单晶材料的制备PPT.ppt

单晶材料的制备 ;单晶材料的发展与概述;晶体学的发展;;;单晶体的基本性质 （1）均匀性 （2）各向异性 （3）自限性 （4）对称性 （5）最小内能和最大稳定性;单晶材料制备方法;固相—固相平衡的晶体生长;晶粒长大示意图;与晶界曲率相关的晶界运动;晶粒间界形核示意图;应变退火法制备铝单晶;基本理论 定向凝固技术 提拉法 泡生法 区域熔化技术;;基本理论;2. 形核理论;均匀成核：;非均匀成核：;温度梯度分布对晶体 生长方式的影响; 在晶体生长过程中，当不存在成分过冷时，如果在平直的固液界面上由于不稳定因素扰动产生凸起，也会由于过热的环境将其熔化而继续保持平面界面。;4.熔体生长过程的特点: ;;;;;1.定向凝固的发展历史 2.定向凝固基本原理 3.定向凝固技术 4.定向凝固设备;1. 定向凝固的发展历史; 在20世纪60年代，定向凝固技术成功的应用于航空发动机涡轮叶片的制备上，大幅度提高了叶片的高温性能，使其寿命加长，从而有力地推动了航空工业发展。 ;;2. 定向凝固基本原理——成分过冷理论;(2) 定向凝固技术的工艺参数;(a)温度梯度GL 对一定成分的合金来说，从熔体中定向地生长晶体时，必须在固液界面前沿建立必要的温度梯度，以获得某种晶体形态的定向凝固组织，温度梯度大小直接影响晶体的生长速率和晶体的质量。 ;(b)凝固速率R 采用功率降低法时，定向凝固的铸件在凝固时所释放的热量，只靠水冷结晶器导出；随着凝固界面的推移，结晶器的冷却效果越来越小，因而凝固速率不断减缓。快速凝固法，凝固速率实际上取决于铸型或炉体的移动速率。通常将固-液界面稳定在辐射板附近，使之达到一定的GL/R值，保证晶体稳定生长。 ;(3)定向凝固技术;A 传统定向凝固技术;（1）发热剂法;（2）功率降低法（PD法）;（3）快速凝固法（HRS）;（4）液态金属冷却法（LMC法）;（5）流态床冷却法（FBQ法）;B 新型定向凝固技术;超高温度梯度定向凝固（ZMLMC）; 这种方法将区域熔炼与液态金属冷却相结合，利用感应加热机中队了凝固洁面前沿液相进行加热，从而有效地提高了固液前沿的温度梯度。西北工业大些研制的ZMLMC定向凝固装置，其最高温度梯度可达1300K/cm,最大冷却速度可达50K/s。凝固速度可在6~1000um/s内调节。 ;1.试样 2.感应圈 3.隔热板 4.冷却水 5.液态金属 6.拉锭机构 7.熔区 8.坩埚 超高温度梯度定向凝固装置图;电磁约束成形定向凝固（DSEMS）;深过冷定向凝固;深过冷定向凝固实验过程的实验原理图;激光超高温梯度快速凝固技术（LRM）;连续定向凝固技术（OCC法） ;（4） 定向凝固过程的生产设备;HRS生产设备;快速凝固法（HRS法）是在最初的功率降低法的基础上吸取了Bridgman-Stockbarger晶体生长技术发展而来的，其设备原理图如图所示。 ; 将整个模壳置于加热炉中，底部放在冷却器上，在凝固时铸型加热器始终加热，铸件的冷却凝固是通过铸件液与加热器之间的相对位移实现的；另外，在热区底部使用辐射挡板和水冷套，因此在挡板附近具有较大的温度梯度GLGS。与功率降低法相比，HRS法大大缩小了凝固前沿两相区，GL高出4-5倍，温度梯度的提高，增大了局部冷却速率，有利于细化组织。 ;LMC工艺设备;当合金液浇入型壳时，以一定的速度将型壳拉出炉体，浸入金属浴中，用作冷却剂的液态金属水平面摆出在凝固的固液界面附近处，作为冷却剂的液态金属必须具有：熔点低，有良好的热学性能；不溶于合金中；在高真空条件下蒸汽压低；价格便宜的特点。;ZMLMC定向凝固装置;定向凝固技术的不足;电磁约束成形定向凝固装置;电磁约束近终成形原理示意图;连续凝固装置原理; 目前国内外应用连续定向凝固法已成功拉制出了具有各种圆形截面及异形截面形状，如圆棒、圆管、椭圆管、多边形棒、异形棒等的单晶型材；另外也可生产出有芯材料或同轴异质等复合材料。;电磁约束近终成形原理示意图;4.3.3 提拉法 ;籽晶;籽晶杆;1. 原理;提拉法晶体生长装置示意图;提拉炉实物图 ;3. 提拉法技术操作要点;4. 主要优缺点;缺点：;4.3.4 晶体泡生法;泡生法的技术要点如下： （1）将籽晶浸入坩锅内的熔体中，当籽晶微溶后，降低炉温，或者通过冷却籽晶杆的办法，使籽晶附近熔体过冷，晶体开始生长。 （2）使熔体保持一定的温度，晶体继续生长，当晶体长到一定的大小后，熔体已将耗尽，将晶体提出液面，再缓慢降温，使晶体退火。 一般常用这种方法生长碱卤化物等光学晶体。;泡生法与提拉法的区别：;4.3.5 区域熔化技术;1. 水平区熔法（1952年）;2. 浮区法（垂直区熔法）（1953年）;浮区法技术要点如下：;4.4 常