定向凝固和单晶制备技术.ppt

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1、专题二：定向凝固和单晶制备技术报告人：徐志欣专业：材料加工工程学号：1400203061定向凝固技术1定向凝固技术概述传统定向凝固技术新型定向凝固技术234定向凝固技术概述1随着20世纪60年代后期大量能源相关的设备需求不断增加，如核电站的开发、大型压力容器的运用，相对应的用于这些设备的大型板类件也迅速增加，从而对这些板件的性能要求也逐渐严格，例如疏松、偏析、非金属夹杂等。甚至还要求有良好的铸造性能和焊接性能，这就对传统的普通锭生产工艺提出了挑战。正是在这个背景下，日本与法国在70年代末期相继提出了小高径比、高冷却强度的定向凝

2、固锭技术。1定向凝固技术的背景1.1定向凝固技术概述1定向凝固在工业和高科技方面有重要的运用，在生产领域中，磁性材料、航空航天材料、和地面燃油机涡轮叶片、复合材料、以及各种功能材料。1定向凝固技术的发展图1：最左边那个是原本金属晶体颗粒，中间那个是单方向晶体，右边那个就是单晶叶片。1.2定向凝固技术概述1定向凝固在研究领域主要研究金属凝固和晶体生长的基本手段，从某种意义上讲，凝固和晶体生长的理论发展以及新材料的研发取决于当时定向凝固的发展水平。定向凝固技术的发展图2典型铸锭的晶区结构11.2表层细晶区柱状晶区中心等轴晶区定向凝

3、固技术概述1定向凝固技术的理论基础是凝固和晶体生长理论，20世纪的几项技术极大促进定向凝固技术的发展。定向凝固技术的理论基础20世纪20-30年代Bridgeman-Stockbarger技术奠定了现代单晶生长和定向凝固的理论基础。11.3Bridgeman-Stockbarger技术又称为坩埚下降法，是一种常见的晶体生长方法，原理：通过加热是的坩埚中的材料被熔融，当坩埚持续下降过程中，底部的温度先降低熔点以下，开始结晶，晶体从而不断的长大而形成。这种方法常用于制备碱金属和碱式金属化合物以及氟化物单晶。定向凝固技术概述1定向凝

4、固技术的理论基础20世纪60年代末Versnyder提出的高温合金定向凝固方法，使得涡轮叶片的制备技术发生了革命性变化，成为材料制备历史上的里程碑之一。11.3高温合金定向凝固方法（典型的涡轮叶片）原理：用柱状晶的同方向凝固，将细长的柱状晶朝着凝固方向平行涡轮叶片运转产生的离心力，从而形成单晶叶片。20世纪60年代末Jackon和Hunt发明的低熔体有机物模拟定向方法开辟了凝固过程和微观组织演化实时观察的新时代，从而推动了金属凝固理论的发展。定向凝固技术概述1凝固和晶体生长理论11.3定向凝固技术概述1成分过冷理论成分过冷是指

5、凝固时由于溶质再分配造成固液界面前沿溶质浓度变化，引起理论凝固温度的改变在固液界面液相内形成的过冷，而这种由固液界面前方溶质再分配引起的过冷成为成分过冷。图3成分过冷现象成分过冷的不足之处在于不适用于快速凝固领域。1.31定向凝固技术概述1成分过冷理论成分过冷发生的必要条件固液界面前沿溶质的富集而引起溶质再分配固液界面前方的也想实际温度必须到达一定的值才会发生成分过冷现象1.31定向凝固技术概述1界面稳定性的动力学理论也称为绝对稳定理论、MS稳定性理论。Mullins和Sekerka鉴于成分过冷理论的不足，提出一个考虑了溶质浓

6、度场和温度场、固液界面能以及界面动力学的理论。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。图4界面振动是否稳定的正弦现象凝固为稳定状态不足之处固液界面扰动振幅要很小扰动振幅随时间成线性变化三个条件11.3定向凝固技术概述1定向凝固（DirectionalSolidfication）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。定向凝固的定义定向凝固（DirectionalSolid

7、fication）实质在材料部分熔化状态下，通过移动固－液界面，以实现晶体特定方向生长。11.4定向凝固技术概述1定向凝固利用晶体的生长方向与热流方向平行且相反的自然规律，在铸型中建立特定方向的温度梯度使熔融合金沿着与热流方向相反的方向、按照要求的结晶取向进行凝固的铸造工艺。定向凝固的原理图5定向凝固原理图11.5定向凝固技术概述1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。定向凝固的原理在定向凝固过程中温度梯度和凝固速率

8、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。这既促进了凝固理论的发展，也激发了不同定向凝固技术的出现。11.5定向凝固技术传统定向凝固技术新型定向凝固技术炉外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