11111第八章凝固新技术2课件

第八章凝固新技术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、定向凝固的应用一、定向凝固1、定向凝固定义、概述23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。

是20世纪60年代发展起来的技术。

1、定向凝固定义3在凝固过程中采用强制手段，在凝固金属和未凝固熔体中3定向凝固概述

为什么要获取“具有特定取定向柱状晶或单晶”？1、柱状晶

在航空发动机中，定向结晶叶片消除了对空洞和裂纹敏感的横向晶界，使全部晶界平行于应力轴方向，从而改善了合金的使用性能。

单晶叶片消除了全部晶界，不必加入晶界强化元素，使合金的初熔温度相对升高，从而提高了合金的高温强度，并进一步改善了合金的综合性能。定向凝固概述

为什么要获取“具有特定取定向柱状晶或单晶”？4定向凝固技术用于制造发动机叶片定向凝固涡轮叶片，寿命是普通铸造的2.5倍单晶叶片，寿命是普通铸造的5倍定向凝固技术用于制造发动机叶片定向凝固涡轮叶片，寿命是普通铸5自1965年美国普拉特·惠特尼航空公司采用高温合金定向凝固技术以来，这项技术已经在许多国家得到应用。

采用定向凝固技术可以生产具有优良的抗热冲击性能较长的疲劳寿命较好的蠕变抗力和中温塑性的薄壁空心涡轮叶片。应用这种技术能使涡轮叶片的使用温度提高10～30oC，涡轮进口温度提高20～60oC，从而提高发动机的推力和可靠性，并延长使用寿命。进口温度提高50度，推力提高10%。自1965年美国普拉特·惠特尼航空公司采用高62、单晶在单晶硅中掺入微量的第ЩA族元素，形成P型半导体，掺入微量的第VA族元素，形成N型。单晶硅主要用于制作半导体元件如芯片、太阳能电池板。2、单晶7直拉法单晶硅生长技术直拉法单晶硅生长技术8图2光学晶体CaF2(左1:φ220×150mm).在紫外、可见光和红外波段都有很高的透过率，机械性能好。制作红外光学系统中的光学棱镜、透镜和窗口等光学元件。氟化钙单晶图2光学晶体CaF2(左1:φ220×150m9金属单晶具有特殊的力学物理性能金属单晶具有特殊的力学物理性能10112、定向凝固原理

—如何实现定向凝固？112、定向凝固原理成分过冷”条件和判据

“成分过冷”的形成条件分析

（K0＜1情况下)：→

界面前沿形成溶质富集层→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:

出现“成分过冷”。成分过冷”条件和判据“成分过冷”的形成条件分析12“成分过冷”的判据

式中：GL为液固界面前沿液相温度梯度（K/mm）；R为界面生长速度（mm/s）；mL为液相线斜率；C0为合金平均成分；k0为平衡溶质分配系数；DL为液相中溶质扩散系数。“成分过冷”的判据式中：GL为液固界面前沿液相温13

由判据可见，下列条件有助于抑制“成分过冷”：液相中温度梯度大（GL大）；晶体生长速度慢，R小；

mL小，即陡的液相线斜率；原始成分浓度小，C0小；液相中溶质扩散系数DL高；

K0＜1时，K0大；K0＞1时，K0小工艺因素合金本身的因素由判据14

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)无成分过冷平面晶

C)窄成分过冷区间胞状晶

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成分过冷对晶体生长方式影响模型合金固溶体凝固时的晶体生长形态成分过冷对晶体生长方式影响模15无成分过冷时的平面生长平面生长的条件：界面前方无成分过冷时平面生长

a）局部不稳定界面

b）最终稳定界面无成分过冷时的平面生长平面生长的条件：界面前方无成分过冷时平16定向凝固技术的重要工艺参数包括：凝固过程中固-液界面前沿液相中的温度梯度GL固-液界面向前推进速度，即晶体生长速度RGL/R值是控制晶体长大形态的重要判据

在提高GL的条件下，增加R，才能获得所要求的晶体形态，细化组织，改善质量，并且，提高定向凝固铸件生产率。

定向凝固技术和装置不断改进，其关键技术之一是提高固-液界面前沿液相中的温度梯度GL。目前，GL已经达到100-300℃/cm，工业生产中已达到30-80℃/cm。定向凝固技术的重要工艺参数包括：凝固过程中固-液界面前沿液相17热流方向侧向无温度梯度，不散热晶体生长方向定向凝固柱状晶生长示意图（3）单向凝固技术工艺形成定向凝固的柱晶组织需要两个基本条件：热流向单一方向流动并垂直于生长中的固-液界面晶体生长的前方的熔体中没有稳定的结晶核心因此，工艺上必须避免侧向散热。热流方向侧向无温度梯度，不散热晶体生长方向定向凝固柱状晶生长183、定向凝固工艺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激光超高温度梯度快速定向凝固电磁约束成形定向凝固技术深过冷定向凝固技术侧向约束下的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3、定向凝固工艺传统定向凝固技术新型定向凝固技术发热铸型法193.1传统定向凝固工艺发热剂法（EP）功率降低法（PD）快速凝固法（HRS）液态金属冷却法（LMC）3.1传统定向凝固工艺发热剂法（EP）20发热剂法1．发热剂法(EP法)原理：将型壳置于绝热耐火材料箱中，底部安放水冷结晶器。型壳中浇入金属液后，在型壳上部盖以发热剂，使金属液处于高温，建立了自下而上的凝固条件。特点：工艺简单、成本低。适用：小型的定向凝固实验与生产。发热剂法1．发热剂法(EP法)21发热剂法（炉外法）最原始的方法。缺点：无法调节凝固速率和温度梯度，只能制备小的柱状晶铸件，这种方法多用于磁钢生产。发热剂法（炉外法）最原始的方法。22功率降低法（PD法）工艺流程：把熔融的金属液置于保温炉，保温炉是分段加热的，其底部采用水冷激冷板。自上而下逐段关闭加热器，金属则自下而上逐渐凝固。功率降低法（PD法）工艺流程：把熔融的金属液置于保温炉，保温23功率降低法特点：

GL、R值不能人为控制。金属熔体内的温度梯度，随凝固距离增大而不断减小，柱状晶在高度上粗化严重；设备复杂；适合：高度120mm以下定向凝固铸件。功率降低法特点：243.快速凝固法（H．R．S法）Erickson于1971年提出。原理如图所示。与P．D法的主要区别：铸型加热器始终加热，在凝固时，铸件与加热器之间产生相对移动。底部使用辐射挡板和水冷套。在挡板附近产生较大的温度梯度。热量主要通过已凝固部分及冷却底盘由冷却水带走。特点：局部冷却速度增大，有利于细化组织，从下到上获得均匀柱状晶，提高力学性能。H．R．S法示意图1—保温盖；2一感应圈；3一玻璃布；4一保温层；5一石墨套；6一模壳；7一挡板；8一冷却圈；9一结晶器3.快速凝固法（H．R．S法）H．R．S法示意图25国内小型航空叶片工业生产中普遍应用的是高速凝固法(HRS)定向凝固工艺。随铸型尺寸增加，定向凝固中的温度梯度显著降低，较易出现斑点、等轴晶等铸造缺陷，同时在高温下合金与模壳、陶瓷型芯容易发生反应。

此外，由于凝固速率慢，铸件偏析严重，热处理困难。因此HRS法生产重型燃机用大尺寸叶片时，成品率低，效率低，成本高。国内小型航空叶片工业生产中普遍应用的是高速26

4．液态金属冷却法(L．M．C法)1974年出现的一种新的单向凝固方法；工艺过程与H.R.S法基本相同，主要区别：在于冷却介质为低熔点的液态金属。当合金液浇入型壳后，按选择的速度将壳型拉出炉体，模壳直接浸入金属浴中冷却。金属浴的水平面保持在凝固的固一液界面近处，并使其保持在一定温度范围内。散热大大增强。L．M．C法示意图1一真空室2一熔炼坩埚3一烧杯4一炉子的热区5一挡板6一模壳7一锡浴加热器8一冷热罩

9一锡浴搅拌器4．液态金属冷却法(L．M．C法)L．M．C法示意27液态金属作为冷却剂应满足以下要求：1)熔点低，有良好的热学性能。2)不溶于合金中。3)在高真空条件下蒸气压低，可在真空条件下使用。4)价格便宜。目前使用的金属浴有：锡液、镓铟合金、镓铟锡合金等。镓、铟价格过于昂贵，在工业生产中难以采用。至今锡液应用得较多，其熔点232℃，沸点2267℃，有理想的热学性能，只是锡对高温合金是有害元素，操作不善使锡污染了合金，将会严重恶化其性能。

缺点：

设备复杂，制备零件尺寸有限。液态金属作为冷却剂应满足以下要求：28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29实验室用LMC定向凝固设备——沈阳可以生产实验室用LMC定向凝固设备——沈阳3011111第八章凝固新技术2课件31323.2新型定向凝固技术超高温度梯度定向凝固（ZMLMC）电磁约束成形定向凝固（DSEMS）激光超高温梯度快速凝固技术（LRM）连续定向凝固技术（OCC法）

323.2新型定向凝固技术超高温度梯度定向凝固（ZMLM3233超高温度梯度定向凝固（ZMLMC）加热和冷却是定向凝固过程的两个基本环节，对固液界面前沿温度梯度具有决定性的影响。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（LMC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超高温度梯度定向凝固（ZMLMC）加热和冷却是定3334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,最大冷却速度可达50K/s。凝固速度可在6~1000um/s内调节。

34这种方法将区域熔炼与液态金属冷却相结合，利用感应34351.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351.试样2.感应圈3.隔热板4.冷却水5.液态金3536电磁约束成形定向凝固（DSEMS）在ZMLMC法基础上，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。36电磁约束成形定向凝固（DSEMS）在ZMLMC法3637激光超高温梯度快速凝固技术（LRM）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，界面上不同位置生长方向也不相同。

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。37激光超高温梯度快速凝固技术（LRM）在激光表面快3738连续定向凝固技术（OCC法）

连续定向凝固的思想首先是由日本的大野笃美提出的。上世纪60年代末，大野笃美在研究Chalmers提出的等轴晶“结晶游离”理论时，证实了等轴晶的形成不是熔液整体过冷（ConstitutionalSupercooling）引起，而是主要由铸型表面形核，分离、带入溶液内部，枝晶断裂或重熔引起的。

因而控制凝固组织结构的关键是控制铸型表面的形核过程。大野笃美把Bridgeman定向凝固法控制晶粒生长的思想应用到连续铸造技术上，提出了一种最新的铸造工艺——热型连续法（简称OCC法），即连续定向凝固技术。38连续定向凝固技术（OCC法）连续定向凝固的思想38定向柱晶铸件的主要缺陷：柱晶方向发散在铸件上出现不利取向的晶粒或等轴晶——“雀斑”严重恶化定向铸件的性能。“雀斑”的形成与凝固前沿液-固共存的两相区（“糊状区”）内熔体的流动有关。定向柱晶铸件的主要缺陷：柱晶方向发散严重恶化定向铸件的性能。39防止办法严格控制热流方向沿平行于零件主应力轴方向流动选择合适的生长速度和温度梯度生长速度和温度梯度对“雀斑”形成的影响防止办法严格控制热流方向沿平行于零件主应力轴方向流动生长速度40414.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。

414.定向凝固技术的应用应用定向凝固414.1定向凝固制备单晶铸件

单晶用途：（1）是人们认识固体的基础；（2）研究晶体结构、各向异性、超导性、核磁共振等都需要单晶。（3）单晶具有许多金属新的性质：单晶晶须：力学强度要比同物质的多晶体高出许多倍；从锗单晶向硅单晶过渡，大大提高了半导体器件性能：由于掌握了反应性较强、熔点较高的硅单晶生长技术。大面积、高度完整性硅单晶是解决大面积集成电路在密度和失效率方面关键。航空发动机单晶涡轮叶片与定向柱晶相比，使用温度、抗热疲劳强度、蠕变强度和抗热腐蚀性等方面都具有更好的性能：20世纪60年代开始，美国普拉特·惠特尼(Pran&Whitney)公司用单向凝固高温合金制造航空发动机单晶涡轮叶片。4.1定向凝固制备单晶铸件42拉伸性能：三种铸造镍基高温合金Mar—M200的拉伸性能如图所示。A为普通铸造、B为柱状晶、C为单晶。

看出：单晶的拉伸塑性在所有温度下都比较优越；柱状晶的瞬时拉伸强度随着温度升高而提高，在760ºC附近达最高值（拉伸强度比等轴晶高出100MPa），超过800ºC时，迅速降低；在760ºC附近出现拉伸塑性的最低值。拉伸性能：三种铸造镍基高温合金Mar—M200的拉伸性能如图43蠕变速度和持久性能——高温合金材料性能重要指标。看出：单晶材料的高温蠕变速度和高温持久断裂寿命大大优于柱晶和等轴晶材料。蠕变速度和持久性能——高温合金材料性能重要指标。44一、单晶生长的特点首先：在金属熔体中形成一个单晶核（可以引入籽晶或自发形核）；而后：在晶核和熔体界面上不断生长出单晶体。单晶在生长过程中：

固一液界面前沿不允许有温度过冷和成分过冷，避免固—液界面不稳定而长出胞晶或柱晶。

固一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。一、单晶生长的特点4546定向凝固满足上述热传输的要求，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。46定向凝固满足上述热传输的要求，是制备单晶最有46生产单晶铸件的关键：利用柱状晶生长过程中的竞争和淘汰，最终在铸件本体中保留一个柱晶晶粒。

“自生籽晶法”如示意图所示：在铸件本体下部设置一个空腔，称为“晶粒选择器”，作为柱晶竞争生长的场地。合金液浇入模壳后，激冷结晶器表面形成等轴晶。在单向凝固的条件下，经过一定高度的择优生长，得到一束接近[001]取向的柱晶。再经过一定长度的通道，将其余晶粒全部抑制，只有一个柱晶晶粒长入铸体本体。上述选晶过程全部在“晶粒选择器”中完成。自生籽晶法生产单晶叶片1—铸件2一选晶段3一起始段生产单晶铸件的关键：利用柱状晶生长过程中的竞争和淘汰，最终在47“晶粒选择器”由起始段和选晶段组成。“起始段”纵剖面为矩形截面，紧靠结晶器。晶粒生长分为三个阶段：①水冷结晶器表面形成等轴晶；②晶体沿热流相反方向生长为柱晶，柱晶位向差异，造成各取向柱晶生长速率不同。以面心立方晶体为例：先是[111]取向的晶粒落后，继而是[011]取向的晶粒逐渐落后，最后[001]取向的柱晶处于领先地位。③靠近起始段上部，柱晶生长比较稳定，竞争程度缓和，大多数柱晶的取向偏离度比较小。“晶粒选择器”由起始段和选晶段组成。“起始段”纵剖面为矩形截4849定向凝固柱状晶铸件与用普通方法得到的铸件相比，前者可以减少偏析、疏松等，而且形成了取向平行于主应力轴的晶粒，基本上消除了垂直应力轴的横向晶界，使航空发动机叶片的力学性能有了新的飞跃。另外，对面心立方晶体的磁性材料，如铁等，当铸态柱晶沿晶向取向时，因与磁化方向一致，而大大改善其磁性。

4.2制备柱状晶铸件49定向凝固柱状晶铸件与用普通方法得到的铸件49504.2.1高温合金制备

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。

高温合金504.2.1高温合金制备高温合金是5051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有意的力学性能而获得长足的发展。MAR—M200中温性能尤其是中温塑性很低，作为涡轮叶片在工作中常发生无预兆的断裂。51采用定向凝固技术生产的高温合金基本上消除了垂直于5152

在MAR—M200基础上研究成功的定向凝固高温合金PWA1422不仅具有良好的中高温蠕变断裂强度和塑性,而且具有比原合金高5倍的热疲劳性能，在先进航空航天发动机上获得广泛的应用。在激光超高温度梯度定向凝固条件下，超高温梯度和较快凝固速度共同作用，使镍基高温合金高度细化，同常规凝固相比，组织细化36倍，而且得到了新颖的超细胞状晶组织，该组织是镍基合金的定向凝固组织，组织的微观偏析大大得到改善，甚至消除。52在MAR—M200基础上研究成功的定向凝固高温合52534.2.2高温超导体材料的制备氧化钇钡铜（YttriumBariumCopperOxide，YBCO）YBCO高温超导体由于具有高温临界电流密度和低的导热率，是做电线的潜在材料。

定向凝固制备的YBCO单畴中包含大量平行取向的片层,各片层具有共同的c-轴,片层之间的亚晶界终止于晶体内部而没有贯穿整个晶体,因而整个晶体相当于一个准单晶,这种特征保证可以得到高临界电流密度(77K时，大于104A/cm2)。高温超导体材料534.2.2高温超导体材料的制备氧化钇钡铜（Yttri5354有学者研究了在不同体积分数时的jc-B特性和沿长度方向Y211相晶粒组织，他们发现在YBCO超导棒条体的中间段jc-B特性最优，并用此部位的棒条体做成电线，在ab面平行于所在磁场方向处，当温度为77K，磁场强度为3T时，其临界电流为380A。

YBCO超导体块54有学者研究了在不同体积分数时的jc-B特54554.2.4功能材料的制备压电陶瓷和稀土超磁致伸缩材料在换能器、传感器和电子器件等方便都有广泛的应用。定向凝固技术在制备这两种功能材料中也得到了应用。中国科学院上海硅酸盐研究所高性能陶瓷和超微结构国家重点实验室曾用定向凝固技术制备了择优方向为[111]、晶粒为柱状的PMN-0.35PT定向陶瓷和择优方向为[011]，[001]的定向陶瓷。定向凝固压电陶瓷554.2.4功能材料的制备压电陶瓷和稀5556最近又用定向凝固方法制备了择优方向为[112]的PMN-0.30PT高性能定向压电陶瓷，它的压电常熟远大于PZT陶瓷，达到1500pC/N以上，耦合系数Kt为0.51，k33达0.82，22kV/cm时的场致应变达到了0.23%。片状样品的XRD结果如图5.3。

56最近又用定向凝固方法制备了择优方向为[15657图5.3PMN-0.30PT定向压电陶瓷的XRD图谱

57图5.3PMN-0.30PT定向压电陶瓷的XRD图谱5758由图5.3可看出，晶粒生长方向主要为[112],其次为[011]，此外还有少量（001）、（111）、（003）面的衍射。按照Lotgering计算方法，所得到陶瓷沿[112]方向的取向度约为35%。定向凝固技术可望成为之额比高性能PMN-PT定压压电陶瓷的有前景的技术。58由图5.3可看出，晶粒生长方向主要为[158594.2.5复合材料的制备

定向凝固技术也是一种制备复合材料的重要手段。西北工业大学在自制的具有高真空、高温度梯度、宽抽拉速度等特点的定向凝固设备上制备出自生Cu-Cr复合材料棒；研究发现：Cu-Cr自生复合材料的定向凝固组织是由α基体相和分布于α相间的纤维状共晶复合组成。

随着凝固速度的增加，各组织生长定向性变好且径向尺寸均得到细化。致密、均匀、规整排列的组织减少了横向晶界、微观组织中α基体相起导电作用，纤维状共晶体起增强作用。Cu-Cr自生复合材料的强度、塑性、导电性均高于凝固试样，复合材料综合性能得到提高。594.2.5复合材料的制备定向凝固技术5960

美国NASAGlenn研究中心用移动区域激光加热方法研究了定向凝固Al2O3/ZrO2(Y2O3)复合材料的效果，结果表明：Al2O3/ZrO2(Y2O3)复合材料具有低的界面能，并且增强相与基体能形成强而稳定的结合。60美国NASAGlenn研究中心用移动区域激光60614.2.6多孔材料的制备

日本学者用定向凝固技术制备了藕状多孔铜材料和硅材料，在材料中孔都是长而直的。图5.4和图5.5分别是多孔铜材料和硅材料的光学显微图。他们研究了制备的多孔材料气孔率、气孔大小及分布与性能关系，认为多孔材料在许多新的领域有应用前景。多孔材料614.2.6多孔材料的制备日本学者用定向凝固6162图5.4多孔铜材料的光学图谱

62图5.4多孔铜材料的光学图谱62636363644.2.7单晶连铸坯的制备

OCC技术主要要应用在单晶材料、复杂截面薄壁型材及其他工艺难以加工的合金连铸型材。OCC技术制备的金属单晶材料表面异常光洁，又没有晶界和各种铸造缺陷，具有优异的变形加工性能，可拉制成极细的丝和压延成极薄的箔。单晶连铸坯644.2.7单晶连铸坯的制备OCC技术主要要应6465

西北工业大学在OCC的技术基础上将定向凝固、高梯度与连续铸造结合起来制备出准无限长的铜单晶，为高频、超高频信号的高清晰、高保真传输提供了关键技术。图5.6是连铸单晶的样件。与多晶相比，其塑性大幅度提高，电阻率降低38%。而且他们用纯度99.9%铜锁获的单晶的相对导电率优于日本用纯度99.9999%的性能。图5.6铜单晶样品

65西北工业大学在OCC的技术基础上将定向凝固、654.2.8定向凝固磁致伸缩材料稀土超磁致伸缩材料(GMM)其应变值大、能量密度高、机电耦合系数大、居里温度高、工作性能稳定等特点而引起了科技界的高度重视，目前制备磁致伸缩材料的方法有：单晶提拉法、区域熔炼法、丘克拉尔斯基法等定向凝固方法制备，均达到了很高的磁致伸缩性能。定向凝固制备磁致伸缩材料4.2.8定向凝固磁致伸缩材料稀土超磁致伸缩6667从定向凝固技术的发展过程可以看出，随着其它专业新理论的出现和日趋成熟，实验技术的改进和人们的不断努力通过寻找新的热源货加热方式、借鉴快速凝固的技术以及使用外加作用力等都有可能创造出新的定向凝固技术。同时，定向凝固技术必将为新材料的制备和新加工技术的发展提供广阔的前景，也必将是凝固理论得到完善和发展。展望67从定向凝固技术的发展过程可以看出，随着其67谢谢！谢谢！第八章凝固新技术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、定向凝固的应用一、定向凝固1、定向凝固定义、概述7071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。

是20世纪60年代发展起来的技术。

1、定向凝固定义3在凝固过程中采用强制手段，在凝固金属和未凝固熔体中71定向凝固概述

为什么要获取“具有特定取定向柱状晶或单晶”？1、柱状晶

在航空发动机中，定向结晶叶片消除了对空洞和裂纹敏感的横向晶界，使全部晶界平行于应力轴方向，从而改善了合金的使用性能。

单晶叶片消除了全部晶界，不必加入晶界强化元素，使合金的初熔温度相对升高，从而提高了合金的高温强度，并进一步改善了合金的综合性能。定向凝固概述

为什么要获取“具有特定取定向柱状晶或单晶”？72定向凝固技术用于制造发动机叶片定向凝固涡轮叶片，寿命是普通铸造的2.5倍单晶叶片，寿命是普通铸造的5倍定向凝固技术用于制造发动机叶片定向凝固涡轮叶片，寿命是普通铸73自1965年美国普拉特·惠特尼航空公司采用高温合金定向凝固技术以来，这项技术已经在许多国家得到应用。

采用定向凝固技术可以生产具有优良的抗热冲击性能较长的疲劳寿命较好的蠕变抗力和中温塑性的薄壁空心涡轮叶片。应用这种技术能使涡轮叶片的使用温度提高10～30oC，涡轮进口温度提高20～60oC，从而提高发动机的推力和可靠性，并延长使用寿命。进口温度提高50度，推力提高10%。自1965年美国普拉特·惠特尼航空公司采用高742、单晶在单晶硅中掺入微量的第ЩA族元素，形成P型半导体，掺入微量的第VA族元素，形成N型。单晶硅主要用于制作半导体元件如芯片、太阳能电池板。2、单晶75直拉法单晶硅生长技术直拉法单晶硅生长技术76图2光学晶体CaF2(左1:φ220×150mm).在紫外、可见光和红外波段都有很高的透过率，机械性能好。制作红外光学系统中的光学棱镜、透镜和窗口等光学元件。氟化钙单晶图2光学晶体CaF2(左1:φ220×150m77金属单晶具有特殊的力学物理性能金属单晶具有特殊的力学物理性能78792、定向凝固原理

—如何实现定向凝固？112、定向凝固原理成分过冷”条件和判据

“成分过冷”的形成条件分析

（K0＜1情况下)：→

界面前沿形成溶质富集层→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:

出现“成分过冷”。成分过冷”条件和判据“成分过冷”的形成条件分析80“成分过冷”的判据

式中：GL为液固界面前沿液相温度梯度（K/mm）；R为界面生长速度（mm/s）；mL为液相线斜率；C0为合金平均成分；k0为平衡溶质分配系数；DL为液相中溶质扩散系数。“成分过冷”的判据式中：GL为液固界面前沿液相温81

由判据可见，下列条件有助于抑制“成分过冷”：液相中温度梯度大（GL大）；晶体生长速度慢，R小；

mL小，即陡的液相线斜率；原始成分浓度小，C0小；液相中溶质扩散系数DL高；

K0＜1时，K0大；K0＞1时，K0小工艺因素合金本身的因素由判据82

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)无成分过冷平面晶

C)窄成分过冷区间胞状晶

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成分过冷对晶体生长方式影响模型合金固溶体凝固时的晶体生长形态成分过冷对晶体生长方式影响模83无成分过冷时的平面生长平面生长的条件：界面前方无成分过冷时平面生长

a）局部不稳定界面

b）最终稳定界面无成分过冷时的平面生长平面生长的条件：界面前方无成分过冷时平84定向凝固技术的重要工艺参数包括：凝固过程中固-液界面前沿液相中的温度梯度GL固-液界面向前推进速度，即晶体生长速度RGL/R值是控制晶体长大形态的重要判据

在提高GL的条件下，增加R，才能获得所要求的晶体形态，细化组织，改善质量，并且，提高定向凝固铸件生产率。

定向凝固技术和装置不断改进，其关键技术之一是提高固-液界面前沿液相中的温度梯度GL。目前，GL已经达到100-300℃/cm，工业生产中已达到30-80℃/cm。定向凝固技术的重要工艺参数包括：凝固过程中固-液界面前沿液相85热流方向侧向无温度梯度，不散热晶体生长方向定向凝固柱状晶生长示意图（3）单向凝固技术工艺形成定向凝固的柱晶组织需要两个基本条件：热流向单一方向流动并垂直于生长中的固-液界面晶体生长的前方的熔体中没有稳定的结晶核心因此，工艺上必须避免侧向散热。热流方向侧向无温度梯度，不散热晶体生长方向定向凝固柱状晶生长863、定向凝固工艺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激光超高温度梯度快速定向凝固电磁约束成形定向凝固技术深过冷定向凝固技术侧向约束下的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3、定向凝固工艺传统定向凝固技术新型定向凝固技术发热铸型法873.1传统定向凝固工艺发热剂法（EP）功率降低法（PD）快速凝固法（HRS）液态金属冷却法（LMC）3.1传统定向凝固工艺发热剂法（EP）88发热剂法1．发热剂法(EP法)原理：将型壳置于绝热耐火材料箱中，底部安放水冷结晶器。型壳中浇入金属液后，在型壳上部盖以发热剂，使金属液处于高温，建立了自下而上的凝固条件。特点：工艺简单、成本低。适用：小型的定向凝固实验与生产。发热剂法1．发热剂法(EP法)89发热剂法（炉外法）最原始的方法。缺点：无法调节凝固速率和温度梯度，只能制备小的柱状晶铸件，这种方法多用于磁钢生产。发热剂法（炉外法）最原始的方法。90功率降低法（PD法）工艺流程：把熔融的金属液置于保温炉，保温炉是分段加热的，其底部采用水冷激冷板。自上而下逐段关闭加热器，金属则自下而上逐渐凝固。功率降低法（PD法）工艺流程：把熔融的金属液置于保温炉，保温91功率降低法特点：

GL、R值不能人为控制。金属熔体内的温度梯度，随凝固距离增大而不断减小，柱状晶在高度上粗化严重；设备复杂；适合：高度120mm以下定向凝固铸件。功率降低法特点：923.快速凝固法（H．R．S法）Erickson于1971年提出。原理如图所示。与P．D法的主要区别：铸型加热器始终加热，在凝固时，铸件与加热器之间产生相对移动。底部使用辐射挡板和水冷套。在挡板附近产生较大的温度梯度。热量主要通过已凝固部分及冷却底盘由冷却水带走。特点：局部冷却速度增大，有利于细化组织，从下到上获得均匀柱状晶，提高力学性能。H．R．S法示意图1—保温盖；2一感应圈；3一玻璃布；4一保温层；5一石墨套；6一模壳；7一挡板；8一冷却圈；9一结晶器3.快速凝固法（H．R．S法）H．R．S法示意图93国内小型航空叶片工业生产中普遍应用的是高速凝固法(HRS)定向凝固工艺。随铸型尺寸增加，定向凝固中的温度梯度显著降低，较易出现斑点、等轴晶等铸造缺陷，同时在高温下合金与模壳、陶瓷型芯容易发生反应。

此外，由于凝固速率慢，铸件偏析严重，热处理困难。因此HRS法生产重型燃机用大尺寸叶片时，成品率低，效率低，成本高。国内小型航空叶片工业生产中普遍应用的是高速94

4．液态金属冷却法(L．M．C法)1974年出现的一种新的单向凝固方法；工艺过程与H.R.S法基本相同，主要区别：在于冷却介质为低熔点的液态金属。当合金液浇入型壳后，按选择的速度将壳型拉出炉体，模壳直接浸入金属浴中冷却。金属浴的水平面保持在凝固的固一液界面近处，并使其保持在一定温度范围内。散热大大增强。L．M．C法示意图1一真空室2一熔炼坩埚3一烧杯4一炉子的热区5一挡板6一模壳7一锡浴加热器8一冷热罩

9一锡浴搅拌器4．液态金属冷却法(L．M．C法)L．M．C法示意95液态金属作为冷却剂应满足以下要求：1)熔点低，有良好的热学性能。2)不溶于合金中。3)在高真空条件下蒸气压低，可在真空条件下使用。4)价格便宜。目前使用的金属浴有：锡液、镓铟合金、镓铟锡合金等。镓、铟价格过于昂贵，在工业生产中难以采用。至今锡液应用得较多，其熔点232℃，沸点2267℃，有理想的热学性能，只是锡对高温合金是有害元素，操作不善使锡污染了合金，将会严重恶化其性能。

缺点：

设备复杂，制备零件尺寸有限。液态金属作为冷却剂应满足以下要求：96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97实验室用LMC定向凝固设备——沈阳可以生产实验室用LMC定向凝固设备——沈阳9811111第八章凝固新技术2课件991003.2新型定向凝固技术超高温度梯度定向凝固（ZMLMC）电磁约束成形定向凝固（DSEMS）激光超高温梯度快速凝固技术（LRM）连续定向凝固技术（OCC法）

323.2新型定向凝固技术超高温度梯度定向凝固（ZMLM100101超高温度梯度定向凝固（ZMLMC）加热和冷却是定向凝固过程的两个基本环节，对固液界面前沿温度梯度具有决定性的影响。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（LMC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超高温度梯度定向凝固（ZMLMC）加热和冷却是定101102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,最大冷却速度可达50K/s。凝固速度可在6~1000um/s内调节。

34这种方法将区域熔炼与液态金属冷却相结合，利用感应1021031.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351.试样2.感应圈3.隔热板4.冷却水5.液态金103104电磁约束成形定向凝固（DSEMS）在ZMLMC法基础上，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。36电磁约束成形定向凝固（DSEMS）在ZMLMC法104105激光超高温梯度快速凝固技术（LRM）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，界面上不同位置生长方向也不相同。

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。37激光超高温梯度快速凝固技术（LRM）在激光表面快105106连续定向凝固技术（OCC法）

连续定向凝固的思想首先是由日本的大野笃美提出的。上世纪60年代末，大野笃美在研究Chalmers提出的等轴晶“结晶游离”理论时，证实了等轴晶的形成不是熔液整体过冷（ConstitutionalSupercooling）引起，而是主要由铸型表面形核，分离、带入溶液内部，枝晶断裂或重熔引起的。

因而控制凝固组织结构的关键是控制铸型表面的形核过程。大野笃美把Bridgeman定向凝固法控制晶粒生长的思想应用到连续铸造技术上，提出了一种最新的铸造工艺——热型连续法（简称OCC法），即连续定向凝固技术。38连续定向凝固技术（OCC法）连续定向凝固的思想106定向柱晶铸件的主要缺陷：柱晶方向发散在铸件上出现不利取向的晶粒或等轴晶——“雀斑”严重恶化定向铸件的性能。“雀斑”的形成与凝固前沿液-固共存的两相区（“糊状区”）内熔体的流动有关。定向柱晶铸件的主要缺陷：柱晶方向发散严重恶化定向铸件的性能。107防止办法严格控制热流方向沿平行于零件主应力轴方向流动选择合适的生长速度和温度梯度生长速度和温度梯度对“雀斑”形成的影响防止办法严格控制热流方向沿平行于零件主应力轴方向流动生长速度1081094.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。

414.定向凝固技术的应用应用定向凝固1094.1定向凝固制备单晶铸件

单晶用途：（1）是人们认识固体的基础；（2）研究晶体结构、各向异性、超导性、核磁共振等都需要单晶。（3）单晶具有许多金属新的性质：单晶晶须：力学强度要比同物质的多晶体高出许多倍；从锗单晶向硅单晶过渡，大大提高了半导体器件性能：由于掌握了反应性较强、熔点较高的硅单晶生长技术。大面积、高度完整性硅单晶是解决大面积集成电路在密度和失效率方面关键。航空发动机单晶涡轮叶片与定向柱晶相比，使用温度、抗热疲劳强度、蠕变强度和抗热腐蚀性等方面都具有更好的性能：20世纪60年代开始，美国普拉特·惠特尼(Pran&Whitney)公司用单向凝固高温合金制造航空发动机单晶涡轮叶片。4.1定向凝固制备单晶铸件110拉伸性能：三种铸造镍基高温合金Mar—M200的拉伸性能如图所示。A为普通铸造、B为柱状晶、C为单晶。

看出：单晶的拉伸塑性在所有温度下都比较优越；柱状晶的瞬时拉伸强度随着温度升高而提高，在760ºC附近达最高值（拉伸强度比等轴晶高出100MPa），超过800ºC时，迅速降低；在760ºC附近出现拉伸塑性的最低值。拉伸性能：三种铸造镍基高温合金Mar—M200的拉伸性能如图111蠕变速度和持久性能——高温合金材料性能重要指标。看出：单晶材料的高温蠕变速度和高温持久断裂寿命大大优于柱晶和等轴晶材料。蠕变速度和持久性能——高温合金材料性能重要指标。112一、单晶生长的特点首先：在金属熔体中形成一个单晶核（可以引入籽晶或自发形核）；而后：在晶核和熔体界面上不断生长出单晶体。单晶在生长过程中：

固一液界面前沿不允许有温度过冷和成分过冷，避免固—液界面不稳定而长出胞晶或柱晶。

固一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。一、单晶生长的特点113114定向凝固满足上述热传输的要求，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。46定向凝固满足上述热传输的要求，是制备单晶最有114生产单晶铸件的关键：利用柱状晶生长过程中的竞争和淘汰，最终在铸件本体中保留一个柱晶晶粒。

“自生籽晶法”如示意图所示：在铸件本体下部设置一个空腔，称为“晶粒选择器”，作为柱晶竞争生长的场地。合金液浇入模壳后，激冷结晶器表面形成等轴晶。在单向凝固的条件下，经过一定高度的择优生长，得到一束接近[001]取向的柱晶。再经过一定长度的通道，将其余晶粒全部抑制，只有一个柱晶晶粒长入铸体本体。上述选晶过程全部在“晶粒选择器”中完成。自生籽晶法生产单晶叶片1—铸件2一选晶段3一起始段生产单晶铸件的关键：利用柱状晶生长过程中的竞争和淘汰，最终在115“晶粒选择器”由起始段和选晶段组成。“起始段”纵剖面为矩形截面，紧靠结晶器。晶粒生长分为三个阶段：①水冷结晶器表面形成等轴晶；②晶体沿热流相反方向生长为柱晶，柱晶位向差异，造成各取向柱晶生长速率不同。以面心立方晶体为例：先是[111]取向的晶粒落后，继而是[011]取向的晶粒逐渐落后，最后[001]取向的柱晶处于领先地位。③靠近起始段上部，柱晶生长比较稳定，竞争程度缓和，大多数柱晶的取向偏离度比较小。“晶粒选择器”由起始段和选晶段组成。“起始段”纵剖面为矩形截116117定向凝固柱状晶铸件与用普通方法得到的铸件相比，前者可以减少偏析、疏松等，而且形成了取向平行于主应力轴的晶粒，基本上消除了垂直应力轴的横向晶界，使航空发动机叶片的力学性能有了新的飞跃。另外，对面心立方晶体的磁性材料，如铁等，当铸态柱晶沿晶向取向时，因与磁化方向一致，而大大改善其磁性。

4.2制备柱状晶铸件49定向凝固柱状晶铸件与用普通方法得到的铸件1171184.2.1高温合金制备

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。

高温合金504.2.1高温合金制备高温合金是118119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有意的力学性能而获得长足的发展。MAR—M200中温性能尤其是中温塑性很低，作为涡轮叶片在工作中常发生无预兆的断裂。51采用定向凝固技术生产的高温合金基本上消除了垂直于119120

在MAR—M200基础上研究成功的定向凝固高温合金PWA1422不仅具有良好的中高温蠕变断裂强度和塑性,而且具有比原合金高5倍的热疲劳性能，在先进航空航天发动机上获得广泛的应用。在激光超高温度梯度定向凝固条件下，超高温梯度和较快凝固速度共同作用，使镍基高温合金高度细化，同常规凝固相比，组织细化36倍，而且得到了新颖的超细胞状晶组织，该组织是镍基合金的定向凝固组织，组织的微观偏析大大得到改善，甚至消除。52在MAR—M200基础上研究成功的定向凝固高温合1201214.2.2高温超导体材料的制备氧化钇钡铜（YttriumBariumCopperOxide，YBCO）YBCO高温超导体由于具有高温临界电流密度和低的导热率，是做电线的潜在材料。

定向凝固制备的YBCO单畴中包含大量平行取向的片层,各片层具有共同的c-轴,片层之间的亚晶界终止于晶体内部而没有贯穿整个晶体,因而整个晶体相当于一个准单晶,这种特征保证可以得到高临界电流密度(77K时，大于104A/cm2)。高温超导体材料534.2.2高温超导体材料的制备氧化钇钡铜（Yttri121122有学者研究了在不同体积分数时的jc-B特性和沿长度方向Y211相晶粒组织，他们发现在YBCO超导棒条体的中间段jc-B特性最优，并用此部位的棒条体做成电线，在ab面平行于所在磁场方向处，当温度为77K，磁场强度为3T时，其临界电流为380A。

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