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
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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。
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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
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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
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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
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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
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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。
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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
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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
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（2）MS理论
GL mL (1 k0 ) C0 R DL k0
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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
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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
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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。
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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
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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
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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
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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。
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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
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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
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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
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