定向凝固技术

RENE150定向凝固高温合金涡轮叶片摘要：政府和工业界4年合作项目，属于MATE先进涡轮发动机材料项目，经改善铸造和加工方法的镍基高温合金RENE150定向凝固转子零件已经实施用于发动机测试。

该部件制造用于CF6-50高压一级涡轮转子叶片，本项目的目标是：（1）表明在推力可调、先进的商用CF6-50发动机（提升燃油效率1.45%sfc）上提高运行温度的能力；（2）改善叶片铸造工艺，该工艺允许叶片在保证质量的前提下不超过原RENE80叶片制造成本的1.5倍。

本项目分成八个任务：TASK1：包括涡轮叶片的设计和分析;TASK2：包括合金制备和评估、机匣/核心机选择、初步铸造参数设计;TASK3：包括RENE150涡轮叶片外部涂层系统的适配和选择;TASK4：确定RENE150涡轮叶片铸造工艺，包括试制铸造过程和项目铸造成本分析。

TASK5：包括涡轮叶片成品制造，该叶片用于部件试验；TASK6：包括用于发动机试车的成品叶片制造；TASK7：包括地面发动机RENE150涡轮叶片成品测试；TASK8：地面发动机测试结果分析。

第二册文件是TASK5核心机试车结果和最后两个任务的结论。

RENE150高压涡轮叶片已成功完成投产型DS铸造，有涂层和没有涂层两种叶片机械和物理性能符合设计要求，叶片已完成加速持久试车，结论在第二册中分别给出。

1 概述本项目的任务是扩大先进的DS涡轮叶片合金Rene150在CF6-50发动机HPT一级涡轮叶片的应用范围。

本次扩展应用将许可RENE150提升运行温度（超过RENE80）以期实现商用发动机CF6-50提升1.45%燃油效率。

本项目将通过改进铸造工艺，使得该叶片制造成本能够在不超过Rene80叶片1.5倍的前提下，完成批量生产。

项目开始阶段使用的是1977年9月的RENE150性能数据（见表1），初步设计分析确定RENE150材料应用于CF6-50叶片上时抗温度、载荷和应力的性能。

《Al-Si-Mg三元近共晶合金定向凝固组织与形成》篇一一、引言在金属材料领域，合金以其卓越的物理、化学及机械性能在多种工业应用中占有重要地位。

本文特别关注于Al-Si-Mg三元近共晶合金的定向凝固组织及其对材料高质量性能的影响。

此类型合金由于其优良的机械性能和铸造性能，被广泛应用于航空航天、汽车制造、机械加工等关键领域。

了解其定向凝固组织与形成的机制，对进一步优化材料性能和开发新型合金具有重要的指导意义。

二、Al-Si-Mg三元近共晶合金概述Al-Si-Mg三元近共晶合金是由铝（Al）、硅（Si）和镁（Mg）等元素组成的一种多元合金体系。

由于三种元素的特定配比和原子相互作用，使得此类合金在固态下的晶体结构和组织特性具有一定的特殊性。

近共晶成分使得该合金具有较好的铸造性能和加工性能，从而为实际生产和应用提供了极大的便利。

三、定向凝固组织的形成定向凝固技术是通过对熔体施加特定方向的热量梯度，使得晶体按照某一方向优先生长的技术。

对于Al-Si-Mg三元近共晶合金，通过精确控制温度梯度和冷却速率，可以获得具有特定组织和结构的晶体。

这些组织主要包括α-Al基体、Si相以及Mg元素在Al基体中的固溶体等。

这些相的形态、大小和分布都受到定向凝固条件的影响。

四、高质量的形成机制高质量的Al-Si-Mg三元近共晶合金的形成与定向凝固组织的形成密切相关。

首先，通过合理的元素配比和热处理工艺，可以获得均匀的相分布和良好的相界面结合。

其次，通过控制凝固过程中的温度梯度和冷却速率，可以获得细小的晶粒和均匀的组织结构。

此外，通过优化合金的微观结构，如提高Si相的形状稳定性、增强Al基体的强度等，可以显著提高合金的整体性能。

五、实验结果与讨论通过实验观察和分析，我们发现Al-Si-Mg三元近共晶合金在定向凝固过程中，会形成特定的晶体结构和组织形态。

这些组织和结构对合金的机械性能、耐腐蚀性能、热稳定性等具有重要影响。

此外，我们还发现通过调整合金的成分和凝固条件，可以有效地优化组织和结构，从而提高合金的整体性能。

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。

柱状晶（1）提出过程：Charlmers、Tiller等观察到正温度梯度（dT/dx>0）：液相的热量和结晶潜热沿已结晶的固相和模壁散失，液体中心温度平面方式生长，晶体沿温度梯度的方向，或散热的反方向生长，负温度梯度（dT/dx<0）：在极缓慢的冷却条件，液体内部温度分布均匀，一定过冷度下，液体中区域形核并长大，放出潜热，使液-固界面温度距离固液负温度梯度（dT/dx<0）：树枝状方式生长，d 1一次枝晶臂间距d 2二次枝晶臂间距（4）固液界面形成成分过冷的条件： 溶质在固相和液相中的固溶度不同 固液界面固相一侧不同位置温度不同材料合成技术与方法00000(1)L L LL LCS L L m C k k D G D V T G m k T −<=∆∆出现成分过冷判断依据平衡界面生长的临界速度其中，为液固界面前沿液相温度梯度(K/mm)为界面生长速度(mm/s)，为液相线斜率，为合金平均成分，为平衡溶质分配系数为液相中溶质扩散系数，为平衡结晶温度间隔材料合成技术与方法不同成分过冷程度的三个区域及晶体生长方式T D >T L ,平界面，不产生成分过冷，离开界面，过冷度减小胞晶状界面，液相温度梯度减小，较小的成分过冷树枝状界面方式，较大的成分过冷理论结晶温度成功判定低俗生长条件下，无偏析特和Skeerka 考虑溶质浓度场、温度场、固溶界面和界面动力学2）绝对稳定性理论（MS理论）/0/LLV D pV D αα−≤−界面稳定---界面稳定第三项：溶质边界层---界面失稳定向凝固示意图利用晶体的生长方向和热流方向平行且相反的规律，在铸造中建立特1、定向凝固技术2、过程参数3、织构的晶体学条件4、相变中的织构演变材料合成技术与方法7.3 定向凝固工艺1）传统定向凝固技术及设备2）新型定向凝固技术及设备目的：为消除由于金属液凝固收缩产生的缩材料合成技术与方法）功率降低法（PD），加热感应线圈；较大冷却速度，柱状晶区短，组织不理想；设备复杂，能耗大LMC）最原始；工艺简单、成本低，适用小批量零件；铸件质量差；发热剂和激冷板加热感应线圈；较大冷却速度，柱状晶区短，组织不理想；设备复杂，能耗大铸件与加热器相对运动，辐射挡板和水冷套，较大的温度梯度；避免炉膛影响，利用空气冷却，组织较均匀；广泛应用），速度-金属浴；液态金属冷却剂；大的温度梯度和冷却速度，理想的方法），流态床-冷却剂，经济2）新型定向凝固技术及设备（1）超高温度梯度（ZMLMC），局域熔化液态金属冷（2）电磁约束成形定向凝固（DSEMS）（4）激光超高温度梯度快速凝固（LRM）（2）电磁约束成形（DSEMS），提高温度梯度，冷却速度材料合成技术与方法（5）连续定向凝固（OCC）局域熔化液态金属冷1）固液界面前沿液相中的温度梯度G L 和固相界面的推进速度R ，即G L /R2）G L /R 同时增加，细化组织，改善质量，增加生产效率3）G L ：10～15℃/cm →100～300 /cm ，工业上30～80℃/cm材料合成技术与方法2、过程参数凝固过程原子从随机堆积的列阵直接转变为有序阵列，这种转变是通过固液界面的移动逐渐液固粗糙界面定向凝固过程晶体生长为强制生长系统，即强制CeO 2晶面的稳定性{111}> {110}>{001}。

定向凝固制备铸造多晶硅的原理及应用综述摘要：阐述了介绍了定向凝固应用于硅材料的理论基础，论述了近年来定向凝固制备技术在杂质提纯和晶体生长的研究进展，提出了定向凝固制备铸造多晶硅研究现状和存在的问题。

展望今后的发展前景，认为新型的定向凝固技术制备出的硅锭在杂质含量、晶体结构方面均优于传统凝固技术，应积极改善定向凝固技术，以制备高品质的太阳能硅材料。

关键词定向凝固；铸造多晶硅；杂质和缺陷；转化效率晶体硅太阳能电池包括单晶电池和多晶电池2种，多晶电池的市场份额占到一半以上，商业化的多晶电池效率可以达到14%左右[1]。

实验条件下，多晶电池的最高转化效率达到20.30左右，多晶电池的效率虽然略低于单晶电池1%～2%，但多晶电池制造成本低、环境污染小，仍有很高的性价比和市场[2]。

近年来，由于技术改良、电池效率提高及生产成本下降等有利因素，因而大大促进了多晶电池应用技术的发展，也使业内专家学者给予了多晶电池制备技术更多研究和关注[3]。

影响多晶电池转换效率主要有2个方面：一是多晶硅铸锭的纯度，即使材料中含有少量的杂质，对电池的光电性能就有很大的影响[4]；二是尽量减少材料中各种缺陷，多晶硅铸锭中的晶界、位错与杂质聚集成载流子复合中心，大大的降低了多晶电池效率。

由以上表述可知，要提高多晶电池的效率，必须围绕提高材料纯度和降低材料缺陷的技术进行研究，而定向凝固技术正是制备硅晶体材料的典型应用。

定向凝固技术开始只用于传统的高温合金研制，经过几十年的发展，它已经是一种成熟的材料制备技术[5]。

定向凝固技术在多晶硅铸造主要是控制晶体生长和杂质提纯2方面的应用。

定向凝固技术可以很好地控制组织的晶面取向，消除横向晶界，获得大晶粒或单晶组织，提高材料的力学性能[6]。

同时，定向凝固可生成按照一定晶面取向、排列整齐的晶体结构,由于分凝系数的不同，杂质凝聚于晶界和铸锭上方，对材料起到提纯作用。

1. 基本原理多晶硅铸锭实际上就是由定向排列的柱状晶体组合形成，形成的理论基础就是定向凝固原理。

《定向凝固Al-Cu-Si共晶合金组织形成与性能》篇一一、引言随着现代工业技术的快速发展，金属材料在各种工程领域中发挥着越来越重要的作用。

其中，共晶合金因其独特的物理和化学性能，在航空航天、汽车制造、电子封装等领域具有广泛的应用前景。

Al-Cu-Si共晶合金作为一种典型的轻质高强合金，其组织形成与性能的研究具有重要意义。

本文旨在探讨定向凝固Al-Cu-Si共晶合金的组织形成过程及其性能表现。

二、Al-Cu-Si共晶合金的组织形成1. 合金成分设计Al-Cu-Si共晶合金的成分设计是组织形成的关键。

合理的成分比例能够促进共晶组织的形成，提高合金的力学性能。

一般来说，Al基体中添加适量的Cu和Si元素，可以形成Al基共晶合金。

2. 定向凝固工艺定向凝固是一种常用的合金制备技术，可以有效控制合金的晶粒取向和共晶组织形态。

在制备Al-Cu-Si共晶合金时，通过控制冷却速度、温度梯度等工艺参数，实现合金的定向凝固。

在凝固过程中，溶质原子在固液界面处发生扩散，形成共晶组织。

3. 组织形成过程在定向凝固过程中，Al-Cu-Si共晶合金的组织形成主要包括初生相的形成、共晶相的生长以及最后的组织形态。

初生相主要为Al基体或CuAl2等金属间化合物；共晶相则是由Al、Si和少量Cu元素组成的共晶组织。

在定向凝固过程中，这些相在空间上相互交织，形成特定的组织形态。

三、Al-Cu-Si共晶合金的性能表现1. 力学性能Al-Cu-Si共晶合金具有较高的强度和硬度，这是由于其独特的共晶组织结构所决定的。

在定向凝固过程中，合金的晶粒取向和共晶组织形态对力学性能具有重要影响。

合理的成分设计和工艺参数可以优化合金的组织结构，提高其力学性能。

2. 物理性能Al-Cu-Si共晶合金还具有良好的导热性能和导电性能。

这使得其在电子封装、散热器件等领域具有广泛的应用前景。

此外，该合金还具有较好的抗腐蚀性能，能够在恶劣环境下长期使用。

3. 加工性能Al-Cu-Si共晶合金具有良好的加工性能，可以通过铸造、锻造、挤压等工艺进行加工。

定向凝固技术对物理提纯多晶硅的作用林安中北京中联阳光科技有限公司由于硅材料的紧缺，物理冶金法提纯硅材料，在国内外都形成研发的热门项目，主要其比西门子法提纯多晶硅的投资起点要低很多，降低成本也有一定的潜力。

除了方法中有的采用初步先用化学处理硅料外，在硅原料的冶炼提纯中，大部分都结合定凝固法来进行大部分杂质的去除，其更粗一点的形式也可称为保温去渣法，但定向凝固法因分凝系数的关系对去磷、硼的效果不佳，使得去磷、硼成为物理冶金法中关键及难度较大的部分。

中国目前有不少的厂家生产的高纯冶金硅达到了4个9多的纯度，其典型的达到的纯度水平如下：（1）B4PPMW，P13－20PPMW，Fe 1 PPMW.（2） B 1.5PPMW, P 6－10PPMW, Fe<0.05PPMW.这样产品的电阻率有可能达到型号为0.3Ω·cm或更高。

但其电阻率是补偿形成的，跟太阳能级的要求还有相当的距离。

以这些料为基础，进一步的提纯工作也在进行中，隨时间的进步也是明显的。

在高纯冶金硅的研发中，对硅中杂质的分析是很重要的手段，但P、B的含量在1PPMW 左右时，国内的权威分析单位已不易给出准确的分析数据，国外权威单位的分析收费又很贵，对研发的发展形成一定的障礙。

国内分析精度的不稳定，除了设备的因素外，还与制样的环境条件及制样中污杂因素有关，这方面应得到科技部等科研经费支持单位的重视。

当分析单位的P、B中有一种测的较准时，其它金属杂质含量又在1PPMW以下时，硅的电阻率可作为衡量另一元素是否测准的参考。

建议研发单位总的来说不要太省分析的费用，因其是实验中增快进度的关键所在。

目前对所研制的硅材料达到几个9的定义还不是很明确，特别是5个9以上时，其含量应不包括氧、碳的含量，而应包括P、B的含量。

所得的电阻率没有P、B的含量的数值提供时时将具有很大的不足。

建议说明硅材料达到几个9时同时提供其P、B的含量。

当纯化冶金硅达到6N的初步太阳级时，首先可在单晶生长或多晶硅铸锭时加入10－30%的投炉料的比例，可使太阳电池的效率不下降，进行了初步的使用。

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。