定向凝固技术的研究进展与应用

第23卷第4期辽宁工学院学报V ol.23　N o.4 2003年8月JOURNAL OF LIAONING INST IT UTE OF TECHNOLOGY A ug.2003定向凝固技术与新材料的进展李青春,王　倩,常国威(辽宁工学院材料与化学工程学院,辽宁锦州　121001)摘　要:新材料的开发、材料潜在性能的挖掘与定向凝固技术已经形成了一个不易分割的有机整体。

在介绍定向凝固原理的基础上,评述了几种新型定向凝固技术,并详述了定向凝固技术对新材料开发的促进作用。

关键词:定向凝固;新材料中图分类号:T G244 文献标识码:A 文章编号:1005-1090(2003)04-0042-04Progress of the Unidirectional SolidificationTechnology and New MaterialLI Qing-chun,WANG Qian,CHANG Guo-w ei(M aterials&Chemical Engineering Col lege,L i aoning Institute of Technology,Jinzhou121001,C hina)Key words:unidirectional solidification;new materialAbstract:It has been an indiscerptible org anic integer to ex plore new material,dig m aterial potential properties and unidirectional solidification technology.On the basis of introducing the theory of unidirectional solidification,several new unidirectional solidification technologies are discussed.The advancing effects of unidirectional solidification technology to the developm ent of new m aterials are stated in detail. 定向凝固方法起初是研究凝固理论,特别是晶体生长方法的手段,人们掌握了控制晶体生长的方法后,由此而开发出了诸如定向单晶、磁性材料、涡轮叶片、自身复合材料等具有特殊性能的新材料,推动了工业的发展。

快速定向凝固技术的研究及发展世界金属导报/2007年/1月/30日/第012版技术专题快速定向凝固技术的研究及发展宋宝来周军定向凝固技术可较好地控制凝固组织晶粒取向，消除横向晶界，获得柱晶或单晶组织，提高材料的纵向力学性能，已成为富有生命力的工业生产手段，代表着航空发动机涡轮叶片生产的现代水平，除用于高温合金的研制外，还逐渐应用到半导体材料、磁性材料、复合材料的研制中，并成为凝固过程理论研究的重要手段之一。

伴随着热流控制技术的发展，定向凝固技术经历了发热剂法(EP)、功率降低法(PD)、高速凝固法(HRS)、液态金属冷却法(LMC)等。

其目的就是通过改变已凝固金属的冷却方式来有效控制单向热流，获得理想的定向凝固组织。

然而，这些方法所能获得的冷却速率都是有限的。

快速凝固技术的发展为提高材料的性能打下良好的基础。

定向凝固技术吸收快速凝固技术的优点，发展成新型快速定向凝固技术，研制出新型高性能材料及功能材料。

本文评述了快速定向凝固技术的研究进展，指出了快速定向凝固技术存在的问题，并介绍了发展的前景。

1.快速凝固技术原理快速凝固技术自1960年由美国的P.Duwez开创以来，由于能极大地改善某些材料的组织和性能，因此得到了迅速发展。

到目前为止，它已从最开始时用于制备快凝薄条等发展到用于制备微晶、准晶以及非晶等，从而成为研制新型材料的又一重要手段和方法。

在快速凝固条件下，可以获得小偏析甚至无偏析的超细化组织以及过饱和固溶体、亚稳相等的事实已广为人知。

要达到这一目的，实际凝固过程有两种：一是可以看成是“动力学”的方法，即急冷凝固技术；二是“静力学”的方法，即大过冷快速凝固技术。

1.1急冷凝固技术急冷凝固技术的核心是提高凝固过程中熔体的冷速，从热传输的基本原理可以知道一个相对环境放热的冷速取决于该系统在单位时间内产生的热量和传出系统的热量，因此对金属凝固而言，提高系统的冷速必须要求：第一，减少单位时间内金属凝固时产生的熔化潜热；第二，提高凝固过程中的传热速度。

定向凝固技术是一种在液态金属加工中广泛应用的技术，它通过控制金属凝固的方向，从而实现高效、高质量的金属零部件制造。

定向凝固技术不仅提高了金属零件的性能，而且减少了生产过程中的能源消耗和废品率，因此越来越受到工业界的关注。

在液态金属加工中，传统的凝固方法往往是随意凝固，导致金属材料无法充分利用，并且容易导致孔洞、偏析等缺陷。

而定向凝固技术则通过对金属凝固过程的精确控制，使得金属材料能够按照预定的方向进行凝固，从而获得更加均匀、致密的金属组织。

定向凝固技术的核心在于控制金属凝固的速度和方向。

通过控制凝固速度，可以使得金属凝固过程中产生的应力最小化，从而减少金属变形和裂纹的风险。

通过控制凝固方向，可以使得金属材料在特定的方向上获得更高的强度和硬度，从而实现更加高效、高质量的金属零件制造。

定向凝固技术通常采用计算机控制系统来实现。

该系统可以通过传感器实时监测金属凝固过程中的温度、压力、流量等参数，并根据这些参数的变化来调整凝固过程。

此外，计算机控制系统还可以通过模拟软件来预测金属凝固过程中的缺陷和问题，从而提前采取措施进行预防和解决。

在实际应用中，定向凝固技术已经广泛应用于航空航天、汽车、电子等领域。

例如，在航空航天领域中，定向凝固技术可以制造出更加轻量化、高强度的金属零部件，从而提高飞行器的性能和效率。

在汽车领域中，定向凝固技术可以制造出更加耐腐蚀、耐高温的金属零部件，从而提高汽车的安全性和使用寿命。

总之，定向凝固技术是一种高效、高质量的液态金属加工技术，它通过控制金属凝固的速度和方向，从而实现更加均匀、致密的金属组织。

该技术已经在多个领域得到广泛应用，并且具有广阔的发展前景。

随着计算机技术和控制技术的发展，定向凝固技术将会更加成熟和完善，为工业界带来更多的效益和价值。

定向凝固技术及其应用1.定向凝固理论基础及方法定向凝固又称定向结晶，是指金属或合金在熔体中定向生长晶体的一种方法。

定向凝固技术是在铸型中建立特定方向的温度梯度，使熔融合金沿着热流相反的方向，按要求的结晶取向进行凝固铸造的工艺。

它能大幅度地提高高温合金综合性能。

定向凝固的目的是为了使铸件获得按一定方向生长的柱状晶或单晶组织。

定向凝固铸件的组织分为柱状、单晶和定向共晶3种。

要得到定向凝固组织需要满足的条件，首先要在开始凝固的部位形成稳定的凝固壳，凝固壳的形成阻止了该部位的型壁晶粒游离，并为柱状晶提供了生长基础，该条件可通过各种激冷措施达到。

其次，要确保凝固壳中的晶粒按既定方向通过择优生长而发展成平行排列的柱状晶组织，同时，为使柱状晶的纵向生长不受限制，并且在其组织中不夹杂有异向晶粒，固液界面前方不应存在生核和晶粒游离现象。

这个条件可通过下述措施来满足：（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生核和长大。

（2）要有足够大的液相温度梯度与固液界面向前推进速度比值以使成分过冷限制在允许的范围内。

同时要减少熔体的非均质生核能力，这样就能避免界面前方的生核现象，提高熔体的纯净度，减少因氧化和吸氧而形成的杂质污染，对已有的有效衬底则通过高温加热或加入其他元素来改变其组成和结构等方法均有助于减少熔体的非均质生核能力。

（3）要避免液态金属的对流。

搅拌和振动，从而阻止界面前方的晶粒游离，对晶粒密度大于液态金属的合金，避免自然对流的最好方法就是自下而上地进行单向结晶。

当然也可以通过安置固定磁场的方法阻止其单向结晶过程中的对流。

从这三个条件我们可以推断，为了实现定向凝固，在工艺技术上必须采取措施避免侧向散热，同时在靠近固液界面的熔体中维持较高的温度梯度。

定向生长理论和它的应用很大程度上取决于先进定向凝固技术。

自从Bridgman和Stockbarger在20世纪20年达提出奠定了现代定向凝固和单晶生长技术基础的Bridgman定向凝固技术，定向凝固就被广泛运用于制备各种结构和功能材料。

定向凝固技术论文定向凝固技术控制了凝固组织的晶粒取向，消除了横向晶界，大大提高了材料的纵向力学性能。

店铺整理了定向凝固技术论文，有兴趣的亲可以来阅读一下!定向凝固技术论文篇一基于定向凝固工艺的高效多晶硅锭制备技术摘要：提高硅片质量是提高太阳电池装换效率的重要途径之一。

文章通过籽晶诱导形核，硅料融化过程中控制籽晶保留高度为20mm，长晶过程中控制固液界面形状和长晶速率来改善硅晶体生长过程，提高晶粒尺寸的均匀性。

研究表明，采用定向凝固技术制备粒径大小均匀多晶硅锭，可使太阳电池的转化效率提高0.3%。

关键词：定向凝固;高效;温度梯度;太阳电池引言硅片质量和电池制备工艺是影响太阳能电池光电转换效率的重要因素，多晶硅片质量的改善很大程度上取决于多晶硅定向凝固技术。

从定向凝固技术的发展来看，最初是研究柱状多晶硅的生长，后来发展到类单晶技术。

类单晶技术在2006年由BPSolar研制成功，需要在坩埚底部平铺一层晶向相同的单晶硅块作籽晶使硅锭晶向与籽晶一致，而在实际生产过程中由于温度梯度和凝固界面的缺陷，使得类单晶边缘出现碎多晶而降低了硅锭产出率[1]。

再后来研究大晶粒技术，即具有显著大尺寸晶粒的多晶硅。

该技术需在初始形核阶段准确控制温度梯度，且对提升电池效率效果不明显而并没有发展起来。

近几年又出现了高效多晶硅锭技术，用该类技术制备的多晶硅片制成太阳电池，其光电转化效率比用普通多晶硅片制成的太阳电池要高0.5%左右。

主要代表产品有赛维LDK高效多晶硅片M2、M3，其高效多晶硅片晶粒较小，位错等缺陷较少，制成的太阳电池平均转换率比用普通工艺高0.3%-0.5%;保利协鑫鑫多晶S2、S3硅片具有碳、氧及金属杂质浓度低、少子寿命高、掺杂分布均匀等特点。

另外还有新日光的A+++硅片、镇江环太硅科技有限公司的高效多晶硅片、台湾中美晶研发出A4+整锭高效多晶硅片效率17.8%等等[2]。

目前该工艺成为高效硅片发展的主要方向。