定向凝固的特点.doc

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1、在熔模铸造型壳中建立特定方向的温度梯度，使熔融合金沿着与热流相反的方向按照要求的结晶取向凝固的一种铸造工艺。定向凝固由于消除了横向晶界，从而提高了材料抗高温蠕变和疲劳的能力。定向凝固铸件的组织分为柱状、单晶和定向共晶3种。铸件定向凝固需要两个条件：首先，热流向单一方向流动并垂直于生长中的固-液界面；其次,晶体生长前方的熔液中没有稳定的结晶核心。难熔金属及合金在航空航天、电子信息、能源、化工、冶金和核工业等国防及民用领域有着不可替代的作用，受到世界各国的高度重视，已成为材料科学界最为活跃的研究领域之一。本文采用电

2、子束悬浮区熔技术(EBFZM)探索难熔金属钼单晶的低成本电子束悬浮区熔定向凝固工艺，研究了钼单晶的无籽晶法和籽晶法定向凝固组织演变及生长机理，考察了晶体的力学性能与工艺参数和凝固组织的关系。本文的研究工作主要分为三部分：(一)成功地设计了新型电子束悬浮区熔电子枪，实现了快速、均匀、稳定的电子束悬浮区熔定向凝固。(二)采用无籽晶法电子束悬浮区熔定向凝固技术，利用粉末烧结冶金级钼和电弧熔炼高纯钼，经多次区熔获得了取向为(110)的定向凝固多晶钼。研究结果表明：定向凝固钼晶体的生长符合竞争生长机制，晶体取向与热流方向

3、偏离较大的晶粒的生长被抑制，大角度晶界数量明显减少；随着区熔速率的增大，小角度晶界数量明显增多；区熔定向凝固使得晶体纯度提高，成分分布均匀；显微硬度的测试结果表明，定向凝固钼晶体晶界处的硬度明显高于晶内，晶粒内硬度值趋于一致。随着区熔速率的升高，显微硬度降低随着全球经济的发展，人类对能源的需求不断增长，石油、煤炭等不可再生资源日益枯竭。太阳能作为一种清洁的可再生能源，其研究和开发得到了快速发展。光伏产业的爆发式增长使得太阳能级多晶硅材料的供给出现巨大缺口。传统的西门子法已经不能满足光伏市场的发展需求。物理冶金法

4、具有投资小、成本低等优点而受到各国的广泛关注。定向凝固工艺是物理冶金法制备太阳能级多晶硅的一个重要环节。它通过控制温度场变化使得铸锭单向生长，并利用分凝效应将杂质元素富集到铸锭顶部，以达到提纯的目的。本课题采用自行设计的真空感应熔炼炉，以熔炼后直接拉锭方式对工业硅进行了定向凝固提纯研究及工艺优化，并对铸锭组织、成分及电阻率分布进行分析，系统评价了定向凝固对工业硅的提纯效果。研究结果表明：工业硅一次定向凝固铸锭中约有50％区域达到4n，其中fe、cu、ni、ti等金属杂质去除率在96％以上;取该区域材料进行二次定

5、向凝固，大部分金属杂质含量降到10-6以内，金属杂质总含量在5×10-6以内;降低拉锭速率或增大坩埚尺寸可以使固液界面趋于平直，以增加提纯效果;一次定向凝固后，杂质在固液界面的不断富集使得粗大柱状晶在一定高度停止生长，出现断层：断层下部为p型硅材料，电阻率随p元素增加，在竖直方向增大，并在断层处达到最大值;断层上部为n型硅材料，电阻率随高度增加迅速趋近于0;在二次定向凝固铸锭中，柱状晶生长延伸至铸锭顶部，无断层出现，整体电阻率较一次铸锭p型区域降低。自1965年美国普拉特·惠特尼航空公司采用高温合金定向凝固技术

6、以来，这项技术已经在许多国家得到应用。采用定向凝固技术可以生产具有优良的抗热冲击性能、较长的疲劳寿命、较好的蠕变抗力和中温塑性的薄壁空心涡轮叶片。应用这种技术能使涡轮叶片的使用温度提高10～30°C，涡轮进口温度提高20～60°C，从而提高发动机的推力和可靠性，并延长使用寿命。