1.4__定向凝固与单晶材料制备
材料合成与制备新技术课件第五章定向凝固
温度梯度控制
温度梯度对凝固过程的影 响需要进一步研究和优化。
工艺稳定性
定向凝固工艺的稳定性和 一致性需要提高，以便大 规模应用。
新材料研究
未来定向凝固将用于开发 新型材料，满足不同领域 的需求。
总结
定向凝固是一种重要的材料合成与制备新技术，具有广泛的应用前景和潜力。 通过进一步研究和优化，定向凝固将为材料科学和工程领域带来更多突破和 创新。
定向凝固可制备高性能金属 合金铸件，提高材料的力学 性能和耐热性。
定向凝固技术的优点
1 晶体和材料的有序排列
定向凝固可实现晶体和材料的有序排列，提高性能和功能。
2 减少晶界和缺陷
定向凝固可减少晶界和缺陷，提高材料的强度和韧性。
3 制备复杂结构材料
定向凝固可制备复杂结构的材料，扩展应用领域和功能。
存在的问题及未来发展趋势
定向凝固过程控制及设备
定向凝固的关键是控制凝固速度、温度梯度和界面形态，常用设备包括自由凝固、悬浮液凝固和 偏心凝固等。
应用案例介绍
半导体晶片制备
定向凝固可用于制备高纯度 的半导体晶片，提高电子元 件的性能和可靠性。
单晶涡轮叶片
定向凝固可制备单晶涡轮叶 片，提高航空发动机的效率 和寿命。
金属合金铸件
材料合成与制备新技术课 件第五章定向凝固
定向凝固是一种重要的材料制备技术，本章将介绍其概念、控制方法、应用 案例和未来发展趋势。
定向凝固技术概述
定向凝固是一种制备晶体和材料的技术，通过控制凝固过程中的温度梯度和固液界面形态，实现 晶体和材料的有序排列和定向生长。
晶体生长与定向凝固的异同
虽然晶体生长和定向凝固都涉及材料的凝固过程，但定向凝固在固液界面形态和晶体排列定向等 方面有独特优势和应用。
布里奇曼斯托克定向凝固法
布里奇曼斯托克定向凝固法介绍布里奇曼斯托克定向凝固法（Bridgman-Stockbarger method）是一种重要的实验方法，用于研究单晶的生长和凝固过程。
它是由二位科学家布里奇曼斯和斯托克巴格发展而成的，并在材料科学领域得到广泛应用。
该方法通过控制熔体的温度梯度和凝固速度来实现单晶的生长，以获得高纯度和大尺寸的晶体材料。
工艺原理温度梯度布里奇曼斯托克定向凝固法的关键在于创建一个合适的温度梯度。
通常，熔体温度从下到上逐渐降低，形成一个从高温到低温的温度梯度。
这样可以控制晶体的生长方向和生长速率。
凝固速度凝固速度是另一个重要的参数。
通过调节凝固速度，可以控制晶体的晶格缺陷和晶体缺陷密度。
快速凝固可以得到高度有序的晶体，而慢速凝固则会导致晶格缺陷的增加。
实验过程1.准备样品：选择合适的晶体材料，并将其制成适当尺寸和形状的熔体。
2.设计熔体容器：选择合适的容器，通常为石英管或陶瓷坩埚。
3.创建温度梯度：将熔体置于熔炉中，通过控制熔炉上下部分的温度来形成温度梯度。
4.开始生长：将熔体加热至适当温度，使其开始凝固。
凝固过程中，缓慢下移熔体容器，保持温度梯度不变。
5.结束生长：当晶体生长到所需尺寸时，停止加热并冷却样品，使其完全凝固。
6.取出晶体：将晶体从熔体容器中取出，并进行后续处理和分析。
应用布里奇曼斯托克定向凝固法在材料科学领域有广泛的应用，特别是在单晶生长和研究方面。
它可以用于生长各种材料的单晶，如金属、半导体和陶瓷。
其应用不仅限于实验室研究，还可以用于工业生产中的单晶材料制备。
优势与局限性优势•能够制备大尺寸和高纯度的单晶材料。
•可以控制晶体的生长方向和生长速率。
•数据可重复性高，实验结果可预测性强。
局限性•该方法需要复杂的实验条件和设备。
•凝固过程中容易引入晶体缺陷，需要进一步的处理和调控。
•在某些材料中，可能会出现晶体断裂或晶格缺陷过多的问题。
发展趋势随着材料科学的发展，人们对高性能材料的需求日益增加。
材料合成与制备新技术》课件：第五章定向凝固
制备高性能合金、金属基复合材料等。
能源领域
制备核反应堆燃料元件、太阳能电池板等。
复合材料领域
制备纤维增强复合材料、梯度功能复合材料 等。
02
定向凝固的原理与特点
BIG DATA EMPOWERS TO CREATE A NEW
ERA
定向凝固的原理
定向凝固是一种通过控制热流方向，使液态金属在特定方向上凝固结晶的 技术。
ERA
定向凝固技术的定义
01
定向凝固技术是一种通过控制热 流和物质流，使金属或合金从液 态到固态在特定方向上实现单向 凝固的工艺方法。
02
在定向凝固过程中，固液界面在 特定方向上保持恒定，使晶体沿 着这个方向生长，从而获得具有 单一取向的晶体组织。
定向凝固技术的发展历程
20世纪50年代
定向凝固技术初步发展，主要应用于 高温合金的制备。
详细描述
热压定向凝固法是在高温下对熔体施加单向压力，使熔体在压力下凝固结晶。这种方法可以控制晶体的生长方向 ，获得单晶体或单向性良好的多晶体。热压定向凝固法具有较高的生产效率和较低的成本，适用于大规模生产。
快速定向凝固法
总结词
通过快速冷却技术，使熔体在极短时间内凝固，以获得定向凝固组织。
详细描述
快速定向凝固法采用快速冷却技术，使熔体在极短时间内凝固结晶。这种方法可以获得具有定向凝固 组织的材料，提高材料的力学性能和热物理性能。快速定向凝固法可以采用各种快速冷却技术，如激 光束、电子束、高压气体等。
真空定向凝固
在真空环境下进行定向凝 固，降低杂质和气体含量 ，提高材料纯度和性能。
拓展定向凝固技术的应用领域
航空航天领域
利用定向凝固技术制备高 性能轻质材料，满足航空 航天领域对材料的高要求 。
某大学年度研究生材料科学基础专业考试试题
一、简答题：（共40分，每小题8分）1、简单立方晶体中，若位错线方向为[112]，b=a[101]，试判断此位错的类型？若为刃型位错，试求出半原子面的晶面指数及插入方向的晶向指数。
2、根据溶质原子在点阵中的位置，举例说明固溶体相可分为几类？固溶体在材料中有何意义？3、固溶体合金非平衡凝固时，有时会形成微观偏析，有时会形成宏观偏析，原因何在？4、应变硬化在生产中有何意义？作为一种强化方法，它有什么局限性？5、一种合金能够产生析出硬化的必要条件是什么？二、计算、作图题：（共60分，每小题12分）1、绘出面心立方点阵中（110）晶面的原子平面图。
在该图中标出[111]晶向和（011）晶面（指晶面在（110）晶面上的垂直投影线）。
2、在图2—2所示浓度三角形中，确定P、R、S三点的成分。
若有2kg P 4kg R7kg S混合，求混合后该合金的成分？3、已知碳在γ-Fe中扩散时，D=2.0×10-5m2/s，Q=1.4×105J/mol。
当温度在927℃时，求其扩散系数为多少？（已知摩尔气体常数R=8.314J/mol·K）4、纯锆在553℃和627℃等温退火至完成再结晶分别需要40h和1h。
试求此材料的再结晶激活能。
（已知摩尔气体常数R=8.314J/mol·K）5、画出40钢经退火后室温下的显微组织示意图，并注明组织、放大倍数、腐蚀剂等。
三、综合分析题：（共50分，每小题25分）1、图3—1是铜-铝合金相图的近铜部分。
（1）、写出ωAl=0.08的Al-Cu合金，平衡凝固后的室温组织，并述其形成过程？（2）、若该合金在铸造条件下，将会是什么组织？（3）、若该合金中Al含量改变时（当ωAl <0.05或ωAl>0.08时），其机械性能将如何变化？2、已知位错环ABCD 的柏氏矢量为b ，外应力为τ和σ，如图3—2所示。
（1）、位错环的各边分别是什么类型的位错？（2）、在足够大切应力τ作用下，位错环将如何运动？ （3）、在足够大的拉应力σ作用下，位错环将如何运动？一、简答题：（共40分，每小题8分）1、请简述间隙固溶体、间隙相、间隙化合物的异同点？2、请简述影响扩散的主要因素有哪些。
定向凝固及单晶制备技术4.
不同凝固条件下的溶质分凝
溶质保守系统的一维定向凝固过程(a)和非溶质保守系统的区熔过程(b)
（a) 平衡凝固的情况（Equilibrium freezing） 凝固足够慢，液相和固相都能充分扩散，没有成分梯度
存在于固相和液相中。根据溶质守恒有：
CSfS+CL(1-fS)=C0 CS[fS+(1-fS)/k0]=C0 CS=C0k0/(1+(k0-1)fS) 方程中CS为凝固的固相成分，C0为原始液相成分，k0为平衡 溶质分布系数，fs为已凝固的固相分数，因此只要知道C0、k0 就可以计算不同凝固位置fs下的成分Cs。
第4章 定向凝固中的温度场和溶质场
4.1 定向凝固中的溶质场和温度场
x0 x c(x, )dx
x0
J (x0 , )
J (x0
x0 , )
x0 x Q(x, )dx
x0
[c(x1, )]x
J (x0 , )
J (x0
x0 , )
Q(x2 , )x
x0<x1<x0+x; x0<x2<x0+x
方程中左边为控制单元体的溶质变化，右边第一项和第二项为
从x0位置处传入的溶质和从x0+x传出的溶质，其中J(x0,)为位 置为x0，时刻的溶质流量密度，而第三项为单元体中存在源或 黑洞产生或消耗溶质的部分。
c(x0 ,
dCL dz
0
边界条件： [CL(0)-CS]V+D[dCL(z)/dz]z=0=0， z=0；
CL()=C0,
z=；
CL (z)
定向凝固和单晶制备技术
2 2.1
传统定向凝固技术
炉外法
1
优点：工艺简 单，生产成本 低。 缺点：温度梯 度不大而且很 难控制，不适 合大型件生产。
图6 炉外法原理图
2 2.2
传统定向凝固技术
1.3
(1)
20世纪20-30年代Bridgeman-Stockbarger技术奠 定了现代单晶生长和定向凝固的理论基础。
Bridgeman-Stockbarger技术又称为坩埚下降法，是 一种常见的晶体生长方法，原理：通过加热是的坩埚中 的材料被熔融，当坩埚持续下降过程中，底部的温度先 降低熔点以下，开始结晶，晶体从而不断的长大而形成。 这种方法常用于制备碱金属和碱式金属化合物以及氟化 物单晶。
1.3
成分过冷的不足之处 在于不适用于快速凝 固领域。
图3 成分过冷现象
1
定向凝固技术概述
成分过冷理论
1
1.3
成分过冷发生的必要条件 固液界面前沿溶质的富 集而引起溶质再分配 固液界面前方的也想实 际温度必须到达一定的值 才会发生成分过冷现象
1
定向凝固技术概述
界面稳定性的动力学理论
也称为绝对稳定理论、MS稳定性理论。Mullins和 Sekerka鉴于成分过冷理论的不足，提出一个考虑 1 了溶质浓度场和温度场、固液界面能以及界面动力 学的理论。研究了温度场和浓度场的干扰行为、干 扰振幅和时间的依赖关系以及它们对界面稳定性的 影响。
定向凝固技术
定向凝固技术概述
1
2
传统定向凝固技术
新型术概述
定向凝固技术的背景
随着20世纪60年代后期大量能源相关的设 1 备需求不断增加，如核电站的开发、大型 压力容器的运用，相对应的用于这些设备 的大型板类件也迅速增加，从而对这些板 件的性能要求也逐渐严格，例如疏松、偏 析、非金属夹杂等。甚至还要求有良好的 铸造性能和焊接性能，这就对传统的普通 锭生产工艺提出了挑战。 正是在这个背景下，日本与法国在70年 代末期相继提出了小高径比、高冷却强度 的定向凝固锭技术。
单晶材料及其制备
单晶材料及其制备单晶材料是指具有完整晶体结构的材料，其晶体结构沿特定方向没有任何界面或晶界。
单晶材料的结晶性能和物理性能优于多晶材料，因此在许多领域中有广泛应用，如电子器件、光学器件、航空航天等。
本文将介绍单晶材料的制备方法、一些常见的单晶材料及其应用。
制备单晶材料的最常用方法是晶体生长方法，主要有凝固法、浮区法、溶液法和气相法等。
凝固法是指通过控制材料的冷却速度使其从熔融态逐渐冷却成为固态。
这种方法适用于高熔点的材料，一般利用高温熔融状况下的材料来制备单晶材料。
其中，常用的方法有慢冷法、拉布拉多法、修正巨晶法等。
浮区法是通过在两个石英管之间形成液体浮区，将镁铝尖晶石单晶材料逐渐生长出来。
过程中，石英管内加入反应物，通过加热使其熔化，并在石英管之间产生上下移动的浮区，由于石英管之间温度梯度的存在，浮区中的反应物在降温的过程中逐渐结晶并生长成单晶材料。
溶液法是将所需物质溶解在溶剂中，通过控制温度和溶剂挥发速度，使溶液逐渐达到饱和状态并结晶成单晶材料。
其中，常见的溶液法包括溶液蒸发法、有机金属溶胶-凝胶法和溶剂热法等。
气相法是通过控制气体混合物在合适的条件下在衬底上生长单晶材料。
常见的气相法有气体输运法、金属有机化合物气相沉积法和气相石墨化等。
常见的单晶材料包括硅、镁铝尖晶石、硫化镉、硼化镍、石墨等。
其中，硅是最常见的单晶材料之一，广泛应用于半导体制造、光学器件等领域。
硅具有优异的光电性能和机械性能，具备较高的载流子迁移率和导热性能，被广泛应用于电子器件制造中。
此外，硫化镉是一种重要的半导体材料，具有宽的能带间隙和高的光电转换效率，被广泛应用于太阳能电池和激光器等光电器件。
在航空航天领域，单晶材料也有广泛应用。
例如，单晶高温合金被用于制造航空发动机中的叶片和涡轮叶片，因其具有高强度、耐热性和抗腐蚀性能，能够承受高温和高压工况环境。
此外，单晶超合金也被广泛应用于航空发动机的燃烧室和喷嘴等部件。
总之，单晶材料具有独特的结晶结构和优异的物理性能，在电子器件、光学器件、航空航天等领域有广泛应用。
定向凝固技术及其运用
定向凝固技术能够减少 材料浪费，降低生产成
本。
该技术适用于多种材料， 如金属、陶瓷等，具有
广泛的适用性。
挑战
技术门槛高
定向凝固技术需要专业的设备和熟练的操作 人员，增加了技术门槛。
成本高
由于需要高精度的设备和专业的操作人员， 导致定向凝固技术的成本较高。
生产周期长
由于定向凝固技术的生产过程较为复杂，导 致生产周期相对较长。
降低能耗和减少废弃物排放，推动定向凝固技术的可持续发展。
03
跨学科融合
定向凝固技术涉及到材料科学、物理学、化学等多个学科领域，未来将
加强跨学科的交流与合作，促进定向凝固技术的创新发展。
05
定向凝固技术的前沿研究与最新进展
前沿研究
定向凝固技术的基本原理
定向凝固技术是一种先进的金属材料制备技术，通过控制金属材料的凝固过程，实现材料 的定向生长和组织控制。目前，研究者正在深入研究定向凝固技术的基本原理，包括凝固 过程中的传热、传质和流动等机制，以期进一步优化材料的性能。
特点
可制备单向组织材料， 可实现材料的轻量化、 具有优异的力学性能。 小型化和高效化。
可用于制备高性能的 金属基复合材料和陶 瓷基复合材料。
发展历程
01
02
03
04
20世纪50年代
定向凝固技术初步发展，主要 应用于制备单晶材料。
20世纪60年代
定向凝固技术逐渐成熟，开始 应用于航空航天领域。
20世纪70年代
定向凝固技术的工业应用
随着技术的成熟和进步，定向凝固技术已经逐渐从实验室走向工业化应用。目前，定向凝固技术已经在 汽车、航空航天、能源和轨道交通等领域得到广泛应用，为现代工业的发展提供了重要的技术支持。
定向凝固与单晶材料制备
② 单晶的发展历程
• 天然单晶（包括钻石、宝石、方解石、水晶石等） • 人工合成单晶：20世纪40年代，ADP、罗息盐、水晶—压
电晶体
• 50年代 单晶Ge, Si 等 • 60年代 人造红宝石Cr3+:Al2O3 • 现代 功能晶体：人工合成和生长而成，能实现电、光、声、
• 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
较广泛使用的定向凝固装置示意图
（4）晶核的控制 定向柱晶铸件的主要缺陷：
• 柱晶方向发散 • 在铸件上出现不利取向的晶粒或等轴晶——“雀斑”
严重恶化定向铸件的性能。 “雀斑”的形成与凝固前沿液-固共存的两相区（“糊状 区”）内熔体的流动有关。
2.19 成分过冷区进一步加宽， 成分过冷的极大值大于熔体中 非均匀形核所需过冷，从而在 前方形成等轴晶的情况
凝固过程的工艺参数：
• 凝固过程中固-液界面前沿液相中的温度梯度GL • 固-液界面向前推进速度，即晶体生长速度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
1.4.1 熔体法晶体生长 1.4.2 常温溶液法晶体生长 1.4.3 高温溶液法晶体生长 1.4.4 其它生长法
1.4.1 熔体法晶体生长 1. 基本原理
晶体生长过程使自由能降低 晶体生长速度 f
f
1
cL
Kc
dT dz
C
K
m
dT dz
m
c — 晶体密度 L — 结晶潜热
Kc、KM — 晶体、熔体的热导率
mC0 (1 k0 ) (或 T1 T2 )
定向凝固和单晶制备技术62页PPT
END
16、业余生活要有意义，不要越轨。——华盛顿 17、一个人即使已登上顶峰，也仍要自强不息。——罗素·贝克 18、最大的挑战和突破在于用人，而用人最大的突破在于信任人。——马云 19、自己活着，就是为了使别人过得更美好。——雷锋 20、要掌握书，莫被书掌握；要为生而读，莫为读而生。——布尔沃
定向凝固和单晶制备技术
11、获得的成功越大，就越令人高兴 。野心 是使人 勤奋的 原因， 节制使 人枯萎 。 12、不问收获，只问耕耘。如同种树 ，先有 根茎， 再有枝 叶，尔 后花实 ，好好 劳动， 不要想 太多， 那样只 会使人 胆孝懒 惰，因 为不ห้องสมุดไป่ตู้ 践，甚 至不接 触社会 ，难道 你是野 人。(名 言网) 13、不怕，不悔(虽然只有四个字，但 常看常 新。 14、我在心里默默地为每一个人祝福 。我爱 自己， 我用清 洁与节 制来珍 惜我的 身体， 我用智 慧和知 识充实 我的头 脑。 15、这世上的一切都借希望而完成。 农夫不 会播下 一粒玉 米，如 果他不 曾希望 它长成 种籽； 单身汉 不会娶 妻，如 果他不 曾希望 有小孩 ；商人 或手艺 人不会 工作， 如果他 不曾希 望因此 而有收 益。-- 马钉路 德。
- 1、下载文档前请自行甄别文档内容的完整性，平台不提供额外的编辑、内容补充、找答案等附加服务。
- 2、"仅部分预览"的文档,不可在线预览部分如存在完整性等问题,可反馈申请退款(可完整预览的文档不适用该条件!)。
- 3、如文档侵犯您的权益，请联系客服反馈,我们会尽快为您处理(人工客服工作时间：9:00-18:30)。
2.19 成分过冷区进一步加宽， 成分过冷的极大值大于熔体中 非均匀形核所需过冷，从而在 前方形成等轴晶的情况
凝固过程的工艺参数：
• • • •
凝固过程中固-液界面前沿液相中的温度梯度GL
固-液界面向前推进速度，即晶体生长速度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
• 完全去掉C、B、Zr、Hf等晶界强化元素
• 添加Al、Ti、V、Ta等合金化元素以获得60%以上/相
• 形成高铝、钽的氧化膜
普通铸造：定向凝固：单晶生长寿命 = 1 ： 5 ：10
1．4 单晶材料制备
概述
① 单晶概念
单晶是由结构基元（原子，原子团，离子），在三维空
间内按长程有序排列而成的固态物质。或者说是由结构基元
Figure 1. (a), (b) Photographs of a high-pressure turbine (HPT) vane and a HPT blade of a jet engine. (c) Schematic arrangement of the stationary vanes relative to the rotating blades within the engine. (d) Illustration of the GE 90-115B jet engine, showing its various components. (e) Pressure and temperature trends from the front to the back of the engine.
S GS L GL m LR
m-熔点附近熔体密度
S G S LR m GL L L
S、L-晶体与熔体的导热系数 GS 、GL-固相和液相的温度梯度 L-结晶潜热 R-凝固速率
（2）凝固速率R
dTs 1 GL （ ） X m Lv S x L dx
要的半导体材料，其中单晶硅为半导体器件的基础材料，优质的单晶硅
可用于大规模集成电路。 压电晶体：水晶（α－SiO2）、磷酸二氢铵（NH4H2PO4）、钛酸钡
（BaTiO3）、钽酸锂（LiTaO3）等单晶为常用的压电材料，其中用量最
大的是水晶，主要用于声电换能器，如超声发生器、水听器、声纳等； 热释电晶体：硫酸三甘氨酸 [（NH2CH2COOH）3· H2SO4](简称TGS)、
2） 快速凝固法（HRS法） 与PD法的区别：
• • 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
•
3） 液态金属冷却法（LMC法）
工业上使用的定向凝固技术的发展经历了3个基本阶段 1) 功率降低法（PD法） 2) 快速凝固法（HRS法） 3) 液态金属冷却法（LMC法）
1） 功率降低法（PD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
1.4
定向凝固与单晶材料制备
1.4.1 定向凝固技术 1. General remarks 定向凝固技术是使金属或合金由熔体中定向生长晶体 的一种工艺方法，用于制备单晶、柱状晶和定向共晶铸件， 是20世纪60年代发展起来的技术。 例如，喷气发动机高温合金叶片的制造 • 定向凝固涡轮叶片，寿命是普通铸造的2.5倍
mC0 (1 k0 ) T1 T2 (或 ) DL k0 DL
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
Chalmers成分过冷判据：
mC0 (1 k0 ) GL T1 T2 (或 ) R DL k0 DL
一般单相合金晶体生长符合上式时，界面前方不存在成分 过冷，界面将以平面生长方式长大。
细化组织，改善质量，并且，提高定向凝固铸件生产率。 定向凝固技术和装置不断改进，其关键技术之一是提 高固-液界面前沿液相中的温度梯度GL。目前， GL已经达 到100-300℃/cm，工业生产中已达到30-80℃/cm。
（1）温度梯度GL
以坩埚下降定向凝固为例的 温度梯度的简化模型见图。
s (
dTS dT dx ) x X L ( L ) x X m L dx dx dt
金属的性质（T1-T2）/DL和工艺条件GL/R对单相合金结 晶特点影响的示意图
单向凝固技术的重要工艺参数包括： • 凝固过程中固-液界面前沿液相中的温度梯度GL • 固-液界面向前推进速度，即晶体生长速度R • GL/R值是控制晶体长大形态的重要判据
在提高GL的条件下，增加R，才能获得所要求的晶体形态，
•
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
较广泛使用的定向凝固装置示意图
（4）晶核的控制
定向柱晶铸件的主要缺陷：
• • 柱晶方向发散 在铸件上出现不利取向的晶粒或等轴晶——―雀斑”
严重恶化定向铸件的性能。
1.4.1 熔体法晶体生长 1. 基本原理 晶体生长过程使自由能降低 晶体生长速度 f
1 dT dT f Kc Km c L dz C dz m
c — 晶体密度 L — 结晶潜热 Kc、KM — 晶体、熔体的热导率
dT dz C
―雀斑”的形成与凝固前沿液-固共存的两相区（“糊状 区”）内熔体的流动有关。
防止办法 • • 严格控制热流方向沿平行于零件主应力轴方向流动 选择合适的生长速度和温度梯度
生长速度和温度梯度 对“雀斑”形成的影 响
单晶高温合金 单晶高温合金几乎同时与定向凝固合金出现于60年代中 期，但因性能与成本原因未能发展。 到70年代中期，由于合金成分和热处理规范方面的突破。
在三维空间内，呈周期排列而成的固态物质。如水晶，金刚
石，宝石等。
特征：均匀性、各向异性、自限性、对称性、最小内能和最大稳定性。
② 单晶的发展历程
• • • • •
天然单晶（包括钻石、宝石、方解石、水晶石等） 人工合成单晶：20世纪40年代，ADP、罗息盐、水晶—压电 晶体 50年代 单晶Ge, Si 等
60年代
现代
人造红宝石Cr3+:Al2O3
功能晶体：人工合成和生长而成，能实现、光、声、热、磁、力等不同能量形式的相互作用和转换。是在
自动化技术、激光技术、红外遥感技术、计算机、信息、 原子能等广泛使用的固体器件材料。
激光晶体：红宝石（Cr 3+: Al2O3）、掺钕的钇铝石榴石（Nd3+:
铌酸锂（LiNbO3）、亚硝酸钠(NaNO2)等单晶为重要的热释电晶体,主要
用于红外检测、红外探测和红外摄像等技术领域中。
③
单晶材料制备 指将物质的非晶态、多晶态或能够形成该物质的反应物通
过一定的物理或化学手段转变为单晶状态的过程。 目前，常用的晶体生产方法为： 熔体法、常温溶液法、高温溶液法、其它方法。 1.4.1 1.4.2 1.4.3 1.4.4 熔体法晶体生长 常温溶液法晶体生长 高温溶液法晶体生长 其它生长法
Advances in Coating Design for High-Performance Gas Turbines Figure 1. Improvement in efficiency with increasing turbine operating temperatures and pressures for a family of Rolls-Royce engines developed during the period 1970–2000. SFC is specific fuel consumption. Overall pressure ratio is the ratio of compressor exit pressure relative to ambient.Temperatures are turbine entry gas temperatures, measured in K. Data points are engine operating conditions during the test. A “civil type test” is an engine performance evaluation criterion applied to civil aircraft engines.
单晶合金重新崛起。
80年代研制出一系列新型镍基单晶合金叶片。在发动机
上应用产生显著的技术经济效益。
单晶叶片比定向柱晶叶片可提高工作温度25-50 ℃，每 提高25 ℃，相当于提高叶片寿命3倍
高温合金单晶铸件通过定向凝固制取。常用的晶核控制 工艺有两种。 • 选晶法
•
籽晶法
PWA1480合金使用最广，其成分设计特点：
Y3Al5O12）、NYAB[Nd: YAl3(BO3)4]等单晶为固体激光器的核心材料。 非线性光学晶体：磷酸二氢钾（KH2PO4）、磷酸钛氧钾（KTiOPO4）、
偏硼酸钡（-BaB2O4）等单晶材料能实现激光的倍频、和频、差频、光
参量放大，为重要的非线性光学晶体，广泛用于激光技术中。 半导体：锗（Ge）单晶、硅（Si）单晶及ⅢA～ⅤA族化合物单晶均为重
dT dz m
— 晶体、熔体的温度梯度 生长原理示意图