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第1篇一、实验目的本次实验旨在研究定向凝固技术在金属材料制备中的应用，通过对单晶高温合金的定向凝固实验，探讨重力对合金凝固过程的影响，揭示合金凝固缺陷的形成机理，为航空发动机和燃气轮机叶片等关键部件的材料制备提供理论依据。
二、实验材料与设备1. 实验材料- 铝硅合金样品：由中国科学院金属研究所提供，用于定向凝固实验。
- 单晶高温合金样品：由中国科学院金属研究所提供，用于地面重力条件下的对照实验。
2. 实验设备- 定向凝固炉：用于在空间站内进行定向凝固实验。
- 显微镜：用于观察和分析样品的微观结构。
- X射线衍射仪：用于分析样品的晶体结构。
- 电子探针微分析（EPMA）：用于分析样品的化学成分。
三、实验方法1. 空间站定向凝固实验- 将铝硅合金样品放入定向凝固炉中，设置合适的温度梯度，进行定向凝固实验。
- 实验过程中，通过实时监测样品的温度、压力等参数，确保实验过程的顺利进行。
2. 地面重力条件下的对照实验- 将单晶高温合金样品放入定向凝固炉中，在地面重力条件下进行定向凝固实验。
- 实验过程与空间站实验相同，但需注意控制实验过程中的重力影响。
3. 样品分析与比较- 将空间站实验样品和地面对照实验样品分别进行微观结构、晶体结构和化学成分分析。
- 通过对比分析，探讨重力对合金凝固过程的影响，揭示合金凝固缺陷的形成机理。
四、实验结果与分析1. 微观结构分析- 空间站实验样品的微观结构显示，气泡表面较少，内部气泡较多。
- 地面对照实验样品的微观结构显示，气泡表面较多，内部气泡较少。
2. 晶体结构分析- 空间站实验样品的晶体结构与地面对照实验样品相似，但空间站实验样品的晶粒尺寸略大。
3. 化学成分分析- 空间站实验样品和地面对照实验样品的化学成分基本一致。
五、结论与讨论1. 结论- 重力对合金定向凝固过程有显著影响，导致空间站实验样品的气泡分布与地面对照实验样品存在差异。
- 通过对比分析，揭示了重力在合金凝固过程中的作用机理，为解决合金凝固缺陷问题提供了理论依据。
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：GL/v和GL·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。
定向凝固技术的发展与应用定向凝固技术的发展与应用摘要：定向凝固技术是指利用一定的设备，在一定的工艺条件下使材料的组织具有特殊取向从而获得优异性能的工艺过程。
定向凝固技术是伴随着高温合金的发展而逐步发展起来的。
本文综述了定向凝固技术的定向凝固理论，对比分析了不同定向凝固方法的优缺点，并从四个方面论述了提高温度梯度的途径，最后对定向凝固技术的发展及应用前景做了展望。
关键词：定向凝固；工艺特点；温度梯度；应用1.引言凝固是材料制备与加工的重要手段之一，先进的凝固技术为先进材料开发与利用提供了技术条件。
凝固过程中包含了热量、质量和动量的传输过程，它们决定了材料凝固组织和成分分布，进而影响材料性能。
近20年中，不仅开发出许多先进凝固技术，也丰富和发展了凝固理论。
其中，先进凝固技术主要集中于如下几种类型：定向凝固、快速凝固与近快速凝固技术、外加物理场（压力场、电磁场、超重力或微重力场）中的凝固技术以及强制流动条件下的凝固技术等。
定向凝固技术是对金属材料进行凝固过程进行研究的重要手段之一，可用于模拟合金的凝固过程，制备高质量航空发动机定向和单晶叶片等。
同时，也是研究固液界面形态及凝固组织行之有效的技术手段。
定向凝固技术的出现是涡轮叶片发展过程中的一次重大变革。
铸造高温合金叶片的制造工艺经历了从等轴晶铸造到定向单晶凝固的发展过程，不仅在晶粒结构的控制上取得了很大进展，而且铸造性能也有了很大提高，常规的铸造高温合金尽管有较高的耐温能力，但材料的中温蠕变强度较低。
定向凝固技术能够使晶粒定向排列，在垂直于应力方向没有晶界，同时由于沿晶粒生长的（001）方向具有最低的弹性模量，这样将大大降低叶片工作时因温度不均匀所造成的热应力，因此使蠕变断裂寿命和热疲劳强度得到很大提高，如DS Mar-M200+Hf比等轴晶合金热疲劳性能提高了8倍。
此后，随着各种定向凝固技术的不断发展，固液界面前沿的温度梯度不断增大、冷却速率逐渐提高，定向生产的叶片综合性能也日益提高。
定向凝固技术的研究进展Ξ杨 森 黄卫东 林 鑫 周尧和(西北工业大学)摘 要:详细地评述了传统定向凝固技术的发展过程和存在的问题,介绍了几种新近发展起来的新型定向凝固技术,并指出了今后发展的方向。
关键词:定向凝固;电磁约束成形;深过冷;激光快速凝固中图分类号:O 782+19 文献标识码:A 文章编号:1004-244X (2000)02-0044-06材料的使用性能是由其组织形态来决定的。
因此,包括成分调整在内,人们通过控制材料的制备过程以获得理想的组织从而使材料具有所希望的使用性能,控制凝固过程已成为提高传统材料的性能和开发新材料的重要途径。
定向凝固技术由于能得到一些具有特殊取向的组织和优异性能的材料,因而自它诞生以来得到了迅速的发展〔1〕,目前已广泛地应用于半导体材料、磁性材料以及自身复合材料的生产〔2～3〕。
同时,由于定向凝固技术的出现,也为凝固理论的研究和发展提供了实验基础(由于理论处理过程的简单化),因为在定向凝固过程中温度梯度和凝固速率这两个重要的凝固参数能够独立变化,从而可以分别研究它们对凝固过程的影响。
此外,定向凝固组织非常规则,便于准确测量其形态和尺度特征。
本文评述了定向凝固技术的发展过程及其在材料的研究和制备过程中的应用,指出了传统定向凝固技术存在的问题和不足,并介绍了在此基础上新近发展起来的新型定向凝固技术及其应用前景。
1 传统的定向凝固技术 111 炉外结晶法(发热铸型法)〔4〕所谓的炉外结晶法就是将熔化好的金属液浇入一侧壁绝热,底部冷却,顶部覆盖发热剂的铸型中,在金属液和已凝固金属中建立起一个自上而下的温度梯度,使铸件自上而下进行凝固,实现单向凝固。
这种方法由于所能获得的温度梯度不大,并且很难控制,致使凝固组织粗大,铸件性能差,因此,该法不适于大型、优质铸件的生产。
但其工艺简单、成本低,可用于制造小批量零件。
112 炉内结晶法炉内结晶法指凝固是在保温炉内完成,具体工艺方法有:第23卷 第2期2000年 3月 兵器材料科学与工程ORDNANCE MA TER I AL SC IENCE AND EN G I N EER I N G V o l .23 N o.2 M ar . 2000Ξ收稿日期:1999-03-26基金项目:国家自然科学基金资助项目:59771054作者简介:杨森,博士,西北工业大学凝固技术国家重点实验室,西安,710072 11211 功率降低法(PD 法)〔5〕将保温炉的加热器分成几组,保温炉是分段加热的。
当熔融的金属液置于保温炉内后,在从底部对铸件冷却的同时,自下而上顺序关闭加热器,金属则自下而上逐渐凝固,从而在铸件中实现定向凝固。
通过选择合适的加热器件,可以获得较大的冷却速度,但是在凝固过程中温度梯度是逐渐减小的,致使所能允许获得的柱状晶区较短,且组织也不够理想。
加之设备相对复杂,且能耗大,限制了该方法的应用。
11212 快速凝固法(HR S )〔6〕为了改善功率降低法在加热器关闭后,冷却速度慢的缺点,在B ridgm an 晶体生长技术的基础上发展成了一种新的定向凝固技术,即快速凝固法。
该方法的特点是铸件以一定的速度从炉中移出或炉子移离铸件,采用空冷的方式,而且炉子保持加热状态。
这种方法由于避免了炉膛的影响,且利用空气冷却,因而获得了较高的温度梯度和冷却速度,所获得的柱状晶间距较长,组织细密挺直,且较均匀,使铸件的性能得以提高,在生产中有一定的应用。
11213 液态金属冷却法(LM C )〔7〕HR S 法是由辐射换热来冷却的,所能获得的温度梯度和冷却速度都很有限。
为了获得更高的温度梯度和生长速度,在HR S 法的基础上,将抽拉出的铸件部分浸入具有高导热系数的高沸点、低熔点、热容量大的液态金属中,形成了一种新的定向凝固技术,即LM C 法。
这种方法提高了铸件的冷却速度和固液界面的温度梯度,而且在较大的生长速度范围内可使界面前沿的温度梯度保持稳定,结晶在相对稳态下进行,能得到比较长的单向柱晶。
常用的液态金属有Ga 2In 合金和Ga 2In 2Sn 合金,以及Sn 液,前二者熔点低,但价格昂贵,因此只适于在实验室条件下使用。
Sn 液熔点稍高(232℃),但由于价格相对比较便宜,冷却效果也比较好,因而适于工业应用。
该法已被美国、前苏联等国用于航空发动机叶片的生产〔8〕。
113 传统定向凝固技术存在的问题不论是炉外法,还是炉内法,也不论是功率降低法,还是快速凝固法,它们的主要缺点是冷却速度太慢,即使是液态金属冷却法,其冷却速度仍不够高,这样产生的一个弊端就是使得凝固组织有充分的时间长大、粗化,以致产生严重的枝晶偏析,限制了材料性能的提高。
造成冷却速度慢的主要原因是凝固界面与液相中最高温度面距离太远,固液界面并不处于最佳位置,因此所获得的温度梯度不大,这样为了保证界面前液相中没有稳定的结晶核心的形成,所能允许的最大凝固速度就有限。
表1为不同定向凝固方法的主要冶金参数。
表1 不同定向凝固方法的主要冶金参数项目PD 法HR S 法LM C 法温度梯度 (K c m )7～1126～3073～103生长速度 (c m h )8～1223～2753～61冷却速度 (K h )907004700局域凝固时间 m in 85～888～12112～11654第2期 杨 森等:定向凝固技术的研究进展64兵器材料科学与工程 第23卷为了进一步细化材料的组织结构,减轻甚至消除元素的微观偏析,有效地提高材料的性能,就需提高凝固过程的冷却速率。
在定向凝固技术中,冷却速率的提高,可以通过提高凝固过程中固液界面的温度梯度和生长速率来实现。
因而如何采用新工艺、新方法去实现高温度梯度和大生长速率的定向凝固,是当今众多研究者追求的目标。
2 新型定向凝固技术 211 Z MLM C法〔9,10〕李建国等通过改变加热方式,在LM C法的基础上发展了一种新型定向凝固技术-区域熔化液态金属冷却法,即Z M LM C法。
该方法将区域熔化与液态金属冷却相结合,利用感应加热集中对凝固界面前沿液相进行加热,从而有效地提高了固液界面前沿的温度梯度。
他们研制的Z M LM C定向凝固装置,最高温度梯度可达1300K c m,最大冷却速度可达50K s。
采用该装置在N i2Cu、A l2Cu合金系的工作,发现了高速枝胞转变现象,据此提出了高速枝胞转变的时空模型。
K5、K10以及NA SA I R100高温合金的定向凝固实验结果表明:在高温度梯度条件下,可得到一次枝晶间距仅为24Λm的超细柱晶,与传统定向凝固相比,枝晶组织细化5～10倍以上,枝晶间元素偏析比趋于1。
对性能的测试表明:高温度梯度使铸造NA SA I R100单晶的持久寿命提高7倍,使K5、K10高温合金1073k 18%,寿命提高300%,断面收缩率分别提高420%和270%。
采用Z M LM C 方法制备T b2D y2Fe磁致伸缩材料,在8×104A m磁场下,磁致伸缩系数达10-3以上,压应力下的饱和磁致伸缩系数达117×10-3,比采用其它方法制备的同一材料的性能高得多。
由此可见,高温度梯度定向凝固技术在现代凝固理论特别是高性能材料制备中已经发挥了重要作用。
212 深过冷定向凝固(D UD S)〔11,12〕过冷熔体中的定向凝固首先由B1L ux等在1981年提出,其基本原理是将盛有金属液的坩埚置于一激冷基座上,在金属液被动力学过冷的同时,金属液内建立起一个自下而上的温度梯度,冷却过程中温度最低的底部先形核,晶体自下而上生长,形成定向排列的树枝晶骨架,其间是残余的金属液。
在随后的冷却过程中,这些金属液依靠向外界散热而向已有的枝晶骨架上凝固,最终获得了定向凝固组织。
与传统定向凝固工艺相比,深过冷定向凝固法具有下述特点:(1)铸件和炉子间无相对运动,省去了复杂的传动和控制装置,大大降低了设备要求;(2)凝固过程中热量散失快,铸件生产率高。
传统的定向凝固技术是一端加热,一端冷却,需要导出的热量不仅包括结晶潜热和熔体的过热热量,还要导出加热炉不断传输该铸件热端的热量,且传热过程严格限制在一维方向,故生产率极低。
在深过冷定向凝固中,导出的热量只包括结晶潜热和熔体的过热热量,而且铸件的散热可在三维方向进行,故铸件的生产周期短;(3)更重要的是,定向凝固组织形成过程中的晶体生产速度高,组织结构细小,微观成分偏析程度低,促使铸件的各种力学性能大幅度提高。
如用深过冷定向凝固法生产的M A R2M2200叶片,其常温极限抗拉强度提高14%,高温极限抗拉强度提高40%,抗高温蠕变能力也得到了改善。
213 电磁约束成形定向凝固技术(D SE M S )〔13〕电磁约束成形定向凝固技术是将电磁约束成形技术与定向凝固技术相结合而产生的一种新型定向凝固技术。
该技术利用电磁感应加热熔化感应器内的金属材料,并利用在金属熔体表层部分产生的电磁压力来约束已熔化的金属熔体成形。
同时,冷却介质与铸件表面直接接触,增强了铸件固相的冷却能力,在固液界面附近熔体内可以产生很高的温度梯度,使凝固组织超细化,显著提高铸件的表面质量和内在综合性能。
而工业上广泛应用的LM C 法,由于是采用熔模精铸型壳使合金凝固成形的,粗厚、导热性能差的陶瓷模壳一方面严重降低了合金熔体中的温度梯度和凝固速度,另一方面模壳在高温下对铸件产生污染,降低了材料的性能。
Z M LM C 法只限于实验室研究使用,无法实现工业化。
因此,电磁约束成形定向凝固工艺将成为一种很有竞争力的定向凝固技术。
但该技术涉及电磁流体力学、冶金、凝固以及自动控制等多学科领域,目前还处于研究阶段。
214 激光超高温度梯度快速定向凝固〔14～17〕自七十年代大功率激光器问世以来,在材料的加工和制备过程中得到了广泛的应用。
在激光表面快速熔凝时,凝固界面的温度梯度可高达5×104K c m ,凝固速度高达数米每秒。
但一般的激光表面熔凝过程并不是定向凝固,因为熔池内部局部温度梯度和凝固速度是不断变化的,且两者都不能独立控制;同时,凝固组织是从基体外延生长的,界面上不同位置的生长方向也不相同。
然而,激光能量高度集中的特性,使它具备了在作为定向凝固热源时可能获得比现有定向凝固方法高得多的温度梯度的可能性。
早在七十年代,C line 等就利用90W c w N d ∶YA G 激光器作为热源来定向凝固制作A l 2A l 2Cu 、Pd 2Cd 共晶薄膜,得到了规则的层片状共晶组织,通过计算得到凝固时的温度梯度分别可达214×104K c m 和111×104K c m 。
本课题组对这种可能性已经进行了初步的探索,发现激光定向凝固确实是可行的,而且能够获得比常规定向凝固包括Z M LM C 技术高得多的温度梯度和凝固速率。
