定向凝固及其应用
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定向凝固技术的发展及在特厚钢板生产中的应用
Ｖｏ ． ０ ． １ ３ Ｎｏ ５
Ｏｃ ． ２ ０ ｔ ，０ ７
定 向凝 固技 术 的 发展 及 在 特 厚 钢 板 生 产 中 的 应 用
刘 鹏 ， 坤 ， 亮花 刘 冯
（ 宁科技大学 材料科学与工程学院 ， 辽 辽宁 鞍山 １ ４ ５ ） ０ １ １
摘 要 ： 定向凝固枝术是制备具有单一取向组织和高力学性能材料的有效方法。就定向凝固技术的原理、
随着 工业发 展 ， 一些 重 型设备 和 军用装 备 对特 厚板 的需 求 愈来 愈 多 的 ， 海 洋石 油 平 台 、 空母 舰 如 航 装 甲板 、０万 千 瓦汽 轮发 电机 汽包 、 ６ 大型 水 电站 闸 门 、 原子 能 发 电 站 外壳 、 大厚 板模 具 钢 等 。这 些 特 特
厚板 如用传 统 钢 锭 轧制 ， 往 因中心 偏 析 、 往 内部疏 松 、 Ｖ 型偏 析 、 纹 、 杂 的存 在而 难 以胜 任 ， 别 倒 裂 夹 特 是要求 ｚ 向性 能和超声 波 探伤 的特 厚板 问题 更加 突出 。如果 采用 连 铸 生产 特厚 板 ， 由于压 缩 比不 够 而
难 以满 足板 厚 度 的要求 ， 用定 向凝 固技术 能 够消 除结 晶过 程 中生 成 的横 向 晶界 ， 以提高 材料 的力 学 采 可
发展 状 况 及 其 在 特 厚 钢 板 生 产 中的 应 用 作 了综 合 阐述 。
关键 词 ： 定向凝固； 特厚钢板 ； 综合性能
中图分 类号 ： Ｇ ３ ．１ 文献 标识 码 ： 文章 编号 ：６２４１ （０７０— ７ ５ Ｔ ３５５ Ａ １７— ０２０ ）５ ４ ３ ４ ０ ０
高 材料 的纵 向力 学性 能 。 因此 ， 在半 导体 材料 、 磁性 材 料 、 复合材 料 等 的加 工 中应 用广 泛 ， 成为凝 固过 并
定向凝固及其应用PPT资料44页46页PPT
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71、既然我已经踏上这条道路，那么，任何东西都不应妨碍我沿着这条路走下去。——康德 72、家庭成为快乐的种子在外也不致成为障碍物但在旅行之际却是夜间的伴侣。——西塞罗 73、坚持意志伟大的事业需要始终不渝的精神。——伏尔泰 74、路漫漫其修道远，吾将上下而求索。——屈原 75、内外相应，言行相称。——韩非
定向凝固及其应用PPT资料44页
31、园日涉以成趣，门虽设而常关。 32、鼓Байду номын сангаас无所思。朝起暮归眠。 33、倾壶绝余沥，窥灶不见烟。
34、春秋满四泽，夏云多奇峰，秋月 扬明辉 ，冬岭 秀孤松 。 35、丈夫志四海，我愿不知老。
谢谢你的阅读
71、既然我已经踏上这条道路，那么，任何东西都不应妨碍我沿着这条路走下去。——康德 72、家庭成为快乐的种子在外也不致成为障碍物但在旅行之际却是夜间的伴侣。——西塞罗 73、坚持意志伟大的事业需要始终不渝的精神。——伏尔泰 74、路漫漫其修道远，吾将上下而求索。——屈原 75、内外相应，言行相称。——韩非
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31、园日涉以成趣，门虽设而常关。 32、鼓Байду номын сангаас无所思。朝起暮归眠。 33、倾壶绝余沥，窥灶不见烟。
34、春秋满四泽，夏云多奇峰，秋月 扬明辉 ，冬岭 秀孤松 。 35、丈夫志四海，我愿不知老。
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定向凝固技术的发展与应用
各 种热 流能 被 及时 导 出是 定 向凝 固过 程得 以实
现 的关 键 ， 也是凝 固过 程成 败 的关 键 。获得并 保持单 向热流 是定 向凝 固成 功的重 要保 证 伴 随着 对热 流 。 控 制 （ 同的加 热 、 不 冷却 方式 ） 术 的发 展 ， 技 传统 定 向
ｈｓｏ ｙ ｏ ｐ ｏ ｅ ｅ ｐ ｒｔ ｒ ｒ ｄｉｎ ｎ ｏ ｔ ｄ ｃ ｏｉｇ ｒ ｔ ｒ ｍ ｈ ｓ ｅ ｔ ｆ ｎｄｒ ｃｉｎ ｌ Ｏ ｉｔ ｒ ｆｉ ｒ ｖ ｄ ｔｍ ｅ ａ ｕ ｅ ｇ ａ ｅ ｔ ｄ ｐｒ ｍｏ ｅ ｏ ｌ ａｅ ｆ ｍ ａ ｎ ０ ｔ ｅ ａ ｐ ｃ ｉｉ ｔ ａ － ｏ ｕ ｅ ｏ Ｓ
ｐ ｅ ｒ ｔ ｎ ａ ｅ ｉｔｏ ｃ ｄ． ｒ ｐａ ａ ｉ ｒ ｒ ｄｕ ｅ ｏ ｎ
Ｋ ｙｗｏｒ ｓ Ｕｎｄｒ ｃ ｉｎ ｌ ｏ ｉｉｃ ｔ ｎ， ｍ ｐ ｒ ｔ ｒ ｒ ｄｉｎ ， ｔ ｒ ｌ ｅ ａ ａ ｉｎ ｅ ｄ ： ｉ ｉ ｔ ａ ｌ ｆ ａ ｉ Ｔｅ ｅ ｏ ｓ ｄ ｉ ｏ ｅ ａｕ ｅ ｇ ａ ｅ ｔ Ｍａ ｅ ｉ ａ ｐｒ ｐ ｒ ｔ ｏ
ｌ ｉｃ ｔ ｎｔ ｃ ｎ ｌｇ ｖ ｌｔ ｎ Ａｎ ｈ ｐ ｌ ａ ｉｎ ｆ ｎｄｉ ｃ ｉｎ ｌ ｏｉ ｆ ａ ｉｎｔ ｃ ｎ ｌｇ ａ ｅ ｉｌ ｉ ｆ ａｉ ｅ ｈ ｏｏ ｙ ｅ ｏｕ ｉ ． ｄ ｔ ｅ ａ ｐｉ ｔ ｓｏ ｉ ｒ ｔ ａ ｌ ｉ ｔ ｅ ｈ ｏｏ ｙ ｉ ｍ ｔ ｒ ｄｉ ｏ ｏ ｃ ｏ ｕ ｅ ｏ ｓ ｄｉｃ ｏ ｎ ａ
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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
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）
定向凝固制备铸造多晶硅的原理及应用综述
定向凝固制备铸造多晶硅的原理及应用综述摘要：阐述了介绍了定向凝固应用于硅材料的理论基础，论述了近年来定向凝固制备技术在杂质提纯和晶体生长的研究进展，提出了定向凝固制备铸造多晶硅研究现状和存在的问题。
展望今后的发展前景，认为新型的定向凝固技术制备出的硅锭在杂质含量、晶体结构方面均优于传统凝固技术，应积极改善定向凝固技术，以制备高品质的太阳能硅材料。
关键词定向凝固；铸造多晶硅；杂质和缺陷；转化效率晶体硅太阳能电池包括单晶电池和多晶电池2种，多晶电池的市场份额占到一半以上，商业化的多晶电池效率可以达到14%左右[1]。
实验条件下，多晶电池的最高转化效率达到20.30左右，多晶电池的效率虽然略低于单晶电池1%～2%，但多晶电池制造成本低、环境污染小，仍有很高的性价比和市场[2]。
近年来，由于技术改良、电池效率提高及生产成本下降等有利因素，因而大大促进了多晶电池应用技术的发展，也使业内专家学者给予了多晶电池制备技术更多研究和关注[3]。
影响多晶电池转换效率主要有2个方面：一是多晶硅铸锭的纯度，即使材料中含有少量的杂质，对电池的光电性能就有很大的影响[4]；二是尽量减少材料中各种缺陷，多晶硅铸锭中的晶界、位错与杂质聚集成载流子复合中心，大大的降低了多晶电池效率。
由以上表述可知，要提高多晶电池的效率，必须围绕提高材料纯度和降低材料缺陷的技术进行研究，而定向凝固技术正是制备硅晶体材料的典型应用。
定向凝固技术开始只用于传统的高温合金研制，经过几十年的发展，它已经是一种成熟的材料制备技术[5]。
定向凝固技术在多晶硅铸造主要是控制晶体生长和杂质提纯2方面的应用。
定向凝固技术可以很好地控制组织的晶面取向，消除横向晶界，获得大晶粒或单晶组织，提高材料的力学性能[6]。
同时，定向凝固可生成按照一定晶面取向、排列整齐的晶体结构,由于分凝系数的不同，杂质凝聚于晶界和铸锭上方，对材料起到提纯作用。
1. 基本原理多晶硅铸锭实际上就是由定向排列的柱状晶体组合形成，形成的理论基础就是定向凝固原理。
定向凝固技术
5.1 定向凝固旳发展历史 5.2 定向凝固基本原理 5.3 定向凝固工艺 5.4 应用实例
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5.1定向凝固旳发展历史
定向凝固过程旳理论研究旳出现是在 1953年，那是Charlmers及其他旳同事们 在定向凝固措施考察液/固界面形态演绎旳 基础上提出了被人们称之为定量凝固科学 旳里程碑旳成份过冷理论。
而当界面前沿存在成份过冷时，界面前沿 因为不稳定原因而形成旳凸起会因为处于过 冷区而发展，平界面失稳，造成树枝晶旳形 成。
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成份过冷理论提供了判断液固界面 稳定性旳第一种简要而合用旳判据，对 平界面稳定性，甚至胞晶和枝晶形态稳 定性都能够很好地做出定性地解释。
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1、成份过冷理论
纯金属旳凝固过程
在正旳温度梯度下，固液界面 前沿液体几乎没有过冷，固液 界面以平面方式向前推动，即 晶体以平面方式向前生长。
在负旳温度梯度下， 界面前方旳液体强烈过冷， 晶体以树枝晶方式生长。
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成份过冷理论能成功旳鉴定低速生长条件下 无偏析特征旳平面凝固，防止胞晶或枝晶旳生 长。
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单晶在生长过程中绝对要防止固—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 温度过冷或成份过冷。固液界面前沿旳熔体应处于 过热状态，结晶过程旳潜热只能经过生长着旳晶体 导出。定向凝固满足上述热传播旳要求，只要恰当 旳控制固—液界面前沿熔体旳温度和速率，是能够 得到高质量旳单晶体旳。
但是这一判据本身还有某些矛盾，如：
成份过冷理论把平衡热力学应用到非平衡动力学过程中，必然带 有很大旳近似性;
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。
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定向凝固及其应用
丁国华 2006年12月11日
-
1
一 定向凝固的原理 二 定向凝固技术的发展 三 定向凝固的理论基础 四 定向凝固在凝固理论研究中的应用 五 定向凝固在新材料研究与开发中的应用 六 自制定向凝固装置介绍 七 我的研究内容
-
2
定向凝固基本原理
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，获得具 有特定取向柱状晶的技术。
-
3
定向凝固技术的发展
传统定向凝固技术
新型定向凝固技术
发功快液 热率速态 铸降凝金 型低固属 法法法冷
却 法
In situ and real-time imaging
区激深电侧对重
域光过磁向流力
熔超冷约约下场
化高定束束的作
液温向成下定用
态度凝形的向下
金梯固定定凝的
属度技向向固定
冷快术凝凝技向
却速
固固术凝
-
6
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 度可达1300K/cm，最大冷 却速度可达50K/s。
-
7
激光超高温度梯度快速定向凝固
激光能量高度集中的特性,使它具备 了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 的可能性。
-
12
重力场作用下的定向凝固技术
微重力下的晶体生长，由于重力加速度减 小而有效的抑制了重力造成的无规则热质 对流，从而获得溶质分布高度均匀的晶体；
超重力下的晶体生长，通过增大重力加速 度而加强浮力对流，当浮力对流增强到一 定程度时，就转化为层流状态，即重新层 流化，同样抑制了无规则的热质对流。
电磁约束成形定向凝固工艺将成为一种 很有竞争力的定向凝固技术。但该技术 涉及电磁流体力学、冶金、凝固以及自 动控制等多学科领域，目前还处于研究 阶段。
-
10
侧向约束下的定向凝固技术
随着试样截面的突然减小，合 金凝固组织由发达的粗枝状很 快转化为细的胞状。随着凝固 的继续进行，胞晶间距继续增 加，之后胞晶间距保持基本恒 定，凝固进入新的稳态，最后 当试样截面由小突然增大时， 凝固形态也由胞状很快转化为 粗枝状。
定向凝固技术是在高温合金的研制中建立和完善 起来的。该技术最初用来消除结晶过程中生成的 横向晶界，甚至消除所有晶界，从而提高材料的 高温性能和单向力学性能。
在定向凝固过程中温度梯度和凝固速率这两个重 要的凝固参数能够独立变化，可以分别研究它们 对凝固过程的影响。这既促进了凝固理论的发展， 也激发了不同定向凝固技术的出现。
基本原理是将盛有金属液的坩埚置于一 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。
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，凝固组织是从基体外延生长的， 界面上不同位置的生长方向也不相同。
-
8
深过冷定向凝固技术
一旦形核,生长速率很快,基本上不受外界 散热条件的影响。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。
-
9
电磁约束成形定向凝固技术
该技术利用电磁感应加热熔化感应器内 的金属材料，并利用在金属熔体表层部 分产生的电磁压力来约束已熔化的金属 熔体成形。同时，冷却介质与铸件表面 直接接触，增强了铸件固相的冷却能力， 在固液界面附近熔体内可以产生很高的 温度梯度，使凝固组织超细化，显著提 高铸件的表面质量和内在综合性能。
法定
技技
固
向
术术
技
凝
术
固
-
4
发热铸型法和功率降低法
将熔化好的金属液浇入一侧壁绝热，底部冷却， 顶部覆盖发热剂的铸型中，在金属液和己凝固 金属中建立起一个自上而下的温度梯度，使铸 件自上而下进行凝固，实现单向凝固。
石墨感应发热器放在分上下两部分的感应圈内。 加热时上下两部分感应圈全通电，在模壳内立 起所要求的温度场．然后注入过热的合金熔液。 此时下部感应圈停电，通过调节输入上部感应 圈的功率，使之产生一个轴向温度梯度。
液态金属冷却法是在快速凝固法的基础上，将抽拉出 的铸件部分浸入具有高导热系数的高沸点、低熔点、 热容量大的液态金属中。这种方法提高了铸件的冷却 速度和固液界面的温度梯度，而且在较大的生长速度 范围内可使界面前沿的温度梯度保持稳定，结晶在相 对稳态下进行，得到比较长的单向柱晶。
常用的液态金属有Ga-In合金和Ga-In-Sn合金，以及Sn 液，前二者熔点低，但价格昂贵，因此只适于在实验 室条件下使用。Sn液熔点稍高(232℃)，但由于价格相 对比较便宜，冷却效果也比较好，因而适于工业应用。 该法已被美国、前苏联等国用于航空发动机叶片的生 产。
这种方法由于所能获得的温度梯度不大，并且 很难控制，致使凝固组织粗大，铸件性能差， 因此，该法不适于大型、优质铸件的生产。但 其工艺简单、成本低，可用于制造小批量零件。
-
5
快速凝固法和液态金属冷却法
快速凝固法是铸件以一定的速度从炉中移出或炉子移 离铸件，采用空冷的方式，而且炉子保持加热状态。 这种方法由于避免了炉膛的影响，且利用空气冷却， 因而获得了较高的温度梯度和冷却速度,，所获得的柱 状晶间距较长，组织细密挺直，且较均匀，使铸件的 性能得以提高，在生产中有一定的应用。
改变试样的局部冷却条件促使 凝固过程发生变化。
-
11
对流下的定向凝固技术
在加速旋转过程中造成液相 强迫对流，由于极大的改变 热质传输过程而引起了界面 形貌的显著变化，导致糊状 区宽度显著减小。
液相快速流动引起界面前 液相中的温度梯度极大的提 高，非常有利于液相溶质的 均匀混合和材料的平界面生 长，枝晶生长形态发生显著 的变化，由原来具有明显主 轴的枝晶变为无明显主轴的 穗状晶，穗状晶具有细密的 显微组织。
丁国华 2006年12月11日
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一 定向凝固的原理 二 定向凝固技术的发展 三 定向凝固的理论基础 四 定向凝固在凝固理论研究中的应用 五 定向凝固在新材料研究与开发中的应用 六 自制定向凝固装置介绍 七 我的研究内容
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定向凝固基本原理
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，获得具 有特定取向柱状晶的技术。
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3
定向凝固技术的发展
传统定向凝固技术
新型定向凝固技术
发功快液 热率速态 铸降凝金 型低固属 法法法冷
却 法
In situ and real-time imaging
区激深电侧对重
域光过磁向流力
熔超冷约约下场
化高定束束的作
液温向成下定用
态度凝形的向下
金梯固定定凝的
属度技向向固定
冷快术凝凝技向
却速
固固术凝
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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 度可达1300K/cm，最大冷 却速度可达50K/s。
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激光超高温度梯度快速定向凝固
激光能量高度集中的特性,使它具备 了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 的可能性。
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重力场作用下的定向凝固技术
微重力下的晶体生长，由于重力加速度减 小而有效的抑制了重力造成的无规则热质 对流，从而获得溶质分布高度均匀的晶体；
超重力下的晶体生长，通过增大重力加速 度而加强浮力对流，当浮力对流增强到一 定程度时，就转化为层流状态，即重新层 流化，同样抑制了无规则的热质对流。
电磁约束成形定向凝固工艺将成为一种 很有竞争力的定向凝固技术。但该技术 涉及电磁流体力学、冶金、凝固以及自 动控制等多学科领域，目前还处于研究 阶段。
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侧向约束下的定向凝固技术
随着试样截面的突然减小，合 金凝固组织由发达的粗枝状很 快转化为细的胞状。随着凝固 的继续进行，胞晶间距继续增 加，之后胞晶间距保持基本恒 定，凝固进入新的稳态，最后 当试样截面由小突然增大时， 凝固形态也由胞状很快转化为 粗枝状。
定向凝固技术是在高温合金的研制中建立和完善 起来的。该技术最初用来消除结晶过程中生成的 横向晶界，甚至消除所有晶界，从而提高材料的 高温性能和单向力学性能。
在定向凝固过程中温度梯度和凝固速率这两个重 要的凝固参数能够独立变化，可以分别研究它们 对凝固过程的影响。这既促进了凝固理论的发展， 也激发了不同定向凝固技术的出现。
基本原理是将盛有金属液的坩埚置于一 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。
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，凝固组织是从基体外延生长的， 界面上不同位置的生长方向也不相同。
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深过冷定向凝固技术
一旦形核,生长速率很快,基本上不受外界 散热条件的影响。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。
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电磁约束成形定向凝固技术
该技术利用电磁感应加热熔化感应器内 的金属材料，并利用在金属熔体表层部 分产生的电磁压力来约束已熔化的金属 熔体成形。同时，冷却介质与铸件表面 直接接触，增强了铸件固相的冷却能力， 在固液界面附近熔体内可以产生很高的 温度梯度，使凝固组织超细化，显著提 高铸件的表面质量和内在综合性能。
法定
技技
固
向
术术
技
凝
术
固
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发热铸型法和功率降低法
将熔化好的金属液浇入一侧壁绝热，底部冷却， 顶部覆盖发热剂的铸型中，在金属液和己凝固 金属中建立起一个自上而下的温度梯度，使铸 件自上而下进行凝固，实现单向凝固。
石墨感应发热器放在分上下两部分的感应圈内。 加热时上下两部分感应圈全通电，在模壳内立 起所要求的温度场．然后注入过热的合金熔液。 此时下部感应圈停电，通过调节输入上部感应 圈的功率，使之产生一个轴向温度梯度。
液态金属冷却法是在快速凝固法的基础上，将抽拉出 的铸件部分浸入具有高导热系数的高沸点、低熔点、 热容量大的液态金属中。这种方法提高了铸件的冷却 速度和固液界面的温度梯度，而且在较大的生长速度 范围内可使界面前沿的温度梯度保持稳定，结晶在相 对稳态下进行，得到比较长的单向柱晶。
常用的液态金属有Ga-In合金和Ga-In-Sn合金，以及Sn 液，前二者熔点低，但价格昂贵，因此只适于在实验 室条件下使用。Sn液熔点稍高(232℃)，但由于价格相 对比较便宜，冷却效果也比较好，因而适于工业应用。 该法已被美国、前苏联等国用于航空发动机叶片的生 产。
这种方法由于所能获得的温度梯度不大，并且 很难控制，致使凝固组织粗大，铸件性能差， 因此，该法不适于大型、优质铸件的生产。但 其工艺简单、成本低，可用于制造小批量零件。
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快速凝固法和液态金属冷却法
快速凝固法是铸件以一定的速度从炉中移出或炉子移 离铸件，采用空冷的方式，而且炉子保持加热状态。 这种方法由于避免了炉膛的影响，且利用空气冷却， 因而获得了较高的温度梯度和冷却速度,，所获得的柱 状晶间距较长，组织细密挺直，且较均匀，使铸件的 性能得以提高，在生产中有一定的应用。
改变试样的局部冷却条件促使 凝固过程发生变化。
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对流下的定向凝固技术
在加速旋转过程中造成液相 强迫对流，由于极大的改变 热质传输过程而引起了界面 形貌的显著变化，导致糊状 区宽度显著减小。
液相快速流动引起界面前 液相中的温度梯度极大的提 高，非常有利于液相溶质的 均匀混合和材料的平界面生 长，枝晶生长形态发生显著 的变化，由原来具有明显主 轴的枝晶变为无明显主轴的 穗状晶，穗状晶具有细密的 显微组织。