定向凝固基础
合集下载
定向凝固技术
定向凝固技术1、定向凝固的研究状况定向凝固成形技术是伴随高温合金的发展而逐渐发展起来的，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。
定向凝固技术很好的控制了凝固组织的晶粒取向，消除横向晶界，提高了材料的纵向力学性能，因而自美国普拉特·惠特尼航空公司采用高温合金定向凝固技术以来，这项技术得到广泛的应用。
1.1定向凝固理论的研究定向凝固理论的研究，主要涉及定向凝固中液-固界面形态及其稳定性，液-固界面处相变热力学、动力学，定向凝固过程晶体生长行为以及微观组织的演绎等，其中包括成分过冷理论、MS 界面稳定性、线性扰动理论、非线性扰动理论等。
从Chalmers[1]等的成分过冷理论到Mullins[2]等的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。
下面主要分析一下成分过冷理论和界面稳定性理论。
（1）成分过冷理论成分过冷理论是针对单相二元合金凝固过程界面成分的变化提出的，如对于平衡分配系数小于1的合金在冷却下来时，由于溶质在固相和液相中的分配系数不同，溶质原子随着凝固的进行，被排挤到液相中去，并形成一定的浓度梯度，与这种溶质梯度相对应的液相线温度与真实温度分布之间有不同的值，其差值大于零时，意味着该部分熔体处于过冷状态，有形成固相的可能性而影响界面的稳定性。
Chalmers等人通过分析得出了成分过冷的判据，确定了合金凝固过程中固液界面前沿的形态取决于两个参数：G L/v和G L·v，即分别为界面前沿液相温度梯度和凝固速度的商和积。
前者决定了界面形态，而后者决定了晶体的显微组织（即枝晶间距或晶粒大小）[3]。
成分过冷理论能成功的判定无偏析特征的平面凝固的条件，避免胞晶或枝晶的生成。
但是成分过冷理论只考虑了温度梯度和浓度梯度这两个具有相反效应的因素对界面稳定性的影响，忽略了非平面界面的表面张力、凝固时的结晶潜热及固相中温度梯度等的影响。
10.0 定向凝固技术
形成柱状晶的基本条件： 热流方向定向 定向散热
（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。
（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。
材料合成与制备 第5章 定向凝固技术
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 组织以及其优异的 力学性能而获得长 足发展。
4、磁性材料
稀土超磁致伸缩材料RFe(R-Tb、Dy)作为一种电-磁-机械能量或信 息转换的新型功能材料，从20世纪70年代以来得到了迅速发展，它具有 很高的磁致伸缩值(1500~2000×10 )和能量密度(14000~25000J／m )，而 且还具有低频响应速度快、机电耦舍系数大等特点，故在大功率声纳换 能器、磁弹性波器件、液压阀门控制、精密加工徽定位、精度高速线性 马达、伺服系统和特殊兵器等高新技术领域展示出广阔的应用前景。对 于Tb-Dy-Fe材料，人们一直希望得到具有<111>方向择优取向的样品。 通过改变材料的定向凝固条件、控制材料的取向度、以及对材料进行热 处理消除晶界提高材料磁致伸缩性能。
(4)激光超高温梯度快速凝固
利用激光器作为热源来实现定向凝固。 激光具有能量高度集中的特性，在作为定向凝固热源时可能获得 比现有定向凝固方法高得多的温度梯度。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。
定向凝固过程工艺参数分别为： 合金熔融温度1450℃，温度梯度140℃/cm，牵引速度0.5-0.8 mm/min。
2、柱状晶生长
控制热流方向和温度梯度。
3、高温合金制备
定向凝固制备Fe-Cr-C过共晶原位生长复合材料
高铬铸铁是一种优良的耐磨材料，普通条件下凝固的高铬铸铁碳 化物呈网状，在实际磨损中往往会因为碳化物脆裂或折断而失效。 为此，通过定向凝固的方法，使碳化物纤维定向排列，即将Fe-C-Cr 合金制备成碳化物呈定向分布的原位生长复合材料，使高硬度的碳 化物垂直于磨面的方向定向生长，可以显著提高其性能。
4、磁性材料
稀土超磁致伸缩材料RFe(R-Tb、Dy)作为一种电-磁-机械能量或信 息转换的新型功能材料，从20世纪70年代以来得到了迅速发展，它具有 很高的磁致伸缩值(1500~2000×10 )和能量密度(14000~25000J／m )，而 且还具有低频响应速度快、机电耦舍系数大等特点，故在大功率声纳换 能器、磁弹性波器件、液压阀门控制、精密加工徽定位、精度高速线性 马达、伺服系统和特殊兵器等高新技术领域展示出广阔的应用前景。对 于Tb-Dy-Fe材料，人们一直希望得到具有<111>方向择优取向的样品。 通过改变材料的定向凝固条件、控制材料的取向度、以及对材料进行热 处理消除晶界提高材料磁致伸缩性能。
(4)激光超高温梯度快速凝固
利用激光器作为热源来实现定向凝固。 激光具有能量高度集中的特性，在作为定向凝固热源时可能获得 比现有定向凝固方法高得多的温度梯度。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。
定向凝固过程工艺参数分别为： 合金熔融温度1450℃，温度梯度140℃/cm，牵引速度0.5-0.8 mm/min。
2、柱状晶生长
控制热流方向和温度梯度。
3、高温合金制备
定向凝固制备Fe-Cr-C过共晶原位生长复合材料
高铬铸铁是一种优良的耐磨材料，普通条件下凝固的高铬铸铁碳 化物呈网状，在实际磨损中往往会因为碳化物脆裂或折断而失效。 为此，通过定向凝固的方法，使碳化物纤维定向排列，即将Fe-C-Cr 合金制备成碳化物呈定向分布的原位生长复合材料，使高硬度的碳 化物垂直于磨面的方向定向生长，可以显著提高其性能。
铜的定向凝固实验原理
铜的定向凝固实验原理铜的定向凝固是一种金属凝固工艺，通过控制铜合金的凝固过程，使其具有特定的晶体结构和力学性能。
定向凝固技术广泛应用于航空航天、能源、汽车和电子等高科技领域中。
定向凝固技术的原理主要包括凝固传热、束流定向、溶质重分配和相界限控制等方面。
首先，凝固传热是定向凝固的基础。
在凝固过程中，铜合金的熔化和凝固过程是同时进行的。
凝固是通过传递热量来达到的，而热量的传递方式主要有导热和对流两种。
在凝固过程中，通过合理的控制传热方式，可以影响晶体生长的速度和方向，从而控制晶体的取向。
其次，束流定向是定向凝固中的关键环节。
束流定向是指在凝固过程中通过施加外加的磁场、温度梯度或拉伸力等辅助手段，将熔融合金中的晶粒定向生长。
束流定向的方法有很多种，常用的方法有磁场定向、模具形状定向和温度梯度定向等。
这些方法可以在凝固过程中控制晶粒的取向和排列，从而获得所需的晶体结构。
第三，溶质重分配是定向凝固中的另一个关键因素。
在凝固过程中，合金中的溶质会因为凝固过程中的温度变化而发生重分配。
通常情况下，溶质倾向于富集在凝固前沿的液相区域，导致凝固后的固相区域出现不均匀分布的现象。
为了减小溶质的偏聚效应，定向凝固过程中通常采用稳态定向凝固和自辐射稳态凝固等技术。
最后，相界限控制是定向凝固中的另一个重要环节。
合金中的相界限对晶体的取向和力学性能具有重要影响。
在定向凝固中，通过调整合金的化学成分、凝固速度和温度梯度等参数，可以控制相界限的位置和形态。
这样可以使晶体取向更加均匀，并且减少晶界的数量和位错密度，提高合金的力学性能。
总的来说，铜的定向凝固是通过控制凝固传热、束流定向、溶质重分配和相界限控制等工艺参数来实现的。
利用这些技术，可以控制铜合金的晶体取向、结构和力学性能，为高科技领域中的应用提供了可靠的材料基础。
第八章 凝固新技术—定向凝固
西北工业大学李建国等人通过改变加热方式，在液态
金属冷却法（LMΒιβλιοθήκη 法）的基础上发展的一种新型定向凝固 技术—区域熔化液态金属冷却法，即ZMLMC法。
33
这种方法将区域熔炼与液态金属冷却相结合，利用
感应加热机中队了凝固洁面前沿液相进行加热，从而有
效地提高了固液前沿的温度梯度。西北工业大些研制的 ZMLMC定向凝固装置，其最高温度梯度可达1300K/cm,最
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。 由于电磁约束成形定向凝固取消了粗厚、导热性能 查的陶瓷模壳、实现无接触铸造，使冷却介质可以直接 作用于金属铸件上，可获得更大的温度梯度，用于生产 无（少）偏析、组织超细化、无污染的高纯难熔金属及 合金，具有广阔的应用前景。
图 2 光学晶体CaF2 (左1:φ220×150mm).
金属单晶具有特殊的力学物理性能
2、 定向凝固原理
—如何实现定向凝固？
10
合金固溶体凝固时的晶体生长形态 a) 不同的成分过冷情况
b) 无成分过冷
C) 窄成分过冷区间
平面晶
胞状晶
d) 成分过冷区间较宽 柱状树枝晶 e) 宽成分过冷 内部等轴晶
材料合成与制备新技术》课件：第五章定向凝固
金属材料领域
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 。
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 。
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。
定向、单晶凝固基础理论和工艺讲义
件整个技术要求、工艺方案、生产过程、过程控制和检验 内容也与等轴晶要求不同。 以下就不同之处和关键点按工序过程进行讲解。
一、蜡模车间
陶瓷型芯
为了满足铸造过程中高温合金液的冲击，因此要求型芯
要有定的高温强度；（保证陶芯不断裂） 必须满足铸造过程中陶芯在高温合金液中长期工作1h～ 4h，故高温挠度变形值小。（保证铸件内腔尺寸）
一小时，随炉冷却至200 ℃以下，出壳。 对带陶瓷型芯的模壳，预焙烧温度应小于600 ℃，模 壳出、进炉和整个搬运过程必须轻拿轻放，不得有震 动，防止陶瓷型芯断裂或损坏。
模壳清洗
对不带陶瓷型芯的模壳可直接用自来水进行清洗。 对带陶瓷型芯的模壳必须用工业酒精进行清洗。
注意：1、第一遍清洗时，应将内腔一端封堵，水或酒精 中加亚甲基蓝，灌满型腔，检查模壳外表面是否有渗 漏，保证模壳处于完好状态。 2、对可修补的模壳缺陷，一定要使用同种制壳 材料进行修补。
由于液态高温合金与型芯接触时间长，故型芯材料不能
与合金有化学或热反应（保证化学成分和铸件冶金质量）
陶芯自由端、固定端制作和铸件壁厚尺 寸的控制
陶芯自由端、固定端制作和铸件壁厚尺寸的控制
引晶端的制作（模具）
。
计算机模拟结果
模拟结果
，
模拟结果和实际相比 规律相似。
定向凝固组合形式
支撑棒
受力方向，横向断裂
去除横向晶界提高抗高温蠕变性能
研究的对象
定向凝固过程中温度梯度和凝固速率这两个凝固参数
能够独立变化，成为凝固理论研究的重要手段。
定向/单晶设备
测温机构 加料室 操作机构 操作平台 熔炼和模壳加热室 隔离阀 铸型室 升降机构 关键结构: 1;模壳加热室 2;模壳加热室和铸型 室的隔板结构
- 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)。
定向凝固技术
目录
1.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
2017/6/20
HIT
2
1.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。
2017/6/20
HIT
4
2.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
2017/6/20
From GE Global Research Center HIT
5
2.1定向凝固技术定义
晶体生 长方向
侧向无 温度梯 度，不 散热
热流方向
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。
电磁约束成形定向凝固装臵
HIT
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，界面上不同位臵生长方向也不相同。 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。
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）。
工业上使用的定向凝固技术主要冶金工艺参数
HIT
3.定向凝固技术发展
工业上较广泛使用的 定向凝固装臵示意图
HIT
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。
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。
HIT
3.定向凝固技术发展
2.功率降低法
OCC法连续铸造技术与传统连续铸技术凝固过程的比较
HIT
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
随V增大： 界面形貌的演变：平界面-胞状-树枝状-胞状-平界面
2017/6/20
（2）MS理论
GL mL (1 k0 ) C0 R DL k0
10
HIT
2.3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;
• • • •
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
HIT
3.定向凝固技术发展
3.快速凝固法 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 H.R.S法示意图
2017/6/20
HIT
3
1.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。
2017/6/20
HIT
28
4.定向凝固技术的应用
3.高温合金制备
金 高 温 合
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
1. 铜板2. 试样3. 激光束4. 保护气体5. 底板6. 电机 HIT
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。
1. Ingot 2. Cooling agent 3. Cooling water 4. Insulation board 5. Induction coil 6. Sample 7. Melting zone 8. Crucible
HIT
3.定向凝固技术发展
6.深过冷定向凝固
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。 1.激发源2.熔体3. 净化剂4.感
凝固过程中的成分过冷或金属的性质（T1-T2） /DL.
m C0 (1 k0 ) T1 T2 (或 ) DL k0 DL
2017/6/20
HIT
11
3.定向凝固技术发展
传统定向凝固技术
新型定向凝固技术
发 热 铸 型 法
功 率 降 低 法
快 速 凝 固 法
液 态 金 属 冷 却 法
区 域 熔 化 液 态 金 属 冷 却 法
HIT
4.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。
2017/6/20
HIT
25
4.定向凝固技术的应用
1.单晶生长
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。
激 光 超 高 温 度 梯 度 快 速 定 向 凝 固
深 过 冷 定 向 凝 固 技 术
电 磁 约 束 成 形 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
HIT
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
成分过冷区足够大时 柱状晶生长情况
2017/6/20
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
From GE Global Research Center HIT
目录
1.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
2017/6/20
HIT
2
1.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。
2017/6/20
HIT
4
2.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
2017/6/20
From GE Global Research Center HIT
5
2.1定向凝固技术定义
晶体生 长方向
侧向无 温度梯 度，不 散热
热流方向
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。
电磁约束成形定向凝固装臵
HIT
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，界面上不同位臵生长方向也不相同。 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。
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）。
工业上使用的定向凝固技术主要冶金工艺参数
HIT
3.定向凝固技术发展
工业上较广泛使用的 定向凝固装臵示意图
HIT
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。
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。
HIT
3.定向凝固技术发展
2.功率降低法
OCC法连续铸造技术与传统连续铸技术凝固过程的比较
HIT
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
随V增大： 界面形貌的演变：平界面-胞状-树枝状-胞状-平界面
2017/6/20
（2）MS理论
GL mL (1 k0 ) C0 R DL k0
10
HIT
2.3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;
• • • •
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
HIT
3.定向凝固技术发展
3.快速凝固法 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 H.R.S法示意图
2017/6/20
HIT
3
1.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。
2017/6/20
HIT
28
4.定向凝固技术的应用
3.高温合金制备
金 高 温 合
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
1. 铜板2. 试样3. 激光束4. 保护气体5. 底板6. 电机 HIT
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。
1. Ingot 2. Cooling agent 3. Cooling water 4. Insulation board 5. Induction coil 6. Sample 7. Melting zone 8. Crucible
HIT
3.定向凝固技术发展
6.深过冷定向凝固
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。 1.激发源2.熔体3. 净化剂4.感
凝固过程中的成分过冷或金属的性质（T1-T2） /DL.
m C0 (1 k0 ) T1 T2 (或 ) DL k0 DL
2017/6/20
HIT
11
3.定向凝固技术发展
传统定向凝固技术
新型定向凝固技术
发 热 铸 型 法
功 率 降 低 法
快 速 凝 固 法
液 态 金 属 冷 却 法
区 域 熔 化 液 态 金 属 冷 却 法
HIT
4.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。
2017/6/20
HIT
25
4.定向凝固技术的应用
1.单晶生长
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。
激 光 超 高 温 度 梯 度 快 速 定 向 凝 固
深 过 冷 定 向 凝 固 技 术
电 磁 约 束 成 形 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
HIT
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
成分过冷区足够大时 柱状晶生长情况
2017/6/20
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
From GE Global Research Center HIT