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1、定向凝固技术一定向凝固及其原理二定向凝固技术的发展三定向凝固在新材料研究与开发中的应用定向凝固材料的使用性能在很大程度上取决于其组织特征,包括组织的形态、大小、分布及不同组织的相对含量等。定向凝固技术可较好地控制凝固组织晶粒取向,消除横向晶界,获得柱晶或单晶组织,提高材料的纵向力学性能。因此，定向凝固技术己成为富有生命力的工业生产手段,代表着航空发动机涡轮叶片生产的现代水平。定向凝固技术除用于高温合金的研制外,还逐渐应用到半导体材料、磁性材料、复合材料的研制中,并成为凝固过程理论研究的重要手段之一。所谓定向凝固，就是指在凝固过程中采用强制手段，在凝固金属样未凝固熔体中建立起沿特定
2、方向的温度梯度，从而使熔体在气壁上形核后沿着与热流相反的方向，按要求的结晶取向进行凝固的技术。涡轮叶片光学晶体光学晶体CaF2(左1:φ220×150mm).定向凝固原理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，获得具有特定取向柱状晶的技术。定向凝固技术是在高温合金的研制中建立和完善起来的。该技术最初用来消除结晶过程中生成的横向晶界，甚至消除所有晶界，从而提高材料的高温性能和单向力学性能。在定向凝固过程中温度梯度和凝固速率这两个重要的凝固参数能够独立变化，可以分别研究它们对凝固过程的影响。这既促进了凝
3、固理论的发展，也激发了不同定向凝固技术的出现。定向凝固技术的发展传统的定向凝固技术主有：1.炉外结晶法(发热铸型法)2.炉内结晶法{1功率降低法(PD法)2快速凝固法(HRS)3液态金属冷却法(LMC法)}。然而传统定向凝固技术存在着它的不足之处，不论是炉外法，还是炉内法，也不论是功率降低法，还是快速凝固法，它们的主要缺点是冷却速度太慢，即使是液态金属冷却法，其冷却速度仍不够高，这样产生的一个弊端就是使得凝固组织有充分的时间长大、粗化，以致产生严重的枝晶偏析，限制了材料性能的提高。为了进一步细化材料的组织结构，减轻甚至消除元素的微观偏析，有效地提高材料的性能，就需提高凝固过程的冷
4、却速率。在定向凝固技术中，冷却速率的提高，可以通过提高凝固过程中固液界面的温度梯度和生长速率来实现。在此基础上形成了一些新型定向凝固的方法：1超高梯度定向凝固技术(ZMLMC)；2 深过冷定向凝固；3 电磁约束成形定向凝固技术；4 激光超高温度梯度快速定向凝固；传统定向凝固技术炉外法又叫发热剂法，是定向凝固工艺中最原始的一种。基本原理：将铸型预热至一定温度后，迅速放到激冷板上并进行浇铸，激冷板上喷水冷却，从而在金属液和已凝固金属中建立一个自下而上的温度梯度，实现单向凝固。也有采用发热铸型的，铸型不预热，而是将发热材料充在铸型壁四周，底部采用喷水冷却。发热剂（炉外法）缺点：温度梯度
5、不大而且很难控制，不适合大型、优质件的生产优点：工艺简单、生产成本低功率降低法（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。功率降低法缺点：设备较复杂，能耗消耗比较大，温度梯度小优点：温度梯度容易难控制高速凝固法（HRS法）工艺特点：将铸型以一定速度从炉中移出，或者炉子以一定的速度移离铸件，并采用空冷方式。对流传热——辐射传热避免炉膛的影响而且利用空气冷却，所获得的柱状晶间距小，细密挺直，组织均匀高速凝固法液态金属冷却法（LMC法）以液态金属代替水，作为模壳的冷却介质，模壳直接浸入液态金属冷
6、却剂中，散热大大加强，以至在感应器底部迅速发生热平衡，造成很高的GTL，几乎不依赖浸入速度。影响因素：1冷却剂的温度2模壳传热性、厚度和形状3挡板位置4熔液温度5液态金属冷却剂的选择条件：6有低的蒸气压，可在真空中使用7熔点低，热容量大，热导率高8不溶解在合金中9价格便宜流态床冷却法（FBQ法）在相同条件下，液态金属冷却法的温度梯度GTL为100～300℃/cm，流态床冷却法的温度梯度GTL为100～200℃/cm，两者的凝固速率和糊状区宽度相同，分别50～80cm/h和1cm工艺比较新型定向凝固技术区域熔化液态金属冷却法(ZMLMC)ZMLMC法是采用区域熔化和液态金属冷却相结
7、合的方法。它利用感应加热,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。由于冷却速率明显提高,导致凝固组织细化,大幅度提高了合金的力学性能深过冷定向凝固技术过冷熔体中的定向凝固首先由B.Lux等人在1981年提出基本原理：将盛有金属液的坩锅置于一激冷基座上,在金属液被动力学过冷的同时,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,其间是残余的金属液。在随后的冷却过程中,这些金属液依靠向外
