快速凝固失重条件下凝固定向凝固
10.0 定向凝固技术
（பைடு நூலகம்）单晶生长
1、单晶体的特点 （1）晶体和熔体成分相同 （2）晶体和熔体成分不同 （3）有第二相或出现共晶相的晶体
2、单晶体的制备方法
坩埚移动 晶体提拉 炉体移动 制备方法 区熔法
正常凝固法
水平区熔法
悬浮区熔法
(1)正常凝固法 坩埚下降法，从熔体中生长晶体的方法。 通常，坩埚在结晶炉中下降，通过温度梯 度较大的区域时，熔体在坩埚中自下而上 结晶为整块晶体。这个过程也可以用结晶 炉沿着坩埚上升，或者坩埚和结晶炉都不 动通过结晶炉缓慢降温来实现
（三）定向凝固合金的力学行为
1、弹性各向异性 2、塑性各向异性 3、蠕变特性 4、循环形变 5、断裂
第三节 非重力凝固
失重条件（也称微重力条件）的凝固与重力 条件下完全不同，如无容器条件下的形核以 及由温度梯度（或密度梯度）引起的对流等， 使得不同成分的液体能够长时间共存，因此 可以减少沿凝固方向的成分偏析，还可以利 用微重力条件制备难混熔偏晶合金。
晶体提拉法
这是一种直接从熔体中拉出单晶的 方法。熔体置柑塌中，籽晶固定于 可以旋转和升降的提拉杆上。降低 提拉杆，将籽晶插入熔体，调节温 度使籽晶生长。提升提拉杆，使晶 体一面生长，一面被慢慢地拉出来。 这是从熔体中生长晶体常用的方法。 用此法可以拉出多种晶体，如单晶 硅、白钨矿、钇铝榴石和均匀透明 的红宝石等。
优点： 1）可观察晶体生长情况 2）晶体在自由表面处生长，减少晶体的应力， 防止寄生生核。 3）可以以较快的速度生长，晶体直径可控
（2）区熔法
水平区熔法 悬浮区熔法 悬浮区熔法是在20世纪50年代提出 并很快被应用到晶体制备技术中。 在悬浮区熔法中，使圆柱形硅棒固 定于垂直方向，用高频感应线圈在 氩气气氛中加热，使棒的底部和在 其下部靠近的同轴固定的单晶籽晶 间形成熔滴，这两个棒朝相反方向 旋转。然后将在多晶棒与籽晶间只 靠表面张力形成的熔区沿棒长逐步 向上移动，将其转换成单晶。
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。
定向凝固技术及其应用
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。
关于快速凝固原理的应用
关于快速凝固原理的应用1. 引言快速凝固是一种物质从液态到固态变化的过程，就是在短时间内将物质迅速冷却使其凝固。
快速凝固技术在许多领域都有广泛的应用，如冶金工业、材料科学、化学工程等。
本文将介绍快速凝固原理以及其在不同领域中的应用。
2. 快速凝固原理快速凝固原理是指在非平衡条件下，通过迅速冷却使物质快速从液态转变为固态的过程。
它能够在短时间内形成非晶态或超细晶态结构，从而使材料具有优异的性能。
快速凝固原理可以通过多种方式实现，包括快速冷却、高速冷却等。
快速凝固的核心原理是通过迅速冷却来阻止物质的晶体生长和晶格有序排列的形成。
在液态物质中，原子或分子是无序排列的，当物质冷却到一定温度以下时，原子或分子开始有序排列形成晶体结构。
但是，当快速冷却时，原子或分子无法在较短时间内有序排列，从而形成非晶态或超细晶态结构。
3. 冶金工业中的应用在冶金工业中，快速凝固技术被广泛应用于合金制备和材料改性。
通过快速凝固技术，可以制备出具有优异性能的合金材料。
例如，在汽车工业中，利用快速凝固技术可以制备出高强度、轻量化的铝合金，从而提高汽车的燃油效率和安全性能。
此外，快速凝固技术还可以用于制备高性能的磁性材料和高温合金等。
4. 材料科学中的应用在材料科学领域，快速凝固技术被广泛应用于纳米材料制备和薄膜生长。
通过快速凝固技术，可以制备出具有纳米晶特性的材料，这些材料具有较高的强度和优异的导电性能。
同时，快速凝固技术也可以用于纳米颗粒的合成和纳米结构的制备，为纳米科技的发展提供了重要基础。
5. 化学工程中的应用在化学工程领域，快速凝固技术被应用于聚合物的制备和纳米粒子的合成。
通过快速凝固技术，可以控制聚合物的结构和性能，制备出具有特定功能的聚合物材料。
同时，快速凝固技术也可以应用于纳米粒子的制备和纳米复合材料的合成，为化学工程领域的发展提供了新的可能性。
6. 结论快速凝固原理是一种利用迅速冷却来实现物质快速凝固的技术，它可以通过形成非晶态或超细晶态结构来改善材料的性能。
定向凝固技术及其运用
影响因素： 1冷却剂的温度
2 模壳传热性、厚度和形状 3 挡板位置 4 熔液温度 5液态金属冷却剂的选择条件： 6 有低的蒸气压，可在真空中使 用 7 熔点低，热容量大，热导率高 8 不溶解在合金中 9 价格便宜
流态床冷却法（FBQ法）
在相同条件下， 液态金属冷却法的温度梯度GTL为100～300℃/cm， 流态床冷却法的温度梯度GTL为100～200℃/cm， 两者的凝固速率和糊状区宽度相同，分别50～
ห้องสมุดไป่ตู้
深过冷定向凝固技术
➢ 过冷熔体中的定向凝固首先由B.Lux等人在1981年提 出
➢ 基本原理：将盛有金属液的坩锅置于一激冷基座上,在 金属液被动力学过冷的同时,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,其间 是残余的金属液。在随后的冷却过程中,这些金属液依 靠向外界散热而向已有的枝晶骨架上凝固,最终获得了 定向凝固组织。
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 描方向一致的温度梯度;根据合金凝固特性选择适 当的工艺参数以获得胞晶组织。利用激光快速熔 凝方法可以实现与Bridgman法相似的超高温度梯 度快速定向凝固,其温度梯度可高达106K/m,速度 可高达24mm/s,冷却速度较区熔液态金属冷却法 大大提高(约为三个数量级)。
可以在保持较高力学性能的同时实现人骨所需的较大 的空孔率, 同时它具有减震性、耐磨性和化学稳定性, 这对绝大多数不具备自恢复效应的人工骨材料来说是 极为重要的。
谢谢！
所谓定向凝固，就是指在凝固过程中采用强 制手段，在凝固金属样未凝固熔体中建立起沿 特定方向的温度梯度，从而使熔体在气壁上形 核后沿着与热流相反的方向，按要求的结晶取 向进行凝固的技术。
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。
材料快速凝固技术
材料快速凝固技术快速凝固技术，也被称为快速凝固加工技术（RSP），是一种能够迅速冷却液体材料并将其凝固成固态形式的先进加工技术。
这种技术的应用范围非常广泛，涵盖了材料科学、催化、纳米科技、生物科技等多个领域。
快速凝固技术的发展极大地促进了材料的研究和应用创新，下面将对快速凝固技术的原理、方法和应用进行介绍。
快速凝固技术的原理主要是利用高速冷却来迅速降低材料的温度，使其在非平衡状态下凝固。
这种快速凝固过程中，原子、分子或离子的运动受到限制，使得凝固过程中产生的晶体或非晶体结构具有独特的性质。
凝固速度的快慢会对材料的微观结构和性能产生重要影响，因此快速凝固技术被广泛应用于制备具有特殊结构和性能的新材料。
快速凝固技术的方法主要包括磁控溅射法（Magnetron Sputtering）、激光熔凝法（Laser Melting）、电子束熔凝法（Electron Beam Melting）和惰性气体快速凝固法（Inert Gas Rapid Solidification）等。
这些方法都通过快速冷却将液态材料迅速凝固，并控制凝固速度和凝固形貌，以获得理想的材料结构和性能。
其中，惰性气体快速凝固法是一种常用的方法，通过高速气体喷射将液态材料迅速冷却，实现材料快速凝固。
快速凝固技术在材料科学领域具有广泛的应用。
首先，快速凝固技术可以制备非晶态材料，这种材料具有优异的力学性能、导电性能、韧性和耐腐蚀性能，被广泛应用于导线、磁盘等领域。
其次，快速凝固技术可以制备纳米晶材料，这种材料具有高强度、高硬度、高韧性和高塑性等优良性能，被广泛应用于制备新型材料、高效催化剂和高性能表面涂层。
再次，快速凝固技术可以制备多元合金材料，这种材料具有优异的热稳定性、耐腐蚀性和抗疲劳性能，广泛应用于航空航天、汽车制造和高速列车等领域。
总之，快速凝固技术是一项非常重要的先进加工技术，它能够通过迅速冷却将液态材料迅速凝固成固态形式，从而制备出具有特殊结构和性能的新材料。
第八章-凝固新技术—定向凝固
→ 液相线温度TL(x‘)随x’增大上升
→ 当GL（界面前沿液相的实际温度梯度）小 于液相线的斜率时，即:
GL
TL ( x ' )
x '
x' 0
出现“成分过冷” 。
T M
T
S C =C S0
C*
C% L C*
S
m
a)
L
C *=C /k
L
00
C (X') L
C%
b)
C 0
界面
界面
X'
T
T实 1
际
T 实际 2
第八章 凝固新技术
一、 定向凝固
• 1、定向凝固定义、概述 • 2、定向凝固原理 • 3、定向凝固工艺 • 4、定向凝固的应用
1、定向凝固定义
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，获得 具有特定取定向柱状晶或单晶的技术。
金属所 LMC法制备的发动机叶片
金属所研制的大型“高温度梯度液态金属冷 却” （LMC）定向凝固设备
实验室用LMC定向凝固设备——沈阳可以生产
液态金属冷却法
影响因素： 冷却剂的温度 模壳传热性、厚度和形状 挡板位置 熔液温度
液态金属冷却剂的选择条件： 有低的蒸气压，可在真空中使用 熔点低，热容量大，热导率高
34
1.试样 2.感应圈 3.隔热板 4.冷却水 5.液态金属 6.拉锭机构 7.熔区 8.坩埚 超高温度梯度定向凝固装置图
35
电磁约束成形定向凝固（DSEMS）
在ZMLMC法基础上，凝固剂属国家重点实验室提出并 探索研究了近十年的电磁约束成形定向凝固技术。该技 术是将电磁约束成型技术与定向凝固技术相结合而产生 的一种新型定向凝固技术。利用电磁感应加热熔化感应 器内的金属材料，并利用在金属熔体部分产生的电磁压 力来约束已熔化的金属熔体成形，获得特定形状铸件的 无坩埚熔炼、无铸型、无污染定向凝固成形。
- 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)。
6
二、快速凝固方法
13、、把使金材属料或的合一金个熔薄体 2层分、快散使速成液熔小流化液保并滴持与一无个限很 小大也的散称截 热之面 器为雾，紧并化密与技接高术触效、，冷乳化
却散技（热术散器或热通喷）常射器是成接同形触一技，种术如材，熔以
体料使旋或这转相些法关小或的液薄材滴截料在面，凝连如固续电前铸达 造子到法或很。激大光的束过表冷面度脉。冲/移 动熔化。
耐了腐金蚀属性玻能璃、。优异的软磁性能、
优良的超导性能、较高的热稳 金属玻璃保留了液态金属
定性和较低的表面活性，已经 的短程有序的类似原子簇的 或可望应用于机械结构材料、 结构 ，微观组织中不存在晶 磁性材料、声学材料、仿生材 界、位错和偏析等缺陷，其 料、光学材料、体育器材以及 结构类似于普通玻璃 。 电子材料等多个方面。
GR dT dx dT T dx dt dt
9
图 6-4 Ni–10at.%Cu 在过冷度为 a）89K，b）150K，c）174K 和 d）260K 时的凝固组织（光学显微镜照片）
10
四、金属玻璃
金金属属玻玻璃璃（的也拉称伸非强晶度可态高合金）是Duwez等人在1960年首 达先3～发现4G的P，a，他并们具通有过很对好熔的融Au80Si20合金快速冷淬获得
坩埚及金属 液态金属
加热线圈 气体
急冷条带
旋转辊
表雾熔面化体熔法旋化的转法装法置
7
深过冷法
深过冷法是另一类快速凝固方法，其核心是:
消除合金液中的异质形核核心。
熔融玻璃净化法
通过熔融玻璃对合金液的净化作用，消除合金液 中的异质形核核心。
悬浮熔炼法（电磁悬浮、静电悬浮、声悬浮）
通过无容器熔炼消除合金熔体与容器接触对形核 的促进作用。
快速凝固的Al-Fe-V-Si合金组织
11
能否发生玻璃化转变的影 响因素主要有冷却速率、形 核密度和材料特性。
对应于一定的合金熔体， 欲发生玻璃化转变需要有足 够高的冷却速率。
12
第二节 失重条件下的凝固
失重条件（也称微重力条 件）的凝固与重力条件下完 全不同，如无容器条件下的 形核以及由温度梯度（或密 度梯度）引起的对流等，使 得不同成分的液体能够长时 间共存，因此可以减少沿凝 固方向的成分偏析，还可以 利用微重力条件制备难混熔 偏晶合金。
8
T1
三、快速凝固显微组织
T1 ＜ T2
凝固在很大的过冷度和很 高的冷却速率下进行，凝固 组织中会出现非平衡相 。
对铸件和铸锭，通常 GR可=以10把-3~温1度01K梯/s度，G但和对生雾长 速化率法R，联G系R起=1来02，~1用06GKR/s空。间 表相示应显地微，组偏织析的间变距化λ从和枝晶 间10距00（μ偏m减析小间到距0）.0的1μ变m化。：
定向凝固的单晶叶片是通过对多 晶的螺旋选择生长凝固而成的。
等轴晶、柱状晶和单晶的发动机叶片比较
柱状晶、螺旋选择器及生长的单晶
15
16
地面 条件 空间 条件
不同条件下 Al-Cu 合金的轴向 Cu 含量分布曲线
13
失重条件下材料的凝固实验在地面富上Co可相以在通富过Cu
悬浮熔炼 和 落管技术 得到 。
基体上均匀分 布
不同过冷度（ΔT）下Cu84Co16合金电磁悬浮试样的背散射组织
14
定向凝固装置的工作过程大致为： 材料在顶部的熔化室中熔化然后 浇注到模型中，模型在一端急冷， 可控拉伸装置保证了金属在模具 中的定向凝固。
1
第一节 快速凝固 第二节 失重条件下的凝固 第三节 定向凝固
2
第一节 快速凝固
一、快速凝固简介 二、快速凝固方法 三、快速凝固显微组织 四、金属玻璃
3
一、快速凝固简介
快速凝固是指采用急冷技术或深过冷技术获得 很高的凝固前沿推进速率的凝固过程。
界面推进速率大于10 mm/s 冷却速率达到105过原子间扩散速率时，晶体
将来不及转移成分，界面固、液相成分不再平衡。
4
凝固中的固、 液界面溶质
成分
完全扩散平衡 固-液界面局部平衡 非稳定界面局部平衡 界面不平衡
5
快速凝固 的目的
形成
超细组织 过饱和固溶体 亚稳相或新的结晶相 微晶、纳米晶或金属玻璃
获得优异的 强度、塑性、 耐磨性、耐腐蚀性 等。