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。根据这两个基本要求，并针对常规铸造凝固时熔体在体积很大的铸模中同时凝固、热量不易迅速传出和固态淬火时主要通过对流传热，因而冷速不高等问题，急冷凝固技术的基本原理是设法减小同一时刻凝固的熔体体积并减小熔体体积与其散热表面积之比，并设法减小熔体与热传导性能很好的冷却介质的界面热阻以及主要通过传导的方式散热。采用急冷的方法可以分为模冷技术、雾化技术、表面熔化与沉积技术三类。
1.2大过冷凝固技术
大过冷快速凝固技术的核心是在熔体中设法消除可以作为非均匀形核媒质的杂质或容器的影响，创造尽可能均匀形核的条件，从而在形核前获得很大的过冷度。通常在熔体凝固过程中促进非均匀形核的形核媒质主要来自熔体内部和容器壁，因此大过冷技术就是主要从这二个方面设法消除形核媒质。采用大过冷快速凝固技术的具体方法大致分为两类。一类是熔滴弥散法，即在细小熔滴中达到大凝固过冷度的方法，包括乳化法、熔滴水成冰(基底法)和落管法等。另一类是在较大体积熔体中获得大的凝固过冷度的方法，包括玻璃体包裹法、二相区法和电磁悬浮熔化法等。
2.快速定向凝固固液界面稳定性理论
Chalmers等在成分过冷理论中指出，定向凝固过程中固液界面形态由G1／R值决定，当G1／Rφ△T0／D1时，为平面状界面；当G1／R值逐渐减小时，平界面失稳，逐渐发展为胞状至树
枝状和等轴晶。上式中：G1为固液界面前沿液相中的温度梯度，R为凝固速度，△T0为结晶温度间隔，D1液相扩散系数。快速凝固新领域的出现，发现上述理论已不能适用。因为快速凝固时，R值很大，按成分过冷理论G1／R值愈来愈小，更应出现树枝晶，但实际情况是快速凝固后，固液界面反而稳定起来产生无特征无偏析的组织，得到成分均匀的材料。
鉴于成分过冷理论存在不足，Mulins和Sekerka提出一个考虑了溶质浓度场、固液界面能以及界面动力学的新理论－MS稳定性理论。MS稳定性理论预言，在高速凝固时，固液界面将恢复平面状生长，即达到所谓的绝对稳定性。但该理论未能给出在低速下平面状失稳得到胞晶进而得到树枝晶后至绝对稳定性这一广阔区间内界面形态的转变过程。Boettinger等通过激光表面处理得到了带状组织，这实际是达到绝对稳定性之前所出现的一种振荡不稳定现象。李建国等在自行研制ZMLMC装置上得到了高速凝固时超细的胞状组织，并实现了树枝状至超细状转变的实验结果。综上所述，G1一定时，随着R的增大。
马东等通过理论分析预测，当G1φGα(Gα＝△T20／3K0(1+K0)Г)时，无论生长速度如何，平界面都是稳定的，但是有待于实验的证明。
在快速凝固过程中，如果已知凝固过冷度△T，可以根据经验公式：R＝A(△T)2求出R，式中A是与合金成分有关的常数。如果假设凝固长大动力学过程近似是线性的，则上式还可以近似为R＝m(△T)。
由上述可知，得到快速定向凝固速度的方法有两种：(1)提高固液界面的温度梯度，结合快速定向凝固技术提出了激光超高温度梯度快速定向凝固。(2)提高过冷度来提高凝固速率。在快速定向凝固的基础上发展出深过冷熔体激发快速定向凝固。
3.激光超高温度梯度快速定向凝固法
自70年代大功率激光器问世以来，在材料的加工制备过程中得到了广泛的应用。在激光表面快速凝固时，凝固界面的温度梯度可高达106K／m，凝固速度高达每秒数米。但一般的激光表面快速熔凝过程与Bridgman法定向凝固不同。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作为定向凝固热源时可能获得比现有方法高得的多的温度梯度的可能性。早在70年代，Cline等就利用90W CWNd：YAG激光器作为热源来定向凝固制作Al－Al2Cu、Pd－Cd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2.4×104K／cm和1.1×104K／cm。潘清跃等对这种可能性已进行了初步的探索，发现激光定向凝固确实是可行的，而且能够获得比常颊定向凝固包括ZMLMC技术高得多的温度梯度和凝固速率。他们采用展宽的高能CO2激光束作为热源，加热固定在陶瓷衬底上的厚度0.5mm、宽度5mm的镍基高温合金薄片，初步实现了定向凝匿组织，其初枝晶平均一次间距小于10μm，比采用ZMLMC技术所获得超细枝晶的最小平均一次间距23.8μm显著减小。推测凝固期间的温度梯度在4000K／cm以上，约三倍于ZMLMC技术所能获得的最大温度梯度。
近年来，由杨森等人研究了激光参数对三种不同成分的Cu－Mn合金重熔区微组织生长方向的影响，结果表明，熔池中微观组织的生长方向强烈地受激光工艺参数(激光输出功率和扫描速度)的影响。通过选择合适的工艺参数，实现了与Bridgman法类似的超高温度梯度快速定高凝固，其温度梯度可高达106K／cm，速度可达24mm／s。由西北工业大学利用FGH95合金粉末在DD3单晶基材和定向凝固镍基高温的择优晶面上进行激光多层涂覆实验，得到了从基体外延生长单晶涂覆层并得到了良好的性能。随着凝固技术的发展，激光超高温度梯度快速定向凝固技太越来越受到人们的关注。
4.深过冷熔体激发快速定向凝固
深过冷熔体激发快速定向凝固是深过冷与定向凝固技术的有机结合。它是在尽可能消除异质形核的前提下，使液态金属保持到液相线以下数百度，而后突然形核并获胜得快速凝固组织。处于深过冷状态的合金熔体被激发后，在快速再辉过程中形成相当细密的初生枝晶架。再辉结束后，
残余合金液凝固为三次枝晶，再辉后的凝固发生于过冷度较小的局部条件，故必须提供一个小的温度梯度，避免在此期间可能出现的Ostwald熟化而引起枝晶粗大。而在传统定向凝固过程中，高温度梯度和较快的抽拉速率以及很小的界面过冷度，时常导致液／固界面前沿形成新的晶核及其长大，破坏定向凝固组织。
在近似于温度梯度方向上，深过冷呈现出明显细小的平行枝晶生长和二次、三次枝晶的组织特征，铸态试样由于大量异质核心的存在，除了个别粗大的枝晶外，大部分液相凝固为等轴晶粒。
Lux等通过改进冷却条件获得了近100K的动力学冷熔体，在施加很小的温度梯度后，获得了?12mm×70～100mm的MAR－M－200高温合金棒，并和传统的定向凝固试样的位伸、蠕变强度等作了比较，结果动力学过冷定向凝固试样的室温和高温力学性能优于传统试样。综上所述，深过冷熔体激发快速定向凝固特点：(1)深过冷凝固与快淬急冷液态金属具有相似的凝固机制，本质上属快速凝固。(2)深过冷合金液中晶体的自由生长表现出定向凝固组织形貌的特征。
5.存在的问题及展望
虽然快速定向凝固技术能获得小偏析甚至无偏析的超细化的组织等，具有广阔的应用前景，但仍有一些问题要解决。
第一，激光超高温度梯度定向凝固技术存在的问题是：从熔池底部到顶部短距离定向凝固，而不是沿扫描速度方向长距离连续定向凝固，从熔池底部到顶部温度梯度和凝固速度不断变化，且两者不能独立控制；凝固组织是从基体处延生长的，界面上不同位置的生长方向也不相同，这样对凝固组织进行定量分析结果产生影响。
第二，深过冷快速定向凝固技术需解决两个问题。一是研究不同过冷度条件下，过冷熔体激发形核晶体生长方式和组织形成规律。确定适用于形成枝晶阵列微观组织的试验条件和工艺因素。其次是解决大体积深过冷激发快速定向凝固技术。
第三，快速定向凝固技术只适合于制备一维或二维小尺度材料，在应用上受到一定限制。
由于在快速定向凝固过程中，大的凝固速率将导致固液界面的下凹，从而影响定向凝固组织以及凝固过程的稳定性。要实现快速的定向凝固过程，必须提高定向凝固设备的温度梯度，但是超高的温度梯度又给设备带来一定的麻烦，所以合理调节温度梯度和过冷度是快速定向凝固的一个方向。随着实验技术的改进和人们的努，快速定向凝固技术必将更近一步为提高材料的使用性能做出贡献!
1. 快速凝固 快速凝固技术的发展，把液态成型加工推进到远离平衡的状态，极大地推动了非晶、细晶、微晶等非平衡新材料的发展。传统的快速凝固追求高的冷却速度而限于低维材料的制备，非晶丝材、箔材的制备。近年来快速凝固技术主要在两个方面得到发展：①利用喷射成型、超高压、深过冷，结合适当的成分设计，发展体材料直接成型的快速凝固技术；②在近快速凝固条件下，制备具有特殊取向和组织结构的新材料。目前快速凝固技术被广泛地用于非晶或超细组织的线材、带材和体材料的制备与成型。 2. 半固态成型 半固态成型是利用凝固组织控制的技术.20世纪70年代初期，美国麻省理工学院的Flemings 教授等首先提出了半固态加工技术，打破了传统的枝晶凝固式，开辟了强制均匀凝固的先河。半固态成型包括半固态流变成型和半固态触变成形两类：前者是将制备的半固态浆料直接成型，如压铸成型（称为半固态流变压铸）；后者是对制备好的半固态坯料进行重新加热，使其达到半熔融状态，然后进行成型，如挤压成型（称为半固态触变挤压） 3. 无模成型 为了解决复杂形状或深壳件产品冲压、拉深成型设备规模大、模具成本高、生产工艺复杂、灵活度低等缺点，满足社会发展对产品多样性（多品种、小规模）的需求，20世纪80年代以来，柔性加工技术的开发受到工业发达国家的重视。典型的无模成型技术有增量成型、无摸拉拔、无模多点成型、激光冲击成型等。 4.超塑性成型技术 超塑性成型加工技术具有成型压力低、产品尺寸与形状精度高等特点，近年来发展方向主要包括两个方面：一是大型结构件、复杂结构件、精密薄壁件的超塑性成型，如铝合金汽车覆盖件、大型球罐结构、飞机舱门，与盥洗盆等；二是难加工材料的精确成形加工，如钛合金、镁合金、高温合金结构件的成形加工等。 5. 金属粉末材料成型加工 粉末材料的成型加工是一种典型的近终形、短流程制备加工技术，可以实现材料设计、制备预成型一体化；可自由组装材料结构从而精确调控材料性能；既可用于制备陶瓷、金属材料，也可制备各种复合材料。它是近20年来材料先进制备与成型加工技术的热点与主要发展方向之一。自1990年以来，世界粉末冶金年销售量增加了近2倍。2003年北美铁基粉末。相关的模具、工艺设备和最终零件产品的销售额已达到91亿美元，其中粉末冶金零件的销售为64亿美元。美国企业生产的粉末冶金产品占全球市场的一半以上。可以预见，在较长一段时间内，粉末冶金工业仍将保持较高的增长速率。粉末材料成型加工技术的研究重点包括粉末注射成型胶态成型、温压成型及微波、等离子辅助低温强化烧结等。 6. 陶瓷胶态成型 20世纪80年代中期，为了避免在注射成型工艺中使用大量的有机体所造成的脱脂排胶困难以及引发环境问题，传统的注浆成型因其几乎不需要添加有机物、工艺成本低、易于操作制等特点而再度受到重视，但由于其胚体密度低、强度差等原因，他并不适合制备高性能的陶瓷材料。进入90年代之后，围绕着提高陶瓷胚体均匀性和解决陶瓷材料可靠性的问题，开发了多种原位凝固成型工艺，凝胶注模成型工艺、温度诱导絮凝成形、胶态振动注模成形、直接凝固注模成形等相继出现，受到严重重视。原位凝固成形工艺被认为是提高胚体的均匀性，进而提高陶瓷材料可靠性的唯一途径，得到了迅速的发展，已逐步获得实际应用。 7. 激光快速成型 激光快速成形技术，是20实际90年代中期由现代材料技术、激光技术和快速原型制造术相结合的近终形快速制备新技术。采用该技术的成形件完全致密且具有细小均匀的内部组
凝固技术的发展与未来 料105 周俊峰109024404 摘要：凝固是一种极为普遍的物理现象。物质凡由液态到固态的转变一般都经历凝固过程，它广泛存在于自然界和工程技术领域。介绍几种新型的凝固技术，展望新型凝固技术的未来发展趋势。 关键词：凝固、定向凝固、快速凝固、半固态凝固 凝固是一种极为普遍的物理现象。物质凡由液态到固态的转变一般都经历凝固过程，它广泛存在于自然界和工程技术领域。从雪花凝结到火山熔岩固化，从铸锭的制造到工农业用铸件及历史文物中各类艺术铸品的生产，以及超细晶、非晶、微晶材料的快速凝固，半导体及各种功能晶体从液相的生长，均属凝固过程。可以说几乎一切金属制品在其生产流程中都要经历一次或多次的凝固过程。 快速凝固 快速凝固技术的原理：快速凝固指的是在比常规工艺过程中快得多的冷却速度下，金属或合金以极快的速度从液态转变为固态的过程。要求金属与合金凝固时具有极大的过冷度。 快速凝固的特点：1、凝固速度快，从而可以使金属在液态中的溶解度得到扩大，这样是其材料的密度有所改变，材料各部位的组织更加的紧密，改变金属中各元素的所含比例，从而可以改变该材料的性质，使其达到某种用途的需求。2、由于凝固的速度比一般铸造的快，这样得到的凝固结晶会更加的细小，晶粒的分布更加的均匀，一定程度减少了杂质的混入，提高材料的质量，由于晶粒组织的优化，该材料的力学，化学性质会得到提高，从而使其得到更广的运用。3、由于快速凝固给材料带来的溶解度的扩大，更加精细的晶粒的析出，从而赋予了材料的高强度，高韧度，以及高耐腐蚀性。这是快速凝固技术能在工业领域得到广泛运用的硬道理。4、除了金属的快速凝固，还有一种快速凝固非晶态合金。其特点和上类似，可以使材料具有极高的强度，硬度。又因为其实处于非晶态，它在具有高强度的同时也具有较好的韧性。同时，因为非晶态这种特殊形态，可以使材料具有良好的半导体性能，这是传统铸造方法所不能达到的。 快速凝固的方法及利用： 急冷凝固技术
定向凝固技术的研究进展 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采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 1.1 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。 1.2 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：
1.2.1 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。 1.2.2 快速凝固法(HRS) [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Bridgman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。 1.2.3 液态金属冷却法(LMC法) [7] HRS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。 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。该法已被美国、前苏联等国用于航空发动机叶片的生产[8] 。
定向井技术(入门基本概念)
定向井技术（部分） 编制：李光远 编制日期：2002年9月9日 注：内部资料为企业秘密，任何人不得相互传阅或外借泄露！！！
一、定向井基本术语解释 1）井眼曲率：指在单位井段内井眼前进的方向在三维空间内的角度变化。它既包含了井斜角的变化又包含着方位角的变化，与“全角变化率”、“狗腿度严重度”都是相同含义。 K= v a SIN l l a 2*22 ?? ? ????Φ+??? ???? 式中： 均值 相邻两点间井斜角的平际长度 相邻两测点间井段的实的增量相邻两测点的增量相邻两测点----?--?Φ--?v a l a 方位角井斜角 2）井斜角、方位角和井深称为定向井的基本要素，合称“三要素”。 3）αA ：A 点的井斜角，即A 点的重力线与该点的井眼前进方向线的夹角。单位为“度”； 4）ΦA ：A 点的井斜方位角，亦简称“方位角”，即从正北方向线开始，顺时针旋转到该点井眼前进方向线的夹角。单位为“度”； 5）S B ’：B ’点的水平位移，即井口到B ’点在水平投影上的直线距离，也称“闭合距”。单位为“米”； 6）ΦS ：闭合距的方位角，也称“闭合方位角”。单位为“度”； 7）L A ：A 点的井深，也称“斜深”或“测深”，即从井口到A 点实际长度。单位为“米”； 8）H A ：A 点的垂深，即L A 在H 轴上的投影。 H A 也是A 点的H 坐标值。同样，A 点在NS 轴和EW 轴上的投影，也可得到A 点的N 和E 坐标值。 9）磁偏角：某地区的磁北极与地球磁北极读数的差异； 10）造斜点：在定向钻井中，开始定向造斜的位置叫造斜点、通常以开始定向造斜的井深来表示； 11）目标点：设计规定的、必须钻达的地层位置，称为目标点； 12）高边：定向井的井底是个呈倾斜状态的圆平面，称为井底圆。井底圆上的最高点称为 高边。从井底圆心至高边之间的连线所指的方向，称为井底高边方向。高边方向上水平投影的方位称高边方位，即井底方位； 13）工具面：造斜工具面的简称。即在造斜钻具组合中，由弯曲工具的两个轴线所决定的 那个平面； 14）工具面角：工具面角有两种表示方法： A 、高边基准工具面角，简称高边工具角，即高边方向线为始边，顺时针转到工具
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。定向凝固技术最大的一个成果之一就是涡轮叶片的生产，这直接促进了高温合金材料设计上的巨大进步。自从这个突破后，一系列的定向凝固技术，比如：快速凝固技术（HRS），液态金属冷却（LMC）等可以提高定向凝固组织都发展起来。如今，定向凝固理论是一种重要的材料制备方法和一种研究凝固现象的有利工具。因此，研究和开发新的定向凝固方法吸引了世界范围内的材料工程师和科学家。 定向凝固方法主要有以下几种： （1）发热剂法。将型壳置于绝热耐火材料箱中，底部安放水冷结晶器。型壳中浇入金属液后，在型壳上部盖以发热剂，使金属液处于高温，建立自下而上的 凝固条件。由于无法调节凝固速率和温度梯度，因此该法只能制备晓得柱状 晶铸件。 （2）功率降低法。铸型加热感应圈分两段，铸件在凝固过程中不移动。当型壳被预热到一定过热度时，向型壳中浇入过热金属液，切断下部电源，上部继续 加热。温度梯度随着凝固距离的增大而不断减少。 （3）快速凝固法。与功率降低法的主要区别是铸型加热器始终加热，在凝固时铸件与加热器之间产生相对移动。另外，在热区底部使用辐射挡板和水冷套。 在挡板附近产生较大的温度梯度。与功率降低法相比，该法可大大缩小凝固
材料成型新技术报告 学生姓名：学号： 学院：材料学院 班级：成型093 题目：连续定向凝固技术 2012 年 11月
连续定向凝固技术 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。 材料的使用性能是由其组织形态来决定的。因此，包括调整成分在内，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，控制凝固过程己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。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，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。 定向凝固技术是控制晶体生长、研究晶体生长行为最有效的方法，实现定向凝固的总原则为金属熔体中的热量严格的按单一方向导出，使金属或合金按柱状晶或单晶的方式生长。金属熔体在凝固过程中，为了达到单一方向生长为柱状晶的目的，除满足上述总原则外，还必须满足以下两个条件：一是凝固过程中固液界面保持为平面，在界面前沿保持足够高的温度梯度，并且使此温度梯度与柱状晶生长速度的比值足够大；二是未凝固的液体有足够的过热度，避免型壁形核，防止型壁上形成的晶体脱落形成等轴晶的核心。 定向凝固的发展历程 定向凝固过程的理论研究的出现是在1953年，那是Charlmers及其他的同事们在
材料加工的发展与未来 摘要：材料技术是科技革命的重要物质基础，而多学科科技革命又导致了材料加工的科技进步与变革。文章概述了材料加工的作用与地位，该学科的总体发展趋势“过程综合、技术综合、学科综合”，它的主要发展方向“高效化、高精度化”、“材料设计制备与成形加工一体化”、“计算机模拟与过程仿真技术”、“材料智能化制备加工技术”等，以及金属控制凝固与控制成形。 关键词：材料加工、模拟仿真、控制凝固、控制成形 前言 材料是人类赖以生存和发展的物质基础，现代技术和产业中的物质、能量、信息转换以及人与自然的协调发展，都要以材料为基础。材料一直是人类发展的里程碑。当代新材料技术是现代文明的重要支柱，也是现代科技革命的重要物质基础。 1. 材料加工的地位与作用 材料加工行业是制造业的重要组成部分，材料加工技术是汽车、电力、石化、造船及机械等支柱产业的基础制造技术，新一代材料加工技术也是先进制造技术的重要内容。但是，我国的材料加工技术与工业发达国家相比仍有很大差距。举例说, 重大工程的关键铸锻件如长江三峡水轮机的第一个叶轮仍从国外进口。因此，在振兴我国制造业的同时，要加强和重视材料加工制造技术的发展。 2. 材料加工的发展趋势 随着科技进步，它其趋势是过程综合、技术综合、学科综合。【1】过程综合就是设计、制备与成形加工的一体化和短流程化；技术综合就是计算机技术、信息技术、先进控制技术的综合；学科综合就是将我们的三级学科综合，二级学科的综合，甚至将我们的各个一级学科也综合起来使各个学科相互渗透。 3. 材料加工的主要发展方向 （1）美国在新一代制造计划（Next Generation Manufacturing）中指出未来的制造模式将是：批量小、质量高、成本低、交货期短、生产柔性、环境友好。因此未来材料加工技术要高效化和高精度化。 （2）发展材料设计、制备与成形加工一体化技术，可以实现先进材料与零部
钢的电磁约束成型定向凝固工艺研究* 李金山 张 军 李建国 傅恒志 摘 要 以1Cr 18Ni9T i 为实验材料,对钢的电磁约束成型定向凝固工艺进行了 一定的探索,获得了合理的感应器结构和理想的工艺参数,并成功地抽拉出直径25m m 、表面光滑、内部为柱状晶组织的试样。 关键词 电磁约束成型,定向凝固,感应器,电磁压力 中图分类号 TM 154.2,T F771.1 引 言 电磁约束成型定向凝固技术是将电磁铸造技术与定向凝固技术相结合而产生的一种新型的定向凝固技术,与传统的定向凝固技术相比它的优点是: 金属熔体与感应器(铸模)无接触,一方面使所获得的铸件表面质量较好,无毛刺、缩孔、夹渣等铸造缺陷;另一方面,减少了传统定向凝固时模壳材料对铸件的污染,可以充分提高铸件的性能。 冷却介质与铸件直接接触,显著增强了铸件的冷却能力,同时由于金属熔体采用感应加热,加热能力很强,最终形成了沿铸件轴向方向上的强热强冷,满足了一维散热条件,并使液固界面附近获得了较高的温度梯度,有利于获得理想的柱晶或超细柱晶组织。由于电磁自约束成型定向凝固技术是一项跨多种学科的复杂技术,它涉及到电磁流体力学、冶金、凝固、自动控制等较多学科领域,研究和开发有许多困难需要解决。因此,目前国内外很少见到这方面研究报道。西北工业大学凝固技术国家重点实验室傅恒志院士等人近几年致力于这方面的研究,并已取得了一定的研究成果。本文对小截面不锈钢试样的电磁约束成型定向凝固技术在设备、工艺等方面进行了一定的研究,并获得了直径为25m m 、内部为均匀的柱状晶组织的圆柱状试样。1 实验原理及方法 图1所示为电磁约束成型定向凝固工艺的原理图[1],工作时,电源供给感应器交变的感应电流,使感应器内部产生交变的感应磁场。根据电磁感应理论,在感应器内部的金属熔体内产生交变的电磁感应电流,由于集肤效应,电流主要集中在金属熔体表层部分,其方向在每一瞬间都与感应器内的电流方向相反。因此,在熔体的侧表面产生垂直表面并指向熔体内部的电磁压力压缩熔体。电磁压力、表面张力和熔体的静压力平衡,就实现了熔体与感应器的无接触成型。在感应器的上面配上送料机构,使固体棒料能够连续被送入感应器内,利用感应加热将其 1998年2月 第16卷第1期 西北工业大学学报JOU R N AL O F N O RT HW EST ERN PO L Y T ECHNI CA L U N IV ERSIT Y Feb. 1998 V ol.16No.1 西北工业大学讲师 西北工业大学教授本文收到日期:1996-11-15 * 国防预研基金和航空科学基金资助项目
定向凝固中的界面形态演化 引言 通常人们在研究金属及其合金的凝固时，由于金属本身的不透明性，使得人们无法动态实时观察金属内部凝固过程中凝固组织的演化与选择；而采用X射线透视或者原子力显微镜则代价较为高昂，也不可能获得对组织演化细节的清楚认识。由于熔体凝固时对流会造成材料组分上的变化，造成杂质条纹等缺陷。要获得高质量的材料，就要对凝固过程的熔体流动和其稳定性进行深入研究。借助实时观察方法对凝固过程进行实时原位观察，研究凝固过程中材料表面微观形貌和整体形态的变化以及流体运动，实现动态过程的可视化监测和测量，从中就可获得有关凝固的信息。 随着对凝固理论与晶体生长技术不断深入的研究，发现凝固形态是由晶体界面性质和凝固驱动力场的性质所完全决定的。界面性质决定了界面形态对驱动力场的响应性质，因而相似的界面性质在相似的驱动力场作用下将产生相似的动力学行为，从而导致相似的界面形态。 固--液界面可以分为两类[1]：规则界面和不规则界面。规则界面是指正常凝固条件下的平面、胞状和枝晶界面[2]。理论分析表明，只有当固--液界面能是各向异性时才能形成稳定枝晶界面[3]，通常情况下大多数材料是以稳定枝晶界面生长。 当晶体沿着一定的晶向生长时，如立方晶系的<111>晶向，固--液界面能接近于各向同性[4]，这时将会出现不规则界面。在这样的条件下，枝晶尖端常常随机分枝，分枝与枝晶干不对称，从而形成不规则界面。至今已经观察到几种不规则界面，如：倾斜枝晶界面、退化枝晶界面、海藻状晶体界面。 1实验方法 晶体生长室的最大平面放在x-y平面中，观察二维晶体生长。实验采用了丁二腈-5at%水来作为模拟晶体，测试开始前，试样加热至全部融化并静止一段时间冷却，使得试样内的熔质均匀化。温度通过采用SWP-T803数字控温仪控温，控温精度0.1°C，可在0°C到200°C范围内任意调节。加热至一定温度且保持恒定，试样内形成一定的温度梯度，试样放在温度梯度场中。晶体中温度的测量利用热电偶，晶体生长过程中，根据晶体界面的位置移动热电偶的位置，记录温度值，即可获得温度梯度值。 实验系统见图1，试样放入定向固系统中，使用CKX41型浮雕相衬显微镜可
先进制造技术发展现状与未来趋势 摘要：简要介绍了先进制造技术的内涵、特点、构成及分类。并且分析了当前国外先进制造技术的发展现状，特别是对当今一些发达国家的先进制造技术的地位进行了介绍，进一步提出先进制造技术的重点研究领域。阐述了各国21世纪的发展趋势，而且还根据我国的国情概述了我国的发展状况和今后的发展趋势。 关键词：先进制造技术、发展现状、未来趋势 引言 资源、环境、人口是当今人类社会面临的三大主要问题,由于人们的生活条件得到大大的提高，对身边的物质条件要求也越来越高，以至于传统的制造技术已经达不到人们的物质文明方面的要求，而且传统的制造技术往往又是消耗不可再生能源的根源所在。因此，根据人们对精神和物质的追求，我们不得不发展先进制造技术一满足人们的各种需求。近些年来，我们为了更高的物质追求，消耗了很多的能源，一直破坏了我们身边的生态环境。让人们时刻感觉到自己的生存存在着威胁。因此为了改善环境来满足自己和后代的生存需求。近年来 ,围绕生态环境问题 ,人们提出了“既满足当代人的需求 ,又不对子孙后代满足其需要之能力构成危害的发展”的“可持续发展战略”。可持续发展战略的思想具有极为丰富的内涵,它将生态环境与经济发展联结为一个互为因果的有机整体,认为经济发展要考虑到自然生态环境的长期承载能力,使环境和资源既能满足经济发展的需要,又使其作为人类生存的要素之一而直接满足人类长远生存的需要,从而形成了一种综合性的发展战略。 特别是机械制造行业，创造人类财富的支柱产业 ,正在大量消耗人类社会的有限资源 ,并且是造成当前环境污染问题的主要根源之一。为此 ,机械行业实施可持续发
展战略已势在必行。因此，先进制造技术是机械行业的发展趋势。 1.先进制造技术的内涵、特点、构成与分类 1.1先进制造技术的内涵 先进制造技术(AMT)是以人为主体，以计算机技术为支柱，以提高综合效益为目的，是传统制造业不断地吸收机械、信息、材料、能源、环保等高新技术及现代系统管理技术等方面最新的成果，并将其综合应用于产品开发与设计、制造、检测管理及售后服务的制造全过程，以实现优质、高效、低耗、清洁、敏捷制造，并取得理想技术经济效果的前沿制造技术的总称。从本质上讲，先进制造技术是传统制造技术、信息技术、自动化技术和现代管理技术等的有机结合。 1.2先进制造技术的特点 AMT以实现优质、高效、低耗、清洁、灵活生产，提高产品对动态多变市场的适应能力和竞争力为目标。它不局限于制造工艺而是覆盖了市场分析、产品设计、加工和装配、销售、维修、服务以及回收再生的全过程。主要特点有以下几个方面： 1）强调人为主体作用，将人、技术、管理三者进行有机结合； 2）是利用系统工程技术将各种相关技术集成的一个有机整体； 3）强调环境保护，要求产品室“绿色商品”，即产品在生产过程中资源消耗最少，环境污染最小，对人体无危害； 4）强调计算机技术、信息技术、管理技术在产品设计、制造和生产组织等方面的应用； 5）不断运用科技新手段和新成果来研究、改造及充实传统制造技术硬应用到产品的市场调研、设计、制造、生产管理、市场营销及售后服务的所有领域及其全部过程，以实现优质、高效、低耗、清洁、灵活生产，提高综合效益。 1.3先进制造技术的构成 先进制造技术在不同发展水平的国家和同一国家的不同发展阶段，有着不同的技术内涵，对我国而言，它是一个多层次的技术群。先进制造技术的内涵和层次及其技术构成如图1所示。图中从内
先进制造技术发展现状与未来趋势
先进制造技术发展现状与未来趋势 摘要：简要介绍了先进制造技术的内涵、特点、构成及分类。并且分析了当前国外先进制造技术的发展现状，特别是对当今一些发达国家的先进制造技术的地位进行了介绍，进一步提出先进制造技术的重点研究领域。阐述了各国21世纪的发展趋势，而且还根据我国的国情概述了我国的发展状况和今后的发展趋势。 关键词：先进制造技术、发展现状、未来趋势 引言 资源、环境、人口是当今人类社会面临的三大主要问题,由于人们的生活条件得到大大的提高，对身边的物质条件要求也越来越高，以至于传统的制造技术已经达不到人们的物质文明方面的要求，而且传统的制造技术往往又是消耗不可再生能源的根源所在。因此，根据人们对精神和物质的追求，我们不得不发展先进制造技术一满足人们的各种需求。近些年来，我们为了更高的物质追求，消耗了很多的能源，一直破坏了我们身边的生态环境。让人们时刻感觉到自己的生存存在着威胁。因此为了改善环境来满足自己和后代的生存需求。近年来 ,围绕生态环境问题 ,人们提出了“既满足当代人的需求 ,又不对子孙后代满足其需要之能力构成危害的发展”的“可持续发展战略”。可持续发展战略的思想具有极为丰富的内涵,它将生态环境与经济发展联结为一个互为因果的有机整体,认为经济发展要考虑到自然生态环境的长期承载能力,使环境和资源既能满足经济发展的需要,又使其作为人类生存的要素之一而直接满足人类长远生存的需要,从而形成了一种综合性的发展战略。
特别是机械制造行业，创造人类财富的支柱产业 ,正在大量消耗人类社会的有限资源 ,并且是造成当前环境污染问题的主要根源之一。为此 ,机械行业实施可持续发展战略已势在必行。因此，先进制造技术是机械行业的发展趋势。 1.先进制造技术的内涵、特点、构成与分类 1.1先进制造技术的内涵 先进制造技术(AMT)是以人为主体，以计算机技术为支柱，以提高综合效益为目的，是传统制造业不断地吸收机械、信息、材料、能源、环保等高新技术及现代系统管理技术等方面最新的成果，并将其综合应用于产品开发与设计、制造、检测管理及售后服务的制造全过程，以实现优质、高效、低耗、清洁、敏捷制造，并取得理想技术经济效果的前沿制造技术的总称。从本质上讲，先进制造技术是传统制造技术、信息技术、自动化技术和现代管理技术等的有机结合。 1.2先进制造技术的特点 AMT以实现优质、高效、低耗、清洁、灵活生产，提高产品对动态多变市场的适应能力和竞争力为目标。它不局限于制造工艺而是覆盖了市场分析、产品设计、加工和装配、销售、维修、服务以及回收再生的全过程。主要特点有以下几个方面： 1）强调人为主体作用，将人、技术、管理三者进行有机结合； 2）是利用系统工程技术将各种相关技术集成的一个有机整体； 3）强调环境保护，要求产品室“绿色商品”，即产品在生产过程中资源消耗最少，环境污染最小，对人体无危害； 4）强调计算机技术、信息技术、管理技术在产品设计、制造和生产组织等方面的应用； 5）不断运用科技新手段和新成果来研究、改造及充实传统制造技术硬应用到产品的市场调研、设计、制造、生产管理、市场营销及售后服务的所有领域及其全部过程，以实现优质、高效、低耗、清洁、灵活生产，提高综合效益。
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。 2.定向凝固理论
《先进加工制造技术》论文 学院：核技术与自动化工程 专业：机械工程及自动化 姓名：姚云杰 学号：2
目录 1．当前制造科学要解决的问题2．现代制造工程的前沿科学 2.1 制造科学与信息科学的交叉--制造信息科学2.2 微机械及其制造技术研究 2.3 材料制备／零件制造一体化和加工新技术基础2.4 机械仿生制造 3．现代制造业的先进生产模式4．先进制造技术的发展趋势 5．我国存在的差距与可实施策略
现代制造技术前沿发展与未来趋势 摘要：本文介绍了当今制造技术面临的问题，论述了先进制造的前沿科学，并展望了先进制造技术的发展前景，最后提出我国制造技术要跨入世界先进行列可行的实施策略。 随着科学技术的飞速发展和市场竞争日益激烈，越来越多的制造企业开始将大量的人力、财力和物力投入到先进的制造技术和先进的制造模式的研究和实施策略之中。改革开放以来，我国制造科学技术有日新月异的变化和发展，确立了社会主义市场经济体制，但与先进的国家相比仍有一定差距，为了迎接新的挑战，对先进制造技术及制造模式的研究和实施是摆在我们面前刻不容缓的重要任务，必须认清制造技术的发展趋势，缩短与先进国家的差距，使我国的产品上质量、上效率、上品种和上水平，以增强市场竞争力，实现我国机械制造业跨入世界先进行列之梦想。 关键词：制造科学；先进制造技术；机械制造；发展趋势 制造业是现代国民经济和综合国力的重要支柱，其生产总值一般占一个国家国内生产总值的20%~55%。在一个国家的企业生产力构成中，制造技术的作用一般占60%左右。专家认为，世界上各个国家经济的竞争，主要是制造技术的竞争。其竞争能力最终体现在所生产的产品的市场占有率上。随着经济技术的高速发展以及顾客需求和市场环境的不断变化，这种竞争日趋激烈，因而各国政府都非常重视对先进制造技术的研究。 1 当前制造科学要解决的问题 当前制造科学要解决的问题主要集中在以下几方面： （1）制造系统是一个复杂的大系统，为满足制造系统敏捷性、快速响应和快速重组的能力，必须借鉴信息科学、生命科学和社会科学等多学科的研究成果，探索制造系统新的体系结构、制造模式和制造系统有效的运行机制。制造系统优化的组织结构和良好的运行状况是制造系统建模、仿真和优化的主要目标。制造系统新的体系结构不仅对制造企业的敏捷性和对需求的响应能力及可重组能力有重要意义，而且对制造企业底层生产设备的柔性和可动态重组能力提出了更高的要求。生物制造观越来越多地被引入制造系统，以满足制造系统新的要求。（2）为支持快速敏捷制造，几何知识的共享已成为制约现代制造技术中产品开发和制造的关键问题。例如在计算机辅助设计与制造(CAD／CAM)集成、坐标测量(CMM)和机器人学等方面，在三维现实空间(3-Real Space)中，都存在大量的几何算法设计和分析等问题，特别是其中的几何表示、几何计算和几何推理问题；在测量和机器人路径规划及零件的寻位(如Localization)等方面，存在C-空间(配置空间Configuration Space)的几何计算和几何推理问题；在物体操作(夹持、抓取和装配等)描述和机器人多指抓取规划、装配运动规划和操作规划方面则需要在旋量空间(Screw Space)进行几何推理[1]。制造过程中物理和力学现象的几何化研究形成了制造科学中几何计算和几何推理等多方面的研究课题，其理论有待进一步突破，当前一门新学科--计算机几何正在受到日益广泛和深入的研究。 （3）在现代制造过程中，信息不仅已成为主宰制造产业的决定性因素，而且还是最活跃的驱动因素。提高制造系统的信息处理能力已成为现代制造科学发展的一个重点。由于制造系统信息组织和结构的多层次性，制造信息的获取、集成与融合呈现出立体性、信息度量的多维性、以及信息组织的多层次性。在制造信息的结构模型、制造信息的一致性约束、传播处
轨 道 设 计 一． 井身轨道设计方法 (一) 定向井/水平井两维剖面设计方法和设计类型选择 1．前言： 常规定向井/水平井剖面类型有十一种，每一种类型的设计方法又很多。过去大多数文献介绍的剖面类型不全面、设计方法也很单一，公式复杂，不利于编制计算机程序和实际设计工作。本章介绍了各种剖面类型和各种设计方法的统一的数学模型，具有系统性、全面性，简洁、明了，对于研究定向井/水平井的剖面设计和实际编程应用都具有积极的指导意义和实际价值。 2．剖面设计方法： 把最具有一般性的无段制剖面作为基本剖面，在此基础上，选择和改变一些参数，可变成多种剖面类型。下面就介绍各种剖面的选择和设计方法。 如图（2）在地质给定的靶点坐标和井口坐标，确定和计算如下基本剖面参数： H 1---第一靶点垂深，m V 1---第一靶点水平位移，m H 2---第二靶点垂深，m V 2---第二靶点水平位移，m H e ---降斜终点垂深，m （一般选择在第一靶点上30~50m ） L---稳斜段长度，m R 1---第一增斜段曲率半径，m R 2---第二增斜段曲率半径，m H z --造斜点垂深，m α1---第一增斜段终点井斜角，° 最终井斜角α2 ，单位° 降斜终点位移V e 规定：当H 2=H 1时，H e =H 1，V e =V 1，H e -H z =ΔH 2 122121 22)()(V V H H H H -+--=α1 21211) )((H H V V H H V V e e ----=2 1R R R +=
(1) 选择H z 、R 1、R 2，求α1、L 令： 解剖面方程得： （2）选择R 1、R 2、α1，求：H z 、L 解剖面方程得： （3）选择R 1、R 2、L ，求：H z 、α1 解剖面方程得： 令： 则： 2 21cos αR R V A e --=A R R A B B arctg --+-=2 2212α2 2sin αR H B +?=1 1cos sin ααB A L +=1 2121112211)cos (cos )cos 1() sin (sin sin αααααααtg R R V R R H H e e z -+----+-=1 12211sin )cos (cos )cos 1(αααα----=R R V L e 2 21cos αR R V C e --=2 2cos αR H D e +=
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
快速凝固技术国内外发展及其应用 1.快速凝固技术国内外发展 随着对金属凝固技术的重视和深入研究,形成了许多种控制凝固组织的方法,其中快速凝固已成为一种具有挖掘金属材料潜在性能与发展前景的开发新材料的重要手段,同时也成了凝固过程研究的一个特殊领域。 快速凝固的概念和技术源于20世纪60年代初Duwez等人的研究，他们发现某些共晶合金在平衡条件下本应生成双相混合物，但当液态合金以足够快的冷却速度凝固合金液滴被气体喷向冷却板时，则可能生成过饱和固溶体、非平衡晶体，更进一步生成非晶体。上述结果稍后被许多研究结果所证实，而且由此发现一些材料具有超常的性能，如电磁、电热、强度和塑性等方面的性能，出现了用于电工、电子等方面的非晶材料。20世纪70年代出现了用快速凝固技术处理的晶态材料，80年代人们逐渐把注意力转向各种常规金属材料的快速凝固制备上，90年代大块非晶合金材料的开发与应用取得重大进展。快速凝固技术是目前冶金工艺和金属材料专业的重要领域，也是研究开发新材料手段。 快速凝固一般指以大于 5 10 ～ 6 10 K/s的冷却速率进行液相凝固成固相，是一种非平衡的 凝固过程，通常生成亚稳相(非晶、准晶、微晶和纳米晶)，使粉末和材料具有特殊的性能和用途。由于凝固过程的快冷、起始形核过冷度大,生长速率高,使固液界面偏离平衡,因而呈现出一系列与常规合金不同的组织和结构特征。加快冷却速度和凝固速率所起的组织及结构特征可以近似地用图1来表示。从上图我们不难看出，随着冷却速度的加快，材料的组织及结构发生着显著的变化，可以肯定地说，它也将带来性能上的显著变化[1]。 快速凝固技术得到的合金具有超细的晶粒度，无偏析或少偏析的微晶组织，形成新的亚稳相和高的点缺陷密度等与常规合金不同的组织和结构特征。实现快速凝固的三种途径包括：动力学急冷法；热力学深过冷法；快速定向凝固法。由于凝固过程的快冷，起始形核过冷度大，生长速率高，使固液界面偏离平衡，因而呈现出一系列与常规合金不同的组织和结构特征。 1.1快速凝固技术的主要方法 (1)动力学急冷快速凝固技术 动力学急冷快速凝固技术简称熔体急冷技术，其原理可以概括为：设法减小同一时刻凝固的熔体体积与其散热表面积之比，并设法减小熔体与热传导性能很好的冷却介质的界面热阻以
定向凝固 定向凝固是指在凝固过程中采用强制手段，在凝固金属和未凝固金属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，最终得到具有特定取向柱状晶的技术。定向凝固是研究凝固理论和金属凝固规律的重要手段，也是制备单晶材料和微米级(或纳米级)连续纤维晶高性能结构材料和功能材料的重要方法。自20世纪60年代以来，定向凝固技术发展很快。由最初的发热剂法、功率降低法发展到目前广泛应用的高速凝固法、液态金属冷却法和连续定向凝固技术。现代航空发动机的涡轮叶片和导向叶片是用铸造高温合金材料制成，这类材料晶界在高温受力条件下是较薄弱的地方，这是因为晶界处原子排列不规则，杂质较多，扩散较快，于是人们设想利用定向凝固方法制成单晶，消除所有晶界，结果性能明显提高了。定向凝固技术广泛应用于高温合金、磁性材料、单晶生长、自生复合材料的制备等力面，并且在类单晶金属间化合物、形状记忆合金领域具有极广阔的应用前景。 制备方法： 1. 发热剂法 定向凝固技术的起始阶段。 基本原理:将铸型预热到一定温度后，迅速放到水冷铜底座上并立即进行浇注，顶部覆盖发热剂，侧壁采用隔热层绝热，水冷铜底座下方喷水冷却，从而在金属液和已凝固金属中建立起一个自下而上的温度梯度，实现定向凝固。 2. 功率降低法 铸型加热感应圈分两段，铸件在凝固过程中不动，在底部采用水冷激冷板。加热时上下两部分感应圈全通电，在加入熔化好的金属液前建立所要的温度场，注入过热的合金液。然后下部感应圈断电，通过调节输入上部感应圈的功率，在液态金属中形成一个轴向温度梯度。热量主要通过已凝固部分及底盘由冷却水带走。由于热传导能力随着离水冷平台距离的增加而明显降低，温度梯度在凝固过程中逐渐减小，所以轴向上的柱状晶较短。并且柱状晶之间的平行度差，合金的显微组织在不同部位差异较大，甚至产生放射状凝固组织。 3. 高速凝固法 装置和功率降低法相似，多了拉锭机构，可使模壳按一定速度向下移动，改善了功率降低法温度梯度在凝固过程中逐渐减小的缺点；另外，在热区底部使用辐射挡板和水冷套，挡板附近产生较大的温度梯度，局部冷却速度增大，有利于细化组织，提高力学性能。 4. 液态金属冷却定向凝固 合金在熔炼炉内熔炼后，浇入保温炉内的铸型，保温一段时间，按选择的速度将铸型拉出保温炉，浸入金属液进行冷却。在加热系统和冷却系统之间有辐射挡板，确保将加热区和冷却区隔开，使固液界面保持在辐射挡板中心附近，以实现定向凝固。 5. 流化床冷却法 液态金属冷却法采用低熔点合金冷却，成本高，可能使铸件产生低熔点金属脆性。 6. 区域熔化液态金属冷却法 在液态金属冷却法的基础上发展的一种新型的定向凝固技术。其冷却方式与液态金属冷却法相同，但改变了加热方式，利用电子束或高频感应电场集中对凝固界面前沿液相进行加热，充分发挥过热度对温度梯度的贡献，从而有效地提高了固液界面前沿温度梯度，可在较快的生长速率下进行定向凝固，可以使高温合金定向凝固一次枝晶和二次枝晶间距得到非常明显的细化。但是，单纯采用强制加热的方法以求提高温度梯度从而提高凝固速度，仍不能获得很大的冷却速度，因为需要散发掉的热量相对而言更多了，故冷却速度提高有限。 7. 激光超高温度梯度快速定向凝固