定向凝固

定向凝固技术1、定向凝固的研究状况定向凝固成形技术是伴随高温合金的发展而逐渐发展起来的，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，以获得具有特定取向柱状晶的技术。

定向凝固技术很好的控制了凝固组织的晶粒取向，消除横向晶界，提高了材料的纵向力学性能，因而自美国普拉特·惠特尼航空公司采用高温合金定向凝固技术以来，这项技术得到广泛的应用。

1.1定向凝固理论的研究定向凝固理论的研究，主要涉及定向凝固中液-固界面形态及其稳定性，液-固界面处相变热力学、动力学，定向凝固过程晶体生长行为以及微观组织的演绎等，其中包括成分过冷理论、MS 界面稳定性、线性扰动理论、非线性扰动理论等。

从Chalmers[1]等的成分过冷理论到Mullins[2]等的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。

下面主要分析一下成分过冷理论和界面稳定性理论。

（1）成分过冷理论成分过冷理论是针对单相二元合金凝固过程界面成分的变化提出的，如对于平衡分配系数小于1的合金在冷却下来时，由于溶质在固相和液相中的分配系数不同，溶质原子随着凝固的进行，被排挤到液相中去，并形成一定的浓度梯度，与这种溶质梯度相对应的液相线温度与真实温度分布之间有不同的值，其差值大于零时，意味着该部分熔体处于过冷状态，有形成固相的可能性而影响界面的稳定性。

Chalmers等人通过分析得出了成分过冷的判据，确定了合金凝固过程中固液界面前沿的形态取决于两个参数：G L/v和G L·v，即分别为界面前沿液相温度梯度和凝固速度的商和积。

前者决定了界面形态，而后者决定了晶体的显微组织（即枝晶间距或晶粒大小）[3]。

成分过冷理论能成功的判定无偏析特征的平面凝固的条件，避免胞晶或枝晶的生成。

但是成分过冷理论只考虑了温度梯度和浓度梯度这两个具有相反效应的因素对界面稳定性的影响，忽略了非平面界面的表面张力、凝固时的结晶潜热及固相中温度梯度等的影响。

第三章定向凝固技术3.1定向凝固技术概论定向凝固技术是上世纪60年代，为了消除结晶过程中生成的横向晶界，从而提高材料的单向力学性能，而首先提出的。

目前，定向凝固技术被广泛应用于高温合金、磁性材料、单晶生长、自生复合材料的制备。

定向凝固技术的最主要应用是生产具有均匀柱状晶组织的铸件。

利用定向凝固技术制备的航空领域的高温合金发动机叶片，与普通铸造方法获得的铸件相比，它使叶片的高温强度、抗蠕变和持久性能、热疲劳性能得到大幅度提高。

对于磁性材料，应用定向凝固技术，可使柱状晶排列方向与磁化方向一致，大大改善了材料的磁性能。

用定向凝固方法得到的自生复合材料消除了其它复合材料制备过程中增强相与基体间界面的影响，使复合材料的性能大大提高。

定向凝固是指在凝固过程中采用强制手段，在凝固金属和未凝固金属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方向相反的方向凝固，最终得到具有特定取向柱状晶的技术。

热流的控制是定向凝固技术中的重要环节，获得并保持单向热流是定向凝固成功的重要保证。

伴随着对热流控制技术的发展，定向凝固技术由最初的发热剂法(EP法)、功率降低法(PD法)发展到目前广泛应用的高速凝固法(HRS法)、液态金属冷却法(LMC法)何连续定向凝固法。

3.2 定向凝固的理论基础定向凝固是研究凝固理论和金属凝固规律的重要手段，定向凝固技术的发展直接推动了凝固理论的发展。

从Chalmers等的成分过冷到Mullins的界面绝对稳定动力学理论，人们对凝固过程有了更深刻的认识。

在定向凝固过程中，随着凝固速度的增加，固液界面的形态由低速生长平面晶→胞晶→枝晶→细胞晶→高速生长的平面晶变化。

无论是那一种固液界面形态，保持固液界面的稳定性对材料的制备和材料的力学性能非常重要。

因此固液界面稳定性是凝固过程中一个非常重要的科学问答题。

低速生长的平面晶固液界面稳定性可以用成分过冷理论来判定，高速生长的平面晶固液界面稳定性可以用绝对稳定理论来判定。

定向凝固法制备
定向凝固法是一种用于制备单晶材料的方法，通过控制材料的凝固过程，使其形成具有完整结晶结构的单晶体。

以下是关于定向凝固法制备单晶材料的基本步骤：
1. 材料选择：选择适合定向凝固法的材料，通常是金属、合金或半导体材料。

这些材料应具有良好的熔化性能和晶体生长特性。

2. 准备熔融物料：将选定的材料按照所需的比例混合，并加热至熔点以上形成均匀的熔体。

3. 制备结晶器：设计和制备用于定向凝固的结晶器。

结晶器通常由高温合金或陶瓷材料制成，具有特殊的外形和内部结构，以促进单晶的生长。

4. 温度控制：在结晶器中加热熔融物料，并控制温度梯度和梯度方向。

温度梯度的控制是非常重要的，它会影响单晶的生长速率和方向。

5. 单晶生长：将结晶器中的熔融物料冷却至凝固点以下，使其逐渐凝固形成单晶。

由于温度梯度的存在，单晶会从高温区向低温区生长，最终形成完整的单晶结构。

6. 单晶提取：待单晶完全凝固后，将其从结晶器中取出。

提取的过程需要
谨慎，以避免单晶的破碎或变形。

7. 后处理：对提取的单晶进行必要的后处理，如去除表面氧化物、调整尺寸和形状等，以得到符合要求的最终产品。

定向凝固法制备单晶材料的关键在于控制温度梯度和凝固速率，以确保单晶的生长方向和结晶质量。

这种方法广泛应用于材料科学和工程领域，用于制备用于电子器件、光学器件、航空发动机叶片等高性能应用的单晶材料。

简述定向(顺序)凝固的概念
定向(顺序)凝固是一种特殊的冷凝作用，其特点是在凝固过程
中有定向发展的能力，即凝固材料的微观结构可以朝一个特定
的方向发展，这与普通的凝固过程不同。

定向凝固可以按照不同的形式进行，它们囊括了若干技术，例
如熔模凝固、熔炉凝固、激光凝固和离子凝固。

它们可以精确
控制板块件材料的结构，从而为其在后面的切削、加工和组装
过程提供一种优化的解决方案。

定向凝固的主要优势是能够提高产品质量，并且产品经过定向
凝固之后可以大大提高结构强度。

它们可以很好的控制有害的
晶界胞晶的形成，从而提高凝固后的材料力学性能。

定向凝固
可以有效的减少材料结合过程中的力学应力，从而改善光学性能，使产品结构更加稳定，能满足客户对抗衰耗、高电流密度
和低功耗的要求。

此外，定向凝固还可以提高材料的耐热能力、抗化学介质能力
和电气绝缘性，因此它是一种有利可图的金属制造方式。

它在
机械制造、航空航天制造和军事制造领域中得到了广泛的应用。

总之，定向凝固可以提高产品的强度和稳定性，从而减少产品
的加工时间，降低加工成本，有效的提高产品的质量和性能，
是一种广泛应用的金属制造工艺技术。

定向凝固定向凝固是指在凝固过程中采用强制手段，在凝固金属和未凝固金属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，最终得到具有特定取向柱状晶的技术。

定向凝固是研究凝固理论和金属凝固规律的重要手段，也是制备单晶材料和微米级(或纳米级)连续纤维晶高性能结构材料和功能材料的重要方法。

自20世纪60年代以来，定向凝固技术发展很快。

由最初的发热剂法、功率降低法发展到目前广泛应用的高速凝固法、液态金属冷却法和连续定向凝固技术。

现代航空发动机的涡轮叶片和导向叶片是用铸造高温合金材料制成，这类材料晶界在高温受力条件下是较薄弱的地方，这是因为晶界处原子排列不规则，杂质较多，扩散较快，于是人们设想利用定向凝固方法制成单晶，消除所有晶界，结果性能明显提高了。

定向凝固技术广泛应用于高温合金、磁性材料、单晶生长、自生复合材料的制备等力面，并且在类单晶金属间化合物、形状记忆合金领域具有极广阔的应用前景。

制备方法：1. 发热剂法定向凝固技术的起始阶段。

基本原理:将铸型预热到一定温度后，迅速放到水冷铜底座上并立即进行浇注，顶部覆盖发热剂，侧壁采用隔热层绝热，水冷铜底座下方喷水冷却，从而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，实现定向凝固。

2. 功率降低法铸型加热感应圈分两段，铸件在凝固过程中不动，在底部采用水冷激冷板。

加热时上下两部分感应圈全通电，在加入熔化好的金属液前建立所要的温度场，注入过热的合金液。

然后下部感应圈断电，通过调节输入上部感应圈的功率，在液态金属中形成一个轴向温度梯度。

热量主要通过已凝固部分及底盘由冷却水带走。

由于热传导能力随着离水冷平台距离的增加而明显降低，温度梯度在凝固过程中逐渐减小，所以轴向上的柱状晶较短。

并且柱状晶之间的平行度差，合金的显微组织在不同部位差异较大，甚至产生放射状凝固组织。

3. 高速凝固法装置和功率降低法相似，多了拉锭机构，可使模壳按一定速度向下移动，改善了功率降低法温度梯度在凝固过程中逐渐减小的缺点；另外，在热区底部使用辐射挡板和水冷套，挡板附近产生较大的温度梯度，局部冷却速度增大，有利于细化组织，提高力学性能。

定向凝固技术
定向凝固技术是一种用于制造具有特定晶体取向的金属或合金材料的技术。

这种技术通过控制材料的凝固过程，使其在特定方向上生长，从而获得具有特定晶体取向的材料。

定向凝固技术的基本原理是在材料凝固过程中，通过控制凝固速度和温度分布，使晶粒在特定方向上生长。

这种技术通常使用定向凝固炉或定向凝固模具来实现。

定向凝固技术的优点包括：
1. 可以获得具有特定晶体取向的材料，从而提高材料的力学性能和物理性能。

2. 可以控制材料的晶粒尺寸和分布，从而提高材料的强度和韧性。

3. 可以减少材料中的缺陷和杂质，从而提高材料的质量和可靠性。

定向凝固技术广泛应用于航空航天、汽车、电子、医疗等领域，特别是在制造高强度、高韧性、高耐腐蚀性的材料方面具有重要作用。

定向凝固（又称为定向结晶）定义定向凝固是在凝固过程中采用强制手段，在凝固金属样未凝固熔体中建立起沿特定方向的温度梯度，从而使熔体在气壁上形核后沿着与热流相反的方向，按要求的结晶取向进行凝固的技术。

该技术最初是在高温合金的研制中建立并完善起来的。

采用、发展该技术最初是用来消除结晶过程中生成的横向晶界，从而提高材料的单向力学性能。

该技术运用于燃气涡轮发动机叶片的生产，所获得的具有柱状乃至单晶组织的材料具有优良的抗热冲击性能、较长的疲劳寿命、较高的蠕变抗力和中温塑性，因而提高了叶片的使用寿命和使用温度，成为当时震动冶金界和工业界的重大事件之一。

定向凝固技术对金属的凝固理论研究与新型高温合金等的发展提供了一个极其有效的手段。

但是传统的定向凝固方法得到的铸件长度是有限的，在凝固末期易出现等轴晶，且晶粒易粗大。

为此出现了连续定向凝固技术，它综合了连铸和定向凝固的优点，又相互弥补了各自的缺点及不足，从而可以得到具有理想定向凝固组织、任意长度和断面形状的铸锭或铸件。

它的出现标志着定向凝固技术进入了一个新的阶段。

定向凝固技术的最大优势在于，其制备的合金材料消除了基体相与增强相相界面之间的影响，有效地改善了合金的综合性能。

同时，该技术也是学者们研究凝固理论与金属凝固规律的重要手段。

原理实现定向凝固需要两个条件：首先，热流向单一方向流动并垂直于生长中的固-液界面；其次，在晶体生长前方的熔液中没有稳定的结晶核心。

为此，在工艺上必须采取措施避免侧向散热，同时在靠近固一液界面的熔液中应造成较大的温度梯度，这是保证非定向柱晶和单晶生长停止、取向正确的基本要素。

实现定向凝固应满足凝固界面具有稳定的定向生长要求，抑制固一液界面前方可能出现的较大成分过冷区，而导致自由晶粒的产生。

根据成分过冷理论，固一液界面要以单向的平面生长方式进行长大时，需要保证足够大（为晶体生长前沿液相的温度梯度，R为界面的生长速度），这就需要通过以下几个基本工艺措施来保证：①严格的单向散热，要使凝固系统始终处于柱状晶生长方向的正温度梯度作用之下，并且要绝对阻止侧向散热，以避免界面前方型壁及其附近的形核和长大；②要减小熔体的异质形核能力以避免界面前方的形核现象，即要提高熔体的纯净度；③要避免液态金属的对流、搅动和振动，以阻止界面前方的晶粒游离。