔ)上得到了進(jìn)一步提高，其工作原理如圖了進(jìn)一步提高，其工作原理如圖5.12所示。所示。68 當(dāng)合金液澆入型當(dāng)合金液澆入型殼時(shí)，以一定的速度殼時(shí)，以一定的速度將型殼拉出爐體，浸將型殼拉出爐體，浸入金屬浴中，用作冷入金屬浴中，用作冷卻劑的液態(tài)金屬水平卻劑的液態(tài)金屬水平面擺出在凝固的固液面擺出在凝固的固液界面附近處，作為冷界面附近處，作為冷卻劑的液態(tài)金屬必須卻劑的液態(tài)金屬必須具有：熔點(diǎn)低

60、，有良具有：熔點(diǎn)低，有良好的熱學(xué)性能；不溶好的熱學(xué)性能；不溶于合金中；在高真空于合金中；在高真空條件下蒸汽壓低；價(jià)條件下蒸汽壓低；價(jià)格便宜的特點(diǎn)。格便宜的特點(diǎn)。圖圖5.12 LMC法定向凝固裝置示意圖法定向凝固裝置示意圖 693.ZMLMC定向凝固裝置定向凝固裝置 定向凝固技術(shù)從功率降低法（定向凝固技術(shù)從功率降低法（PDPD）到快速凝固法）到快速凝固法（HRSHRS）再到液態(tài)金屬冷卻法（）再到液態(tài)金屬冷卻法（LMCLMC），溫度梯度都有不），溫度梯度都有不同程度的提高；但是，這幾種方法在溫度梯度的改善上同程度的提高；但是，這幾種方法在溫度梯度的改善上都沒有產(chǎn)生質(zhì)的飛躍，難以滿足現(xiàn)代工業(yè)發(fā)展的需