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连续定向凝固技术研究摘要针对日趋活跃的金属定向凝固技术,阐述定向凝固技术的基本原理,以及其特点。
简要说明了金属定向凝固技术的应用。
介绍了目前金属定向凝固技术在国内外的发展状况,存在的问题及未来的前景。
关键词金属；定向凝固；基本原理；技术特点；应用Continuous Unidirectional Solidification TechnologyZuojinrongAMM, University of Science and Technology Beijing, Beijing 100083, ChinaABSTRACT Directional solidification technology of metal has become ncreasingly act ive.Its basic principle and characteristics are descri bed.Its applications are also overviewed .The development state at home and abroad , problems and future prospects of directional solidification are summ arized.KEY WORDS Metal；directional solidification ；basic principle ；technicalcharacteristic ；application 绪论：金属的凝固，从传热学的角度是液态金属转变为固态的过程；从物理化学、金属学的观点就是结晶，即：形核和生长。
形核过程对金属材料晶粒的大小起着至关重要的作用；晶体生长关系到凝固后微观组织的形态，由于组成金属材料的晶体形态与金属材料的性质有关，如何控制晶体生长已成为控制金属材料性能的重要手段。
凝固组织的控制包括两方面的内容：(l)凝固组织形态的选择(2)控制凝固组织的尺寸、间距。
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。
1连续定向凝固的基本原理
连续定向凝固技术是热型连铸即OCC法发展的高级阶段，也是目前应用较多的单晶连铸方法。
其基本原理与OCC法相似，均是将结晶器的温度保持在熔体的凝固温度以上，绝对避免熔体在型壁上形核，完全消除等轴晶的来源，获得了单向凝固的柱状晶连续铸锭，熔体的凝固只在脱离结晶器的瞬间进行。
随着铸锭不断离开结晶器，熔体的凝固方向沿热流的反方向进行，这种方法最大的特点是改变传统的连续铸造中冷却结晶器为加热结晶器，熔体的凝固不在结晶器内部进行。
其原理见图1。
2连续定向凝固技术的特点
连续定向凝固技术的特点:
(1)在铸型出口端与冷却区之间具有高的温度梯度，型内金属液的热量主要沿拉铸方向单向传输，造成有利于定向凝固的条件，可铸出长度不受限制的单晶和柱状晶铸锭。
(2)铸锭与铸型之间始终存在一层液体膜，铸锭表面在离开铸型出口一小段距离之后才自由凝固，铸锭表面光滑呈镜面状。
金属液在铸型出口处凝固结壳，显著地减小铸件与型壁的磨擦磨损，可铸得表面非常光洁的复杂截面形状的薄壁型材。
因此，OCC技术可以称为一种新型成形技术，可用于制造那些通过塑性加工难以成型的硬脆合金及金属间化合物等线材、板材及复杂管材等。
(3)凸出的固液界面有利于凝固过程中析出的气体及夹杂不断排向液体，不被卷入铸锭，而且不存在补缩困难的问题。
因此，铸锭组织致密，无气孔、缩孔、缩松等铸造缺陷。
有利于后续的冷加工，可以减少甚至消除冷加工过程中的中间退火，节省了能源，提高了生产效率。
(4)凸出的固液界面有利于引晶阶段晶体的竞争生长，易于实现多晶组织向单晶的演化。
但是，由于铸锭在离开铸型时，表面仍呈液体状态，铸锭的成形依靠液膜表面张力与液体金属静压力和重力的平衡，使得该技术在具体的工艺方案及工艺控制上有其特殊性。
3连续定向凝固技术的应用
定向凝固技术的实现，对研发新型金属材料和近成型产品，进一步开发金属材料的潜力起到了积极的推动作用。
目前，世界范围内有多家企业采用该技术开发产品，如日本大阪富士公司制造的连铸单晶镁以及用于弧焊的一系列铝合金线;日本O saka FujiKogyo公司生产的Sn-Bi共晶合金的焊
丝;三井公司开发的各种复杂形状的热型连铸铜管等。
国内也有西北工业大学超晶科技发展有限责任公司、焦作森格高新材料有限责任公司、慧邦科技有限公司和广州协力创壹科技发展有限公司等几家公司，在从事热型连铸制品的开发。
从目前热型连铸的发展状况及技术的特点来看，其制品主要应用在以下几个方面。
3. 1金属单晶材料
定向凝固组织对金属材料冷加工性能的改善是非常显著的，因其消除了横向晶界，减少了位错塞积，使得塑性加工更易进行;且减少加工时在晶界处的断裂，尤其是单晶材料更是不会出现晶界断裂的情况。
因而定向凝固单晶制品可以加工成超细丝和超薄箔，在集成电路、大型计算机以及电子仪器等领域有很广阔的应用前景，且因其晶界减少，也大大降低了对信号的损耗，因此也是高保真音响设备所需的高新材料。
3. 2特种焊接材料
热型连铸技术制得的含钴Stellite合金焊条，可完全消除气孔、夹杂、缩孔淞得内部缺陷，且表面质量良好。
同时，热型连铸焊条的生产效率高于挤压焊条的生产效率。
3. 3复杂界面的薄壁型材、管材
由于热型连铸型内金属呈液态，与型壁无摩擦力，因而有可能拉铸截面形状复杂、壁厚很薄的铸件。
例如拥有内外翅片、双层壁和多通道特征的铜管。
3. 4其他方法难以加工的型材
上世纪90年代初，热型连铸技术的应用研究开始向高合金高熔点材料发展，OCC研究中心和O saka Fuji Kogyc)公司进行了钻基合金棒材和板材的试验研究，同时也进行了Ni-Ti、Ni-Al合金和纯Si的连铸试验。
热型连铸技术能改善金属的性能、提高难加工材料的塑性加工性能，如Mn、Sn-Zn等;还能改善产品的抗疲劳性能。
3.5金属包铸复合材料
目前，利用双金属连铸装置已经成功连铸出Sn包铸Sn–Pb、Sn-Bi、Sn-Zn共晶管材和线材，AL包覆Al-Cu共晶管材以及SiC增强AL基复合材料棒材和线材，并对其工艺过程进行了研究。
同时，采用OCC法已成功用Sn和铝合金包铸光纤，金属包铸光纤克服了不锈钢套保护光纤费用高、施工不便的缺点。
4结束语
单晶连铸定向凝固技术在国外发达国家研究起步较早，也较为活跃，而国内则落后许多。
目前还很难实现市场上的广泛应用，其主要是连铸工艺参数的制定及控制方面欠缺，难以实现单晶连续稳定的生产。
今后还要展开更深入的研究，针对连铸工艺参数对凝固方式、固液界面位置和形状、晶体生长方式的影响;单晶组织演化机制;各。
