定向凝固技术

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1、大连交通大学材料科学与工程学院定向凝固技术1、定向凝固的研究状况定向凝固成形技术是伴随高温合金的发展而逐渐发展起来的，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。定向凝固技术很好的控制了凝固组织的晶粒取向，消除横向晶界，提高了材料的纵向力学性能，因而自美国普拉特·惠特尼航空公司采用高温合金定向凝固技术以来，这项技术得到广泛的应用。1.1定向凝固理论的研究定向凝固理论的研究，主要涉及定向凝固中液-固界面形态及其稳定性，液-固界面处

2、相变热力学、动力学，定向凝固过程晶体生长行为以及微观组织的演绎等，其中包括成分过冷理论、MS界面稳定性、线性扰动理论、非线性扰动理论等。从Chalmers[1]等的成分过冷理论到Mullins[2]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。下面主要分析一下成分过冷理论和界面稳定性理论。（1）成分过冷理论成分过冷理论是针对单相二元合金凝固过程界面成分的变化提出的，如对于平衡分配系数小于1的合金在冷却下来时，由于溶质在固相和液相中的分配系数不同，溶质原子随着凝固的进行，被排挤到液相中去，并形成一定的浓度梯度

3、，与这种溶质梯度相对应的液相线温度与真实温度分布之间有不同的值，其差值大于零时，意味着该部分熔体处于过冷状态，有形成固相的可能性而影响界面的稳定性。Chalmers等人通过分析得出了成分过冷的判据，确定了合金凝固过程中固液界面前沿的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和凝固速度的商和积。前者决定了界面形态，而后者决定了晶体的显微组织（即枝晶间距或晶粒大小）[3]。成分过冷理论能成功的判定无偏析特征的平面凝固的条件，避免胞晶或枝晶的生成。但是成分过冷理论只考虑了温度梯度和浓度梯度这两个具有相反效应的

4、因素对界面稳定性的影响，忽略了非平面界面的表面张力、凝固时的结晶潜热及固相中温度梯度等的影响。[4]（2）MS稳定性理论针对成分过冷理论存在的问题，Mullins5大连交通大学材料科学与工程学院等研究人员研究了温度场和浓度场的干扰行为、干扰振幅和时间的依赖关系以及它们对界面稳定性的影响，在1964年提出了界面稳定性的动力学理论（MS稳定性理论），总结出平界面绝对稳定性判据。MS稳定性理论成功的预言了[5]：随着生长速度的增加，固液界面形态将经历从平界面-胞晶-树枝晶-胞晶-带状组织-绝对稳定平界面的转变。近年来对MS理论界面稳定

5、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。但是这种理论只适合稀溶液，即低溶质质量分数的情况，并且忽略了凝固速率对溶质分配因数的影响。1.2定向凝固技术的研究熔体中的热流垂直于固/液界面并严格的单向导出，是定向凝固成功的关键。伴随着对热流控制技术的发展，研究者对定向凝固技术进行多种方法的改进，不断细化材料的结构组织，大大提高了温度梯度和凝固速度，制备出的材

6、料性能大幅度提高。伴随着对热流控制（不同的加热、冷却方式）技术的发展，传统定向凝固技术经历了发热剂法（EP）、功率降低法(PD)、高速凝固法(HRS)、液态金属冷却法(LMC)、流态床冷却法(FBQ)等多种方法的发展。传统定向凝固工艺的主要缺点[6]是冷却速度慢，这样就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。造成冷却速度慢的主要原因是凝固界面与液相中最高温度面距离太远，固液界面并不处于最佳位置，因此所获得的温度梯度不大，这样为了保证界面前液相中没有稳定的结晶核心的形成，所能允许的最大凝固

7、速度就有限。为了进一步提高定向凝固过程中的温度梯度，从而提高凝固速度，最终提高材料的性能，研究者在传统定向凝固技术的基础上，吸收了其它凝固技术如快速凝固等的优点，开发出了一些新的定向凝固技术。这些新型定向凝固技术[7]包括区域熔化液态金属冷却法（ZMLMC）、深过冷定向凝固(DUDS）、电磁约束成形定向凝固技术(DSEMS）、激光超高温度梯度快速定向凝固（LRM）。新型定向凝固技术提高了凝固速度，进而得到组织性能更加优越的材料，使得定向凝固技术的使用范围更广。1、定向凝固的特征及应用2.1定向凝固的特征5大连交通大学材料科学与工

8、程学院根据定向凝固的理论研究和技术研究，可知定向凝固的热流是单向的，因此其性能是各向异性、晶间杂质少、组织致密、缩松少。定向凝固技术所得到的材料综合性能提高很多，更有利于定向凝固技术的广泛应用。但是定向凝固技术凝固时枝晶相向生长的界面杂质多，性能较差，因此其不能