定向凝固基础

定向凝固技术2024/3/2721.定向凝固的发展历史2.定向凝固基本原理定向凝固技术原理定向凝固理论定向凝固技术工艺参数3.定向凝固技术发展4.定向凝固技术的应用5.定向凝固发展趋势目录2024/3/2731.定向凝固的发展历史定向凝固过程的理论研究的出现是在1953年，Charlmers及其他的同事在定向凝固方法考察液/固界面形态演绎的基础上提出了被人们称之为定量凝固科学的里程碑的成分过冷理论。在20世纪60年代，定向凝固技术成功的应用于航空发动机涡轮叶片的制备上，大幅度提高了叶片的高温性能，使其寿命加长，从而有力地推动了航空工业发展。2024/3/2741.定向凝固的发展历史近20年来，不仅开发了许多先进的定向凝固技术，同时对定向凝固理论也进行了丰富和发展，从Charlmers等的成分过冷理论到Mullins等的固/液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，从而又能进一步指导凝固技术的发展。随着其他专业新理论的出现和日趋成熟及实验技术的不断改进，新的凝固技术也将被不断创造出来。定向凝固技术必将成为新材料的制备和新加工技术的开发提供广阔前景，也必将使凝固理论得到完善和发展。2024/3/275FromGEGlobalResearchCenter2.定向凝固基本原理2.1定向凝固技术原理2.2定向凝固理论2.3定向凝固技术工艺参数2024/3/276FromGEGlobalResearchCenter2.1定向凝固技术定义晶体生长方向热流方向侧向无温度梯度，不散热

定向凝固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。2024/3/277FromGEGlobalResearchCenter2.2定向凝固理论固液界面距离

x温

度TLGL成分过冷区由溶质再分配导致界面前方熔体成分及其凝固温度发生变化而引起的过冷——成分过冷（1）成分过冷理论2024/3/278FromGEGlobalResearchCenter2.2定向凝固理论成分过冷对凝固过程的影响成分过冷区逐渐加宽的情况胞枝生长向枝晶生长的转变窄成分过冷的情况2024/3/279FromGEGlobalResearchCenter2.2定向凝固理论成分过冷区足够大时柱状晶生长情况成分过冷区进一步加宽，从柱状枝晶的外生生长转变为等轴晶的内生生长成分过冷对凝固过程的影响2024/3/27102.2定向凝固理论（2）MS理论MS界面稳定性动力学理论不但全面地考虑了凝固过程溶质场、热场和界面能等因素对界面稳定性的影响，将成分过冷理论的适用范围扩大到快速凝固领域。同时，它预言了平界面稳定生长这一当时尚未被证实和认识的自然现象。界面形貌的演变：平界面-胞状-树枝状-胞状-平界面随V增大：2024/3/27112.3定向凝固技术工艺参数凝固过程中固液界面前沿液相中的温度梯度GL;固液界面向前推进的速度R;GL/R值是控制晶体长大形态的重要判据;凝固过程中的成分过冷或金属的性质（T1-T2）/DL.新型定向凝固技术发热铸型法功率降低法快速凝固法电磁约束成形定向凝固技术深过冷定向凝固技术连续定向凝固技术对流下的定向凝固技术重力场作用下的定向凝固技术传统定向凝固技术液态金属冷却法区域熔化液态金属冷却法激光超高温度梯度快速定向凝固3.定向凝固技术发展3.定向凝固技术发展1.发热铸型法发热剂法是定向凝固技术发展的起始阶段，是最原始的一种。其原理是水冷模底部采用水冷铜底座,顶部覆盖发热剂,侧壁采用隔热层绝热,浇入金属液后，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。由于所能获得的温度梯度小和沿高度不断减小,而且很难控制。但其工艺简单、成本低，可用于制造小批量零件。3.定向凝固技术发展2.功率降低法感应线圈分两段，铸件在凝固过程中不移动。模壳预热到一定温度，向壳内浇入过热合金，切断下部电源，上部继续加热GL随凝固距离的增加不断减小。GL和R不能人为控制PD法示意图3.定向凝固技术发展3.快速凝固法铸型加热器始终加热凝固时，铸件与加热器之间产生相对移动在热区底部使用辐射挡板和水冷套，挡板附近有较大的GL、GS与PD法比，大大缩小凝固前沿两相区，局部冷却速度增大，有利细化组织，提高机械性能与PD法的区别：H.R.S法示意图3.定向凝固技术发展4.液态金属冷却法合金液浇入型壳，按选择的速度将壳型拉出炉体，浸入金属浴金属浴的水平面保持在凝固的固-液界面附近处应用较多的是锡浴GL可达200℃/cm，该法已被美国、前苏联等国用于航空发动机叶片的生产。L.M.C法示意图3.定向凝固技术发展工业上使用的定向凝固技术主要冶金工艺参数工业上较广泛使用的定向凝固装置示意图3.定向凝固技术发展3.定向凝固技术发展5.区域熔化液态金属冷却法

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。最高温度梯度可1300K/cm，最大冷却速度可达50K/s。1.Ingot2.Coolingagent3.Coolingwater4.Insulationboard5.Inductioncoil6.Sample7.Meltingzone8.Crucible3.定向凝固技术发展6.深过冷定向凝固1.激发源2.熔体3.净化剂4.感应线圈5.石英坩埚在坩埚中装有试样,装在高频悬浮熔炼线圈中循环过热使异质核心通过蒸发与分解方式去除,或装有净化剂,通过净化剂的吸附作用消除和钝化合金的异质核心。以此获得深过冷的合金熔体。再将坩埚的底部激冷,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。深过冷与一般的定向凝固技术相比,可以免除复杂的抽拉装置,另外,凝固速度快,时间短,可大幅度提高生产效率。3.定向凝固技术发展7.电磁约束成形定向凝固20世纪90年代初期,傅恒志等在ZMLMC法的基础上,利用电磁感应加热直接熔化感应器内的金属材料,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。这是一种无坩埚熔炼、无铸型、无污染的定向凝固成形技术,取消了导热性较差的,与金属发生高温反应的厚重陶瓷模壳,冷却介质与铸件表面直接接触,产生很高的温度梯度,增强了铸件固相的冷却能力,使凝固组织超细化,由于合金无污染,显著提高铸件的表面质量和综合性能。电磁约束成形定向凝固装置3.定向凝固技术发展8.激光超高温度梯度快速定向凝固在激光表面快速熔凝时，凝固界面的温度梯度可高达5×104K/cm，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，凝固组织是从集体外延生长的，界面上不同位置生长方向也不相同。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速度方向一致的温度梯度。根据合金凝固特性选择适当的激光激光工艺参数以获得胞晶组织，现在激光超高温度梯度快速定向凝固还处于探索性试验阶段。

1.铜板2.试样3.激光束4.保护气体5.底板6.电机3.定向凝固技术发展9.连续定向凝固技术

该技术是通过加热结晶器模型到金属熔点温度以上，铸型只能约束金属液相的形状，金属不会在型壁表面凝固；同时冷却系统与结晶器分离，在型外对逐渐进行冷却，维持很高的牵引方向的温度梯度，保证凝固界面是凸向液相的，以获得强类的单向温度梯度，使熔体的凝固只在脱了结晶器的瞬间进行。随着铸锭不断离开结晶器，晶体的生长方向沿热流的反方向进行，获得定向结晶组织，甚至单晶组织，其原理如图所示,这种方法最大的特点是改变传统的连续凝固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。OCC法连续铸造技术与传统连续铸技术凝固过程的比较3.定向凝固技术发展9.连续定向凝固技术此外，OCC法连铸过程中固相与铸型不接触，固液界面处于自由状态，固相与铸型之间是靠金属液的表面张力来联系，因此，不存在固相与铸型之间的摩擦力，可以连续拉延铸坯，并且所需的拉延力也很小，可以得到表面成镜面的铸坯。OCC法将高效的连铸技术和先进的定向凝固技术相结合，综合了二者的优点，是一种新型的近成品形状加工技术。目前国内外应用连续定向凝固法已成功拉制出了具有各种圆形截面及异形截面形状，如圆棒、圆管、椭圆管、多边形棒、异形棒等的单晶型材；另外也可生产出有芯材料或同轴异质等复合材料。最初的OCC技术采用简单的下引方式见下图(a)，仅拉出长度50mm左右形状不规整的镜面铸锭，直到1980年，才发现出三种方法，即下引法、上引法和水平法见下图（b）-（d）。2024/3/27254.定向凝固技术的应用应用定向凝固方法，得到单方向生长的柱状晶，甚至单晶，不产生横向晶界，较大提高了材料的单向力学性能，热强性能也有了进一步提高，因此，定向凝固技术已成为富有生命力的工业生产手段，应用也日益广泛。2024/3/27264.定向凝固技术的应用晶体生长的研究内容之一是制备成分准确，尽可能无杂质，无缺陷（包括晶体缺陷）的单晶体。晶体是人们认识固体的基础。定向凝固是制备单晶最有效的方法。为了得到高质量的单晶体，首先要在金属熔体中形成一个单晶核：可引入粒晶成自发形核，而在晶核和熔体界面不断生长出单晶体。

单晶在生长过程中绝对要避免固—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分过冷。固液界面前沿的熔体应处于过热状态，结晶过程的潜热只能通过生长着的晶体导出。定向凝固满足上述热传输的要求，只要恰当的控制固—液界面前沿熔体的温度和速率，是可以得到高质量的单晶体的。1.单晶生长2024/3/27274.定向凝固技术的应用

柱状晶包括柱状树枝晶和胞状柱晶。通常采用定向凝固工艺，使晶体有控制的向着与热流方向相反的方向生长。共晶体取向为特定位向，并且大部分柱晶贯穿整个铸件。这种柱晶组织大量用于高温合金和磁性合金的铸件上。

定向凝固柱状晶铸件与用普通方法得到的铸件相比，前者可以减少偏析、疏松等，而且形成了取向平行于主应力轴的晶粒，基本上消除了垂直应力轴的横向晶界，是航空发动机叶片的力学性能有了新的飞跃。2.柱状晶生长2024/3/27284.定向凝固技术的应用固—液界面应有足够高的温度梯度GL；保证定向散热；尽量抑制液态合金的形核能力；高的GL/R比值；2.柱状晶生长获得定向凝固柱状晶的基本条件是：2024/3/27294.定向凝固技术的应用3.高温合金制备

高温合金

高温合金是现在航空燃气涡轮.舰船燃气轮机、地面和火箭发动机的重要金属材料，在先进大航空发动机中，高温合金的用量占40%—60%，因此这种材料被喻为燃气轮的心脏。

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有意的力学性能而获得长足的发展。2024/3/27304.定向凝固技术的应用3.高温合金制备

高温合金

MAR—M200中温性能尤其是中温塑性很低，作为涡轮叶片在工作中常发生无预兆的断裂。在MAR—M200合金的基础上研究成功的定向凝固高温合金PWA1422不仅具有良好的中高温蠕变断裂强度和塑性,而且具有比原合金高5倍的热疲劳性能，在先进航空航天发动机上获得广泛的应用。2024/3/27314.定向凝固技术的应用4.磁性材料制备磁性材料是古老而年轻的功能材料，指具有可利用的磁学性质的材料，它具有优异的磁性能。深过冷快速凝固是目前国内外制备块体纳米磁性材料的研究热点之一，采用该工艺可先制备出大块磁性非晶，再将其进行退火热处理而获得纳米磁性材料，也可以直接将整块金属进行晶粒细化至纳米级而获得纳米磁性材料。磁性材料2024/3/27324.定向凝固技术的应用4.磁性材料制备深过冷快速凝固方法所制备块体纳米材料的厚度及平均晶粒尺寸在很大程度上时由合金成分以及液态金属获得的过冷度决定的。张振忠等采用深过冷水淬方法直接制备出了式样直径为16mm、平均晶粒尺寸小于120nm的Fe76B12Si12合金块体纳米软磁材料，其磁耗损PFF400和PFF1000仅为普通硅钢片的45.3%和69%。磁性材料2024/3/27334.定向凝固技术的应用5.高温超导材料材料制备

YBCO高温超导体由于具有高温临界电流密度和低的导热率，是做电线的潜在材料。如果要在SMES等方面有广泛的应用，为了减少热泄露，并且在磁场中具有高临界电流密度，那么就必须需要大尺寸的电线。高温超导体材料2024/3/27344.定向凝固技术的应用6.功能材料制备

压电陶瓷和稀土超磁致伸缩材料在换能器、传感器和电子器件等方便都有广泛的应用。定向凝固技术在制备这两种功能材料中也得到了应用。

中国科学院上海硅酸盐研究所高性能陶瓷和超微结构国家重点实验室曾用定向凝固技术制备了择优方向为[111]、晶粒为柱状的PMN-0.35PT定向陶瓷和择优方向为[011]，[001]的定向陶瓷。功能材料2024/3/27354.定向凝固技术的应用6.功能材料制备北京有色金属研究总院稀土材料国家工程研究中心采用自行开发的“一步法”新工艺（即熔炼、定向凝固、热处理在一台设备上连续完成），成功的制备出目前我国直径最大的（直径70mm、长度250mm）稀土超磁致伸缩材料，在低磁场下的磁致伸缩应变、力学性能、产品一致性、成品率等主要技术经济指标均达到国际先进水平。稀土超磁致伸缩材料具有任何传统磁致伸缩材料所无法比拟的优点。功能材料2024/3/27364.定向凝固技术的应用7.复合材料制备定向凝固技术也是一种制备复合材料的重要手段。西北工业大学在自行研制的具有高真空、高温度梯度、宽抽拉速度等特点的定向凝固设备上制备出自生Cu-Cr符合材料棒；经研究发现：Cu-Cr自生复合材料的定向凝固组织是有α基体相和分布于α相间的纤维状共晶体复合组成。

随着凝固速度的增加，各组织生长定向性变好且径向尺寸均得到细化。致密、均匀、规整排列的组织减少了横向晶界、微观组织中α基体相起导电作用，纤维状共晶体起增强作用。Cu-Cr自生复合材料的强度、塑性、导电性均高于体积凝固试样，复合材料的综合性能的到提高。复合材料2024/3/27374.定向凝固技术的应用8.多孔材料制备

日本学者用定向凝固技术制备了藕状多孔铜材料和硅材料，在材料中孔都是长而直的。图4.1和图4.2分别是多孔铜材料和硅材料的光学显微图。他们研究了制备的多孔材料气孔率、气孔大小及分布与性能关系，认为多孔材料在许多新的领域有应用前景。多孔材料2024/3/27384.定向凝固技术的应用8.多孔材料制备4.1多孔铜材料的光学图谱4.2多孔硅材料的光学图谱2024/3/27394.定向凝固技术的应用9.单晶连铸坯制备单晶连铸坯OCC技术主要要应用在单