材料合成與制備新技術(shù)定向凝固實(shí)用教案

1、1 材料制備與加工技術(shù)的發(fā)展對(duì)新材料的研材料制備與加工技術(shù)的發(fā)展對(duì)新材料的研發(fā)、應(yīng)用和產(chǎn)業(yè)化具有決定性作用。同時(shí)還可發(fā)、應(yīng)用和產(chǎn)業(yè)化具有決定性作用。同時(shí)還可有效的改進(jìn)和提高傳統(tǒng)材料的使用性能。對(duì)傳有效的改進(jìn)和提高傳統(tǒng)材料的使用性能。對(duì)傳統(tǒng)材料的產(chǎn)業(yè)更新和改造具有重要作用。定向統(tǒng)材料的產(chǎn)業(yè)更新和改造具有重要作用。定向凝固技術(shù)被廣泛應(yīng)用于獲得具有特殊取向的組凝固技術(shù)被廣泛應(yīng)用于獲得具有特殊取向的組織織(zzh)(zzh)和優(yōu)異性能的材料。和優(yōu)異性能的材料。 第1頁/共109頁第一頁，共110頁。2定向凝固的發(fā)展歷史定向凝固的發(fā)展歷史定向凝固基本原理定向凝固基本原理定向凝固工藝定向凝固工藝應(yīng)用應(yīng)用(

2、yngyng)(yngyng)實(shí)例實(shí)例第2頁/共109頁第二頁，共110頁。3定向定向(dn xin)凝固的發(fā)展歷史凝固的發(fā)展歷史 定向(dn xin)凝固過程的理論研究的出現(xiàn)是在1953年，那是Charlmers及其他的同事們?cè)诙ㄏ?dn xin)凝固方法考察液/固界面形態(tài)演繹的基礎(chǔ)上提出了被人們稱之為定量凝固科學(xué)的里程碑的成分過冷理論。 第3頁/共109頁第三頁，共110頁。4 在20世紀(jì)60年代，定向凝固技術(shù)成功的應(yīng)用于航空發(fā)動(dòng)機(jī)渦輪葉片的制備上，大幅度提高了葉片的 高 溫 性 能 ， 使 其 壽 命 加 長(zhǎng) ， 從 而 有 力 地 推 動(dòng)(tu dng)了航空工業(yè)發(fā)展。 近近2020年

3、來，不僅開發(fā)了許多先進(jìn)的定向凝固年來，不僅開發(fā)了許多先進(jìn)的定向凝固(nngg)(nngg)技術(shù)，同時(shí)對(duì)定向凝固技術(shù)，同時(shí)對(duì)定向凝固(nngg)(nngg)理論理論也進(jìn)行了豐富和發(fā)展，從也進(jìn)行了豐富和發(fā)展，從CharlmersCharlmers等的成分過冷理等的成分過冷理論到論到MullinsMullins等的固等的固/ /液界面穩(wěn)定動(dòng)力學(xué)理論（液界面穩(wěn)定動(dòng)力學(xué)理論（MSMS理理論），人們對(duì)凝固論），人們對(duì)凝固(nngg)(nngg)過程有了更深刻的認(rèn)過程有了更深刻的認(rèn)識(shí)，從而又能進(jìn)一步指導(dǎo)凝固識(shí)，從而又能進(jìn)一步指導(dǎo)凝固(nngg)(nngg)技術(shù)的發(fā)技術(shù)的發(fā)展。展。第4頁/共109頁第四頁，共

4、110頁。5 隨著其他專業(yè)新理論的出現(xiàn)和日趨成熟及實(shí)隨著其他專業(yè)新理論的出現(xiàn)和日趨成熟及實(shí)驗(yàn)技術(shù)的不斷改進(jìn)，新的凝固技術(shù)也將被不斷創(chuàng)驗(yàn)技術(shù)的不斷改進(jìn)，新的凝固技術(shù)也將被不斷創(chuàng)造出來。定向凝固技術(shù)必將成為新材料造出來。定向凝固技術(shù)必將成為新材料(cilio)的的制備和新加工技術(shù)的開發(fā)提供廣闊前景，也必將制備和新加工技術(shù)的開發(fā)提供廣闊前景，也必將使凝固理論得到完善和發(fā)展。使凝固理論得到完善和發(fā)展。第5頁/共109頁第五頁，共110頁。6 定向定向(dn xin)凝固基本原理凝固基本原理p 定向凝固(nngg)技術(shù) 的基本定義p 定向凝固(nngg)理論p 定向凝固(nngg)技術(shù)的適用范圍第6頁/

5、共109頁第六頁，共110頁。7在凝固過程中采用強(qiáng)制手段，在在凝固過程中采用強(qiáng)制手段，在凝固金屬和為凝固熔體中建立起凝固金屬和為凝固熔體中建立起特定方向的溫度梯度，從而使熔特定方向的溫度梯度，從而使熔體沿著與熱流相反的方向凝固，體沿著與熱流相反的方向凝固，獲得具有特定取向獲得具有特定取向(q xin)(q xin)柱狀晶的技術(shù)。柱狀晶的技術(shù)。 定定向向(d(dn n xixin)n)凝凝固固第7頁/共109頁第七頁，共110頁。8定向凝固技術(shù)的工藝定向凝固技術(shù)的工藝(gngy)參數(shù)參數(shù) 凝固過程中固液界面前沿(qinyn)液相中的溫度梯度GL 固液界面向前推進(jìn)的速度R GL/R值是控制晶體長(zhǎng)大

6、形態(tài)的重要判據(jù)。第8頁/共109頁第八頁，共110頁。95.2.2 定向凝固定向凝固(nngg)理論理論 定向凝固技術(shù)實(shí)驗(yàn)的發(fā)展推動(dòng)了凝固理論的發(fā)展和定向凝固技術(shù)實(shí)驗(yàn)的發(fā)展推動(dòng)了凝固理論的發(fā)展和深入。深入。Charlmers、Tiller等人在研究中發(fā)現(xiàn)在合金中等人在研究中發(fā)現(xiàn)在合金中液固界面前沿由于溶質(zhì)富集將會(huì)產(chǎn)生液固界面前沿由于溶質(zhì)富集將會(huì)產(chǎn)生“成分過冷成分過冷”導(dǎo)導(dǎo)致平衡界面失穩(wěn)而形成致平衡界面失穩(wěn)而形成(xngchng)胞晶核枝晶。首次胞晶核枝晶。首次提出了成分過冷理論。提出了成分過冷理論。第9頁/共109頁第九頁，共110頁。10純金屬的凝固過程純金屬的凝固過程正溫度梯度下正溫度梯度

7、下，固液界面前，固液界面前沿液體幾乎沒有過冷，固液沿液體幾乎沒有過冷，固液界面以平面方式向前推進(jìn)，界面以平面方式向前推進(jìn)，即晶體以平面方式向前生長(zhǎng)。即晶體以平面方式向前生長(zhǎng)。負(fù)的溫度梯度下負(fù)的溫度梯度下，界面前方的液體強(qiáng)烈過冷，界面前方的液體強(qiáng)烈過冷，晶體以樹枝晶方式生長(zhǎng)。晶體以樹枝晶方式生長(zhǎng)。1 1、成分、成分(chng fn)(chng fn)過冷理論過冷理論第10頁/共109頁第十頁，共110頁。11 成分過冷理論能成功的判定低速生長(zhǎng)條件成分過冷理論能成功的判定低速生長(zhǎng)條件下無偏析特征的平面凝固下無偏析特征的平面凝固(nngg)(nngg)，避免胞，避免胞晶或枝晶的生長(zhǎng)。晶或枝晶的生長(zhǎng)。

8、 20世紀(jì)世紀(jì)50年代年代Charlmers、Tiller等人首次提出等人首次提出(t ch)單晶二元合金成分理論。單晶二元合金成分理論。 第11頁/共109頁第十一頁，共110頁。12固液界面液相區(qū)內(nèi)固液界面液相區(qū)內(nèi)(q ni)形成成分形成成分過冷條件過冷條件 一是由于溶質(zhì)在固相和液相中的固溶度不同，即一是由于溶質(zhì)在固相和液相中的固溶度不同，即溶質(zhì)原子在液相中固溶度大，在固相中固溶度小，當(dāng)溶質(zhì)原子在液相中固溶度大，在固相中固溶度小，當(dāng)單向合金冷卻凝固時(shí)，溶質(zhì)原子被排擠到液相中去，單向合金冷卻凝固時(shí)，溶質(zhì)原子被排擠到液相中去，在固液界面液相一側(cè)堆積在固液界面液相一側(cè)堆積(duj)(duj)著溶

9、質(zhì)原子，形著溶質(zhì)原子，形成溶質(zhì)原子的富集層。隨著離開固液界面距離增大，成溶質(zhì)原子的富集層。隨著離開固液界面距離增大，溶質(zhì)質(zhì)量分?jǐn)?shù)逐漸降低。溶質(zhì)質(zhì)量分?jǐn)?shù)逐漸降低。 二是在凝固過程中，由于外界二是在凝固過程中，由于外界(wiji)(wiji)冷卻冷卻作用，在固液界面固相一側(cè)不同位置上的實(shí)際溫度作用，在固液界面固相一側(cè)不同位置上的實(shí)際溫度不同，外界不同，外界(wiji)(wiji)冷卻能力強(qiáng)，實(shí)際溫度低；冷卻能力強(qiáng)，實(shí)際溫度低；相反實(shí)際溫度高。如果在固液界面液相一側(cè)，溶液相反實(shí)際溫度高。如果在固液界面液相一側(cè)，溶液中的實(shí)際溫度低于平衡時(shí)液相線溫度，出現(xiàn)過冷現(xiàn)中的實(shí)際溫度低于平衡時(shí)液相線溫度，出現(xiàn)過冷

10、現(xiàn)象。象。 第12頁/共109頁第十二頁，共110頁。13 在此基礎(chǔ)上，Charlmers、Tiller等人首次提出(t ch)了著名的“成分過冷”判據(jù)：L000L0Lm Ck1GVk DLTD（） 式中：GL為液固界面前沿液相溫度梯度（K/mm）；V為界面生長(zhǎng)速度（mm/s）；mL為液相線斜率(xil)；C0為合金平均成分；k0為平衡溶質(zhì)分配系數(shù)；DL為液相中溶質(zhì)擴(kuò)散系數(shù)；T0為平衡結(jié)晶溫度間隔。第13頁/共109頁第十三頁，共110頁。14圖圖5.1 5.1 成分成分(chng fn)(chng fn)過冷過冷第14頁/共109頁第十四頁，共110頁。15據(jù)此，可以得到平衡界面生長(zhǎng)的臨界據(jù)

11、此，可以得到平衡界面生長(zhǎng)的臨界(ln ji)速度。速度。0VcsTLLG D式中，式中，T0=mLC0(k0-1)，T0是合金平衡結(jié)晶溫度是合金平衡結(jié)晶溫度(wnd)間隔。間隔。第15頁/共109頁第十五頁，共110頁。16 在晶體生長(zhǎng)過程中，當(dāng)不存在成分過冷時(shí)，如在晶體生長(zhǎng)過程中，當(dāng)不存在成分過冷時(shí)，如果在平直的固液界面上由于不穩(wěn)定因素?cái)_動(dòng)產(chǎn)生凸果在平直的固液界面上由于不穩(wěn)定因素?cái)_動(dòng)產(chǎn)生凸起，也會(huì)由于過熱的環(huán)境將其熔化起，也會(huì)由于過熱的環(huán)境將其熔化(rnghu)而繼而繼續(xù)保持平面界面。續(xù)保持平面界面。 而當(dāng)界面前沿存在成分而當(dāng)界面前沿存在成分(chng fn)(chng fn)過冷時(shí)，界面前

12、沿由過冷時(shí)，界面前沿由于不穩(wěn)定因素而形成的凸起會(huì)因?yàn)樘幱谶^冷區(qū)而發(fā)展，平界面失于不穩(wěn)定因素而形成的凸起會(huì)因?yàn)樘幱谶^冷區(qū)而發(fā)展，平界面失穩(wěn)，導(dǎo)致樹枝晶的形成。穩(wěn)，導(dǎo)致樹枝晶的形成。第16頁/共109頁第十六頁，共110頁。17 成分過冷理論提供了判斷液固界面穩(wěn)定性的第一個(gè)簡(jiǎn)明而適用的判據(jù)，對(duì)平界面穩(wěn)定性，甚至(shnzh)胞晶和枝晶形態(tài)穩(wěn)定性都能夠很好地做出定性地解釋。 第17頁/共109頁第十七頁，共110頁。18但是這一判據(jù)本身但是這一判據(jù)本身(bnshn)還有一些矛盾，如：還有一些矛盾，如： 成分過冷理論成分過冷理論(lln)(lln)把平衡熱力學(xué)應(yīng)用到非平衡把平衡熱力學(xué)應(yīng)用到非平衡動(dòng)力學(xué)

13、過程中，必然帶有很大的近似性動(dòng)力學(xué)過程中，必然帶有很大的近似性; ; 隨著隨著(su zhe)快速凝固新領(lǐng)域的出現(xiàn)，上述理論已不能適快速凝固新領(lǐng)域的出現(xiàn)，上述理論已不能適用。用。 在固液界面上引入局部的曲率變化要增加系統(tǒng)的自在固液界面上引入局部的曲率變化要增加系統(tǒng)的自由能，這一點(diǎn)在成分過冷理論中被忽略了；由能，這一點(diǎn)在成分過冷理論中被忽略了； 成分過冷理論沒有說明界面形態(tài)的改變機(jī)制。成分過冷理論沒有說明界面形態(tài)的改變機(jī)制。第18頁/共109頁第十八頁，共110頁。192、絕對(duì)、絕對(duì)(judu)穩(wěn)定性理論穩(wěn)定性理論 MullniS和和skeerka鑒于成分過冷理論存在鑒于成分過冷理論存在不足，提

14、出不足，提出(t ch)一個(gè)考慮溶質(zhì)濃度場(chǎng)和溫一個(gè)考慮溶質(zhì)濃度場(chǎng)和溫度場(chǎng)、固液界面能以及界面動(dòng)力學(xué)的絕對(duì)穩(wěn)度場(chǎng)、固液界面能以及界面動(dòng)力學(xué)的絕對(duì)穩(wěn)定理論定理論(MS理論理論)。對(duì)于平界面生長(zhǎng)，。對(duì)于平界面生長(zhǎng)，Ms理論理論可表示為：可表示為：第19頁/共109頁第十九頁，共110頁。20200/22/2LSSLLLLSCSLVCLK GK GVDVVm GapVDKKLm GVpVDK式中， 1/22222LLLVVDDD1/22222LLLLVVD第20頁/共109頁第二十頁，共110頁。211/22222SSSSVVDDD2LLSSKKK2SLKKK01pk /ddt第21頁/共109頁第二

15、十一頁，共110頁。22 其中，其中，L、S分別是液固相的熱擴(kuò)散分別是液固相的熱擴(kuò)散系數(shù)，系數(shù)，KL、KS分別是液固相的導(dǎo)熱系分別是液固相的導(dǎo)熱系數(shù)，數(shù)，GL、GS是液固相溫度梯度，是液固相溫度梯度，為為Gibbs-Thompson系數(shù)，系數(shù)，LV為凝固潛熱，為凝固潛熱，為幾何干擾頻率，為幾何干擾頻率，為擾動(dòng)振幅，為擾動(dòng)振幅，的的符號(hào)就決定了平界面是否穩(wěn)定。在上式符號(hào)就決定了平界面是否穩(wěn)定。在上式中，右端的分母恒為正值，因而臨界穩(wěn)中，右端的分母恒為正值，因而臨界穩(wěn)定性條件定性條件(tiojin)實(shí)際上取決于分子的實(shí)際上取決于分子的符號(hào)。符號(hào)。第22頁/共109頁第二十二頁，共110頁。23 由

16、于通常凝固條件下，金屬中的熱擴(kuò)散長(zhǎng)度遠(yuǎn)大由于通常凝固條件下，金屬中的熱擴(kuò)散長(zhǎng)度遠(yuǎn)大于空間擾動(dòng)波長(zhǎng)于空間擾動(dòng)波長(zhǎng)(bchng)，上式中的分子可簡(jiǎn)化為：，上式中的分子可簡(jiǎn)化為： 220/LrCLVDSGm GpVD 式中 2LLSSrK GK GGK第23頁/共109頁第二十三頁，共110頁。24 表達(dá)式中三個(gè)項(xiàng)分別代表了溫度梯度、界面能、溶質(zhì)邊界層這三方面的因素對(duì)界面穩(wěn)定性的貢獻(xiàn)，其中界面能的作用總是使界面趨于穩(wěn)定，溶質(zhì)邊界層的存在(cnzi)總是使界面趨于失穩(wěn)，而溫度梯度對(duì)穩(wěn)定性的作用則取決于梯度的方向。 第24頁/共109頁第二十四頁，共110頁。25 由此可見，由此可見，MS理論實(shí)際上擴(kuò)展

17、了理論實(shí)際上擴(kuò)展了“成分成分過冷過冷”理論對(duì)界面穩(wěn)定性的分析，在低速端，理論對(duì)界面穩(wěn)定性的分析，在低速端，如果忽略界面張力效應(yīng)，固液相熱物性差異，如果忽略界面張力效應(yīng)，固液相熱物性差異，溶質(zhì)溶質(zhì)(rngzh)沿界面擴(kuò)散效應(yīng)及結(jié)晶潛熱等因沿界面擴(kuò)散效應(yīng)及結(jié)晶潛熱等因素，素，MS理論就回到了理論就回到了“成分過冷成分過冷”理論。理論。 第25頁/共109頁第二十五頁，共110頁。26 而在高速端，而在高速端，MS理論則預(yù)言了高速絕對(duì)穩(wěn)定性理論則預(yù)言了高速絕對(duì)穩(wěn)定性這一全新的現(xiàn)象，并可以給出產(chǎn)生這一全新的現(xiàn)象，并可以給出產(chǎn)生(chnshng)這種這種絕對(duì)穩(wěn)定性的臨界條件：絕對(duì)穩(wěn)定性的臨界條件： 0V

18、LVDTVk0VTVk式中式中為非平衡為非平衡(pnghng)液固相線溫差液固相線溫差為非平衡修正為非平衡修正(xizhng)后的溶質(zhì)分配系數(shù)后的溶質(zhì)分配系數(shù)第26頁/共109頁第二十六頁，共110頁。27 此外，黃衛(wèi)東等通過對(duì)此外，黃衛(wèi)東等通過對(duì)MS理論的進(jìn)一步分析，理論的進(jìn)一步分析，發(fā)現(xiàn)還存在高梯度發(fā)現(xiàn)還存在高梯度(t d)絕對(duì)性現(xiàn)象，并給出了高梯絕對(duì)性現(xiàn)象，并給出了高梯度度(t d)絕對(duì)穩(wěn)定性實(shí)現(xiàn)的臨界條件：絕對(duì)穩(wěn)定性實(shí)現(xiàn)的臨界條件：23200.02030.04870.05410.0624 ,01TGkkkkk MS理論是一個(gè)線性理論，而凝固過程是一個(gè)復(fù)雜的非理論是一個(gè)線性理論，而凝固過

19、程是一個(gè)復(fù)雜的非線性問題，因此嚴(yán)格線性問題，因此嚴(yán)格(yng)的穩(wěn)定性判據(jù)應(yīng)由非線性動(dòng)力學(xué)的穩(wěn)定性判據(jù)應(yīng)由非線性動(dòng)力學(xué)分析給出。但由于非線性問題非常復(fù)雜，目前，還只能進(jìn)行分析給出。但由于非線性問題非常復(fù)雜，目前，還只能進(jìn)行弱非線性動(dòng)力學(xué)分析。弱非線性動(dòng)力學(xué)分析。 第27頁/共109頁第二十七頁，共110頁。28 1970年，年，Wollkind和和Segel首先對(duì)凝固界面首先對(duì)凝固界面(jimin)穩(wěn)定性進(jìn)行了弱非線性動(dòng)力學(xué)分析，提出了一個(gè)弱非線穩(wěn)定性進(jìn)行了弱非線性動(dòng)力學(xué)分析，提出了一個(gè)弱非線性動(dòng)力學(xué)模型：性動(dòng)力學(xué)模型：3501kkkkdAa Aa AAdtkA0a式中式中為為k階擾動(dòng)階擾動(dòng)(

20、rodng)振幅振幅是線性穩(wěn)定性參數(shù)是線性穩(wěn)定性參數(shù)(cnsh)，表達(dá)式由，表達(dá)式由MS理論理論給出給出第28頁/共109頁第二十八頁，共110頁。29 按照按照MS理論，理論，a0=0為平胞轉(zhuǎn)變分叉點(diǎn)，即當(dāng)為平胞轉(zhuǎn)變分叉點(diǎn)，即當(dāng)a00時(shí)，平界面失穩(wěn)成為胞狀結(jié)構(gòu)。時(shí)，平界面失穩(wěn)成為胞狀結(jié)構(gòu)。但由上式可知，界面形態(tài)但由上式可知，界面形態(tài)(xngti)的穩(wěn)定性還取決于的穩(wěn)定性還取決于a1的性的性質(zhì)，當(dāng)質(zhì)，當(dāng)a10時(shí)，平胞轉(zhuǎn)變具有亞臨界分叉性質(zhì)，這時(shí)，即時(shí)，平胞轉(zhuǎn)變具有亞臨界分叉性質(zhì)，這時(shí)，即使使a00，不存在從平界面到無限小振幅，不存在從平界面到無限小振幅的連續(xù)轉(zhuǎn)變。當(dāng)?shù)倪B續(xù)轉(zhuǎn)變。當(dāng)a10時(shí)，平胞

21、轉(zhuǎn)變具有超臨界分叉性質(zhì)，時(shí)，平胞轉(zhuǎn)變具有超臨界分叉性質(zhì)，這時(shí)只有當(dāng)這時(shí)只有當(dāng)a00時(shí)才能發(fā)生平界面的失穩(wěn)，并且出現(xiàn)從平時(shí)才能發(fā)生平界面的失穩(wěn)，并且出現(xiàn)從平界面到無限小振幅的連續(xù)轉(zhuǎn)變。界面到無限小振幅的連續(xù)轉(zhuǎn)變。 第29頁/共109頁第二十九頁，共110頁。306.2.3 定向凝固定向凝固(nngg)技術(shù)的適用范圍技術(shù)的適用范圍 應(yīng)用定向凝固方法，得到單方向生長(zhǎng)的柱狀晶，應(yīng)用定向凝固方法，得到單方向生長(zhǎng)的柱狀晶，甚至單晶，不產(chǎn)生橫向晶界，較大提高了材料的單向甚至單晶，不產(chǎn)生橫向晶界，較大提高了材料的單向力學(xué)性能，熱強(qiáng)性能也有了進(jìn)一步提高，因此，定向力學(xué)性能，熱強(qiáng)性能也有了進(jìn)一步提高，因此，定向凝

22、固技術(shù)凝固技術(shù)(jsh)已成為富有生命力的工業(yè)生產(chǎn)手段，應(yīng)已成為富有生命力的工業(yè)生產(chǎn)手段，應(yīng)用也日益廣泛。用也日益廣泛。 第30頁/共109頁第三十頁，共110頁。311.單晶生長(zhǎng)單晶生長(zhǎng)(shngzhng) 晶體生長(zhǎng)的研究?jī)?nèi)容之一是制備成分準(zhǔn)確，盡可能晶體生長(zhǎng)的研究?jī)?nèi)容之一是制備成分準(zhǔn)確，盡可能無雜質(zhì)，無缺陷（包括晶體缺陷）的單晶體。晶體是人無雜質(zhì)，無缺陷（包括晶體缺陷）的單晶體。晶體是人們認(rèn)識(shí)固體的基礎(chǔ)。定向凝固是制備單晶最有效的方法。們認(rèn)識(shí)固體的基礎(chǔ)。定向凝固是制備單晶最有效的方法。為了得到高質(zhì)量的單晶體，首先要在金屬熔體中形成一為了得到高質(zhì)量的單晶體，首先要在金屬熔體中形成一個(gè)單晶核：

23、可引入粒晶成自發(fā)個(gè)單晶核：可引入粒晶成自發(fā)(zf)(zf)形核，而在晶核形核，而在晶核和熔體界面不斷生長(zhǎng)出單晶體。和熔體界面不斷生長(zhǎng)出單晶體。 第31頁/共109頁第三十一頁，共110頁。32 單晶在生長(zhǎng)過程中絕對(duì)要避免固單晶在生長(zhǎng)過程中絕對(duì)要避免固液界面不穩(wěn)定而生液界面不穩(wěn)定而生出晶胞或柱晶。故而固出晶胞或柱晶。故而固液界面前沿不允許有溫度過冷或液界面前沿不允許有溫度過冷或成分過冷。固液界面前沿的熔體應(yīng)處于過熱狀態(tài)，結(jié)晶過成分過冷。固液界面前沿的熔體應(yīng)處于過熱狀態(tài)，結(jié)晶過程的潛熱只能通過生長(zhǎng)著的晶體導(dǎo)出。定向凝固滿足上述程的潛熱只能通過生長(zhǎng)著的晶體導(dǎo)出。定向凝固滿足上述熱傳輸?shù)囊?，只要熱?/p>

24、輸?shù)囊螅灰?zhyo)恰當(dāng)?shù)目刂乒糖‘?dāng)?shù)目刂乒桃航缑媲把厝垡航缑媲把厝垠w的溫度和速率，是可以得到高質(zhì)量的單晶體的。體的溫度和速率，是可以得到高質(zhì)量的單晶體的。第32頁/共109頁第三十二頁，共110頁。332.柱狀晶生長(zhǎng)柱狀晶生長(zhǎng)(shngzhng) 柱狀晶包括柱狀晶包括(boku)柱狀樹枝晶和胞狀柱晶。通常采柱狀樹枝晶和胞狀柱晶。通常采用定向凝固工藝，使晶體有控制的向著與熱流方向相反的用定向凝固工藝，使晶體有控制的向著與熱流方向相反的方向生長(zhǎng)。共晶體取向?yàn)樘囟ㄎ幌颍⑶掖蟛糠种ж灤┓较蛏L(zhǎng)。共晶體取向?yàn)樘囟ㄎ幌颍⑶掖蟛糠种ж灤┱麄€(gè)鑄件。這種柱晶組織大量用于高溫合金和磁性合金的整個(gè)鑄

25、件。這種柱晶組織大量用于高溫合金和磁性合金的鑄件上。鑄件上。 第33頁/共109頁第三十三頁，共110頁。34 定向凝固柱狀晶鑄件與用普通方法得到的鑄件相比，定向凝固柱狀晶鑄件與用普通方法得到的鑄件相比，前者可以減少偏析、疏松等，而且形成了取向平行于主前者可以減少偏析、疏松等，而且形成了取向平行于主應(yīng)力軸的晶粒，基本上消除了垂直應(yīng)力軸的橫向晶界，應(yīng)力軸的晶粒，基本上消除了垂直應(yīng)力軸的橫向晶界，是航空發(fā)動(dòng)機(jī)葉片的力學(xué)性能有了新的飛躍是航空發(fā)動(dòng)機(jī)葉片的力學(xué)性能有了新的飛躍(fiyu)。 另外，對(duì)面心立方晶體的磁性材料，如鐵等，當(dāng)鑄另外，對(duì)面心立方晶體的磁性材料，如鐵等，當(dāng)鑄態(tài)柱晶沿晶向取向時(shí)，因與

26、磁化方向一致，而大大改善態(tài)柱晶沿晶向取向時(shí)，因與磁化方向一致，而大大改善其磁性。其磁性。 第34頁/共109頁第三十四頁，共110頁。35獲得定向凝固獲得定向凝固(nngg)(nngg)柱狀晶的基本條件是：柱狀晶的基本條件是： 合金合金(hjn)(hjn)凝固時(shí)熱流方向必須是定向的。在凝固時(shí)熱流方向必須是定向的。在固固液界面應(yīng)有足夠高的溫度梯度，避免在凝固界面的前液界面應(yīng)有足夠高的溫度梯度，避免在凝固界面的前沿出現(xiàn)成分過冷或外來核心，使徑向橫向生長(zhǎng)受到限制。沿出現(xiàn)成分過冷或外來核心，使徑向橫向生長(zhǎng)受到限制。另外，還應(yīng)該保證定向散熱，絕對(duì)避免側(cè)面型壁生核長(zhǎng)大，另外，還應(yīng)該保證定向散熱，絕對(duì)避免側(cè)

27、面型壁生核長(zhǎng)大，長(zhǎng)出橫向新晶體。長(zhǎng)出橫向新晶體。 因此(ync)，要盡量抑制液態(tài)合金的形核能力。提高液態(tài)金屬的純潔度，減少氧化、吸氣形成的雜質(zhì)的污染是用來抑制形核能力的有效措施。但是，對(duì)于某些合金系，常規(guī)化學(xué)組成中含有很多雜質(zhì)，以致即使采用很高的GL/R比值，都不足以使液體合金的形核得到抑制。 第35頁/共109頁第三十五頁，共110頁。36 除了除了(ch le)凈化合金液外，還可采用添加適當(dāng)?shù)暮辖饍艋辖鹨和猓€可采用添加適當(dāng)?shù)暮辖鹪鼗蛱砑游?，使形核劑失效。晶體長(zhǎng)大的速度與晶向有元素或添加物，使形核劑失效。晶體長(zhǎng)大的速度與晶向有關(guān)。在具有一定拉出速度的鑄型中形成的溫度梯度場(chǎng)內(nèi)，關(guān)。在具有

28、一定拉出速度的鑄型中形成的溫度梯度場(chǎng)內(nèi)，取向晶體競(jìng)相生長(zhǎng)，在生長(zhǎng)過程中抑制了大部分晶體的生取向晶體競(jìng)相生長(zhǎng)，在生長(zhǎng)過程中抑制了大部分晶體的生長(zhǎng)，保留了與流方向大體平行的單一取向的柱晶繼續(xù)生長(zhǎng)，長(zhǎng)，保留了與流方向大體平行的單一取向的柱晶繼續(xù)生長(zhǎng)，有的直至鑄件頂部。有的直至鑄件頂部。 在 柱 狀 晶 生 長(zhǎng) 過 程 中 ， 只 有 在 高 的在 柱 狀 晶 生 長(zhǎng) 過 程 中 ， 只 有 在 高 的 G L / RG L / R 比 值 條 件比 值 條 件(tiojin)(tiojin)下，柱晶的實(shí)際生長(zhǎng)方向和柱晶的理論生長(zhǎng)方向才下，柱晶的實(shí)際生長(zhǎng)方向和柱晶的理論生長(zhǎng)方向才越接近，否則，晶體生長(zhǎng)

29、會(huì)偏離軸向排列方向。越接近，否則，晶體生長(zhǎng)會(huì)偏離軸向排列方向。第36頁/共109頁第三十六頁，共110頁。37 采用高速凝固法定向凝固可以保證柱晶的取向分散度采用高速凝固法定向凝固可以保證柱晶的取向分散度較小。柱晶材料較小。柱晶材料(cilio)(cilio)使用于特定的受力條件，當(dāng)主使用于特定的受力條件，當(dāng)主應(yīng)力方向與柱晶生長(zhǎng)方向一致時(shí)，才能最大限度的顯示柱應(yīng)力方向與柱晶生長(zhǎng)方向一致時(shí)，才能最大限度的顯示柱晶力學(xué)性能上的優(yōu)越性。衡量柱晶組織的標(biāo)志，除了取向晶力學(xué)性能上的優(yōu)越性。衡量柱晶組織的標(biāo)志，除了取向分散度外，還有枝晶臂間距和晶粒的大小。分散度外，還有枝晶臂間距和晶粒的大小。 隨著晶粒和

30、枝晶臂間距變小隨著晶粒和枝晶臂間距變小(bin xio)(bin xio)，力學(xué)，力學(xué)性能提高。性能提高。GL/RGL/R值決定著合金凝固時(shí)組織的形貌，值決定著合金凝固時(shí)組織的形貌，GL/RGL/R值又影響著各組成的尺寸大小。由于在很大程度值又影響著各組成的尺寸大小。由于在很大程度上受到設(shè)備條件的限制，因此，凝固速度上受到設(shè)備條件的限制，因此，凝固速度R R就成為控制就成為控制柱晶組織的主要參數(shù)。柱晶組織的主要參數(shù)。第37頁/共109頁第三十七頁，共110頁。383.高溫合金高溫合金(hjn)制備制備 高溫合金是現(xiàn)在航空燃?xì)鉁u輪高溫合金是現(xiàn)在航空燃?xì)鉁u輪.艦船燃?xì)廨啓C(jī)、地面和火箭發(fā)動(dòng)機(jī)的艦船燃

31、氣輪機(jī)、地面和火箭發(fā)動(dòng)機(jī)的重要金屬材料，在先進(jìn)重要金屬材料，在先進(jìn)(xinjn)大航大航空發(fā)動(dòng)機(jī)中，高溫合金的用量占空發(fā)動(dòng)機(jī)中，高溫合金的用量占40%60%，因此這種材料被喻為燃，因此這種材料被喻為燃?xì)廨喌男呐K。氣輪的心臟。 高溫高溫(gown)(gown)合金合金第38頁/共109頁第三十八頁，共110頁。39 采用定向凝固技術(shù)采用定向凝固技術(shù)(jsh)(jsh)生產(chǎn)的高溫合金基本生產(chǎn)的高溫合金基本上消除了垂直于應(yīng)力軸的橫向晶界，并以其獨(dú)特的平上消除了垂直于應(yīng)力軸的橫向晶界，并以其獨(dú)特的平行于零件主應(yīng)力軸擇優(yōu)生長(zhǎng)的柱晶組織以及有意的力行于零件主應(yīng)力軸擇優(yōu)生長(zhǎng)的柱晶組織以及有意的力學(xué)性能而獲得

32、長(zhǎng)足的發(fā)展。學(xué)性能而獲得長(zhǎng)足的發(fā)展。 MARM200 MARM200中溫性能尤其是中溫塑性很低，作為渦中溫性能尤其是中溫塑性很低，作為渦輪葉片在工作中常發(fā)生無預(yù)兆的斷裂。輪葉片在工作中常發(fā)生無預(yù)兆的斷裂。第39頁/共109頁第三十九頁，共110頁。40 在在MARM200MARM200基礎(chǔ)上研究成功的定向凝固高溫合金基礎(chǔ)上研究成功的定向凝固高溫合金PWA1422PWA1422不僅具有良好的中高溫蠕變斷裂強(qiáng)度和塑性不僅具有良好的中高溫蠕變斷裂強(qiáng)度和塑性, ,而而且具有比原合金高且具有比原合金高5 5倍的熱疲勞性能，在先進(jìn)航空航天發(fā)倍的熱疲勞性能，在先進(jìn)航空航天發(fā)動(dòng)機(jī)上獲得動(dòng)機(jī)上獲得(hud)(h

33、ud)廣泛的應(yīng)用。廣泛的應(yīng)用。 在激光超高溫度梯度定向凝固條件下，超高在激光超高溫度梯度定向凝固條件下，超高溫梯度和較快凝固速度共同作用，使鎳基高溫合溫梯度和較快凝固速度共同作用，使鎳基高溫合金高度細(xì)化，同常規(guī)凝固相比，組織金高度細(xì)化，同常規(guī)凝固相比，組織(zzh)細(xì)化細(xì)化36倍，而且得到了新穎的超細(xì)胞狀晶組織倍，而且得到了新穎的超細(xì)胞狀晶組織(zzh)，該，該組織組織(zzh)是鎳基合金的定向凝固組織是鎳基合金的定向凝固組織(zzh)，組，組織織(zzh)的微觀偏析大大得到改善，甚至消除。的微觀偏析大大得到改善，甚至消除。第40頁/共109頁第四十頁，共110頁。41 在定向凝固的合金基礎(chǔ)上

34、發(fā)展出的完全消除晶界在定向凝固的合金基礎(chǔ)上發(fā)展出的完全消除晶界和晶界元素的單晶高溫合金，熱強(qiáng)性能有了進(jìn)一步的和晶界元素的單晶高溫合金，熱強(qiáng)性能有了進(jìn)一步的提高。采用高梯度定向凝固技術(shù)，在較高的冷卻速率提高。采用高梯度定向凝固技術(shù)，在較高的冷卻速率下，可以得到具有下，可以得到具有(jyu)(jyu)超細(xì)枝晶組織的單晶高溫超細(xì)枝晶組織的單晶高溫合金材料。合金材料。 定向凝固技術(shù)促進(jìn)了航空等領(lǐng)域的發(fā)展，目前定向凝固技術(shù)促進(jìn)了航空等領(lǐng)域的發(fā)展，目前(mqin)幾乎所有現(xiàn)金航空發(fā)動(dòng)機(jī)都采用單晶葉片幾乎所有現(xiàn)金航空發(fā)動(dòng)機(jī)都采用單晶葉片為特色，第三代的單晶合金制造的渦輪葉片，工作為特色，第三代的單晶合金制造

35、的渦輪葉片，工作溫度可達(dá)溫度可達(dá)1240。另外，新的單晶合金成分中。另外，新的單晶合金成分中Re的的加入以及加入以及Hf、Y、La、Ru等元素的合理應(yīng)用使合金等元素的合理應(yīng)用使合金的持久性能和抗環(huán)境性能有明顯提高。的持久性能和抗環(huán)境性能有明顯提高。 第41頁/共109頁第四十一頁，共110頁。424.磁性材料磁性材料(c xn ci lio)的制備的制備磁性磁性(cxng)材料是古老而年輕的功材料是古老而年輕的功能材料，指具有可利用的磁學(xué)性質(zhì)能材料，指具有可利用的磁學(xué)性質(zhì)的材料。深過冷快速凝固是目前國(guó)的材料。深過冷快速凝固是目前國(guó)內(nèi)外制備塊體納米磁性內(nèi)外制備塊體納米磁性(cxng)材料材料的研

36、究熱點(diǎn)，采用該工藝可先制備的研究熱點(diǎn)，采用該工藝可先制備出大塊磁性出大塊磁性(cxng)非晶，再將其進(jìn)非晶，再將其進(jìn)行 退 貨 熱 處 理 而 獲 得 納 米 磁 性行 退 貨 熱 處 理 而 獲 得 納 米 磁 性(cxng)材料，也可直接將整塊金屬材料，也可直接將整塊金屬進(jìn)行晶粒細(xì)化至納米級(jí)獲得納米磁進(jìn)行晶粒細(xì)化至納米級(jí)獲得納米磁性性(cxng)材料。材料。 磁性材料磁性材料(c xn (c xn ci lio)ci lio)第42頁/共109頁第四十二頁，共110頁。43 深過冷快速凝固方法所制備塊體納米材料深過冷快速凝固方法所制備塊體納米材料(n m (n m ci lio)ci li

37、o)的厚度及平均晶粒尺寸在很大程度上時(shí)由的厚度及平均晶粒尺寸在很大程度上時(shí)由合金成分以及液態(tài)金屬獲得的過冷度決定的。合金成分以及液態(tài)金屬獲得的過冷度決定的。 張振忠等采用深過冷水淬方法直接制備出了式樣直張振忠等采用深過冷水淬方法直接制備出了式樣直徑為徑為16mm16mm、平均晶粒尺寸小于、平均晶粒尺寸小于120nm120nm的的Fe76B12Si12Fe76B12Si12合金合金塊體納米軟磁材料，其磁耗損塊體納米軟磁材料，其磁耗損PFF400PFF400和和PFF1000PFF1000僅為普僅為普通硅鋼片的通硅鋼片的45.3%45.3%和和69%69%。 第43頁/共109頁第四十三頁，共11

38、0頁。445.高溫超導(dǎo)體材料高溫超導(dǎo)體材料(cilio)的制備的制備 YBCO高溫超導(dǎo)體由于具有高溫臨界電流密度和低的導(dǎo)熱率，是做電線的潛在材料。如果要在SMES等方面有廣泛的應(yīng)用，為了減少(jinsho)熱泄露，并且在磁場(chǎng)中具有高臨界電流密度，那么就必須需要大尺寸的電線。 高溫高溫(gown)(gown)超導(dǎo)體材料超導(dǎo)體材料第44頁/共109頁第四十四頁，共110頁。45 有學(xué)者研究了在不同體積分?jǐn)?shù)時(shí)的有學(xué)者研究了在不同體積分?jǐn)?shù)時(shí)的jc-B特性特性(txng)和沿長(zhǎng)度方向和沿長(zhǎng)度方向Y211相晶粒組織，他們發(fā)現(xiàn)在相晶粒組織，他們發(fā)現(xiàn)在YBCO超超導(dǎo)棒條體的中間段導(dǎo)棒條體的中間段jc-B特性特

39、性(txng)最優(yōu)，并用此部位最優(yōu)，并用此部位的棒條體做成電線，在的棒條體做成電線，在ab面平行于所在磁場(chǎng)方向處，面平行于所在磁場(chǎng)方向處，當(dāng)溫度為當(dāng)溫度為77K，磁場(chǎng)強(qiáng)度為，磁場(chǎng)強(qiáng)度為3T時(shí)，其臨界電流為時(shí)，其臨界電流為380A。 第45頁/共109頁第四十五頁，共110頁。466.功能功能(gngnng)材料的制備材料的制備 壓電陶瓷和稀土超磁致伸縮材料在換能器、傳感壓電陶瓷和稀土超磁致伸縮材料在換能器、傳感器和電子器件等方便都有廣泛器和電子器件等方便都有廣泛(gungfn)的應(yīng)用。定向的應(yīng)用。定向凝固技術(shù)在制備這兩種功能材料中也得到了應(yīng)用。凝固技術(shù)在制備這兩種功能材料中也得到了應(yīng)用。 中國(guó)

40、科學(xué)院上海硅酸鹽研究所高性能陶瓷和超微中國(guó)科學(xué)院上海硅酸鹽研究所高性能陶瓷和超微結(jié)構(gòu)國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室曾用定向凝固技術(shù)結(jié)構(gòu)國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室曾用定向凝固技術(shù)(jsh)(jsh)制備制備了擇優(yōu)方向?yàn)榱藫駜?yōu)方向?yàn)?11111、晶粒為柱狀的定向陶瓷和擇優(yōu)方、晶粒為柱狀的定向陶瓷和擇優(yōu)方向?yàn)橄驗(yàn)?11011，001001的定向陶瓷。的定向陶瓷。第46頁/共109頁第四十六頁，共110頁。47 最近又用定向凝固方法制備了擇優(yōu)方向最近又用定向凝固方法制備了擇優(yōu)方向(fngxing)為為112的高性能定向壓電陶瓷，它的壓電常熟遠(yuǎn)大于的高性能定向壓電陶瓷，它的壓電常熟遠(yuǎn)大于PZT陶瓷，達(dá)到陶瓷，達(dá)到1500pC/N以

41、上，耦合系數(shù)以上，耦合系數(shù)Kt為，為，k33達(dá)，達(dá)，22kV/cm時(shí)的場(chǎng)致應(yīng)變達(dá)到了時(shí)的場(chǎng)致應(yīng)變達(dá)到了0.23%。片狀樣品的。片狀樣品的XRD結(jié)果如圖。結(jié)果如圖。 第47頁/共109頁第四十七頁，共110頁。48圖定向壓電陶瓷圖定向壓電陶瓷(toc)的的XRD圖譜圖譜 第48頁/共109頁第四十八頁，共110頁。49 由圖可看出，晶粒生長(zhǎng)方向主要為由圖可看出，晶粒生長(zhǎng)方向主要為112,其次為其次為011，此外還有少量（，此外還有少量（001）、）、（111）、（）、（003）面的衍射）面的衍射(ynsh)。按照。按照Lotgering計(jì)算方法，所得到陶瓷沿計(jì)算方法，所得到陶瓷沿112方向方向的

42、取向度約為的取向度約為35%。他們認(rèn)為定向凝固技術(shù)。他們認(rèn)為定向凝固技術(shù)可望成為之額比高性能可望成為之額比高性能PMN-PT定壓壓電陶定壓壓電陶瓷的有前景的技術(shù)。瓷的有前景的技術(shù)。第49頁/共109頁第四十九頁，共110頁。507.復(fù)合材料復(fù)合材料(f h ci lio)的制的制備備 定向凝固技術(shù)也是一種制備定向凝固技術(shù)也是一種制備(zhbi)復(fù)合材料的重要復(fù)合材料的重要手段。西北工業(yè)大學(xué)在自制的具有高真空、高溫度梯度、手段。西北工業(yè)大學(xué)在自制的具有高真空、高溫度梯度、寬抽拉速度等特點(diǎn)的定向凝固設(shè)備上制備寬抽拉速度等特點(diǎn)的定向凝固設(shè)備上制備(zhbi)出自生出自生Cu-Cr復(fù)合材料棒；研究發(fā)現(xiàn)

43、：復(fù)合材料棒；研究發(fā)現(xiàn)：Cu-Cr自生復(fù)合材料的定自生復(fù)合材料的定向凝固組織是由向凝固組織是由基體相和分布于基體相和分布于相間的纖維狀共晶復(fù)相間的纖維狀共晶復(fù)合組成。合組成。 隨著凝固速度的增加，各組織生長(zhǎng)定向性變好且徑隨著凝固速度的增加，各組織生長(zhǎng)定向性變好且徑向尺寸均得到細(xì)化。致密、均勻、規(guī)整排列的組織減少向尺寸均得到細(xì)化。致密、均勻、規(guī)整排列的組織減少了橫向晶界、微觀組織中了橫向晶界、微觀組織中基體相起導(dǎo)電作用，纖維狀基體相起導(dǎo)電作用，纖維狀共晶體起增強(qiáng)作用。共晶體起增強(qiáng)作用。Cu-CrCu-Cr自生復(fù)合材料自生復(fù)合材料(f h ci (f h ci lio)lio)的強(qiáng)度、塑性、導(dǎo)電性

44、均高于凝固試樣，復(fù)合材的強(qiáng)度、塑性、導(dǎo)電性均高于凝固試樣，復(fù)合材料料(f h ci lio)(f h ci lio)綜合性能得到提高。綜合性能得到提高。第50頁/共109頁第五十頁，共110頁。51 美國(guó)美國(guó)NASA GlennNASA Glenn研究中心用移動(dòng)區(qū)域激光加研究中心用移動(dòng)區(qū)域激光加熱熱(ji r)(ji r)方法研究了定向凝固方法研究了定向凝固Al2O3/ZrO2 Al2O3/ZrO2 ( Y 2 O 3 )( Y 2 O 3 ) 復(fù) 合 材 料 的 效 果 ， 結(jié) 果 表 明 ：復(fù) 合 材 料 的 效 果 ， 結(jié) 果 表 明 ：Al2O3/ZrO2(Y2O3)Al2O3/ZrO

45、2(Y2O3)復(fù)合材料具有低的界面能，并復(fù)合材料具有低的界面能，并且增強(qiáng)相與基體能形成強(qiáng)而穩(wěn)定的結(jié)合。且增強(qiáng)相與基體能形成強(qiáng)而穩(wěn)定的結(jié)合。 第51頁/共109頁第五十一頁，共110頁。528.多孔材料多孔材料(cilio)的制備的制備 日本學(xué)者用定向凝固技術(shù)制備日本學(xué)者用定向凝固技術(shù)制備了藕狀多孔銅材料和硅材料，在材了藕狀多孔銅材料和硅材料，在材料中孔都是長(zhǎng)而直的。圖和圖分別料中孔都是長(zhǎng)而直的。圖和圖分別是多孔銅材料和硅材料的光學(xué)是多孔銅材料和硅材料的光學(xué)(gungxu)(gungxu)顯微圖。他們研究了顯微圖。他們研究了制備的多孔材料氣孔率、氣孔大小制備的多孔材料氣孔率、氣孔大小及分布與性能

46、關(guān)系，認(rèn)為多孔材料及分布與性能關(guān)系，認(rèn)為多孔材料在許多新的領(lǐng)域有應(yīng)用前景。在許多新的領(lǐng)域有應(yīng)用前景。多孔材料多孔材料(cilio)(cilio)第52頁/共109頁第五十二頁，共110頁。53圖多孔銅材料的光學(xué)圖多孔銅材料的光學(xué)(gungxu)圖譜圖譜 第53頁/共109頁第五十三頁，共110頁。54第54頁/共109頁第五十四頁，共110頁。559.單晶連鑄坯的制備單晶連鑄坯的制備(zhbi) OCC OCC技術(shù)主要要應(yīng)用在單晶材料、復(fù)技術(shù)主要要應(yīng)用在單晶材料、復(fù)雜截面薄壁型材及其他工藝難以加工的雜截面薄壁型材及其他工藝難以加工的合金連鑄型材。合金連鑄型材。OCCOCC技術(shù)制備的金屬單晶技術(shù)

47、制備的金屬單晶材料表面異常光潔，又沒有晶界和各種材料表面異常光潔，又沒有晶界和各種鑄造缺陷，具有優(yōu)異鑄造缺陷，具有優(yōu)異(yuy)(yuy)的變形加的變形加工性能，可拉制成極細(xì)的絲和壓延成極工性能，可拉制成極細(xì)的絲和壓延成極薄的箔。薄的箔。 單晶連鑄坯單晶連鑄坯第55頁/共109頁第五十五頁，共110頁。56 西北工業(yè)大學(xué)在OCC的技術(shù)基礎(chǔ)上將定向凝固、高梯度與連續(xù)鑄造結(jié)合起來制備出準(zhǔn)無限長(zhǎng)的銅單晶，為高頻、超高頻信號(hào)的高清晰、高保真?zhèn)鬏斕峁┝岁P(guān)鍵技術(shù)。圖是連鑄單晶的樣件。與多晶相比，其塑性大幅度提高，電阻率降低38%。而且他們用純度99.9%銅鎖獲的單晶的相對(duì)導(dǎo)電率優(yōu)于日本(r bn)用純度9

48、9.9999%的性能。圖銅單晶樣品圖銅單晶樣品(yngpn) 第56頁/共109頁第五十六頁，共110頁。57 從定向凝固技術(shù)的發(fā)展過程可以看出，隨著其它專業(yè)新理從定向凝固技術(shù)的發(fā)展過程可以看出，隨著其它專業(yè)新理論的出現(xiàn)和日趨成熟，實(shí)驗(yàn)技術(shù)的改進(jìn)和人們的不斷努力通過論的出現(xiàn)和日趨成熟，實(shí)驗(yàn)技術(shù)的改進(jìn)和人們的不斷努力通過尋找新的熱源貨加熱方式、借鑒快速凝固的技術(shù)以及使用外加尋找新的熱源貨加熱方式、借鑒快速凝固的技術(shù)以及使用外加作用力等都有可能創(chuàng)造出新的定向凝固技術(shù)。同時(shí)，定向凝固作用力等都有可能創(chuàng)造出新的定向凝固技術(shù)。同時(shí)，定向凝固技術(shù)必將為新材料的制備和新加工技術(shù)必將為新材料的制備和新加工(j

49、i gng)技術(shù)的發(fā)展提供廣技術(shù)的發(fā)展提供廣闊的前景，也必將是凝固理論得到完善和發(fā)展。闊的前景，也必將是凝固理論得到完善和發(fā)展。第57頁/共109頁第五十七頁，共110頁。586.3 定向凝固定向凝固(nngg)工藝工藝 定向凝固理論 定向凝固過程的生產(chǎn)設(shè)備 定向凝固過程的參數(shù)(cnsh) 定向凝固織構(gòu)中的晶體學(xué)條件 相變中的織構(gòu)演變第58頁/共109頁第五十八頁，共110頁。596.3.1 定向凝固定向凝固(nngg)理論理論 定向凝固方法制備材料時(shí)，各種熱流能夠被定向凝固方法制備材料時(shí)，各種熱流能夠被及時(shí)的導(dǎo)出是定向凝固過程得以及時(shí)的導(dǎo)出是定向凝固過程得以(dy)實(shí)現(xiàn)的關(guān)鍵，實(shí)現(xiàn)的關(guān)鍵，也

50、是凝固過程成敗的關(guān)鍵。伴隨著熱流控制（不也是凝固過程成敗的關(guān)鍵。伴隨著熱流控制（不同的加熱、冷卻方式）技術(shù)的發(fā)展。定向凝固經(jīng)同的加熱、冷卻方式）技術(shù)的發(fā)展。定向凝固經(jīng)歷了由傳統(tǒng)定向凝固向新型定向凝固技術(shù)的轉(zhuǎn)變。歷了由傳統(tǒng)定向凝固向新型定向凝固技術(shù)的轉(zhuǎn)變。第59頁/共109頁第五十九頁，共110頁。601. 傳統(tǒng)定向凝固傳統(tǒng)定向凝固(nngg)技術(shù)技術(shù)傳統(tǒng)傳統(tǒng)定向定向凝固凝固技術(shù)技術(shù)發(fā)熱劑法發(fā)熱劑法功率功率降低法降低法高速高速凝固法凝固法液態(tài)液態(tài)金屬金屬冷卻法冷卻法流態(tài)床流態(tài)床冷卻法冷卻法第60頁/共109頁第六十頁，共110頁。61（1）發(fā)熱）發(fā)熱(f r)劑法劑法 發(fā)熱劑法是定向凝固技術(shù)發(fā)熱

51、劑法是定向凝固技術(shù)(jsh)(jsh)發(fā)展的起始階段，發(fā)展的起始階段，是最原始的一種。是將鑄型預(yù)熱到一定溫度后迅速放到是最原始的一種。是將鑄型預(yù)熱到一定溫度后迅速放到激冷板上并立即進(jìn)行澆注，冒口上方覆蓋發(fā)熱劑，激冷激冷板上并立即進(jìn)行澆注，冒口上方覆蓋發(fā)熱劑，激冷板下方噴水冷卻，從而在金屬液和已凝固金屬中建立起板下方噴水冷卻，從而在金屬液和已凝固金屬中建立起一個(gè)自下而上的溫度梯度，實(shí)現(xiàn)定向凝固。一個(gè)自下而上的溫度梯度，實(shí)現(xiàn)定向凝固。 也有采用發(fā)熱鑄型也有采用發(fā)熱鑄型(zh xn)的，鑄型的，鑄型(zh xn)不預(yù)熱，不預(yù)熱，而是將發(fā)熱材料填充在鑄型而是將發(fā)熱材料填充在鑄型(zh xn)壁四周，底

52、部采用噴壁四周，底部采用噴水冷卻。這種方法由于所能獲得的溫度梯度不大，并且很水冷卻。這種方法由于所能獲得的溫度梯度不大，并且很難控制，致使凝固組織粗大，鑄件性能差，因此該法不適難控制，致使凝固組織粗大，鑄件性能差，因此該法不適于大型、優(yōu)質(zhì)逐漸的生產(chǎn)。但其工藝簡(jiǎn)單、成本低，可用于大型、優(yōu)質(zhì)逐漸的生產(chǎn)。但其工藝簡(jiǎn)單、成本低，可用于制造小批量零件。于制造小批量零件。 第61頁/共109頁第六十一頁，共110頁。62（2）功率）功率(gngl)降低法（降低法（PD法）法） 在這種工藝過程中，鑄型加熱感應(yīng)圈分兩段，鑄件在凝在這種工藝過程中，鑄型加熱感應(yīng)圈分兩段，鑄件在凝固過程中不移動(dòng)，其底部采用水冷激冷

53、板。當(dāng)模殼內(nèi)建立起固過程中不移動(dòng)，其底部采用水冷激冷板。當(dāng)模殼內(nèi)建立起所要求的溫度場(chǎng)時(shí)，鑄入過熱的合金液，切斷所要求的溫度場(chǎng)時(shí)，鑄入過熱的合金液，切斷(qi dun)下下不電源，上部繼續(xù)加熱，通過調(diào)節(jié)上部感應(yīng)圈的功率，使之不電源，上部繼續(xù)加熱，通過調(diào)節(jié)上部感應(yīng)圈的功率，使之產(chǎn)生一個(gè)軸向的溫度梯度，以此控制晶體生長(zhǎng)。產(chǎn)生一個(gè)軸向的溫度梯度，以此控制晶體生長(zhǎng)。 該工藝可以根據(jù)預(yù)定的冷卻曲線來控制凝固速率，可該工藝可以根據(jù)預(yù)定的冷卻曲線來控制凝固速率，可以獲得以獲得(hud)較大的冷卻速率。但是在凝固過程中溫度梯較大的冷卻速率。但是在凝固過程中溫度梯度是逐漸減小的，致使所能允許獲得度是逐漸減小的，致

54、使所能允許獲得(hud)的柱狀晶區(qū)較的柱狀晶區(qū)較短，且組織也不夠理想。加之設(shè)備相對(duì)復(fù)雜，且能耗大，短，且組織也不夠理想。加之設(shè)備相對(duì)復(fù)雜，且能耗大，限制了該法的應(yīng)用。限制了該法的應(yīng)用。 第62頁/共109頁第六十二頁，共110頁。63（3）快速）快速(kui s)凝固法（凝固法（HRS） 快速凝固法是對(duì)功率降低法的進(jìn)一步改進(jìn)，是在借鑒快速凝固法是對(duì)功率降低法的進(jìn)一步改進(jìn)，是在借鑒Brindgman晶體生長(zhǎng)技術(shù)特點(diǎn)的基礎(chǔ)上發(fā)展起來的。它與晶體生長(zhǎng)技術(shù)特點(diǎn)的基礎(chǔ)上發(fā)展起來的。它與功率降低法的主要區(qū)別功率降低法的主要區(qū)別(qbi)是：鑄型加熱器始終被加熱，是：鑄型加熱器始終被加熱，凝固是鑄件與加熱器

55、相對(duì)移動(dòng)。凝固是鑄件與加熱器相對(duì)移動(dòng)。 另外，在熱區(qū)底部使用輻射擋板和水冷套，從而在擋另外，在熱區(qū)底部使用輻射擋板和水冷套，從而在擋板附近產(chǎn)生較大的溫度梯度。板附近產(chǎn)生較大的溫度梯度。 其主要特點(diǎn)是：鑄型以一定速度從爐中一處，或者其主要特點(diǎn)是：鑄型以一定速度從爐中一處，或者(huzh)爐子以一定速度移離鑄件，并采用空冷方式。爐子以一定速度移離鑄件，并采用空冷方式。 第63頁/共109頁第六十三頁，共110頁。64（4）液態(tài)金屬）液態(tài)金屬(jnsh)冷卻法（冷卻法（LMC法）法） 為了獲得更高的溫度梯度和生長(zhǎng)速度，在為了獲得更高的溫度梯度和生長(zhǎng)速度，在HRSHRS法的基礎(chǔ)上，法的基礎(chǔ)上，發(fā)展了液

56、態(tài)金屬冷卻法。當(dāng)合金液澆入鑄型后，按選擇的速度將發(fā)展了液態(tài)金屬冷卻法。當(dāng)合金液澆入鑄型后，按選擇的速度將鑄件鑄件(zhjin)(zhjin)拉出爐體浸入金屬浴。液態(tài)金屬冷卻劑要求熔拉出爐體浸入金屬浴。液態(tài)金屬冷卻劑要求熔點(diǎn)低、沸點(diǎn)高、熱容量大和導(dǎo)熱性能好。通常的液態(tài)金屬有點(diǎn)低、沸點(diǎn)高、熱容量大和導(dǎo)熱性能好。通常的液態(tài)金屬有Ga-Ga-InIn合金和合金和Ga-In-SnGa-In-Sn合金。二者熔點(diǎn)低但價(jià)格昂貴，因此只適用于合金。二者熔點(diǎn)低但價(jià)格昂貴，因此只適用于在實(shí)驗(yàn)室條件下使用。在實(shí)驗(yàn)室條件下使用。 由于液態(tài)金屬與已凝固界面之間換熱系數(shù)很大，這種方由于液態(tài)金屬與已凝固界面之間換熱系數(shù)很大，

57、這種方法加大了鑄件冷卻速度和凝固過程中的溫度梯度，而且在較法加大了鑄件冷卻速度和凝固過程中的溫度梯度，而且在較大的生長(zhǎng)速度范圍大的生長(zhǎng)速度范圍(fnwi)(fnwi)內(nèi)可使界面前沿溫度梯度保持內(nèi)可使界面前沿溫度梯度保持穩(wěn)定，使結(jié)晶在相對(duì)穩(wěn)定的條件下進(jìn)行，得到長(zhǎng)的單向柱晶。穩(wěn)定，使結(jié)晶在相對(duì)穩(wěn)定的條件下進(jìn)行，得到長(zhǎng)的單向柱晶。第64頁/共109頁第六十四頁，共110頁。65（5）流態(tài)床冷卻）流態(tài)床冷卻(lngqu)法（法（FBQ法）法） Nakagawa等首先用流態(tài)床法來獲得很高的GL，進(jìn)行(jnxng)定向凝固。用流態(tài)化的150號(hào)ZrO2粉作為冷卻介質(zhì)。Ar氣用量大于4000cm3/min，冷

58、卻介質(zhì)溫度保持在100-120。在相同條件下，液態(tài)金屬冷卻法的溫度梯度為100-300/cm，而流態(tài)床冷卻法為100-200/cm，F(xiàn)BQ法基本可以得到也太金屬冷卻法那樣高的溫度梯度。 第65頁/共109頁第六十五頁，共110頁。662. 新型新型(xnxng)定向凝固技術(shù)定向凝固技術(shù) 超高溫度梯度定向凝固（ZMLMC） 電磁約束成形(chn xn)定向凝固（DSEMS） 深過冷定向凝固 激光超高溫梯度快速凝固技術(shù)（LRM） 連續(xù)定向凝固技術(shù)（OCC法） 第66頁/共109頁第六十六頁，共110頁。67超高溫度梯度定向超高溫度梯度定向(dn xin)凝固（凝固（ZMLMC） 加熱和冷卻是定向凝

59、固過程的兩個(gè)加熱和冷卻是定向凝固過程的兩個(gè)(lin )(lin )基基本環(huán)節(jié)，對(duì)固液界面前沿溫度梯度具有決定性的影響。本環(huán)節(jié)，對(duì)固液界面前沿溫度梯度具有決定性的影響。 西北工業(yè)大學(xué)李建國(guó)等人通過改變加熱方式，西北工業(yè)大學(xué)李建國(guó)等人通過改變加熱方式，在液態(tài)金屬冷卻法（在液態(tài)金屬冷卻法（LMCLMC法）的基礎(chǔ)上發(fā)展的一種新型定法）的基礎(chǔ)上發(fā)展的一種新型定向凝固技術(shù)向凝固技術(shù)區(qū)域熔化液態(tài)金屬冷卻法，即區(qū)域熔化液態(tài)金屬冷卻法，即ZMLMCZMLMC法。法。 第67頁/共109頁第六十七頁，共110頁。681.試樣試樣 2.感應(yīng)圈感應(yīng)圈 3.隔熱板隔熱板 4.冷卻水冷卻水5.液態(tài)金屬液態(tài)金屬 6.拉錠機(jī)

60、構(gòu)拉錠機(jī)構(gòu) 7.熔區(qū)熔區(qū) 8.坩堝坩堝(gngu)圖圖5.8 超高溫度梯度定向凝固裝置圖超高溫度梯度定向凝固裝置圖第68頁/共109頁第六十八頁，共110頁。69電磁約束電磁約束(yush)成形定向凝固（成形定向凝固（DSEMS） 在在ZMLMCZMLMC法基礎(chǔ)上，凝固劑屬國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室提出并法基礎(chǔ)上，凝固劑屬國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室提出并探索研究了近十年的電磁約束成形定向凝固技術(shù)。該技探索研究了近十年的電磁約束成形定向凝固技術(shù)。該技術(shù)是將電磁約束成型技術(shù)與定向凝固技術(shù)相結(jié)合而產(chǎn)生術(shù)是將電磁約束成型技術(shù)與定向凝固技術(shù)相結(jié)合而產(chǎn)生的一種新型定向凝固技術(shù)。利用的一種新型定向凝固技術(shù)。利用(lyng)(lyn