材料合成與制備新技術(shù)定向凝固PPT學(xué)習(xí)教案

1、會計(jì)學(xué)1材料合成與制備新技術(shù)定向凝固材料合成與制備新技術(shù)定向凝固2 材料制備與加工材料制備與加工技術(shù)的發(fā)展對新材料的研技術(shù)的發(fā)展對新材料的研發(fā)、應(yīng)用和產(chǎn)業(yè)化具有決定性作用。同時(shí)還可發(fā)、應(yīng)用和產(chǎn)業(yè)化具有決定性作用。同時(shí)還可有效的改進(jìn)和提高傳統(tǒng)材料的使用性能。對傳有效的改進(jìn)和提高傳統(tǒng)材料的使用性能。對傳統(tǒng)材料的產(chǎn)業(yè)更新和改造具有重要作用。定向統(tǒng)材料的產(chǎn)業(yè)更新和改造具有重要作用。定向凝固技術(shù)被廣泛應(yīng)用于獲得具有凝固技術(shù)被廣泛應(yīng)用于獲得具有特殊取向的組特殊取向的組織和優(yōu)異性能織和優(yōu)異性能的材料。的材料。 第1頁/共109頁3定向凝固的發(fā)展歷史定向凝固的發(fā)展歷史定向凝固基本原理定向凝固基本原理定向凝固工

2、藝定向凝固工藝應(yīng)用實(shí)例應(yīng)用實(shí)例第2頁/共109頁4第3頁/共109頁5 近近2020年來，不僅開發(fā)了許多先進(jìn)的定向凝固年來，不僅開發(fā)了許多先進(jìn)的定向凝固技術(shù)，同時(shí)對定向凝固理論也進(jìn)行了豐富和發(fā)展技術(shù)，同時(shí)對定向凝固理論也進(jìn)行了豐富和發(fā)展，從，從CharlmersCharlmers等的等的成分過冷理論成分過冷理論到到MullinsMullins等的等的固固/ /液界面穩(wěn)定動(dòng)力學(xué)理論（液界面穩(wěn)定動(dòng)力學(xué)理論（MSMS理論），理論），人們對凝人們對凝固過程有了更深刻的認(rèn)識，從而又能進(jìn)一步指導(dǎo)固過程有了更深刻的認(rèn)識，從而又能進(jìn)一步指導(dǎo)凝固技術(shù)的發(fā)展。凝固技術(shù)的發(fā)展。第4頁/共109頁6 隨著其他專業(yè)新理

3、論的出現(xiàn)和日趨成熟及隨著其他專業(yè)新理論的出現(xiàn)和日趨成熟及實(shí)驗(yàn)技術(shù)的不斷改進(jìn)，新的凝固技術(shù)也將被不實(shí)驗(yàn)技術(shù)的不斷改進(jìn)，新的凝固技術(shù)也將被不斷創(chuàng)造出來。定向凝固技術(shù)必將成為新材料的斷創(chuàng)造出來。定向凝固技術(shù)必將成為新材料的制備和新加工技術(shù)的開發(fā)提供廣闊前景，也必制備和新加工技術(shù)的開發(fā)提供廣闊前景，也必將使凝固理論得到完善和發(fā)展。將使凝固理論得到完善和發(fā)展。第5頁/共109頁7第6頁/共109頁8在凝固過程中采用強(qiáng)制手段，在在凝固過程中采用強(qiáng)制手段，在凝固金屬和為凝固熔體中建立起凝固金屬和為凝固熔體中建立起特定方向的溫度梯度，從而使熔特定方向的溫度梯度，從而使熔體沿著與熱流相反的方向凝固，體沿著與熱流

4、相反的方向凝固，獲得具有特定取向柱狀晶的技術(shù)獲得具有特定取向柱狀晶的技術(shù)。 定定向向凝凝固固第7頁/共109頁9第8頁/共109頁10 定向凝固技術(shù)實(shí)驗(yàn)的發(fā)展推動(dòng)了凝固理論定向凝固技術(shù)實(shí)驗(yàn)的發(fā)展推動(dòng)了凝固理論的發(fā)展和深入。的發(fā)展和深入。Charlmers、Tiller等人在研等人在研究中發(fā)現(xiàn)在合金中液固界面前沿由于溶質(zhì)富究中發(fā)現(xiàn)在合金中液固界面前沿由于溶質(zhì)富集將會產(chǎn)生集將會產(chǎn)生“成分過冷成分過冷”導(dǎo)致平衡界面失穩(wěn)導(dǎo)致平衡界面失穩(wěn)而形成胞晶核枝晶。首次提出了而形成胞晶核枝晶。首次提出了成分過冷理成分過冷理論論。第9頁/共109頁111 1、成分過冷理論、成分過冷理論第10頁/共109頁12 成分

5、過冷理論能成功的判定低速生長條件下無成分過冷理論能成功的判定低速生長條件下無偏析特征的平面凝固，避免胞晶或枝晶的生長。偏析特征的平面凝固，避免胞晶或枝晶的生長。 20世紀(jì)世紀(jì)50年代年代Charlmers、Tiller等人首次提出單等人首次提出單晶晶二元合金成分二元合金成分理論。理論。 第11頁/共109頁13 一是由于溶質(zhì)在固相和液相中的固溶度不同一是由于溶質(zhì)在固相和液相中的固溶度不同，即溶質(zhì)原子在液相中固溶度大，在固相中固溶，即溶質(zhì)原子在液相中固溶度大，在固相中固溶度小，當(dāng)單向合金冷卻凝固時(shí)，溶質(zhì)原子被排擠度小，當(dāng)單向合金冷卻凝固時(shí)，溶質(zhì)原子被排擠到液相中去，在固液界面液相一側(cè)堆積著溶質(zhì)原

6、到液相中去，在固液界面液相一側(cè)堆積著溶質(zhì)原子，形成溶質(zhì)原子的富集層。隨著離開固液界面子，形成溶質(zhì)原子的富集層。隨著離開固液界面距離增大，溶質(zhì)質(zhì)量分?jǐn)?shù)逐漸降低。距離增大，溶質(zhì)質(zhì)量分?jǐn)?shù)逐漸降低。 二是在凝固過程中，由于外界冷卻作用，在二是在凝固過程中，由于外界冷卻作用，在固液界面固相一側(cè)不同位置上的實(shí)際溫度不同，固液界面固相一側(cè)不同位置上的實(shí)際溫度不同，外界冷卻能力強(qiáng)，實(shí)際溫度低；相反實(shí)際溫度高外界冷卻能力強(qiáng)，實(shí)際溫度低；相反實(shí)際溫度高。如果在固液界面液相一側(cè)，溶液中的實(shí)際溫度。如果在固液界面液相一側(cè)，溶液中的實(shí)際溫度低于平衡時(shí)液相線溫度，出現(xiàn)過冷現(xiàn)象。低于平衡時(shí)液相線溫度，出現(xiàn)過冷現(xiàn)象。 第12

7、頁/共109頁14 在此基礎(chǔ)上，在此基礎(chǔ)上，Charlmers、Tiller等人首次等人首次提出了著名的提出了著名的“成分過冷成分過冷”判據(jù)判據(jù)：L000L0Lm Ck1GVk DLTD（） 式中：式中：GL為液固界面前沿液相溫度梯度（為液固界面前沿液相溫度梯度（K/mm）；V為界面生長速度（為界面生長速度（mm/s）；）；mL為液相線斜率；為液相線斜率；C0為為合金平均成分；合金平均成分；k0為平衡溶質(zhì)分配系數(shù)；為平衡溶質(zhì)分配系數(shù)；DL為液相中溶為液相中溶質(zhì)擴(kuò)散系數(shù)；質(zhì)擴(kuò)散系數(shù)；T0為平衡結(jié)晶溫度間隔。為平衡結(jié)晶溫度間隔。第13頁/共109頁15圖圖5.1 5.1 成分過冷成分過冷第14頁/

8、共109頁16據(jù)此，可以得到平衡界面生長的臨界速度。據(jù)此，可以得到平衡界面生長的臨界速度。0VcsTLLG D式中，式中，T0=mLC0(k0-1)，T0是合金平衡結(jié)晶溫度間隔。是合金平衡結(jié)晶溫度間隔。第15頁/共109頁17 在晶體生長過程中，當(dāng)不存在成分過冷時(shí)，如果在晶體生長過程中，當(dāng)不存在成分過冷時(shí)，如果在平直的固液界面上由于不穩(wěn)定因素?cái)_動(dòng)產(chǎn)生凸起，也在平直的固液界面上由于不穩(wěn)定因素?cái)_動(dòng)產(chǎn)生凸起，也會由于過熱的環(huán)境將其熔化而繼續(xù)保持平面界面。會由于過熱的環(huán)境將其熔化而繼續(xù)保持平面界面。 而當(dāng)界面前沿存在成分過冷時(shí)，界面前沿由于不穩(wěn)而當(dāng)界面前沿存在成分過冷時(shí)，界面前沿由于不穩(wěn)定因素而形成的

9、凸起會因?yàn)樘幱谶^冷區(qū)而發(fā)展，平界面定因素而形成的凸起會因?yàn)樘幱谶^冷區(qū)而發(fā)展，平界面失穩(wěn)，導(dǎo)致樹枝晶的形成。失穩(wěn)，導(dǎo)致樹枝晶的形成。第16頁/共109頁18 成分過冷理論提供了判斷成分過冷理論提供了判斷液固界面穩(wěn)定性液固界面穩(wěn)定性的的第一個(gè)簡明而適用的判據(jù)，對平界面穩(wěn)定性，甚第一個(gè)簡明而適用的判據(jù)，對平界面穩(wěn)定性，甚至胞晶和枝晶形態(tài)穩(wěn)定性都能夠很好地做出定性至胞晶和枝晶形態(tài)穩(wěn)定性都能夠很好地做出定性地解釋。地解釋。 第17頁/共109頁19但是這一判據(jù)本身還有一些矛盾，如：但是這一判據(jù)本身還有一些矛盾，如： 成分過冷理論把平衡熱力學(xué)應(yīng)用到非平衡動(dòng)力成分過冷理論把平衡熱力學(xué)應(yīng)用到非平衡動(dòng)力學(xué)過程中

10、，必然帶有很大的近似性學(xué)過程中，必然帶有很大的近似性; ; 隨著快速凝固新領(lǐng)域的出現(xiàn)，上述理論已不能適用隨著快速凝固新領(lǐng)域的出現(xiàn)，上述理論已不能適用。 在固液界面上引入局部的曲率變化要增加系統(tǒng)在固液界面上引入局部的曲率變化要增加系統(tǒng)的自由能，這一點(diǎn)在成分過冷理論中被忽略了；的自由能，這一點(diǎn)在成分過冷理論中被忽略了； 成分過冷理論沒有說明界面形態(tài)的改變機(jī)制。成分過冷理論沒有說明界面形態(tài)的改變機(jī)制。第18頁/共109頁202、絕對穩(wěn)定性理論、絕對穩(wěn)定性理論 MullniS和和skeerka鑒于成分過冷理論存鑒于成分過冷理論存在不足，提出一個(gè)考慮在不足，提出一個(gè)考慮溶質(zhì)濃度場溶質(zhì)濃度場和和溫度場溫度

11、場、固液界面能固液界面能以及以及界面動(dòng)力學(xué)界面動(dòng)力學(xué)的絕對穩(wěn)定理的絕對穩(wěn)定理論論(MS理論理論)。對于平界面生長，。對于平界面生長，Ms理論可表理論可表示為：示為：第19頁/共109頁21200/22/2LSSLLLLSCSLVCLK GK GVDVVm GapVDKKLm GVpVDK式中， 1/22222LLLVVDDD1/22222LLLLVVD第20頁/共109頁221/22222SSSSVVDDD2LLSSKKK2SLKKK01pk /ddt第21頁/共109頁23 其中，其中，L、S分別是液固相的熱擴(kuò)散系數(shù)，分別是液固相的熱擴(kuò)散系數(shù)，KL、KS分別是液固相的導(dǎo)熱系數(shù)，分別是液固相的

12、導(dǎo)熱系數(shù)，GL、GS是液固是液固相溫度梯度，相溫度梯度，為為Gibbs-Thompson系數(shù)，系數(shù)，LV為凝為凝固潛熱，固潛熱，為幾何干擾頻率，為幾何干擾頻率，為擾動(dòng)振幅，為擾動(dòng)振幅，的符的符號就決定了平界面是否穩(wěn)定。在上式中，右端的號就決定了平界面是否穩(wěn)定。在上式中，右端的分母恒為正值，因而臨界穩(wěn)定性條件實(shí)際上取決分母恒為正值，因而臨界穩(wěn)定性條件實(shí)際上取決于分子的符號。于分子的符號。第22頁/共109頁24 由于通常凝固條件下，金屬中的熱擴(kuò)散長度由于通常凝固條件下，金屬中的熱擴(kuò)散長度遠(yuǎn)大于空間擾動(dòng)波長，上式中的分子可簡化為：遠(yuǎn)大于空間擾動(dòng)波長，上式中的分子可簡化為： 220/LrCLVDSG

13、m GpVD 式中 2LLSSrK GK GGK第23頁/共109頁25 表達(dá)式中三個(gè)項(xiàng)分別代表了表達(dá)式中三個(gè)項(xiàng)分別代表了溫度梯度溫度梯度、界面能界面能、溶質(zhì)邊界層溶質(zhì)邊界層這三方面的因素對這三方面的因素對界面穩(wěn)定性的貢獻(xiàn)，其中界面能的作用總界面穩(wěn)定性的貢獻(xiàn)，其中界面能的作用總是使界面趨于穩(wěn)定，溶質(zhì)邊界層的存在總是使界面趨于穩(wěn)定，溶質(zhì)邊界層的存在總是使界面趨于失穩(wěn)，而溫度梯度對穩(wěn)定性是使界面趨于失穩(wěn)，而溫度梯度對穩(wěn)定性的作用則取決于梯度的方向。的作用則取決于梯度的方向。 第24頁/共109頁26 由此可見由此可見，MS理論實(shí)際上擴(kuò)展了理論實(shí)際上擴(kuò)展了“成成分過冷分過冷”理論對界面穩(wěn)定性的分析，

14、在低速理論對界面穩(wěn)定性的分析，在低速端，如果忽略端，如果忽略界面張力效應(yīng)界面張力效應(yīng)，固液相熱物性固液相熱物性差異差異，溶質(zhì)沿界面擴(kuò)散效應(yīng)及，溶質(zhì)沿界面擴(kuò)散效應(yīng)及結(jié)晶潛熱等因結(jié)晶潛熱等因素素，MS理論就回到了理論就回到了“成分過冷成分過冷”理論。理論。 第25頁/共109頁27 而在高速端，而在高速端，MS理論則預(yù)言了高速絕對穩(wěn)定性理論則預(yù)言了高速絕對穩(wěn)定性這一全新的現(xiàn)象，并可以給出產(chǎn)生這種絕對穩(wěn)定性這一全新的現(xiàn)象，并可以給出產(chǎn)生這種絕對穩(wěn)定性的臨界條件：的臨界條件： 0VLVDTVk0VTVk式中式中為非平衡液固相線溫差為非平衡液固相線溫差為非平衡修正后的溶質(zhì)分配系數(shù)為非平衡修正后的溶質(zhì)分配

15、系數(shù)第26頁/共109頁28 此外，黃衛(wèi)東等通過對此外，黃衛(wèi)東等通過對MS理論的進(jìn)一步分析，理論的進(jìn)一步分析，發(fā)現(xiàn)還存在高梯度絕對性現(xiàn)象，并給出了高梯度絕發(fā)現(xiàn)還存在高梯度絕對性現(xiàn)象，并給出了高梯度絕對穩(wěn)定性實(shí)現(xiàn)的臨界條件：對穩(wěn)定性實(shí)現(xiàn)的臨界條件：23200.02030.04870.05410.0624 ,01TGkkkkk MS理論是一個(gè)線性理論，而凝固過程是一個(gè)復(fù)理論是一個(gè)線性理論，而凝固過程是一個(gè)復(fù)雜的非線性問題，因此嚴(yán)格的穩(wěn)定性判據(jù)應(yīng)由非線雜的非線性問題，因此嚴(yán)格的穩(wěn)定性判據(jù)應(yīng)由非線性動(dòng)力學(xué)分析給出。但由于非線性問題非常復(fù)雜，性動(dòng)力學(xué)分析給出。但由于非線性問題非常復(fù)雜，目前，還只能進(jìn)行弱

16、非線性動(dòng)力學(xué)分析。目前，還只能進(jìn)行弱非線性動(dòng)力學(xué)分析。 第27頁/共109頁29 1970年，年，Wollkind和和Segel首先對凝固界面穩(wěn)定首先對凝固界面穩(wěn)定性進(jìn)行了弱非線性動(dòng)力學(xué)分析，提出了一個(gè)弱非線性進(jìn)行了弱非線性動(dòng)力學(xué)分析，提出了一個(gè)弱非線性動(dòng)力學(xué)模型：性動(dòng)力學(xué)模型：3501kkkkdAa Aa AAdtkA0a式中式中為為k階擾動(dòng)振幅階擾動(dòng)振幅是線性穩(wěn)定性參數(shù)，表達(dá)式由是線性穩(wěn)定性參數(shù)，表達(dá)式由MS理論給出理論給出第28頁/共109頁30 按照按照MS理論，理論，a0=0為平胞轉(zhuǎn)變分叉點(diǎn)，即當(dāng)為平胞轉(zhuǎn)變分叉點(diǎn)，即當(dāng)a00時(shí)，平界面失穩(wěn)時(shí)，平界面失穩(wěn)成為胞狀結(jié)構(gòu)。但由上式可知，界面

17、形態(tài)的穩(wěn)定性成為胞狀結(jié)構(gòu)。但由上式可知，界面形態(tài)的穩(wěn)定性還取決于還取決于a1的性質(zhì)，當(dāng)?shù)男再|(zhì)，當(dāng)a10時(shí)，平胞轉(zhuǎn)變具有亞臨時(shí)，平胞轉(zhuǎn)變具有亞臨界分叉性質(zhì)，這時(shí)，即使界分叉性質(zhì)，這時(shí)，即使a00，不存在從平界面到無限小振幅，不存在從平界面到無限小振幅的連續(xù)轉(zhuǎn)變。當(dāng)?shù)倪B續(xù)轉(zhuǎn)變。當(dāng)a10時(shí)，平胞轉(zhuǎn)變具有超臨界分叉時(shí)，平胞轉(zhuǎn)變具有超臨界分叉性質(zhì)，這時(shí)只有當(dāng)性質(zhì)，這時(shí)只有當(dāng)a00時(shí)才能發(fā)生平界面的失穩(wěn)，時(shí)才能發(fā)生平界面的失穩(wěn)，并且出現(xiàn)從平界面到無限小振幅的連續(xù)轉(zhuǎn)變。并且出現(xiàn)從平界面到無限小振幅的連續(xù)轉(zhuǎn)變。 第29頁/共109頁31 應(yīng)用定向凝固方法，得到單方向生長的柱狀晶應(yīng)用定向凝固方法，得到單方向生長

18、的柱狀晶，甚至，甚至單晶單晶，不產(chǎn)生橫向晶界，較大提高了材料的，不產(chǎn)生橫向晶界，較大提高了材料的單向力學(xué)性能，熱強(qiáng)性能也有了進(jìn)一步提高，因此單向力學(xué)性能，熱強(qiáng)性能也有了進(jìn)一步提高，因此，定向凝固技術(shù)已成為富有生命力的工業(yè)生產(chǎn)手段，定向凝固技術(shù)已成為富有生命力的工業(yè)生產(chǎn)手段，應(yīng)用也日益廣泛。，應(yīng)用也日益廣泛。 第30頁/共109頁32 晶體生長的研究內(nèi)容之一是制備晶體生長的研究內(nèi)容之一是制備成分準(zhǔn)確成分準(zhǔn)確，盡，盡可能可能無雜質(zhì)無雜質(zhì)，無缺陷無缺陷（包括晶體缺陷）的單晶體。（包括晶體缺陷）的單晶體。晶體是人們認(rèn)識固體的基礎(chǔ)。定向凝固是制備單晶晶體是人們認(rèn)識固體的基礎(chǔ)。定向凝固是制備單晶最有效的方

19、法。為了得到高質(zhì)量的單晶體，首先要最有效的方法。為了得到高質(zhì)量的單晶體，首先要在金屬熔體中形成一個(gè)單晶核：可引入粒晶成自發(fā)在金屬熔體中形成一個(gè)單晶核：可引入粒晶成自發(fā)形核，而在晶核和熔體界面不斷生長出單晶體。形核，而在晶核和熔體界面不斷生長出單晶體。 第31頁/共109頁33 單晶在生長過程中絕對要避免固單晶在生長過程中絕對要避免固液界面不穩(wěn)定而液界面不穩(wěn)定而生出晶胞或柱晶。故而固生出晶胞或柱晶。故而固液界面前沿不允許有溫度過液界面前沿不允許有溫度過冷或成分過冷。固液界面前沿的熔體應(yīng)處于過熱狀態(tài)，冷或成分過冷。固液界面前沿的熔體應(yīng)處于過熱狀態(tài)，結(jié)晶過程的潛熱只能通過生長著的晶體導(dǎo)出。定向凝固結(jié)

20、晶過程的潛熱只能通過生長著的晶體導(dǎo)出。定向凝固滿足上述熱傳輸?shù)囊?，只要恰?dāng)?shù)目刂乒虧M足上述熱傳輸?shù)囊?，只要恰?dāng)?shù)目刂乒桃航缑媲耙航缑媲把厝垠w的溫度和速率，是可以得到高質(zhì)量的單晶體的。沿熔體的溫度和速率，是可以得到高質(zhì)量的單晶體的。第32頁/共109頁34 柱狀晶包括柱狀晶包括柱狀樹枝晶柱狀樹枝晶和和胞狀柱晶胞狀柱晶。通常采用。通常采用定向凝固工藝，使晶體有控制的向著與熱流方向相定向凝固工藝，使晶體有控制的向著與熱流方向相反的方向生長。共晶體取向?yàn)樘囟ㄎ幌?，并且大部反的方向生長。共晶體取向?yàn)樘囟ㄎ幌?，并且大部分柱晶貫穿整個(gè)鑄件。這種柱晶組織大量用于高溫分柱晶貫穿整個(gè)鑄件。這種柱晶組織大量用于

21、高溫合金和磁性合金的鑄件上。合金和磁性合金的鑄件上。 第33頁/共109頁35 定向凝固柱狀晶鑄件與用普通方法得到的鑄件定向凝固柱狀晶鑄件與用普通方法得到的鑄件相比，前者可以減少偏析、疏松等，而且形成了取相比，前者可以減少偏析、疏松等，而且形成了取向平行于主應(yīng)力軸的晶粒，基本上向平行于主應(yīng)力軸的晶粒，基本上消除了垂直應(yīng)力消除了垂直應(yīng)力軸的橫向晶界軸的橫向晶界，是航空發(fā)動(dòng)機(jī)葉片的力學(xué)性能有了，是航空發(fā)動(dòng)機(jī)葉片的力學(xué)性能有了新的飛躍。新的飛躍。 另外，對面心立方晶體的磁性材料，如鐵等，另外，對面心立方晶體的磁性材料，如鐵等，當(dāng)鑄態(tài)柱晶當(dāng)鑄態(tài)柱晶沿晶向取向沿晶向取向時(shí)，因與磁化方向一致，而時(shí)，因與磁

22、化方向一致，而大大改善其磁性大大改善其磁性。 第34頁/共109頁36獲得定向凝固柱狀晶的基本條件是獲得定向凝固柱狀晶的基本條件是： 合金凝固時(shí)熱流方向必須是合金凝固時(shí)熱流方向必須是定向定向的。在固的。在固液液界面應(yīng)有足夠高的界面應(yīng)有足夠高的溫度梯度溫度梯度，避免在凝固界面的前，避免在凝固界面的前沿出現(xiàn)成分過冷或外來核心，使徑向橫向生長受到沿出現(xiàn)成分過冷或外來核心，使徑向橫向生長受到限制。另外，還應(yīng)該保證限制。另外，還應(yīng)該保證定向散熱定向散熱，絕對避免側(cè)面，絕對避免側(cè)面型壁生核長大，長出橫向新晶體。型壁生核長大，長出橫向新晶體。 因此，要盡量抑制液態(tài)合金的因此，要盡量抑制液態(tài)合金的形核能力形核

23、能力。提高。提高液態(tài)金屬的純潔度，減少氧化、吸氣形成的雜質(zhì)的液態(tài)金屬的純潔度，減少氧化、吸氣形成的雜質(zhì)的污染是用來抑制形核能力的有效措施。但是，對于污染是用來抑制形核能力的有效措施。但是，對于某些合金系，常規(guī)化學(xué)組成中含有很多雜質(zhì)，以致某些合金系，常規(guī)化學(xué)組成中含有很多雜質(zhì)，以致即使采用很高的即使采用很高的GL/RGL/R比值，都不足以使液體合金的比值，都不足以使液體合金的形核得到抑制。形核得到抑制。 第35頁/共109頁37 除了凈化合金液外，還可采用除了凈化合金液外，還可采用添加適當(dāng)?shù)暮辖鹪靥砑舆m當(dāng)?shù)暮辖鹪鼗蚧蛱砑游锾砑游?，使形核劑失效。晶體長大的速度與晶向有關(guān)，使形核劑失效。晶體長大

24、的速度與晶向有關(guān)。在具有一定拉出速度的鑄型中形成的溫度梯度場內(nèi)，。在具有一定拉出速度的鑄型中形成的溫度梯度場內(nèi)，取向晶體競相生長，在生長過程中抑制了大部分晶體的取向晶體競相生長，在生長過程中抑制了大部分晶體的生長，保留了與流方向大體平行的單一取向的柱晶繼續(xù)生長，保留了與流方向大體平行的單一取向的柱晶繼續(xù)生長，有的直至鑄件頂部。生長，有的直至鑄件頂部。 在柱狀晶生長過程中，只有在在柱狀晶生長過程中，只有在高的高的GL/RGL/R比值條件下比值條件下，柱晶的實(shí)際生長方向和柱晶的理論生長方向才越接近，柱晶的實(shí)際生長方向和柱晶的理論生長方向才越接近，否則，晶體生長會偏離軸向排列方向。，否則，晶體生長會

25、偏離軸向排列方向。第36頁/共109頁38 采用采用高速凝固法定向凝固高速凝固法定向凝固可以保證柱晶的取向分可以保證柱晶的取向分散度較小。柱晶材料使用于特定的受力條件，當(dāng)主應(yīng)散度較小。柱晶材料使用于特定的受力條件，當(dāng)主應(yīng)力方向與柱晶生長方向一致時(shí)，才能最大限度的顯示力方向與柱晶生長方向一致時(shí)，才能最大限度的顯示柱晶力學(xué)性能上的優(yōu)越性。衡量柱晶組織的標(biāo)志，除柱晶力學(xué)性能上的優(yōu)越性。衡量柱晶組織的標(biāo)志，除了了取向分散度取向分散度外，還有外，還有枝晶臂間距枝晶臂間距和和晶粒的大小晶粒的大小。 隨著晶粒和枝晶臂間距變小，力學(xué)性能提高。隨著晶粒和枝晶臂間距變小，力學(xué)性能提高。GL/R值值決定著合金凝固時(shí)

26、組織的形貌，決定著合金凝固時(shí)組織的形貌，GL/R值又影響值又影響著各組成的尺寸大小。由于在很大程度上受到設(shè)備條著各組成的尺寸大小。由于在很大程度上受到設(shè)備條件的限制，因此，件的限制，因此，凝固速度凝固速度R就成為控制柱晶組織的就成為控制柱晶組織的主要參數(shù)。主要參數(shù)。第37頁/共109頁39 高溫合金是現(xiàn)在航空燃?xì)鉁u高溫合金是現(xiàn)在航空燃?xì)鉁u輪輪.艦船燃?xì)廨啓C(jī)、地面和火箭發(fā)艦船燃?xì)廨啓C(jī)、地面和火箭發(fā)動(dòng)機(jī)的重要金屬材料，在先進(jìn)大動(dòng)機(jī)的重要金屬材料，在先進(jìn)大航空發(fā)動(dòng)機(jī)中，高溫合金的用量航空發(fā)動(dòng)機(jī)中，高溫合金的用量占占40%60%，因此這種材料被，因此這種材料被喻為燃?xì)廨喌男呐K。喻為燃?xì)廨喌男呐K。 高溫

27、合金高溫合金第38頁/共109頁40 采用定向凝固技術(shù)生產(chǎn)的高溫合金基本上采用定向凝固技術(shù)生產(chǎn)的高溫合金基本上消除消除了垂直于應(yīng)力軸的橫向晶界了垂直于應(yīng)力軸的橫向晶界，并以其獨(dú)特的平行于，并以其獨(dú)特的平行于零件主應(yīng)力軸擇優(yōu)生長的柱晶組織以及有意的力學(xué)零件主應(yīng)力軸擇優(yōu)生長的柱晶組織以及有意的力學(xué)性能而獲得長足的發(fā)展。性能而獲得長足的發(fā)展。 MAR MARM200M200中溫性能尤其是中溫塑性很低，作為中溫性能尤其是中溫塑性很低，作為渦輪葉片在工作中常發(fā)生無預(yù)兆的斷裂。渦輪葉片在工作中常發(fā)生無預(yù)兆的斷裂。第39頁/共109頁41 在在MARM200基礎(chǔ)上研究成功的基礎(chǔ)上研究成功的定向凝固定向凝固高

28、溫合金高溫合金PWA1422不僅具有良好的中高溫蠕變斷不僅具有良好的中高溫蠕變斷裂強(qiáng)度和塑性裂強(qiáng)度和塑性,而且具有比原合金高而且具有比原合金高5倍的熱疲勞倍的熱疲勞性能，在先進(jìn)航空航天發(fā)動(dòng)機(jī)上獲得廣泛的應(yīng)用性能，在先進(jìn)航空航天發(fā)動(dòng)機(jī)上獲得廣泛的應(yīng)用。 在激光超高溫度梯度定向凝固條件下，超高在激光超高溫度梯度定向凝固條件下，超高溫梯度和較快凝固速度共同作用，使鎳基高溫合溫梯度和較快凝固速度共同作用，使鎳基高溫合金高度細(xì)化，同常規(guī)凝固相比，組織細(xì)化金高度細(xì)化，同常規(guī)凝固相比，組織細(xì)化36倍，倍，而且得到了新穎的而且得到了新穎的超細(xì)胞狀晶組織超細(xì)胞狀晶組織，該組織是鎳，該組織是鎳基合金的定向凝固組織

29、，組織的微觀偏析大大得基合金的定向凝固組織，組織的微觀偏析大大得到改善，甚至消除到改善，甚至消除。第40頁/共109頁42 在定向凝固的合金基礎(chǔ)上發(fā)展出的完全消除晶在定向凝固的合金基礎(chǔ)上發(fā)展出的完全消除晶界和晶界元素的單晶高溫合金，熱強(qiáng)性能有了進(jìn)一界和晶界元素的單晶高溫合金，熱強(qiáng)性能有了進(jìn)一步的提高。采用高梯度定向凝固技術(shù)，在較高的冷步的提高。采用高梯度定向凝固技術(shù)，在較高的冷卻速率下，可以得到具有卻速率下，可以得到具有超細(xì)枝晶組織超細(xì)枝晶組織的單晶高溫的單晶高溫合金材料。合金材料。 定向凝固技術(shù)促進(jìn)了航空等領(lǐng)域的發(fā)展，目前定向凝固技術(shù)促進(jìn)了航空等領(lǐng)域的發(fā)展，目前幾乎所有現(xiàn)金航空發(fā)動(dòng)機(jī)都采用單

30、晶葉片為特色，幾乎所有現(xiàn)金航空發(fā)動(dòng)機(jī)都采用單晶葉片為特色，第三代的單晶合金制造的渦輪葉片，工作溫度可達(dá)第三代的單晶合金制造的渦輪葉片，工作溫度可達(dá)1240。另外，新的單晶合金成分中。另外，新的單晶合金成分中Re的加入以及的加入以及Hf、Y、La、Ru等元素的合理應(yīng)用使合金的等元素的合理應(yīng)用使合金的持久性持久性能和能和抗環(huán)境性能抗環(huán)境性能有明顯提高。有明顯提高。 第41頁/共109頁43磁性材料是古老而年輕的功能材磁性材料是古老而年輕的功能材料，指具有可利用的磁學(xué)性質(zhì)的料，指具有可利用的磁學(xué)性質(zhì)的材料。深過冷快速凝固是目前國材料。深過冷快速凝固是目前國內(nèi)外制備塊體納米磁性材料的研內(nèi)外制備塊體納米

31、磁性材料的研究熱點(diǎn)，采用該工藝可先制備出究熱點(diǎn)，采用該工藝可先制備出大塊磁性非晶，再將其進(jìn)行退貨大塊磁性非晶，再將其進(jìn)行退貨熱處理而獲得納米磁性材料，也熱處理而獲得納米磁性材料，也可直接將整塊金屬進(jìn)行晶粒細(xì)化可直接將整塊金屬進(jìn)行晶粒細(xì)化至納米級獲得納米磁性材料至納米級獲得納米磁性材料。 磁性材料磁性材料第42頁/共109頁44 深過冷快速凝固方法所制備塊體納米材料的厚度深過冷快速凝固方法所制備塊體納米材料的厚度及平均晶粒尺寸在很大程度上時(shí)由合金成分以及液態(tài)及平均晶粒尺寸在很大程度上時(shí)由合金成分以及液態(tài)金屬獲得的過冷度決定的。金屬獲得的過冷度決定的。 張振忠等采用深過冷水淬方法直接制備出了式樣張

32、振忠等采用深過冷水淬方法直接制備出了式樣直徑為直徑為16mm16mm、平均晶粒尺寸小于、平均晶粒尺寸小于120nm120nm的的FeFe7676B B1212SiSi1212合合金塊體納米軟磁材料，其磁耗損金塊體納米軟磁材料，其磁耗損PFF400PFF400和和PFF1000PFF1000僅僅為普通硅鋼片的為普通硅鋼片的45.3%45.3%和和69%69%。 第43頁/共109頁45 YBCO高溫超導(dǎo)體由于高溫超導(dǎo)體由于具有高溫臨界電流密度和具有高溫臨界電流密度和低的導(dǎo)熱率，是做電線的低的導(dǎo)熱率，是做電線的潛在材料。如果要在潛在材料。如果要在SMES等方面有廣泛的應(yīng)用，為等方面有廣泛的應(yīng)用，為

33、了減少熱泄露，并且在磁了減少熱泄露，并且在磁場中具有高臨界電流密度場中具有高臨界電流密度，那么就必須需要大尺寸，那么就必須需要大尺寸的電線。的電線。 高溫超導(dǎo)體材料高溫超導(dǎo)體材料第44頁/共109頁46 有學(xué)者研究了在不同體積分?jǐn)?shù)時(shí)的有學(xué)者研究了在不同體積分?jǐn)?shù)時(shí)的jc-B特性特性和沿和沿長度方向長度方向Y211相晶粒組織相晶粒組織，他們發(fā)現(xiàn)在，他們發(fā)現(xiàn)在YBCO超導(dǎo)超導(dǎo)棒條體的中間段棒條體的中間段jc-B特性最優(yōu)，并用此部位的棒條體特性最優(yōu)，并用此部位的棒條體做成電線，在做成電線，在ab面平行于所在磁場方向處，當(dāng)溫度面平行于所在磁場方向處，當(dāng)溫度為為77K，磁場強(qiáng)度為，磁場強(qiáng)度為3T時(shí)，其臨界

34、電流為時(shí)，其臨界電流為380A。 第45頁/共109頁47 壓電陶瓷和稀土超磁致伸縮材料在換能器、傳壓電陶瓷和稀土超磁致伸縮材料在換能器、傳感器和電子器件等方便都有廣泛的應(yīng)用。定向凝固感器和電子器件等方便都有廣泛的應(yīng)用。定向凝固技術(shù)在制備這兩種功能材料中也得到了應(yīng)用。技術(shù)在制備這兩種功能材料中也得到了應(yīng)用。 中國科學(xué)院上海硅酸鹽研究所高性能陶瓷和超中國科學(xué)院上海硅酸鹽研究所高性能陶瓷和超微結(jié)構(gòu)國家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室曾用微結(jié)構(gòu)國家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室曾用定向凝固技術(shù)定向凝固技術(shù)制備了擇制備了擇優(yōu)方向?yàn)閮?yōu)方向?yàn)?11111、晶粒為柱狀的、晶粒為柱狀的PMN-0.35PTPMN-0.35PT定向陶瓷定向陶瓷和擇優(yōu)方向

35、為和擇優(yōu)方向?yàn)?11011，001001的定向陶瓷。的定向陶瓷。第46頁/共109頁48 最近又用定向凝固方法制備了擇優(yōu)方向?yàn)樽罱钟枚ㄏ蚰谭椒ㄖ苽淞藫駜?yōu)方向?yàn)?12的的PMN-0.30PT高性能定向壓電陶瓷，它的壓電常高性能定向壓電陶瓷，它的壓電常熟遠(yuǎn)大于熟遠(yuǎn)大于PZT陶瓷，達(dá)到陶瓷，達(dá)到1500pC/N以上，耦合系數(shù)以上，耦合系數(shù)Kt為為0.51，k33達(dá)達(dá)0.82，22kV/cm時(shí)的場致應(yīng)變達(dá)到時(shí)的場致應(yīng)變達(dá)到了了0.23%。片狀樣品的。片狀樣品的XRD結(jié)果如圖結(jié)果如圖5.3。 第47頁/共109頁49圖圖5.3 PMN-0.30PT定向壓電陶瓷的定向壓電陶瓷的XRD圖譜圖譜 第48頁

36、/共109頁50 由圖由圖5.3可看出，晶粒生長方向主要為可看出，晶粒生長方向主要為112,其次為其次為011，此外還有少量（，此外還有少量（001）、）、（111）、（）、（003）面的衍射。按照）面的衍射。按照Lotgering計(jì)算方法，所得到陶瓷沿計(jì)算方法，所得到陶瓷沿112方向的取向度方向的取向度約為約為35%。他們認(rèn)為定向凝固技術(shù)可望成為。他們認(rèn)為定向凝固技術(shù)可望成為之額比高性能之額比高性能PMN-PT定壓壓電陶瓷的有前定壓壓電陶瓷的有前景的技術(shù)。景的技術(shù)。第49頁/共109頁51 定向凝固技術(shù)也是一種制備復(fù)合材料的重要手段定向凝固技術(shù)也是一種制備復(fù)合材料的重要手段。西北工業(yè)大學(xué)在自

37、制的具有高真空、高溫度梯度、。西北工業(yè)大學(xué)在自制的具有高真空、高溫度梯度、寬抽拉速度等特點(diǎn)的定向凝固設(shè)備上制備出自生寬抽拉速度等特點(diǎn)的定向凝固設(shè)備上制備出自生Cu-CrCu-Cr復(fù)合材料棒；研究發(fā)現(xiàn)：復(fù)合材料棒；研究發(fā)現(xiàn)：Cu-CrCu-Cr自生復(fù)合材料的定向凝自生復(fù)合材料的定向凝固組織是由固組織是由基體相和分布于基體相和分布于相間的纖維狀共晶復(fù)相間的纖維狀共晶復(fù)合組成。合組成。 隨著凝固速度的增加，各組織生長定向性變好且徑隨著凝固速度的增加，各組織生長定向性變好且徑向尺寸均得到細(xì)化。致密、均勻、規(guī)整排列的組織減少向尺寸均得到細(xì)化。致密、均勻、規(guī)整排列的組織減少了橫向晶界、微觀組織中了橫向晶界

38、、微觀組織中基體相起導(dǎo)電作用，纖維狀基體相起導(dǎo)電作用，纖維狀共晶體起增強(qiáng)作用。共晶體起增強(qiáng)作用。Cu-CrCu-Cr自生復(fù)合材料的強(qiáng)度、塑性自生復(fù)合材料的強(qiáng)度、塑性、導(dǎo)電性均高于凝固試樣，復(fù)合材料綜合性能得到提高、導(dǎo)電性均高于凝固試樣，復(fù)合材料綜合性能得到提高。第50頁/共109頁52 美國美國NASA Glenn研究中心用研究中心用移動(dòng)區(qū)域激光移動(dòng)區(qū)域激光加熱方法加熱方法研究了定向凝固研究了定向凝固Al2O3/ZrO2 (Y2O3)復(fù)合復(fù)合材料的效果，結(jié)果表明：材料的效果，結(jié)果表明：Al2O3/ZrO2(Y2O3)復(fù)合材復(fù)合材料具有低的界面能，并且增強(qiáng)相與基體能形成強(qiáng)料具有低的界面能，并且增

39、強(qiáng)相與基體能形成強(qiáng)而穩(wěn)定的結(jié)合。而穩(wěn)定的結(jié)合。 第51頁/共109頁53 日本學(xué)者用定向凝固技術(shù)日本學(xué)者用定向凝固技術(shù)制備了藕狀多孔銅材料和硅材制備了藕狀多孔銅材料和硅材料，在材料中孔都是長而直的料，在材料中孔都是長而直的。圖。圖5.4和圖和圖5.5分別是多孔銅分別是多孔銅材料和硅材料的光學(xué)顯微圖。材料和硅材料的光學(xué)顯微圖。他們研究了制備的多孔材料氣他們研究了制備的多孔材料氣孔率、氣孔大小及分布與性能孔率、氣孔大小及分布與性能關(guān)系，認(rèn)為多孔材料在許多新關(guān)系，認(rèn)為多孔材料在許多新的領(lǐng)域有應(yīng)用前景。的領(lǐng)域有應(yīng)用前景。多孔材料多孔材料第52頁/共109頁54圖圖5.4多孔銅材料的光學(xué)圖譜多孔銅材料的

40、光學(xué)圖譜 第53頁/共109頁55第54頁/共109頁56 OCC技術(shù)主要要應(yīng)用在單晶材技術(shù)主要要應(yīng)用在單晶材料、復(fù)雜截面薄壁型材及其他工藝難料、復(fù)雜截面薄壁型材及其他工藝難以加工的合金連鑄型材。以加工的合金連鑄型材。OCC技術(shù)技術(shù)制備的金屬單晶材料表面異常光潔，制備的金屬單晶材料表面異常光潔，又沒有晶界和各種鑄造缺陷，具有優(yōu)又沒有晶界和各種鑄造缺陷，具有優(yōu)異的變形加工性能，可拉制成極細(xì)的異的變形加工性能，可拉制成極細(xì)的絲和壓延成極薄的箔。絲和壓延成極薄的箔。 單晶連鑄坯單晶連鑄坯第55頁/共109頁57 西北工業(yè)大學(xué)在西北工業(yè)大學(xué)在OCC的技的技術(shù)基礎(chǔ)上將定向凝固、高梯度術(shù)基礎(chǔ)上將定向凝固、

41、高梯度與連續(xù)鑄造結(jié)合起來制備出準(zhǔn)與連續(xù)鑄造結(jié)合起來制備出準(zhǔn)無限長的銅單晶，為高頻、超無限長的銅單晶，為高頻、超高頻信號的高清晰、高保真?zhèn)鞲哳l信號的高清晰、高保真?zhèn)鬏斕峁┝岁P(guān)鍵技術(shù)。圖輸提供了關(guān)鍵技術(shù)。圖5.6是連是連鑄單晶的樣件。與多晶相比，鑄單晶的樣件。與多晶相比，其塑性大幅度提高，電阻率降其塑性大幅度提高，電阻率降低低38%。而且他們用純度。而且他們用純度99.9%銅鎖獲的單晶的相對導(dǎo)電率優(yōu)銅鎖獲的單晶的相對導(dǎo)電率優(yōu)于日本用純度于日本用純度99.9999%的性能的性能。圖圖5.6銅單晶樣品銅單晶樣品 第56頁/共109頁58 從定向凝固技術(shù)的發(fā)展過程可以看出，隨著其它從定向凝固技術(shù)的發(fā)展過

42、程可以看出，隨著其它專業(yè)新理論的出現(xiàn)和日趨成熟，實(shí)驗(yàn)技術(shù)的改進(jìn)和人專業(yè)新理論的出現(xiàn)和日趨成熟，實(shí)驗(yàn)技術(shù)的改進(jìn)和人們的不斷努力通過尋找新的熱源貨加熱方式、借鑒快們的不斷努力通過尋找新的熱源貨加熱方式、借鑒快速凝固的技術(shù)以及使用外加作用力等都有可能創(chuàng)造出速凝固的技術(shù)以及使用外加作用力等都有可能創(chuàng)造出新的定向凝固技術(shù)。同時(shí)，定向凝固技術(shù)必將為新材新的定向凝固技術(shù)。同時(shí)，定向凝固技術(shù)必將為新材料的制備和新加工技術(shù)的發(fā)展提供廣闊的前景，也必料的制備和新加工技術(shù)的發(fā)展提供廣闊的前景，也必將是凝固理論得到完善和發(fā)展。將是凝固理論得到完善和發(fā)展。第57頁/共109頁59第58頁/共109頁60 定向凝固方法制

43、備材料時(shí)，定向凝固方法制備材料時(shí)，各種熱流能夠各種熱流能夠被及時(shí)的導(dǎo)出被及時(shí)的導(dǎo)出是定向凝固過程得以實(shí)現(xiàn)的關(guān)鍵是定向凝固過程得以實(shí)現(xiàn)的關(guān)鍵，也是凝固過程成敗的關(guān)鍵。伴隨著，也是凝固過程成敗的關(guān)鍵。伴隨著熱流控制熱流控制（不同的加熱、冷卻方式）技術(shù)的發(fā)展。定向（不同的加熱、冷卻方式）技術(shù)的發(fā)展。定向凝固經(jīng)歷了由傳統(tǒng)定向凝固向新型定向凝固技凝固經(jīng)歷了由傳統(tǒng)定向凝固向新型定向凝固技術(shù)的轉(zhuǎn)變。術(shù)的轉(zhuǎn)變。第59頁/共109頁61第60頁/共109頁62 發(fā)熱劑法是定向凝固技術(shù)發(fā)展的起始階段，是最發(fā)熱劑法是定向凝固技術(shù)發(fā)展的起始階段，是最原始的一種。是將鑄型預(yù)熱到一定溫度后迅速放到激原始的一種。是將鑄型預(yù)

44、熱到一定溫度后迅速放到激冷板上并立即進(jìn)行澆注，冒口上方覆蓋發(fā)熱劑，激冷冷板上并立即進(jìn)行澆注，冒口上方覆蓋發(fā)熱劑，激冷板下方噴水冷卻，從而在金屬液和已凝固金屬中建立板下方噴水冷卻，從而在金屬液和已凝固金屬中建立起一個(gè)自下而上的溫度梯度，實(shí)現(xiàn)定向凝固。起一個(gè)自下而上的溫度梯度，實(shí)現(xiàn)定向凝固。 也有采用發(fā)熱鑄型的，鑄型不預(yù)熱，而是將發(fā)熱也有采用發(fā)熱鑄型的，鑄型不預(yù)熱，而是將發(fā)熱材料填充在鑄型壁四周，底部采用噴水冷卻。這種方材料填充在鑄型壁四周，底部采用噴水冷卻。這種方法由于所能獲得的溫度梯度不大，并且很難控制，致法由于所能獲得的溫度梯度不大，并且很難控制，致使凝固組織粗大，鑄件性能差，因此該法不適于

45、大型使凝固組織粗大，鑄件性能差，因此該法不適于大型、優(yōu)質(zhì)逐漸的生產(chǎn)。但其工藝簡單、成本低，可用于、優(yōu)質(zhì)逐漸的生產(chǎn)。但其工藝簡單、成本低，可用于制造小批量零件。制造小批量零件。 第61頁/共109頁63 在這種工藝過程中，鑄型加熱感應(yīng)圈分兩段，鑄件在這種工藝過程中，鑄型加熱感應(yīng)圈分兩段，鑄件在凝固過程中不移動(dòng)，其底部采用水冷激冷板。當(dāng)模在凝固過程中不移動(dòng)，其底部采用水冷激冷板。當(dāng)模殼內(nèi)建立起所要求的溫度場時(shí)，鑄入過熱的合金液，殼內(nèi)建立起所要求的溫度場時(shí)，鑄入過熱的合金液，切斷下不電源，上部繼續(xù)加熱，通過調(diào)節(jié)上部感應(yīng)圈切斷下不電源，上部繼續(xù)加熱，通過調(diào)節(jié)上部感應(yīng)圈的功率，使之產(chǎn)生一個(gè)軸向的溫度梯度

46、，以此控制晶的功率，使之產(chǎn)生一個(gè)軸向的溫度梯度，以此控制晶體生長。體生長。 該工藝可以根據(jù)預(yù)定的冷卻曲線來控制凝固速率該工藝可以根據(jù)預(yù)定的冷卻曲線來控制凝固速率，可以獲得較大的冷卻速率。但是在凝固過程中溫度，可以獲得較大的冷卻速率。但是在凝固過程中溫度梯度是逐漸減小的，致使所能允許獲得的柱狀晶區(qū)較梯度是逐漸減小的，致使所能允許獲得的柱狀晶區(qū)較短，且組織也不夠理想。加之設(shè)備相對復(fù)雜，且能耗短，且組織也不夠理想。加之設(shè)備相對復(fù)雜，且能耗大，限制了該法的應(yīng)用。大，限制了該法的應(yīng)用。 第62頁/共109頁64 快速凝固法是對功率降低法的進(jìn)一步改進(jìn)，是在借快速凝固法是對功率降低法的進(jìn)一步改進(jìn)，是在借鑒鑒

47、Brindgman晶體生長技術(shù)特點(diǎn)的基礎(chǔ)上發(fā)展起來的晶體生長技術(shù)特點(diǎn)的基礎(chǔ)上發(fā)展起來的。它與功率降低法的主要區(qū)別是：鑄型加熱器始終被。它與功率降低法的主要區(qū)別是：鑄型加熱器始終被加熱，凝固是鑄件與加熱器相對移動(dòng)。加熱，凝固是鑄件與加熱器相對移動(dòng)。 另外，在熱區(qū)底部使用輻射擋板和水冷套，從而在另外，在熱區(qū)底部使用輻射擋板和水冷套，從而在擋板附近產(chǎn)生較大的溫度梯度。擋板附近產(chǎn)生較大的溫度梯度。 其主要其主要特點(diǎn)特點(diǎn)是：鑄型以一定速度從爐中一處，或者是：鑄型以一定速度從爐中一處，或者爐子以一定速度移離鑄件，并采用空冷方式。爐子以一定速度移離鑄件，并采用空冷方式。 第63頁/共109頁65 為了獲得更

48、高的溫度梯度和生長速度，在為了獲得更高的溫度梯度和生長速度，在HRSHRS法的基法的基礎(chǔ)上，發(fā)展了礎(chǔ)上，發(fā)展了液態(tài)金屬冷卻法液態(tài)金屬冷卻法。當(dāng)合金液澆入鑄型后，。當(dāng)合金液澆入鑄型后，按選擇的速度將鑄件拉出爐體浸入金屬浴。液態(tài)金屬冷按選擇的速度將鑄件拉出爐體浸入金屬浴。液態(tài)金屬冷卻劑要求熔點(diǎn)低、沸點(diǎn)高、熱容量大和導(dǎo)熱性能好。通卻劑要求熔點(diǎn)低、沸點(diǎn)高、熱容量大和導(dǎo)熱性能好。通常的液態(tài)金屬有常的液態(tài)金屬有Ga-InGa-In合金和合金和Ga-In-SnGa-In-Sn合金。二者熔點(diǎn)低合金。二者熔點(diǎn)低但價(jià)格昂貴，因此只適用于在實(shí)驗(yàn)室條件下使用。但價(jià)格昂貴，因此只適用于在實(shí)驗(yàn)室條件下使用。 由于液態(tài)金屬

49、與已凝固界面之間換熱系數(shù)很大，這由于液態(tài)金屬與已凝固界面之間換熱系數(shù)很大，這種方法加大了鑄件冷卻速度和凝固過程中的溫度梯度，種方法加大了鑄件冷卻速度和凝固過程中的溫度梯度，而且在較大的生長速度范圍內(nèi)可使界面前沿溫度梯度保而且在較大的生長速度范圍內(nèi)可使界面前沿溫度梯度保持穩(wěn)定，使結(jié)晶在相對穩(wěn)定的條件下進(jìn)行，得到長的單持穩(wěn)定，使結(jié)晶在相對穩(wěn)定的條件下進(jìn)行，得到長的單向柱晶。向柱晶。第64頁/共109頁66 Nakagawa等首先用等首先用流態(tài)床法流態(tài)床法來獲得很高的來獲得很高的GL，進(jìn)行定向凝固。用流態(tài)化的進(jìn)行定向凝固。用流態(tài)化的150號號ZrO2粉作為冷卻介粉作為冷卻介質(zhì)。質(zhì)。Ar氣用量大于氣用

50、量大于4000cm3/min，冷卻介質(zhì)溫度保持，冷卻介質(zhì)溫度保持在在100-120。在相同條件下，液態(tài)金屬冷卻法的溫度。在相同條件下，液態(tài)金屬冷卻法的溫度梯度為梯度為100-300/cm，而流態(tài)床冷卻法為，而流態(tài)床冷卻法為100-200/cm，F(xiàn)BQ法基本可以得到也太金屬冷卻法那樣法基本可以得到也太金屬冷卻法那樣高的溫度梯度。高的溫度梯度。 第65頁/共109頁67第66頁/共109頁68 加熱加熱和和冷卻冷卻是定向凝固過程的兩個(gè)基本環(huán)節(jié)，是定向凝固過程的兩個(gè)基本環(huán)節(jié)，對固液界面前沿溫度梯度具有決定性的影響。對固液界面前沿溫度梯度具有決定性的影響。 西北工業(yè)大學(xué)李建國等人通過改變加熱方式，西北

51、工業(yè)大學(xué)李建國等人通過改變加熱方式，在液態(tài)金屬冷卻法（在液態(tài)金屬冷卻法（LMC法）的基礎(chǔ)上發(fā)展的一種法）的基礎(chǔ)上發(fā)展的一種新型定向凝固技術(shù)新型定向凝固技術(shù)區(qū)域熔化液態(tài)金屬冷卻法區(qū)域熔化液態(tài)金屬冷卻法，即，即ZMLMC法。法。 第67頁/共109頁691.試樣試樣 2.感應(yīng)圈感應(yīng)圈 3.隔熱板隔熱板 4.冷卻水冷卻水5.液態(tài)金屬液態(tài)金屬 6.拉錠機(jī)構(gòu)拉錠機(jī)構(gòu) 7.熔區(qū)熔區(qū) 8.坩堝坩堝圖圖5.8 超高溫度梯度定向凝固裝置圖超高溫度梯度定向凝固裝置圖第68頁/共109頁70 在在ZMLMCZMLMC法基礎(chǔ)上，凝固劑屬國家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室提出法基礎(chǔ)上，凝固劑屬國家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室提出并探索研究了近十年的電磁約束

52、成形定向凝固技術(shù)。并探索研究了近十年的電磁約束成形定向凝固技術(shù)。該技術(shù)是將電磁約束成型技術(shù)與定向凝固技術(shù)相結(jié)合該技術(shù)是將電磁約束成型技術(shù)與定向凝固技術(shù)相結(jié)合而產(chǎn)生的一種新型定向凝固技術(shù)。利用電磁感應(yīng)加熱而產(chǎn)生的一種新型定向凝固技術(shù)。利用電磁感應(yīng)加熱熔化感應(yīng)器內(nèi)的金屬材料，并利用在金屬熔體部分產(chǎn)熔化感應(yīng)器內(nèi)的金屬材料，并利用在金屬熔體部分產(chǎn)生的電磁壓力來約束已熔化的金屬熔體成形，獲得特生的電磁壓力來約束已熔化的金屬熔體成形，獲得特定形狀鑄件的無坩堝熔煉、無鑄型、無污染定向凝固定形狀鑄件的無坩堝熔煉、無鑄型、無污染定向凝固成形。成形。 由于電磁約束成形定向凝固取消了粗厚、導(dǎo)熱性由于電磁約束成形定向

53、凝固取消了粗厚、導(dǎo)熱性能查的陶瓷模殼、實(shí)現(xiàn)無接觸鑄造，使冷卻介質(zhì)可以能查的陶瓷模殼、實(shí)現(xiàn)無接觸鑄造，使冷卻介質(zhì)可以直接作用于金屬鑄件上，可獲得更大的溫度梯度，用直接作用于金屬鑄件上，可獲得更大的溫度梯度，用于生產(chǎn)無（少）偏析、組織超細(xì)化、無污染的高純難于生產(chǎn)無（少）偏析、組織超細(xì)化、無污染的高純難熔金屬及合金，具有廣闊的應(yīng)用前景。熔金屬及合金，具有廣闊的應(yīng)用前景。第69頁/共109頁71 ZMLMCZMLMC法的一個(gè)顯著特點(diǎn)是通過提高溫度梯度，法的一個(gè)顯著特點(diǎn)是通過提高溫度梯度，擴(kuò)大所允許的抽拉速率，從而達(dá)到擴(kuò)大所允許的抽拉速率，從而達(dá)到亞快速凝固水平亞快速凝固水平，實(shí)現(xiàn)組織超細(xì)化。但是單純采

54、用強(qiáng)制加熱的方法，實(shí)現(xiàn)組織超細(xì)化。但是單純采用強(qiáng)制加熱的方法增大溫度梯度來提高凝固速率，人不能獲得很大的增大溫度梯度來提高凝固速率，人不能獲得很大的冷卻速率，因?yàn)榇藭r(shí)要求散發(fā)的熱量更多了，一般冷卻速率，因?yàn)榇藭r(shí)要求散發(fā)的熱量更多了，一般來說采用這樣的技術(shù)很難實(shí)現(xiàn)快速凝固。來說采用這樣的技術(shù)很難實(shí)現(xiàn)快速凝固。 1981 1981年，年，LuxLux等在等在動(dòng)力學(xué)過冷熔體定向凝固動(dòng)力學(xué)過冷熔體定向凝固方面方面開展了有益的探索，通過改進(jìn)冷卻條件獲得了近開展了有益的探索，通過改進(jìn)冷卻條件獲得了近100K100K的動(dòng)力學(xué)過冷度，并施加很小的溫度梯度，最終得到的動(dòng)力學(xué)過冷度，并施加很小的溫度梯度，最終得到

55、直徑直徑21mm,21mm,長長70-80mm70-80mm的的MAR-M-200MAR-M-200高溫合金定向凝固高溫合金定向凝固試樣。試樣。第70頁/共109頁72圖圖5.9 深過冷定向凝固實(shí)驗(yàn)過程的實(shí)驗(yàn)原理圖深過冷定向凝固實(shí)驗(yàn)過程的實(shí)驗(yàn)原理圖 過冷容器中的定向凝固過冷容器中的定向凝固是由是由1981年年B-Lux等首先提等首先提出的。西北工業(yè)大學(xué)采用玻出的。西北工業(yè)大學(xué)采用玻璃凈化和過熱相結(jié)合的凈化璃凈化和過熱相結(jié)合的凈化方法，獲得合金熔體的熱力方法，獲得合金熔體的熱力學(xué)深過冷，并利用過冷度的學(xué)深過冷，并利用過冷度的遺傳性，將熔體深過冷與定遺傳性，將熔體深過冷與定向凝固相結(jié)合，使熔體在固

56、向凝固相結(jié)合，使熔體在固液界面前沿相中溫度梯度液界面前沿相中溫度梯度GL0的條件下凝固。他們的條件下凝固。他們稱之為深過冷定向凝固（稱之為深過冷定向凝固（SDS），整個(gè)實(shí)驗(yàn)過程的原），整個(gè)實(shí)驗(yàn)過程的原理簡圖如圖理簡圖如圖5.9所示。所示。 第71頁/共109頁73 在激光表面快速熔凝時(shí)，凝固界面的溫度梯度可高達(dá)在激光表面快速熔凝時(shí)，凝固界面的溫度梯度可高達(dá)5104K/cm，凝固速度高達(dá)數(shù)米每秒。但一般的激光表面，凝固速度高達(dá)數(shù)米每秒。但一般的激光表面熔凝過程并不是定向凝固，因?yàn)槿鄢貎?nèi)部局部溫度梯度和熔凝過程并不是定向凝固，因?yàn)槿鄢貎?nèi)部局部溫度梯度和凝固速度是不斷變化的，且兩者都不能獨(dú)立控制；同

57、時(shí)，凝固速度是不斷變化的，且兩者都不能獨(dú)立控制；同時(shí)，凝固組織是從集體外延生長的，界面上不同位置生長方向凝固組織是從集體外延生長的，界面上不同位置生長方向也不相同。也不相同。 利用激光表面熔凝技術(shù)實(shí)現(xiàn)超高溫度梯度快速定向凝利用激光表面熔凝技術(shù)實(shí)現(xiàn)超高溫度梯度快速定向凝固的關(guān)鍵在于：固的關(guān)鍵在于：在激光熔池內(nèi)獲得與激光掃描速度方向一在激光熔池內(nèi)獲得與激光掃描速度方向一致的溫度梯度。致的溫度梯度。根據(jù)合金凝固特性選擇適當(dāng)?shù)募す饧す夤じ鶕?jù)合金凝固特性選擇適當(dāng)?shù)募す饧す夤に噮?shù)以獲得胞晶組織，現(xiàn)在激光超高溫度梯度快速定向藝參數(shù)以獲得胞晶組織，現(xiàn)在激光超高溫度梯度快速定向凝固還處于探索性試驗(yàn)階段。凝固還

58、處于探索性試驗(yàn)階段。第72頁/共109頁74 連續(xù)定向凝固的思想首先是由日本的大野篤美提連續(xù)定向凝固的思想首先是由日本的大野篤美提出的。上世紀(jì)出的。上世紀(jì)60年代末，大野篤美在研究年代末，大野篤美在研究Chalmers提提出的等軸晶出的等軸晶“結(jié)晶游離結(jié)晶游離”理論時(shí)，證實(shí)了等軸晶的形理論時(shí)，證實(shí)了等軸晶的形成不適有熔液整體過冷（成不適有熔液整體過冷（Constitutional Supercooling）引起，而是主要由鑄型表面形核，分離、帶入溶液）引起，而是主要由鑄型表面形核，分離、帶入溶液內(nèi)部，枝晶斷裂或重熔引起的。內(nèi)部，枝晶斷裂或重熔引起的。 因而控制凝固組織結(jié)構(gòu)的關(guān)鍵是控制鑄型表面的

59、因而控制凝固組織結(jié)構(gòu)的關(guān)鍵是控制鑄型表面的形核過程。大野篤美把形核過程。大野篤美把Bridgeman定向凝固法控制晶粒定向凝固法控制晶粒生長的是想應(yīng)用到連續(xù)鑄造技術(shù)上，提出了一種最新生長的是想應(yīng)用到連續(xù)鑄造技術(shù)上，提出了一種最新的鑄造工藝的鑄造工藝熱型連續(xù)法（簡稱熱型連續(xù)法（簡稱OCC法），即連續(xù)法），即連續(xù)定向凝固技術(shù)。定向凝固技術(shù)。第73頁/共109頁75 該技術(shù)是通過加熱結(jié)晶器模型到金屬熔點(diǎn)溫度以該技術(shù)是通過加熱結(jié)晶器模型到金屬熔點(diǎn)溫度以上，鑄型只能約束金屬液相的形狀，金屬不會在型壁上，鑄型只能約束金屬液相的形狀，金屬不會在型壁表面凝固；同時(shí)冷卻系統(tǒng)與結(jié)晶器分離，在型外對逐表面凝固；同時(shí)

60、冷卻系統(tǒng)與結(jié)晶器分離，在型外對逐漸進(jìn)行冷卻，維持很高的牽引方向的溫度梯度，保證漸進(jìn)行冷卻，維持很高的牽引方向的溫度梯度，保證凝固界面是凸向液相的，以獲得強(qiáng)類的單向溫度梯度凝固界面是凸向液相的，以獲得強(qiáng)類的單向溫度梯度，使熔體的凝固只在脫了結(jié)晶器的瞬間進(jìn)行。，使熔體的凝固只在脫了結(jié)晶器的瞬間進(jìn)行。 隨著鑄錠不斷離開結(jié)晶器，晶體的生長方向沿?zé)犭S著鑄錠不斷離開結(jié)晶器，晶體的生長方向沿?zé)崃鞯姆捶较蜻M(jìn)行，獲得定向結(jié)晶組織，甚至單晶組織流的反方向進(jìn)行，獲得定向結(jié)晶組織，甚至單晶組織，其原理如圖，其原理如圖6.10所示這種方法最大的特點(diǎn)是改變傳所示這種方法最大的特點(diǎn)是改變傳統(tǒng)的連續(xù)凝固中冷卻結(jié)晶器為加熱結(jié)晶器，熔體的凝統(tǒng)的