单晶高温合金与定向凝固的文献综诉
定向凝固和单晶高温合金的再结晶研究
第 1期
张
兵, 姜
涛 , 陶春虎 : 定向 凝固和单晶高温合金的再结晶研究
57
陷。然而, 如果叶片在生产过程中受到冷变形 , 如 磕碰、 吹砂、 机械加工等, 又在高于再结晶温度下 停留 , 叶片就会发生再结晶。定向凝固和单晶高温 合金的再结晶与变形金属的再结晶有着本质区别。 1. 1 再结晶温度定义的局限性 对于变形合金而言, 再结晶温度是指经过大 量变形 ( 变形度 > 70 % ) 的合金在约 1h 的保温时 间内, 能够完成再结晶 ( 再结晶体积分数 > 95 % ) 的最低加热温度。定向凝固和单晶高温合金在制 造过程中一般不经历冷变形过程, 因此, 这一定义 不适用于定向凝固和单晶高温合金。 1. 2 再结晶对材料的影响 变形金属的再 结晶在工程上 得到广泛 的应 用 , 如利用再结晶使晶粒得到细化从而提高金属 的强度、 塑性和疲劳强度。同时 , 变形金属再结晶 后的组织与冷加工前的组织是相同的 , 再结晶后 合金的性能与冷加工前的性能也大致相同。例如 一种合金经冷拉加工时, 因为加工硬化而塑性降 低 , 继续冷拉成形很困难。若将此半成品给予再 结晶退火 , 合金的塑性得以恢复, 因而容易变形, 可以继续冷拉加工。 与变形金属的再结晶不同 , 定向凝固和单晶 高温合金再结晶前后的组织形貌完全不同, 再结 晶形成的等轴晶粒与基体 的柱状晶存在 本质差 别。再结晶组织在定向凝固和单晶高温合金中引 入了横向晶界, 降低了合金的性能, 尤其是高温持 久、 疲劳等性能。 1. 3 定向凝固和单晶高温合金的再结晶特点 1. 3. 1 再结晶基本局限于表面 定向凝固和单晶高温合金一般不经历冷变形 过程, 因此, 从理论上讲, 定向凝固和单晶高温合 金在正常情况下不会出现再结晶 , 除非在叶片生 产过程中受到偶然的冷变形 , 如磕碰、 吹砂、 机械 加工等 , 而这些工艺过程导致的冷变形基本局限 于表层 , 在高于再结晶的温度下形成表面再结晶 层 , 这与变形合金有着本质的区别。 1. 3. 2 再结晶温度较高 对于大多数变形合金而言 , 其发生完全再结 晶的温度约为 0 . 4~ 0 . 6 T m ( Tm 为合金的熔点, 单 位为 K ); 但对镍基定向凝 固和单晶高温 合金而 言 , 其熔点大约在 1 600K, 按 0 . 4~ 0 . 6 T m 估算, 其再结晶温度仅处于 640~ 960K 之间, 远低于目 前所测定的大多数镍基定向凝固和单晶高温合金 开始发生再结晶的温度。采用金相分析的方法,
定向凝固锭技术文献综述
定向凝固锭技术文献综述Ξ清华大学 顾江平 赵 勇 刘 庄【提要】 本文在查阅专利文献和其它相关文献的基础上对定向凝固锭技术作了回顾和总结,供有关人员参考。
关键词:定向凝固 钢锭A Summ ary of L iterature on T echniques ofU nidirecti onal Solidificati on IngotsGu J i a ngp i n g Zhao Y ong L i u Zhuang[ABSTRACT]Based on consulting patent literature and other literature,this paper revie w ed and summ arized the techniques on the unidirecti onally s olidified ingots,p roviding reference for the related pers onnel.KE YWOR D S:U nidirecti onally Solidifying,Ingot1.引言(1)定向凝固锭提出的背景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。
众所周知,普通锭中存在正偏析、V偏析、A偏析、疏松及沉积锥(负偏析)等缺陷。
而且钢锭的重量越大,这些偏析越严重,越难于控制。
显然,如果用普通锭来制造核电站设备或压力容器,其在役期内的质量是较难保证的。
为改善大钢锭的质量,科技人员在大量的理论研究、实验研究及生产实践中认识了许多定量的或定性的规律。
一般认为,凝固过程中,局部溶质再分配会引起高浓度、低密度溶质在枝晶间的上浮和聚集,当其推进速度超过凝固前沿的推进速度时,将形成A偏析[1]。
定向凝固技术的研究进展与应用
１．２ 新 型 定 向 凝 固 技 术 由于常规的定向凝固技术存在着温度梯度低和冷却速
率小等缺点。造成 凝 固 过 程 中 组 织 粗 化，枝 晶 偏 析 严 重，阻 碍了材料性能的提高。随着定向凝固技术 的 迅 速 发 展，研 究 者在吸收融合常规凝固技术优 点基础上，开发出 了 许 多 新 型 定向凝固技术。
表 １ 常 规 定 向 凝 固 法 的 优 缺 点 及 应 用 范 围 Ｔａｂｌｅ １ Ａｄｖａｎｔａｇｅｓ，ｄｉｓａｄｖａｎｔａｇｅｓ ａｎｄ ａｐｐｌｉｃａｔｉｏｎ ｏｆ ｔｈｅ
ｔｒａｄｉｔｉｏｎａｌ ｄｉｒｅｃｔｉｏｎａｌ ｓｏｌｉｄｉｆｉｃａｔｉｏｎ ｐｒｏｃｅｓｓｅｓ
方法
优点
缺点
应用范围
· １１６ ·
材料导报 Ａ：综述篇
２０１６ 年 ２ 月 （上 ）第 ３０ 卷 第 ２ 期
定向凝固技术的研究进展与应用＊
问 亚 岗 ，崔 春 娟 ，田 露 露 ，杨 猛 ，薛 添
（西安建筑科技大学冶金工程学院，西安 ７１００５５）
摘要 定向凝固技术是制备具有单一取向要求的凝固组织和高性能材料的重要方法，是研究 凝 固 理 论 和 新 型 材料的重要手段。在介绍定向凝固技术原理的基础上，评述 了 传 统 定 向 凝 固 技 术 的 发 展 及 存 在 的 弊 端 ，简 述 了 几 种 新 型 定 向 凝 固 技 术 ，以 及 它 们 在 制 备 新 材 料 中 的 应 用 。
１．２．１ 区 域 熔 化 液 态 金 属 冷 却 法 （ＺＭＬＭＣ） 西北工业大学李 建 国 等 通 过 改 变 ＬＭＣ 法 的 加 热 方 式，
将区域熔化与 ＬＭＣ 法 相 结 合，开 发 出 区 域 熔 化 液 态 金 属 冷 却定向凝固法，即 ＺＭＬＭＣ 法 。 ［１３］ 该 方 法 与 ＬＭＣ 方 法 冷 却 方式相同，利用电子束或高频感应电场集中对 凝 固 界 面 前 液 相进行加热，进一步提 高 了 温 度 梯 度。 他 们 自 制 的 ＺＭＬＭＣ 装置，其温度梯 度 最 高 可 达 １３００ Ｋ／ｃｍ，冷 却 速 度 最 大 可 达 ５０Ｋ／ｓ，凝 固 速 率 可 在６～１０００μｍ／ｓ内 调 节 。 采 用 ＺＭＬＭＣ 法，可显著细化高温合金定向凝固一次枝晶和 二 次 枝 晶 的 间 距。但是，该方法单 纯 地 采 用 强 制 加 热 方 法，通 过 提 高 温 度 梯度来提高凝固 速 度，未 能 获 得 较 大 的 冷 却 速 度，却 需 要 散 发掉较多的热量，冷 却 速 度 的 提 高 受 限，一 般 很 难 达 到 快 速 凝固。目前这方面的研究还处于试验阶段。 １．２．２ 电 磁 约 束 成 形 定 向 凝 固 （ＤＳＥＭＳ）
航空耐高温材料综述-
航空耐高温材料综述摘要：现在的航空耐高温材料都围绕着解决高速飞行而进行巨大的研究工作，由于高速飞行的发展，无论是飞行器表面还是内部动力装置都带来了高温问题。
因此对于材料的耐高温性能有更高的要求，本文重点介绍几种发动机常用耐高温材料。
关键词：耐高温、镍基合金、钛基合金、航空发动机一．耐热材料发展的简述：早在1820年，法国Faraday Stodart和Borthiu分别研制出铁—镍、铁—铬合金。
1902年在法国发展了镍铬钢，当时都作为抗腐蚀材料的用途，1912年德国Kruppt获得了两种镍铬钢的专利（铁素体钢 0.15%C、14%Cr、1.8%Ni；奥氏体钢 0.25%C 20%Cr 7%Ni）它们都是现在耐热不锈钢和Fe基耐热合金的基础。
在镍铬钢发展的年代里，1910年美国Haynes研制了钴基合金，由于钴基合金具有高的硬度，当时主要呗用作切削工具等。
直到30年代里，人们对钴基合金的耐高温性质有了新的认识,并在蒙氏合金的基础上发展了镍基合金。
这就是后来被广泛应用在燃气涡轮叶片等材料的钴基合金与各种镍基耐热合金的开端。
地面燃气涡轮动力在工业上的发展，在30年代里有力的推动了耐热材料的发展。
Fe基耐热合金是当时用作涡轮盘和叶片的主要材料。
40年代初钴基合金铸造问题的改进与镍基合金高温强化问题的解决，从材料上提供了航空燃气涡轮发展的条件。
二次大战以后，随着航空喷气动力技术的迅速发展，各国对耐热合金材料相继进行了大量的研究和改进，在原有基础上不断提高镍基钴基合金的高温性能；在陶瓷、金属陶瓷以及高熔点的金属材料领域展开了广泛的研究工作。
二．现代航空耐高温材料现在的航空耐高温材料都围绕着解决高速飞行而进行巨大的研究工作，由于高速飞行的发展，无论是飞行器表面还是内部动力装置都带来了高温问题。
提高发动机的推理与有效工作系数，需要提高工作温度或压缩比，比如：涡轮喷气发动机的进气温度从815度升高到1040度，推理相应增大30%--40%。
镍基单晶高温合金研究进展
镍基单晶高温合金研究进展独立为一个领域的镍基单晶高温合金（Ni-Based Single-Crystal Superalloys）研究起步于20世纪50年代，主要目标是在高温、高压、高速等极端环境下保持优异的力学性能。
如今，这一领域已经取得了显著的进展，推动了航空航天、能源等关键工业的发展。
受制于晶体缺陷（如位错、晶界和第二相）对材料力学性能的影响，研究者最初承认了单晶材料在抗蠕变强度、抗腐蚀和抗氧化性方面的潜力，这让镍基单晶高温合金的研究开始受到关注。
随着应用需求和制造技术的进步，研究者开始探索新的冶金设计原理，克服制约合金性能提升的关键元素/组织的影响。
在材料选择方面，硬化元素（如铝、钛），刚性和解析强化元素（如钨、镍）以及一些其他元素（如镍、镍酮等）已经得到广泛采用。
而在微观组织设计上，利用多元素固溶强化，普遍采用的'γ/γ'二相组织设计以及精细的嵌套共析组织设计已经取得了显著的力学性能提升。
尤其是近年来在第二相强化机制理解的深入，使得研究者在了解和控制合金中不同的位错-第二相相互作用，以及在指导强化相布局优化方面取得了突破性进展。
另一方面，制备工艺也是影响镍基单晶高温合金性能的重要因素。
如今，过渡金属基单晶合金的制备工艺已经实现了工业化。
其中辐射区熔技术和定向凝固技术居于主导地位，使得合金中的第二相尺寸、形状和分布得到了有效控制，同时也保证了合金的组织均匀。
此外，结构设计也在镍基单晶高温合金的性能提升方面起到了重要作用。
近年来，材料科学家已经从多尺度、多视角对合金微观组织进行了深入研究，提出了多个有效的结构优化方案。
如对合金中强化相的尺寸、形状、分布以及取向等进行优化，引入双强化设计，实现第二相强化与固溶强化的协同增强等。
综上所述，随着理论研究、工艺技术和实际应用的深入，镍基单晶高温合金的设计和制备技术发展迅速，性能也得到了显著提升。
不过，目前镍基单晶高温合金的研究仍面临严峻的挑战，如如何进一步提高合金的使用温度，如何改善合金的持久性以及如何实现复合强化设计等。
凝固方向对单晶高温合金枝晶组织的影响
ｗｈ ｎｔ ｅｄ ｖａｉｎｄ ｇ ｅｓ ｒｍ ｏｉｉ ｃｔ ｎｄｒｃｉｎｔ ｏ ｉ ｒ ｎａｉｎｗｅｅｗｉ ｉ ５ ，ｄ ｎ ｒ ｅ ｅ ｈ ｅｉｔ ｅ ｒｅ ｏ ｓ ｌ ｆ ａｉ ｉ ｔ ｏＥ ｏ ］ｏｉ ｔｔ ｒ ｔ ｎ１ 。 ｅ ｄ ｉ ｏ ｆ ｄｉ ｏ ｅ ｏ ｅ ｏ ｈ ｔ
ｐｌｅ ｏ ｏ ａｎ ｔ ｉ ｅ ｃ ｙ ｔ ｌｓ ｍｐｌ ｓ ｓ ｌｄｉｉ ｄ ｉ ｆ ｅ ｅ ｒｅ ｔ ｔｏｎ ．Ｔｈｅ ｒ ｓ ｔ ｎｄ ｃ ｔ ｄ ｔ ａ ｉｄ ｔ ｂｔ ｉ ｈｅ ｓｎｇｌ ｒ ｓ ａ ａ ｅ ｏ ｉ ｆｅ ｎ ｄｉｆ ｒ ｎｔｏ ｉ ｎ ａ ｉ ｓ ｅ ｕｌｓ ｉ ｉａ ｅ ｈ ｔ
张龙 飞 ， 燕
平 ， 京晨 ， 赵 曾
强， 韩凤 奎
（ 铁研究 总 院 ， 京 １ ０ ８ ） 钢 北 ０ ０ １
Ｚ ＡＮＧ ｎ —ｅ， Ｈ Ｌｏ ｇ ｆｉＹＡＮ ｉ ｇ Ｚ ＡＯ ｉ ｇ ｃ ｅ Ｚ Ｐｎ ， Ｈ Ｊｎ —ｈ ｎ， ＥＮＧ ａ ｇ， ＡＮ ｅ ｇ ｋ ｉ Ｑｉｎ Ｈ Ｆ ｎ — ｕ
（ ｎ ｒ ｌＩｏ ｎ ｔ ｅ ｓ ａ ｃ ｎ ｔ ｕ ｅ Ｃｅ ｔａ ｒ ｎ ａ ｄＳ ｅ ｌ Ｒｅ ｅ ｒ ｈ Ｉ ｓｉ ｔ ，Ｂｅｊ ｇ １ ０ ８ ， ｉａ ｔ ｉ ｎ ０ ０ １ Ｃｈ ｎ ） ｉ
镍基单晶高温合金凝固组织特征的研究进展_蔡祖鹏
镍 基 单 晶 高 温 合 金 凝 固 组 织 特 征 的 研 究 进 展／蔡 祖 鹏 等
· ８７ ·
尽可能加快凝固速度。 钢 铁 研 究 总 院 的 张 龙 飞 等 对 ［６］ 不 同 凝 固 方 向 的 单 晶 高
温合金的枝晶生长形态进行了研究。实验发现当凝固方向 沿［００１］取向时，只存在一种方向的枝晶 干，枝 晶 干 上 的 二 次 分枝对称分布，形 态 短 小；按 ［０１１］取 向 凝 固 生 长 的 单 晶 中， ［００１］和［０１０］取向上的枝晶干相互垂 直 交 截 和 衍 生，使 得 枝 晶沿（１００）晶面呈现平面发展的 形态；按［１１１］取 向 凝 固 生 长 的单晶中，３ 个 〈００１〉取 向 上 的 枝 晶 干 的 相 互 垂 直 交 截 和 衍 生，使得枝晶发展出 了 六 面 体 型 的 笼 状 枝 晶 结 构，如 图 １ 所 示。
以下主要从镍基单晶高温合金的铸造、焊接、表面 处理 ３ 个 方 面 ，对 各 自 凝 固 组 织 特 征 进 行 综 述 。
在单晶合金定向 凝 固 过 程 中，温 度 梯 度、凝 固 速 率 和 凝 固方向等参数的变化对单晶合金的凝固组织有着重要的影 响 。 ［３］
单晶高温合金 并 非 一 般 意 义 上 的 单 晶，在 定 向 凝 固 时， 由于元素偏析造成的成分过冷将导致树枝晶的形成。枝晶 形态以及枝晶臂距是影响合金组织中的溶质元素偏聚以及 枝晶间第二相尺寸和共晶相数量的重要因素，因 而 对 合 金 性 能存在影响，在镍基高温合金中细小的枝晶和 二 次 相 组 织 往 往具有更好的 性 能。 汤 晓 君 等 发 ［４］ 现 在 超 高 温 梯 度 与 高 凝 固速率条件下，镍 基 单 晶 高 温 合 金 以 枝 晶 形 态 生 长，且 随 着 凝固速率的提高，枝 晶 结 构 逐 渐 细 化，一 次 枝 晶 间 距 与 二 次 枝晶间距 都 减 小。 王 华 明 认 ［５］ 为 要 获 得 枝 晶 细 小、组 织 致 密、元素偏析小且 易 于 均 匀 化 的 单 晶 高 温 合 金 凝 固 组 织，应
单晶高温合金与定向凝固的文献综诉
单晶铸造是定向凝固中的一个特例…由一个柱状晶构成的铸件即单晶！！绪论航空发动机涡轮叶片的运行经验表明，大多数裂纹都是沿着垂直于叶片主应力方向的晶粒间界即横向晶界上产生和发展的。
因此消除这种横向晶界，则可大大提高叶片抗裂纹生长能力。
定向凝固就是基于这种设想对叶片铸件的凝固过程进行控制，以获得平行干叶片轴向的柱状晶粒组织。
柱状晶之间只有纵向晶界而无横向品界，这就是定向凝固的柱晶叶片，如果采取某些措施，只允许有一个晶粒成长的柱晶，从面消除了一切晶界，这就是单晶叶片。
由于定向凝固技术用于真空熔铸高温合金涡轮叶片，航空发动机的材料和性能有了极大的提高，特别是单晶叶片的性能和使用寿命比普通精铸叶片提高了许多倍，因此自70年代初期，定向凝固高温合金涡轮叶片开始应用以来，世界各先进的军用及民用航空发动机都普遍采用定向凝固或单晶铸造叶片。
1.定向凝固1.1定向凝固原理进行定向凝固以得到连续完整的柱状晶组织，必须满足以下两基本条件:(l)在整个凝固过程中，铸件的固一液相界面上的热流应保持单一方向流出，使成长晶体的凝固界面沿一个方向推进;(2)结晶前沿区域内必须维持正向温度梯度，以阻止其他新晶核的形成。
1.1.1定向凝固过程定向凝固时合金熔液注入壳型，首先同水冷底板相遇，于是靠近板面的那一层合金熔液迅速冷至结晶温度以下而开始结晶，但此时形成的晶粒，其位向是混乱的，各个方向都有。
在随后的凝固进行过程中，由于热流是通过已结晶的固体金属合金有方向性地向冷却板散热，且结晶前沿是正向温度梯度，根据立方晶系的金属及合金（Ni、Fe、Co等及其高温合金）在结晶过程中晶体<100>是择优取向，长大速度最快，从而那些具有<100>方向的晶粒择优长大，而将其他方向的晶粒排挤掉。
只要上述定向凝固条件保持不变，取向为<100>的柱状晶继续生长，直到整个叶片，如图1-1所示。
散热方向正温度梯度图1-1 晶体定向生长示意图1.1.2凝固参数定向凝固的结晶组织与凝固参数即温度梯度G和凝固成长速率R有密切关系。
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绪论航空发动机涡轮叶片的运行经验表明，大多数裂纹都是沿着垂直于叶片主应力方向的晶粒间界即横向晶界上产生和发展的。
因此消除这种横向晶界，则可大大提高叶片抗裂纹生长能力。
定向凝固就是基于这种设想对叶片铸件的凝固过程进行控制，以获得平行干叶片轴向的柱状晶粒组织。
柱状晶之间只有纵向晶界而无横向品界，这就是定向凝固的柱晶叶片，如果采取某些措施，只允许有一个晶粒成长的柱晶，从面消除了一切晶界，这就是单晶叶片。
由于定向凝固技术用于真空熔铸高温合金涡轮叶片，航空发动机的材料和性能有了极大的提高，特别是单晶叶片的性能和使用寿命比普通精铸叶片提高了许多倍，因此自70年代初期，定向凝固高温合金涡轮叶片开始应用以来，世界各先进的军用及民用航空发动机都普遍采用定向凝固或单晶铸造叶片。
1.定向凝固1.1定向凝固原理进行定向凝固以得到连续完整的柱状晶组织，必须满足以下两基本条件: (l)在整个凝固过程中，铸件的固一液相界面上的热流应保持单一方向流出，使成长晶体的凝固界面沿一个方向推进;(2)结晶前沿区域内必须维持正向温度梯度，以阻止其他新晶核的形成。
1.1.1定向凝固过程定向凝固时合金熔液注入壳型，首先同水冷底板相遇，于是靠近板面的那一层合金熔液迅速冷至结晶温度以下而开始结晶，但此时形成的晶粒，其位向是混乱的，各个方向都有。
在随后的凝固进行过程中，由于热流是通过已结晶的固体金属合金有方向性地向冷却板散热，且结晶前沿是正向温度梯度，根据立方晶系的金属及合金（Ni、Fe、Co等及其高温合金）在结晶过程中晶体<100>是择优取向，长大速度最快，从而那些具有<100>方向的晶粒择优长大，而将其他方向的晶粒排挤掉。
只要上述定向凝固条件保持不变，取向为<100>的柱状晶继续生长，直到整个叶片，如图1-1所示。
图1-1 晶体定向生长示意图1.1.2凝固参数定向凝固的结晶组织与凝固参数即温度梯度G和凝固成长速率R有密切关系。
温度梯度G是指该处的温度随距离的变化(эT/эZ)，特别是凝固区附近的温度梯度G值的大小是控制定向凝固的关键性参数。
（多年来定向凝固工艺的改进多着眼于此，如最初的功率降低法，G值小于10℃/cm，而现在的液体金属冷却法则可达到200℃/cm以上。
）G值愈大，合金的凝固区愈窄，铸件的补缩愈好，疏松愈少组织愈致密。
凝固成长速率R是指柱状晶生长的速率，R值愈大，则凝固过程愈短，生产效率愈高。
比值G/R是合金凝固区成长形态的特征参数，不同的G/R比值，会获得不同的结晶组织。
G/R比值小，通常为树枝状凝固界面，得到柱状晶或等轴晶，目前工业生产中的铸锭和铸件的结晶组织都属于这一类。
G/R比值增大到某临界值以上时，则凝固界面为胞状，得到胞状晶。
当G/R比值很大时，凝固界面平滑，得到平面型结晶，凝固界面结晶形式与R、G值的关系如图1-2所示。
图1-2 温度梯度G和凝固速率R对凝固界面结晶形式的影响散热方向乘积G×R用β表示，其物理意义为单位时间内的温度变化，即冷却速率。
式中 TL 和TS—为液相线和固相线温度；△τ—局部凝固时间，即铸件某处由液相线温度到固相线温度所经过的时间间隔；l —固液相线温度差所经距离，也即为△τ局部凝固时间内柱状晶成长的距离。
一定的合金，冷却速率越大，则局部凝固时间越短，该合金晶体的二次枝晶臂距(s2)越细小,也意味着合金组织均匀致密，强度和抗疲劳性能好。
1.2定向凝固工艺定向凝固工艺主要有发热铸型法、功率降低法、高速凝固法和液态金属冷却法。
目前高速定向凝固法是高温合金精铸定向凝固技术中应用最广的一种方法，大量涡轮叶片都是采用这种工艺生产的，液态金属冷却法尚处于试验阶段。
1.2.1发热铸型法其凝固过程如图1-3所示。
金属液注入后，由于水冷铜板的激冷导热，底部开始结晶，形成细小等轴晶层，以后晶粒择优取向，< 100 >取向晶粒优先长大，开始柱晶生长。
在柱晶长大过程中，铸型周围的发热剂放热补充热流，使柱晶继续长大，直至过热逐渐消失，温度梯度G值减小，开始等轴晶的生长。
发热铸型法简单便宜，其主要缺点是随板距增大，G与R值均迅速下降，使柱晶由轴向平面转向扇面，树枝晶大小及偏角发生变化。
图1-3 发热铸型法1.2.2功率降低法（PD 法）是最初用于生产规模的定向凝固叶片铸造工艺，其装置如图1-4所示。
该装置的感应体一般由石墨制成，其内型壳放置于水冷底盘上，合金的熔化、铸型预热、浇注及铸件的凝固等均在真空下进行，型壳预热到合金的浇注温度后，再浇入合金熔液，随之切断下面一组的感应圈的电流，使其内合金熔液在上高下低的温度梯度下从水冷底板处开始结晶并向上长大，随后逐渐降低上部感应圈的电功率，保证柱状晶的生长直至全部凝固结束。
图1-4 功率降低法功率降低法可以根据预定的冷凝曲线控制凝固增长速率R ，从而得到较满意的柱晶组织。
缺点是：1）周期长，生产效率低；2）由于凝固过程中凝固区前方发生合金熔体的局部对流，容易在铸件表面产生呈链状分布的“雀斑”缺陷，消除“雀斑”的关键是增大凝固区附近的温度梯度；3）随着柱状晶的生长，凝固区逐渐远离冷却底盘，温度梯度G 和凝固增长速率R 逐渐变小，铸件水平方向出现温度差，侧壁的型壳散热，造成铸件组织在垂直和水平方向上的不均匀性。
1.2.3高速凝固法(HRS 法) 为了提高定向凝固速率，发展了高速定向凝固法，其装置如图1-5所示。
与功率降低法不同之处，只是在感应加热体下部安装一隔热挡板，并在水冷底盘下添上一个型壳抽出机构，使浇注后型壳随同冷却底板逐渐下移。
隔热挡板则挡住了感应体的辐射热，使型壳内未凝固区处于热区的高温下，而型壳移出部分的凝固区处于冷区，热流则由水冷板通过传导移出，一部分热流则通过辐射向四周散热，从而合金凝固界面前沿的温度梯度G值比一般功率降低法提高2倍，凝固增长速率R值提高近4倍。
铸件质量和生产效率都显著提高，较长的定向叶片也可由此法制得。
图1-5 高速凝固法1.2.4液体金属冷却法(LMC法)该法装置如图1-6所示，其特点是有一冷却剂槽。
对冷却剂的要求是熔点低，沸点高，蒸气压低，且对高温合金的物理化学和力学性能应无影响。
通常用的冷却剂为液体锡，锡的熔点只有505k，沸点高达2540k。
图1-6 液态金属冷却法1-降落机构户；2-真空室；3-吊架；4-加热器；5-型壳；6-液锡池;7-电热丝；8-转轴2.单晶铸造工艺从热流控制角度来看，上述定向凝固工艺均可用来制得单晶。
单晶工艺主要是在型壳设计上有所不同，即增设了单晶选择通道，使一定数量的晶粒进入单晶选择通道底部，只有一个晶粒从选择通道顶部露出并充满整个型腔。
单晶选择通道一般采用小直径向上角度的螺旋体或几个直角转弯的通道，典型的螺旋体直径为0.3~0.5cm。
与定向凝固过程相同，在水冷铜板上首先形成许多任意取向的晶粒，然后在择优取向生长原则下，<100>取向的晶粒优先生长，有更快的生长速度，通常有2~6个<100>或<110>取向的晶粒进入单晶选择通道，经过一或二圈的螺旋体后，只有一个<100>晶粒出现于型腔底部并生长，从而制得单晶叶片。
为了阻止型壳内各部分杂晶形核的发生，单晶型壳的预热温度和熔融合金的过热度更高，典型的模温为1500~1600℃，比定向凝固柱晶高出25~100℃，温度梯度也由约36℃/cm提高到72℃/cm。
单晶叶片型壳设计特点及合金熔体在选择通道内的凝固过程示意如图2-1所示。
图2-1 单晶法示意图a-单晶叶片铸型设计；b-单晶叶片凝固过程图2-2是一种单晶涡轮叶片及其选择通道的实物图片。
在单晶叶片凝固过程中，有一系列的截面变化发生，如叶身到平台及平台到榫（ｓǔｎ）根，此时必须调节热流，使固、液相等温线近似水平并使之位于挡板附近处，以防止杂晶生核，破坏单晶的生长，为此必须通过挡板设计、壳模的厚度及型壳移动速度的调节，来恰当地控制热流，使其凝固界面保持水平并在挡板附近。
图2-2 单晶叶片及其选择通道实型3.定向凝固及单晶合金的组织、性能3.1组织 ①定向凝固合金呈柱晶组织，按择优取向原则，柱晶取向一般为<100>，但柱晶间并不严格平行，往往有短小的横向晶界存在，柱晶与主应力轴之间的偏离一般控制在10° ~ 15°之内。
柱晶合金组织与定向凝固工艺有关，随着温度梯度G 与凝固生长速度R 值的提高，枝晶组织及γ´相尺寸变细小，碳化物等偏析程度减轻，合金的强度及塑性随之得到改善。
②单晶合金组织受定向凝固参数的影响，如NASIR-100合金在不同凝固速率R 下（温度梯度G 值不变）的铸态组织形貌，即随着凝固速率R 值的增大，分别得到平面、胞状、粗枝和细枝的界面凝固单晶。
平面界面凝固的合金显微组织只有γ基体相和γ´相两相组成，γ´相粗大，且呈不规则形状。
而在胞状和枝晶界面凝固单晶内，往往有少量γ/γ´共晶出现于胞晶间或枝晶间隙内，γ´相随凝固速率增大面愈益细小，形状趋向于规则的立方体。
当前，单晶炉的温度梯度G 值不大，为了获得平面或胞状单晶凝固，必然减小凝固速率R值，而获得过大的不规则形态的γ´相，使合金高温蠕变性能降低，因此至今各国实际研究和应用的单晶涡轮叶片，都是枝晶凝固下的合金组织。
3.2性能定向及单晶合金对瞬时拉伸性能的影响如图3-1和图3-2所示，与普通铸造合金相比，单晶和定向合金的拉伸强度σ提高不多，但延伸塑性有明显的改b善。
图3-1 不同温度下三种铸造形态（普通铸造、定向、单晶）的Mar-M200合金拉伸性能a-屈服强度与温度的关系；b-抗拉强度与温度的关系图3-2 不同温度下三种铸造形态(普通铸造、定向、单晶)的Mar-M200合金延伸率②定向及单晶合金的一个显著特点是其弹性模量小，如图3-3所示，从而定向及单晶合金的热疲劳性能成倍提高。
如图3-4是现代单晶合金和普通铸造的IN100合金的承温能力与热疲劳寿命对比结果。
图3-3 定向与普通铸造Mar-M200合金的弹性模量E静随温度的变化图3-4 现代单晶合金与普通铸造镍基高温合金IN100的承温能力和热疲劳寿命③定向及单晶合金的最显著的性能特点是蠕变强度及持久性能的成倍提高，特别是持久塑性远远高于普通铸造合金，如表3-1所示。
表3-1 Mar-M200合金的蠕变强度和持久性能④单晶合金的力学性能还与其晶体取向有关，不同取向对单晶合金持久寿命及屈服强度的影响不同。
参考文献1 黄乾尧，李汉康等.高温合金.北京:冶金工业出版社，20002 胡汉起.金属凝固原理，第2版.北京:机械工业出版社，20003 高温合金手册编写组编，高沮合金手册.19824 铸造高温合金论文集编委会编，铸造高温合金论文集1993.北京:中国科学技术出版社，19935 W.Kurz，D.J.Fisher.Fundamentals of Solidification，4th revised edition.北京:高等教育出版社，2010。