定向凝固炉长晶原理及其电源
材料合成与制备 第5章 定向凝固技术
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。
定向凝固实验报告(3篇)
第1篇一、实验目的本次实验旨在研究定向凝固技术在金属材料制备中的应用，通过对单晶高温合金的定向凝固实验，探讨重力对合金凝固过程的影响，揭示合金凝固缺陷的形成机理，为航空发动机和燃气轮机叶片等关键部件的材料制备提供理论依据。
二、实验材料与设备1. 实验材料- 铝硅合金样品：由中国科学院金属研究所提供，用于定向凝固实验。
- 单晶高温合金样品：由中国科学院金属研究所提供，用于地面重力条件下的对照实验。
2. 实验设备- 定向凝固炉：用于在空间站内进行定向凝固实验。
- 显微镜：用于观察和分析样品的微观结构。
- X射线衍射仪：用于分析样品的晶体结构。
- 电子探针微分析（EPMA）：用于分析样品的化学成分。
三、实验方法1. 空间站定向凝固实验- 将铝硅合金样品放入定向凝固炉中，设置合适的温度梯度，进行定向凝固实验。
- 实验过程中，通过实时监测样品的温度、压力等参数，确保实验过程的顺利进行。
2. 地面重力条件下的对照实验- 将单晶高温合金样品放入定向凝固炉中，在地面重力条件下进行定向凝固实验。
- 实验过程与空间站实验相同，但需注意控制实验过程中的重力影响。
3. 样品分析与比较- 将空间站实验样品和地面对照实验样品分别进行微观结构、晶体结构和化学成分分析。
- 通过对比分析，探讨重力对合金凝固过程的影响，揭示合金凝固缺陷的形成机理。
四、实验结果与分析1. 微观结构分析- 空间站实验样品的微观结构显示，气泡表面较少，内部气泡较多。
- 地面对照实验样品的微观结构显示，气泡表面较多，内部气泡较少。
2. 晶体结构分析- 空间站实验样品的晶体结构与地面对照实验样品相似，但空间站实验样品的晶粒尺寸略大。
3. 化学成分分析- 空间站实验样品和地面对照实验样品的化学成分基本一致。
五、结论与讨论1. 结论- 重力对合金定向凝固过程有显著影响，导致空间站实验样品的气泡分布与地面对照实验样品存在差异。
- 通过对比分析，揭示了重力在合金凝固过程中的作用机理，为解决合金凝固缺陷问题提供了理论依据。
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：GL/v和GL·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。
蓝宝石长晶炉工作原理
蓝宝石长晶炉工作原理蓝宝石长晶炉是一种用于合成蓝宝石晶体的设备。
蓝宝石是一种非常珍贵的宝石，具有美丽的蓝色和高硬度。
它在珠宝制作、光学仪器和电子设备等领域有着广泛的应用。
而蓝宝石长晶炉就是通过特定的工作原理来合成蓝宝石晶体的装置。
蓝宝石长晶炉的工作原理可以分为以下几个步骤：第一步是原料准备。
蓝宝石晶体的合成原料主要是氧化铝和少量的氧化铬。
这些原料需要经过精细的处理和混合，以确保合成出的蓝宝石晶体具有高纯度和理想的颜色。
第二步是炉体装配。
蓝宝石长晶炉由炉体、电热丝和温度控制系统等组成。
炉体通常采用石英材料制成，因为石英具有良好的耐高温性能和化学稳定性。
第三步是炉体预热。
在合成蓝宝石晶体之前，需要将炉体进行预热，以确保温度的稳定和均匀。
预热的温度通常比合成过程中所需的温度低一些，以避免炉体受到过大的热冲击。
第四步是充填原料。
经过预热的炉体需要在一定条件下进行充填原料。
充填原料的过程需要保持炉体的密封性，避免气体的泄漏。
充填原料的质量和均匀性对蓝宝石晶体的品质有着重要的影响。
第五步是加热和保温。
在充填原料后，蓝宝石长晶炉开始进行加热和保温。
加热过程需要控制加热速率和温度梯度，以避免晶体生长过快或过慢。
保温的目的是使晶体在合成过程中保持稳定的温度和压力条件。
第六步是晶体生长。
在加热和保温过程中，蓝宝石晶体开始逐渐生长。
晶体生长的速度和方向受到多种因素的影响，包括温度、压力、原料浓度和炉体结构等。
蓝宝石晶体的生长速度通常较慢，需要经过长时间的持续生长。
第七步是冷却和取出。
当蓝宝石晶体生长到所需的尺寸后，需要进行冷却和取出。
冷却的速度和温度梯度也需要进行控制，以避免晶体的热应力和裂纹。
取出晶体后，还需要进行后续的加工和打磨，以获得光滑和透明的蓝宝石晶体。
蓝宝石长晶炉的工作原理是一个复杂的过程，需要精确的温度控制、原料处理和炉体设计等方面的技术。
通过合理的工艺参数和操作方法，可以获得高质量的蓝宝石晶体。
蓝宝石长晶炉的应用不仅推动了珠宝和光学仪器等领域的发展，也为科研机构和生产企业提供了重要的实验设备。
铸造金属凝固原理-第10章定向凝固技术
单晶叶片 选晶段
起始段
— 起始段： — 晶粒生长分三个阶段：急冷等轴晶，择优竞争、稳定。 — 高度：整个起始段的高度要保证第三阶段高度足以使90％
以上的[001]柱晶取向偏离度小于10o，通常大于25 mm。 — 影响因素：合金溶质浓度加大，柱状晶倾向减小，起始段
高度相应地增加。
— 选晶段的形状与尺寸 ：起始段柱状晶生长的延伸，进入选 晶段的柱状晶通过多次接近直角拐弯，淘汰了一批柱状晶， 最后仅允许一个柱状晶晶粒长入铸件本体。
凝固组织的形成过程
10.1定向凝固工艺
1 定向凝固工艺参数
• 主要工艺参数：GL、v ① 液相温度梯度GL ① 重要性：形态、速度、质量
G ≥ mC 0(1- k 0)
v
DL k0
λS
(
dTS dx
)x
=X
=λL
(dTL dx
)x
=X
+ρmL
dx dτ
λSGS =λLGL +ρmLv
GL
=λSGS λL
-ρmLv λL
)
=GS
• 采用快速凝固法时，GL受到铸件拉出速度、热辐射条件和 铸件径向尺寸的影响。在稳定态生长条件下，铸件拉出的 临界速率主要受到铸件辐射传热的特性的影响，其关系式 如下：设上式中GL=0为临界条件，则
VCT
= 2σαε rρm L
(T
4 m
1
-T04 ) 2
2 定向凝固的工艺方法 ① 发热剂法 工艺： 加热铸型→放置水冷板→浇注。 特点： 无法调节凝固速度v和GL 应用： 制备小的柱状晶铸件，多用于磁
2 柱状晶的力学性能
单晶、柱状晶、等轴晶Mar-M200的力学性能
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;
定向凝固技术简介
定向凝固技术
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材料制备与加工技术的发展对新材料的 研发、应用和产业化具有决定性作用。同时 还可有效的改进和提高传统材料的使用性能 。对传统材料的产业更新和改造具有重要作 用。定向凝固技术被广泛应用于获得具有特 殊取向的组织和优异性能的材料。
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而且对于a0>0，不存在从平界面到无限小振幅的连续转变。当a1>0时， 平胞转变具有超临界分叉性质，这时只有当a0>0时才能发生平界面的失稳， 并且出现从平界面到无限小振幅的连续转变。
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6.2.3 定向凝固技术的适用范围
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。
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1970年，Wollkind和Segel首先对凝固界面稳定性 进行了弱非线性动力学分析，提出了一个弱非线 性动力学模型：
dAk 3 5 = a0 Ak − a1 Ak + ο ( Ak ) dt
式中，
Ak 为k阶扰动振幅，
a0 是线性稳定性参数，其表达式由MS
5.1 定向凝固的发展历史 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定向凝固的发展历史 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 ， 那 是 Charlmers及其他的同事们在定向凝固方法考察 Charlmers 及其他的同事们在定向凝固方法考察 液 / 固界面 及其他的同事们在定向凝固方法考察液 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 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 程碑的成分过冷理论。 成分过冷理论。
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定向凝固炉长晶原理及其电源
1、固相形成的驱动力
G = H-TS
两相平衡的条件是ΔG =0 或Gliquid = Gsolid
HL-TSL = HS -TSS
则ΔH = TΔS
在熔点Tc，有ΔSC=ΔH/TC
ΔG = ΔH-TΔS
C =ΔH-TΔH/TC = ΔH（1- T/TC
）
引入 ΔT = TC - T 称为“过冷度”，有
ΔG =ΔH·ΔT/T
C
ΔH称为相变潜热，对于给定物质，具有定值。
可以看出，对T＜TC的情况，GL＞GS相变将向晶态方向进行，所
以熔体中固相形成的驱动力ΔG依赖于过冷度。
2、成核
①均匀成核
晶核在亚稳相中形成时，可把体系的吉布斯自由能变化看成两
项：新相形成时体系自由能的变化（ΔGV＜0）；以及新相形成时新相
与旧相界面的表面能（ΔGS＞0）。
设球形晶核：ΔG =﹣（4π/3）r3ΔG0v ＋4πr2ΔG0s -------（1）
达到平衡时dG／dr = 0，得核化条件：2ΔG0s- rΔG0v = 0
可得晶核稳定存在的临界半径rC = 2ΔG0s／ΔG0v -----------------（2）
将（2）带入（1）得：ΔGmax = 16/3·π（ΔG0s）3/（ΔG0v）2 =ΔG
c
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（图一）
r＞rC时，ΔG下降，晶核才稳定存在，影响成核的外因主要是过
冷度。
②非均匀成核
（图二）
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ΔGc′ = ΔGcf（θ）
f（θ）= （1-cosθ）2（2 + cosθ）/4
当θ＜180°，﹣1＜ cosθ＜1时，ΔGc′＜ΔGc，这意味着在基
底平面上形成晶核时所需要的形成功小于在自由空间形成球形晶核
所需要的形成功，也即是说，非均匀核化比均匀核化易实现。
定向凝固炉中，硅熔体在陶瓷坩埚容器底部形成晶核，属于非均
匀成核。
3、成核速率
匀态成核速率受两个因素的控制：一是相变过程中核胚的形成几
率WP，一是扩散过程中分子向核胚跃的几率。
WP = n0exp（﹣GC/kT），n0为单位体积内的分子数。
WD = D0exp（GD/kT），D0为扩散频率因子。
因此均态成核速率Nr = WP·WD = C0exp [（﹣Gc/kT）+ GD/kT ]，
C0 = n0 D0。
由ΔG = ΔH·ΔT/TC，可知成核速率随过冷度的变化如图：
（图三）
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非均态成核速率N*r = C*0exp (﹣G*c/kT + GD/kT )，C*0 = n*0 D
0
以上用形象的，宏观的方法处理成核问题，若体系具有很大的过
冷度时，晶核的形成应当根据原子的观点确定。
4、界面稳定性
形成晶核后，就形成了固-液界面。界面的稳定性主要与两个因素
有关：（A）温度梯度，（B）浓度梯度。
（1）温度梯度
（图四）
（图五）
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正温度梯度下，一旦偶然发生局部凸出生长，则进入了高于T
m
的高温区而被熔化，生长界面保持为平滑面。
负温度梯度下，凸出部分进入比Tm更低的低温区，更加快突出
部分的快速生长，结果就导致了胞状组织或枝晶的形成。
定向凝固炉中晶体的生长始终保持正温度梯度。
（2）浓度梯度
当生长体系中含有杂质元素时，会产生分凝效应。经试验测得，
在晶体硅中杂质的浓度CS小于液体中的浓度Cl，随着晶面生长前移，
界面前沿该元素的浓度将提高，该元素浓度的提高一般会使凝固点下
降。这时界面前沿液体中T1为液相线的温度分布，即靠近界面液相
线温度下降，T1′是实际温度分布，即为上述的正温度梯度。在界面
前沿有一个区域，实际温度T1′小于液相线温度T1，造成界面前出
现过冷现象。如果正温度梯度非常大，如图T2，则不会产生过冷现
象。
（图六）
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（图七）
5、相图在晶体生长中的应用
杂质的分配系数K0，K0 = CSolid/ Cliquid
硅中所有的杂质都是K0＜1。如图示，P点对应组成的硅原料置
于陶瓷坩埚中，用石墨电阻加热溶解。随着DS块的散热和隔热笼的
打开，底部温度下降，当降至凝固点时，就会有N点所对应的固相
析出。此时，固相中杂质含量就低于原料中杂质的含量，而液相中杂
质含量则高于原料中的含量。全部凝固后，重新提高温度，使固体熔
化，重复上述步骤，可以达到重新提纯的目的。
我们看到在长晶结束的前一步骤，温度不降反升，就是为了重新
提纯，在有的炉子，这一步骤温度是降的，这样做的目的是为了加快
凝固速率。
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（图八）
DS石墨炉电源:
1． 采用低压大电流供电
已知AC电压V=25V,电流I=3800A，所以
P=√3×25×3800=165KVA
DSS的平均功率和峰值功率
tt
tU
P
offon
onm
R+•=2
2
平均
RUPm2
2
=
峰值
2． 采用多阶梯时间﹑温度可调程序升温
3． 电源用光学温度控制
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（图九）
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