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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。
铜的定向凝固实验原理铜的定向凝固是一种金属凝固工艺，通过控制铜合金的凝固过程，使其具有特定的晶体结构和力学性能。
定向凝固技术广泛应用于航空航天、能源、汽车和电子等高科技领域中。
定向凝固技术的原理主要包括凝固传热、束流定向、溶质重分配和相界限控制等方面。
首先，凝固传热是定向凝固的基础。
在凝固过程中，铜合金的熔化和凝固过程是同时进行的。
凝固是通过传递热量来达到的，而热量的传递方式主要有导热和对流两种。
在凝固过程中，通过合理的控制传热方式，可以影响晶体生长的速度和方向，从而控制晶体的取向。
其次，束流定向是定向凝固中的关键环节。
束流定向是指在凝固过程中通过施加外加的磁场、温度梯度或拉伸力等辅助手段，将熔融合金中的晶粒定向生长。
束流定向的方法有很多种，常用的方法有磁场定向、模具形状定向和温度梯度定向等。
这些方法可以在凝固过程中控制晶粒的取向和排列，从而获得所需的晶体结构。
第三，溶质重分配是定向凝固中的另一个关键因素。
在凝固过程中，合金中的溶质会因为凝固过程中的温度变化而发生重分配。
通常情况下，溶质倾向于富集在凝固前沿的液相区域，导致凝固后的固相区域出现不均匀分布的现象。
为了减小溶质的偏聚效应，定向凝固过程中通常采用稳态定向凝固和自辐射稳态凝固等技术。
最后，相界限控制是定向凝固中的另一个重要环节。
合金中的相界限对晶体的取向和力学性能具有重要影响。
在定向凝固中，通过调整合金的化学成分、凝固速度和温度梯度等参数，可以控制相界限的位置和形态。
这样可以使晶体取向更加均匀，并且减少晶界的数量和位错密度，提高合金的力学性能。
总的来说，铜的定向凝固是通过控制凝固传热、束流定向、溶质重分配和相界限控制等工艺参数来实现的。
利用这些技术，可以控制铜合金的晶体取向、结构和力学性能，为高科技领域中的应用提供了可靠的材料基础。
文章编号: 167329965(2008)052441204定向凝固纯铜组织性能研究3王鑫,李炳,范新会,严文(西安工业大学材料与化工学院,西安710032)摘 要: 采用高真空多功能定向凝固及悬浮熔炼设备,以不同凝固速度制备纯铜试样,并对定向凝固纯铜试样的显微组织和机械性能进行了分析研究.通过实验获得了定向凝固纯铜的组织性能.当凝固速度小于500μm/min时,定向凝固的纯铜试样横、纵截面的晶粒形貌都是等轴晶,晶粒内存在孪晶,凝固速度较小时,其孪晶组织数量较多.当凝固速度大于500μm/ min时,定向凝固的纯铜试样横截面的晶粒形貌是等轴晶,而纵截面的晶粒形貌是柱状晶,晶粒内基本不存在孪晶组织.定向凝固纯铜的室温机械性能是:当凝固速度在50μm/min的条件下,试样的抗拉强度约153M Pa,较普通铸造纯铜试样的低,而屈服强度约91.8M Pa,延伸率约80.12%,都优于普通铸造纯铜试样.透射电镜分析表明,纯铜定向凝固过程中形成的孪晶B=[110].关键词: 定向凝固;孪晶;孪晶生长;等轴晶;柱状晶中图号: T G113.25 文献标志码: A 铜已广泛应用于电气工程、信息技术、电器设备、建筑、交通运输、军工、轻工、机械制造等诸多领域1定向凝固技术是控制材料微观组织的有效技术手段,它通过控制热流方向来实现对凝固组织的方向性的控制,以使金属材料从液态转变为固态时其晶粒按照所需方向生长,制备出定向凝固单晶、柱晶及自生复合材料[1].采用定向凝固技术制成的18K金线进行冷加工,直接拉制成 0.2mm的细丝,而普通多晶材料通常拉制到 0.7mm就会发生拉断[2];而大阪富士公司将塑性加工性能很差的普通纯镁板进行定向凝固,其产品可压延成0.5 mm厚的箔材[3].这种方法制备的材料由于不存在垂直于生长方向的晶界(横向晶界),具有优良的电导率高,信号保真度大幅度提高等性能[425].文中采用高真空多功能定向凝固及悬浮熔炼设备制备纯铜试样,并利用光学显微镜和透射电子显微镜研究分析纯铜在不同凝固速度的显微组织特征及性能.并用电子万能测试了纯铜在不同制备状态下的力学性能.1 实验方法及材料材料为99.9995%的高纯铜.采用高真空多功能定向凝固及悬浮熔炼设备对其进行熔炼,并在1 250℃,分别以2μm/min,10μm/min,50μm/ min,500μm/min,5000μm/min,100000μm/min 的抽拉速度制备出直径为7.0mm、长度为150 mm定向凝固试样.温度梯度为350℃/cm.用CM T5105A型微机控制电子万能试验机测试不同条件下所取得试样的机械性能.机械性能试样加工尺寸如图1所示.图1 试样尺寸Fig.1 Sample size用正置式53×C型金相显微境观察其显微组织特征.用KYKY1000B(SEM)对其进行断口分析第28卷第5期 西 安 工 业 大 学 学 报 Vol.28No.5 2008年10月 Journal of Xi’an Technological University Oct.20083收稿日期:2008203220基金资助:兵科院预研基金项目(420010800304)作者简介:王鑫(19652),男,西安工业大学副教授,主要研究方向为单晶连铸技术及应用.E2mail:wangxin8215@.及能谱分析.用J EM 22010高分辨率透射电子显微镜对其进行微观分析.2 结果及讨论2.1 纯铜试样的力学性能纯铜在不同制备状态下的力学性能见表1.表1 不同铸造方法纯铜的力学性能Tab.1 The mechanical property of different cast项 目σb /MPa σs /MPa延伸率/%普通铸造170.280.5865.42%定向凝固(凝固速度50μm/min )153.991.8180.12%单晶连铸121.698.3294.05% 由表1可知,普通铸造的纯铜线材抗拉强度(σb )最大,定向凝固出的纯铜线材次之,单晶连铸的纯铜单晶线材最小.单晶连铸的纯铜线材屈服强度(σs )最大,定向凝固出的纯铜线材次之,普通铸造的纯铜线材最小;延伸率与屈服强度(σs )相同.产生这种现象的原因是:一方面,定向凝固基本上消除了垂直于主应力轴的横向晶界,因而延缓了裂纹在垂直于主应力轴的横向晶界上的萌生,降低了裂纹的扩展速率,明显提高了纯铜的单向应变性能.所以,屈服强度(σs )、延伸率得到了很好的改善.但比铜单晶材料稍差;另一方面,普通铸造的纯铜线材的晶粒多,位错形成数量也多,定向凝固的纯铜线材的晶粒和位错数量次之,纯铜单晶线材的晶粒和位错数量最少.由于位错存在,从而增加扩展位错运动的困难,同时,也使得扩展位错形成束集困难,使得滑移不易进行,由于这样的强化机制的影响,决定了普通铸造的纯铜线材的抗拉强度(σb )最好,延伸率较低.2.2 纯铜在不同条件下显微组织特征不同凝固速度下(2μm/min ,10μm/min ,50μm/min ,500μm/min ,5000μm/min ,100000μm/min )纯铜定向凝固试样的金相显微组织如图2所示.图2 不同凝固速度下纯铜定向凝固试样的金相显微组织Fig.2 Microstructure of pure copper at different directional solidification speed 由图2(a )～2(f )可见,当凝固速度小于500μm/min 时,显微组织中晶粒呈等轴晶特征,并且晶粒内部存在孪晶,并随着定向凝固速度的升高,晶粒内出现孪晶不断减少.244 西 安 工 业 大 学 学 报 第28卷在定向凝固过程中,当固液界面前沿液相实际温度小于或等于形核所需的温度时,同时横向被激活的晶核数量较多,意味着在晶粒生长过程中向液相中排出较多的溶质,引起整个固液界面前沿液相浓度梯度减小,或者成分过冷度减小,同时由于凝固速度较小,故形成等轴晶的组织形貌.另外,一方面金属通常为小平面生长,生长出的晶体具有宏观上锯齿状的固2液界面,而微观上固2液界面上的原子排列是光滑的,而这种界面结构,单个原子与晶面的结合力较弱,沉积的原子很容易重新回到液体中.因此晶粒的长大要依靠固2液界面上出现台阶,才能将液相中扩散来的原子沉积下来,依靠台阶向其侧面扩展进而长大,因此在一定的条件下,产生孪晶的可能性较大.另一方面在凝固过程中,细小杂质粒子往往存在晶界中,晶粒生长晶界面推移过程中如遇到某些起钉扎的作用析出粒子阻碍时将发生弯曲或偏转,或原子被推到晶界面前不断积累,降低了晶粒在这个方向的生长速度,从而侧面获得显著的生长优势形成孪晶.由图2(g )～2(l )可见,当凝固速度大于500μm/min 时,显微组织中的晶粒呈柱状晶特征,晶粒内部基本不存在孪晶,并随着定向凝固速度的升高,晶粒数目有减少的趋势.当凝固速度较大时,过冷度减小,晶粒间距变小,不利于等轴晶生长.此时仅有一些区域液相有晶核形成并开始生长,并且在热流的逆方向生长较快能生长较长距离,逐渐演化为柱状晶形貌.随着凝固速度的增加,原来晶体的生长方式会失稳,从小平面生长方式向非平面生长.晶粒间距小,晶粒生长方向得到限制,孪晶产生的机率也会越来越少.图3是凝固速度为10μm/min 的纯铜定向凝固透射电镜分析照片.从图3(a ),(b )可以看到,试样中存在孪晶的存在.孪晶B =[110].图3 定向凝固纯铜透射电镜分析Fig.3 TEM analysis of pure copper3 结论1)定向凝固得到的纯铜线材其屈服强度、延伸率优于一般普通铸的纯铜,但抗拉强度比一般普通铸的纯铜较低.2)当凝固速度小于500μm/min 时,定向凝固的纯铜试样横、纵截面的晶粒形貌都是等轴晶;晶粒内存在孪晶,在较小凝固速度范围内,其孪晶组织数量较多.3)当凝固速度大于500μm/min 时,定向凝固纯铜试样横截面的晶粒形貌是等轴晶,而纵截面晶粒形貌是柱状晶;晶粒内基本不存在孪晶组织.参考文献:[1] ZHAN G Hong ,XIE Jian 2xin ,WAN G Zi 2dong ,et al.Microstructure and Mechanical Properties of Continu 2ous Unidirectional Solidification Copper Bar and Cold Processed Wires[J ].Materials For Mechanical Engi 2neering ,2004,28(2):31.[2] TAN G Ling ,L I Shuang 2ming ,FU Heng 2zhi.Effect ofThermosolutal Convection on Microstructure of Di 2rectionally Solidified Al 2Al_2Cu Hypereutectic Alloy [J ].Metal Materials and Engineering ,2007,36(4):617.[3] SH EN Y ong 2feng ,L 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cooling rate.The microst ruct ure has been st udied.When solidafication speed is less t han500μm/min,equiaxed crystals appear in cross and longit udinal sections,t here are so me twins among crystals,t he number is much more,while t he solidification speed is smaller.When solidification speed is large t han500μm/min, equiaxed crystals appear in cross section,colummar crystals in longit udinal section,t here is no twins wit hin crystals.At room temperat ure,t he tensile st rengt h of directional solidification p ure copper wit h solidifacation speed of50μm/min is about153M Pa less t han t hat of ordinary casting p ure copper specimen,yield st rengt h is abo ut91.8Mpa,extension rate is about80.12%better t han t hat of ordinary casting p ure copper specimen.The SEM shows:t he twin plane is[110].K ey w ords: directional solidification;twin;twin crystal growt h;equiaxed crystal;columnar crystal(责任编辑、校对 张立新)简 讯类金刚石红外增透膜、保护膜镀制技术该技术是由西安工业大学研究开发,利用物理气相沉积法实现薄膜镀制,与化学气相沉积法相比具有膜层性能稳定、在3.4um无吸收峰、方法简单且能在大面积基片上镀膜的优点.现可用于镀制类金刚膜、氮化钛、碳化钛、钼、钨、等膜,这些膜在光学、电子、表面改性、润滑、装饰等领域有广泛应用.目前可做以下应用:①在手机、高档表壳上可镀制增强保护膜;②用于红外、热象系统中,可提高系统的透过率,保护光学系统外表面;③镀制刀具膜层,可提高刀具的切削功效和寿命;④镀制扬声器振动膜涂层,可改善其音响质量;⑤镀制磁盘、光盘膜层,可保护盘面,强度高、耐磨损;⑥镀在太阳能电池上,可提高光电转换率;⑦还可镀制半导体、集成电路等器件的绝缘散热衬底等.(苗静) 444 西 安 工 业 大 学 学 报 第28卷。
《定向凝固Al-Cu-Si共晶合金组织形成与性能》篇一一、引言在金属材料领域，定向凝固技术已被广泛用于制备高性能的共晶合金。
共晶合金由两种或多种组分组成，其独特的特点在于合金中组分之间以特定的方式形成共晶结构。
Al-Cu-Si合金作为一种典型的共晶合金，具有优异的机械性能和物理性能。
本文将探讨定向凝固Al-Cu-Si共晶合金的组织形成及其性能，旨在深入理解其结构特点与性能关系。
二、定向凝固Al-Cu-Si共晶合金的组织形成1. 实验材料与方法本实验采用纯度较高的Al、Cu、Si金属原料，按照一定比例混合后进行熔炼。
通过定向凝固技术，控制合金的冷却速度和凝固方向，以获得具有特定结构的共晶合金。
2. 组织形成过程在定向凝固过程中，Al-Cu-Si合金的组织形成经历了液态、固态以及固态转变三个阶段。
在液态阶段，合金各组分均匀分布；在固态转变阶段，合金中各组分开始形成特定的晶体结构；最终在固态阶段，形成了具有特定结构的共晶组织。
3. 共晶组织的特点Al-Cu-Si共晶合金的组织主要由初生相和共晶相组成。
初生相主要为Al基体，而共晶相则是由Cu和Si形成的复杂化合物。
这些相在合金中以特定的方式排列，形成了独特的共晶组织。
三、定向凝固Al-Cu-Si共晶合金的性能1. 机械性能由于Al-Cu-Si共晶合金具有独特的组织结构，使其具有优异的机械性能。
该合金具有较高的强度和硬度，同时具有良好的延展性和冲击韧性。
此外，该合金还具有良好的耐磨性和抗疲劳性能。
2. 物理性能Al-Cu-Si共晶合金还具有优异的物理性能。
该合金具有较低的密度和良好的导热性能，使其在轻量化和高导热性应用领域具有广阔的应用前景。
此外，该合金还具有良好的电磁屏蔽性能和抗氧化性能。
四、影响共晶合金组织和性能的因素1. 冷却速度定向凝固过程中的冷却速度对Al-Cu-Si共晶合金的组织和性能具有重要影响。
随着冷却速度的增加，合金的晶粒尺寸减小，组织更加致密，从而提高了合金的机械性能和物理性能。
