定向凝固和单晶制备技术62页PPT

❖ 知识就是财富 ❖ 丰富你的人生
71、既然我已经踏上这条道路，那么，任何东西都不应妨碍我沿着这条路走下去。——康德 72、家庭成为快乐的种子在外也不致成为障碍物但在旅行之际却是夜间的伴侣。——西塞罗 73、坚持意志伟大的事业需要始终不渝的精神。——伏尔泰 74、路漫漫其修道远，吾将上下而求索。——屈原 75、内外相应，言行相称。——韩非
定向凝固及其应用PPT资料44页
31、园日涉以成趣，门虽设而常关。 32、鼓Байду номын сангаас无所思。朝起暮归眠。 33、倾壶绝余沥，窥灶不见烟。
34、春秋满四泽，夏云多奇峰，秋月 扬明辉 ，冬岭 秀孤松 。 35、丈夫志四海，我愿不知老。
谢谢你的阅读

形成柱状晶的基本条件： 热流方向定向 定向散热
（பைடு நூலகம்）单晶生长
1、单晶体的特点 （1）晶体和熔体成分相同 （2）晶体和熔体成分不同 （3）有第二相或出现共晶相的晶体
2、单晶体的制备方法
坩埚移动 晶体提拉 炉体移动 制备方法 区熔法
正常凝固法
水平区熔法
悬浮区熔法
(1)正常凝固法 坩埚下降法，从熔体中生长晶体的方法。 通常，坩埚在结晶炉中下降，通过温度梯 度较大的区域时，熔体在坩埚中自下而上 结晶为整块晶体。这个过程也可以用结晶 炉沿着坩埚上升，或者坩埚和结晶炉都不 动通过结晶炉缓慢降温来实现
（三）定向凝固合金的力学行为
1、弹性各向异性 2、塑性各向异性 3、蠕变特性 4、循环形变 5、断裂
第三节 非重力凝固
失重条件（也称微重力条件）的凝固与重力 条件下完全不同，如无容器条件下的形核以 及由温度梯度（或密度梯度）引起的对流等， 使得不同成分的液体能够长时间共存，因此 可以减少沿凝固方向的成分偏析，还可以利 用微重力条件制备难混熔偏晶合金。
晶体提拉法
这是一种直接从熔体中拉出单晶的 方法。熔体置柑塌中，籽晶固定于 可以旋转和升降的提拉杆上。降低 提拉杆，将籽晶插入熔体，调节温 度使籽晶生长。提升提拉杆，使晶 体一面生长，一面被慢慢地拉出来。 这是从熔体中生长晶体常用的方法。 用此法可以拉出多种晶体，如单晶 硅、白钨矿、钇铝榴石和均匀透明 的红宝石等。
优点： 1）可观察晶体生长情况 2）晶体在自由表面处生长，减少晶体的应力， 防止寄生生核。 3）可以以较快的速度生长，晶体直径可控
（2）区熔法
水平区熔法 悬浮区熔法 悬浮区熔法是在20世纪50年代提出 并很快被应用到晶体制备技术中。 在悬浮区熔法中，使圆柱形硅棒固 定于垂直方向，用高频感应线圈在 氩气气氛中加热，使棒的底部和在 其下部靠近的同轴固定的单晶籽晶 间形成熔滴，这两个棒朝相反方向 旋转。然后将在多晶棒与籽晶间只 靠表面张力形成的熔区沿棒长逐步 向上移动，将其转换成单晶。

采用定向凝固技 术生产的高温合金 基本上消除了垂直 于应力轴的横向晶 界，并以其独特的 平行于零件主应力 轴择优生长的柱晶 组织以及其优异的 力学性能而获得长 足发展。
4、磁性材料
稀土超磁致伸缩材料RFe(R-Tb、Dy)作为一种电-磁-机械能量或信 息转换的新型功能材料，从20世纪70年代以来得到了迅速发展，它具有 很高的磁致伸缩值(1500~2000×10 )和能量密度(14000~25000J／m )，而 且还具有低频响应速度快、机电耦舍系数大等特点，故在大功率声纳换 能器、磁弹性波器件、液压阀门控制、精密加工徽定位、精度高速线性 马达、伺服系统和特殊兵器等高新技术领域展示出广阔的应用前景。对 于Tb-Dy-Fe材料，人们一直希望得到具有<111>方向择优取向的样品。 通过改变材料的定向凝固条件、控制材料的取向度、以及对材料进行热 处理消除晶界提高材料磁致伸缩性能。
(4)激光超高温梯度快速凝固
利用激光器作为热源来实现定向凝固。 激光具有能量高度集中的特性，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。利用激光表面熔凝技术实现 超高温度梯度快速定向凝固的关键在于：在激光熔池内获得与激光扫 描方向一致的温度梯度；根据合金凝固特性选择适当的工艺参数以获 得胞晶组织。
定向凝固过程工艺参数分别为： 合金熔融温度1450℃，温度梯度140℃/cm，牵引速度0.5-0.8 mm/min。
2、柱状晶生长
控制热流方向和温度梯度。
3、高温合金制备
定向凝固制备Fe-Cr-C过共晶原位生长复合材料
高铬铸铁是一种优良的耐磨材料，普通条件下凝固的高铬铸铁碳 化物呈网状，在实际磨损中往往会因为碳化物脆裂或折断而失效。 为此，通过定向凝固的方法，使碳化物纤维定向排列，即将Fe-C-Cr 合金制备成碳化物呈定向分布的原位生长复合材料，使高硬度的碳 化物垂直于磨面的方向定向生长，可以显著提高其性能。

西北工业大学李建国等人通过改变加热方式，在液态
金属冷却法（LMΒιβλιοθήκη 法）的基础上发展的一种新型定向凝固 技术—区域熔化液态金属冷却法，即ZMLMC法。
33
这种方法将区域熔炼与液态金属冷却相结合，利用
感应加热机中队了凝固洁面前沿液相进行加热，从而有
效地提高了固液前沿的温度梯度。西北工业大些研制的 ZMLMC定向凝固装置，其最高温度梯度可达1300K/cm,最
34
1.试样 2.感应圈 3.隔热板 4.冷却水 5.液态金属 6.拉锭机构 7.熔区 8.坩埚 超高温度梯度定向凝固装置图
35
电磁约束成形定向凝固（DSEMS）
在ZMLMC法基础上，凝固剂属国家重点实验室提出并 探索研究了近十年的电磁约束成形定向凝固技术。该技 术是将电磁约束成型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。利用电磁感应加热熔化感应 器内的金属材料，并利用在金属熔体部分产生的电磁压 力来约束已熔化的金属熔体成形，获得特定形状铸件的 无坩埚熔炼、无铸型、无污染定向凝固成形。 由于电磁约束成形定向凝固取消了粗厚、导热性能 查的陶瓷模壳、实现无接触铸造，使冷却介质可以直接 作用于金属铸件上，可获得更大的温度梯度，用于生产 无（少）偏析、组织超细化、无污染的高纯难熔金属及 合金，具有广阔的应用前景。
图 2 光学晶体CaF2 (左1:φ220×150mm).
金属单晶具有特殊的力学物理性能
2、 定向凝固原理
—如何实现定向凝固？
10
合金固溶体凝固时的晶体生长形态 a) 不同的成分过冷情况
b) 无成分过冷
C) 窄成分过冷区间
平面晶
胞状晶
d) 成分过冷区间较宽 柱状树枝晶 e) 宽成分过冷 内部等轴晶

5.1 定向凝固旳发展历史 5.2 定向凝固基本原理 5.3 定向凝固工艺 5.4 应用实例
Your company slogan
5.1定向凝固旳发展历史
定向凝固过程旳理论研究旳出现是在 1953年，那是Charlmers及其他旳同事们 在定向凝固措施考察液/固界面形态演绎旳 基础上提出了被人们称之为定量凝固科学 旳里程碑旳成份过冷理论。
而当界面前沿存在成份过冷时，界面前沿 因为不稳定原因而形成旳凸起会因为处于过 冷区而发展，平界面失稳，造成树枝晶旳形 成。
Your company slogan
成份过冷理论提供了判断液固界面 稳定性旳第一种简要而合用旳判据，对 平界面稳定性，甚至胞晶和枝晶形态稳 定性都能够很好地做出定性地解释。
Your company slogan
Your company slogan
1、成份过冷理论
纯金属旳凝固过程
在正旳温度梯度下，固液界面 前沿液体几乎没有过冷，固液 界面以平面方式向前推动，即 晶体以平面方式向前生长。
在负旳温度梯度下， 界面前方旳液体强烈过冷， 晶体以树枝晶方式生长。
Your company slogan
成份过冷理论能成功旳鉴定低速生长条件下 无偏析特征旳平面凝固，防止胞晶或枝晶旳生 长。
Your company slogan
单晶在生长过程中绝对要防止固—液界面不稳定 而生出晶胞或柱晶。故而固—液界面前沿不允许有 温度过冷或成份过冷。固液界面前沿旳熔体应处于 过热状态，结晶过程旳潜热只能经过生长着旳晶体 导出。定向凝固满足上述热传播旳要求，只要恰当 旳控制固—液界面前沿熔体旳温度和速率，是能够 得到高质量旳单晶体旳。
但是这一判据本身还有某些矛盾，如：
成份过冷理论把平衡热力学应用到非平衡动力学过程中，必然带 有很大旳近似性;

定向凝固技术能够减少 材料浪费，降低生产成
本。
该技术适用于多种材料， 如金属、陶瓷等，具有
广泛的适用性。
挑战
技术门槛高
定向凝固技术需要专业的设备和熟练的操作 人员，增加了技术门槛。
成本高
由于需要高精度的设备和专业的操作人员， 导致定向凝固技术的成本较高。
生产周期长
由于定向凝固技术的生产过程较为复杂，导 致生产周期相对较长。
降低能耗和减少废弃物排放，推动定向凝固技术的可持续发展。
03
跨学科融合
定向凝固技术涉及到材料科学、物理学、化学等多个学科领域，未来将
加强跨学科的交流与合作，促进定向凝固技术的创新发展。
05
定向凝固技术的前沿研究与最新进展
前沿研究
定向凝固技术的基本原理
定向凝固技术是一种先进的金属材料制备技术，通过控制金属材料的凝固过程，实现材料 的定向生长和组织控制。目前，研究者正在深入研究定向凝固技术的基本原理，包括凝固 过程中的传热、传质和流动等机制，以期进一步优化材料的性能。
特点
可制备单向组织材料， 可实现材料的轻量化、 具有优异的力学性能。 小型化和高效化。
可用于制备高性能的 金属基复合材料和陶 瓷基复合材料。
发展历程
01
02
03
04
20世纪50年代
定向凝固技术初步发展，主要 应用于制备单晶材料。
20世纪60年代
定向凝固技术逐渐成熟，开始 应用于航空航天领域。
20世纪70年代
定向凝固技术的工业应用
随着技术的成熟和进步，定向凝固技术已经逐渐从实验室走向工业化应用。目前，定向凝固技术已经在 汽车、航空航天、能源和轨道交通等领域得到广泛应用，为现代工业的发展提供了重要的技术支持。

工艺比较
工艺比较
几种新型定向凝固技术
区域熔化液态金属冷却法 超高梯度定向凝固技术(ZMLMC) 深过冷定向凝固技术 电磁约束成形定向凝固技术 激光超高温度梯度快速定向凝固技术
区域熔化液态金属冷却法(ZMLMC)
ZMLMC法是采用区域熔化和液态金属 冷却相结合的方法。它利用感应加热,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。由于冷 却速率明显提高,导致凝固组织细化,大幅 度提高了合金的力学性能。
与传统定向凝固相比,深过冷定向凝固 有下述特点: (1)深过冷凝固与快淬急冷液态金属具 有相似的凝固机制,本质上均属快速凝固。 (2)定向凝固组织形成过程中的晶体 生长速度高,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。目前,深过冷的研究还局限于纯金属或 简单的二元合金,如何获得具有一定外形的 零件是关系到该技术能否实用化的主要问 题。
第7章 定向凝固技术
定向凝固技术
定向凝固技术的特点
定向凝固设备与方法
定向凝固中温度场分布
定向凝固中浓度场分布 定向凝固界面稳定性
定向凝固技术的发展
从七十年代后期开始,与能源相关的设备, 如核电站设备、压力容器等的需求量增加,相 应地用于这些设备的大型板类件激增。这些板 类件不仅趋于大重量、超厚度,而且对疏松、 偏析、非金属夹杂物的要求极为严格,甚至还 要求有较好锻造性能和焊接性能。这些苛刻的 要求对普通锭生产工艺提出了挑战。 正是在上述背景下,法国和日本在七十年 代末相继提出了小高径比、高冷却强度的定向 凝固锭技术。
液态金பைடு நூலகம்冷却法
影响因素： 冷却剂的温度 模壳传热性、厚度和形状 挡板位置 熔液温度 液态金属冷却剂的选择条件： 有低的蒸气压，可在真空中使用 熔点低，热容量大，热导率高 不溶解在合金中 价格便宜

1
V
DL
k0
V
e DL
1 k0
图5-6 Pb-Sn 单相合金界面形态与凝固工艺常数之间的关系
在许多情况下，平凝固界面失稳并不是随机出现的，
而是出现在界面的缺陷处，而沟槽的稳定性同样可以借助 于成分过冷判据进行分析，获得的沟槽稳定性的条件为：
GS mL (1 k0 )Ci
V
DL
由于金属材料不透明，所以难以直接观察界面失稳的过程， 但我们可以利用透明有机物来模拟金属凝固界面形态演化， 获得所需的信息。对于界面形态是否稳定，我们可以在界 面前沿加以微小干扰，如果干扰随凝固时间增长趋于消失， 我们说该界面是稳定的；如果界面上的干扰随凝固时间增 长越来越大，我们说该界面是不稳定的。
第5章 凝固界面稳定性分析
为了深刻理解凝固组织的形成原因，必须要了解和 掌握凝固科学中两个重要的凝固界面形态稳定性理 论，一是成分过冷理论；二是Mullins-Sekerka理 论(MS理论)。本章将系统地讨论它们在凝固科学所 起的作用及其应用。
§5.1 纯物质的界面稳定性
5.1.1 界面稳定性分析方法―扰动法
成分过冷区的过冷度及其极值
T TL Tq
Tq Ti GL z
TL
(z)

Tm

mLC0 [1
1 k0 k0
exp(
Vz D
)]
Ti Tm mLC0 / k0
T

mLC0 (1
1 k
)

mL
C0 (1 k0
k0 )
exp(
Vz DL
)
GL z
Tmax
图5-4 干扰波长与振幅增长率ak之间的关系

各种结晶形态
等轴晶
柱状晶
柱状晶
单晶
基本原理
铸件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，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-液界面的熔 液中应造成较大的温度梯度。这是保证定向柱晶和单 晶生长挺直，取向正确的基本要素。以提高合金中的 温度梯度为出发点，定向凝固技术已由功率降低法、 快速凝固法发展到液态金属冷却法。
液态金属冷却法（LMC法）常用的金属
常用的液态金属有Ga—In合金和Ga—In—Sn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。
单晶、定向凝固工艺
由于单晶、定向铸件与等轴晶铸件凝固方式的不同，故铸 件整个技术要求、工艺方案、生产过程、过程控制和检验 内容也与等轴晶要求不同。 以下就不同之处和关键点按工序过程进行讲解。
2 功率降低法（PD法）
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。
4 液态金属冷却法（LMC法）
HRS法是由水换热来冷却的，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HRS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LMC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。