定向凝固理论与技术发展

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1、定向凝固理论与技术发展摘要定向凝固技术是研究凝固理论和新型功能材料的重要手段。从定向凝固技术的演化过程看，是温度梯度不断提高、冷却速度不断加快的过程。简要回顾了定向凝固理论与技术的研究发展历程，分析了各种凝固技术的利弊，展望了凝固理论与技术的发展。关键词：凝固理论，温度梯度，冷却速度，定向凝固理论AbstractDirectionalsolidificationtechnologyisanimportantmeanstostudythesolidificationtheoryandnewfunctionalmaterials.Fromtheevolutionaryproc

2、essofdirectionalsolidificationtechnologyisaprocessofincreasingtemperaturegradientandcoolingvelocity.Itisabriefreviewofthedevelopmentcourseofthedirectionalsolidificationtheoryandtechnology,analysestheadvantagesanddisadvantagesofvarioussolidificationtechnology,andmakesaprospectofsolidificat

3、iontheoryandtechnology.Keywords:solidificationtheory,temperaturegradient，temperaturegradient，directionalsolidificationtheory1引言定向凝固是指在凝固过程中采用强制手段,在凝固金属和未凝固金属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,最终得到具有特定取向柱状晶的技术。这类材料晶界在高温受力条件下是较薄弱的地方,因为晶界处原子排列不规则,杂质较多,扩散较快[1]。于是人们利用定向凝固技术让晶粒沿受力方向生长,消除横向晶界,以提高

4、其高温性能。定向凝固技术的最主要应用是生产具有均匀柱状晶组织的铸件，特别是在航空领域生产高温合金的发动机叶片，与普通铸造方法获得的铸件相比，它使叶片的高温强度、抗蠕变和持久性能、热疲劳性能得到大幅度提高。对于磁性材料，应用定向凝固技术，可使柱状晶排列方向与磁化方向一致，大大改善了材料的磁性能。定向凝固技术也是制备单晶的有效方法。定向凝固技术还广泛用于自生复合材料的生产制造，用定向凝固方法得到的自生复合材料消除了其它复合材料制备过程中增强相与基体间界面的影响，使复合材料的性能大大提高。定向凝固技术作为功能晶体的生长和材料强化的重要手段，具有重要的理论意义和实际应用价值。2定

5、向凝固理论基础研究发展2.1定量凝固科学的基础理论研究定向凝固技术的一个重要应用就是用于凝固理论的研究,定向凝固技术的发展直接推动了凝固理论的发展和深入。从Chalmers等的成分过冷到Mullins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。合金在凝固过程中，其固液界面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与凝固速度的商与积。前者决定了界面的形态，而后者决定了晶体的显微组织(即枝晶间距或晶粒大小)[2]。MS理论成功地预言了：随着生长速度的提高，固液界面形态将经历从平界面→胞晶→树枝晶→胞晶→带状组织→绝对稳定平界面

6、的转变。近年来对MS理论界面稳定性条件所做的进一步分析表明，MS理论还隐含着另一种绝对性现象，即当温度梯度G超过一临界值时，温度梯度的稳定化效应会完全克服溶质扩散的不稳定化效应，这时无论凝固速度如何，界面总是稳定的，这种绝对稳定性称为高梯度绝对稳定性2定向凝固技术的应用基础理论研究定向凝固技术的应用基础研究，主要涉及定向凝固过程的热场、流动场及溶质场的动态分析、定向组织及其控制以及组织与性能关系等。多年来通过生产实践与定向凝固应用基础研究，总结出得到优质定向组织的四个基本要素：①热流的单向性或发散度；②热流密度或温度梯度；③冷却速度或晶体生长速度；④结晶前沿液态金属中的形

7、核控制[3]。人们围绕上述四个基本要素的控制做了大量的研究工作，随着热流控制技术的发展，凝固技术也不断向前发展。3常规定向凝固技术传统的定向凝固技术主要有发热剂法(EP法)、功率降低法(PD法)、高速凝固法(HRS法)、液态金属冷却法(LMC法)等[4]。3.1发热剂法[5]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。Versnyder等早在20世纪50年代就应用于试验中。其基本原理是：将铸型预热到一定温度后，迅速放到激冷板上并立即进行浇注，冒口上方覆盖发热剂，激冷板下方喷水冷却，从而在金属液和已凝固金属中建立起一个