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第五章 定向凝固技术 站长素材 SC.CHINAZ.COM 5.1定向凝固的发展历史 定向凝固过程的理论研究的出现是在1953年，那是Charlmers及其他的同事们在定向凝固方法考察液/固界面形态演绎的基础上提出了被人们称之为定量凝固科学的里程碑的成分过冷理论。 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。 5.2 定向凝固基本原理 定向凝固技术 的基本定义 定向凝固理论 定向凝固技术的适用范围 定向凝固技术的工艺参数 凝固过程中固液界面前沿液相中的温度梯度GL 固液界面向前推进的速度R GL/R值是控制晶体长大形态的重要判据。 5.2.2 定向凝固理论 固液界面液相区内形成成分过冷条件 6.2.3 定向凝固技术的适用范围 1.单晶生长 2.柱状晶生长 3.高温合金制备 4.磁性材料的制备 5.高温超导体材料的制备 6.功能材料的制备 7.复合材料的制备 8.多孔材料的制备 9.单晶连铸坯的制备 6.3 定向凝固工艺 定向凝固理论 定向凝固过程的生产设备 定向凝固过程的参数 定向凝固织构中的晶体学条件 相变中的织构演变 6.3.1 定向凝固理论 1. 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） 2. 新型定向凝固技术 超高温度梯度定向凝固（ZMLMC） 电磁约束成形定向凝固（DSEMS） 深过冷定向凝固 激光超高温梯度快速凝固技术（LRM） 连续定向凝固技术（OCC法） 超高温度梯度定向凝固（ZMLMC） 电磁约束成形定向凝固（DSEMS） 深过冷定向凝固 激光超高温梯度快速凝固技术（LRM） 连续定向凝固技术（OCC法） 5.3.2 定向凝固过程的生产设备 HRS生产设备 LMC工艺设备 ZMLMC定向凝固装置 电磁约束成形定向凝固装置 连续凝固装置原理 1.HRS生产设备 2.LMC工艺设备 3.ZMLMC定向凝固装置 定向凝固技术的不足 工业上广泛应用的快速凝固法，其温度梯度只能达到100K/cm左右，凝固速率很低，导致凝固组织粗大，偏析严重，致使材料的性能千里没有得到充分发挥；ZMLMC法虽然可以大袋较高的温度梯度，是组织细化，的性能显著提高，但尚只能使用于实验室研究，无法实现工业生产。 4. 电磁约束成形定向凝固装置 5. 连续凝固装置原理 6.3.3定向凝固过程的参数 6.3.4 定向凝固织构中的晶体学条件 6.3.5 相变中的织构演变 Thank you 从液态的纯铁到室温的固态α-Fe，铁发生了一系列的相变。其中包括三次一级相变（L→δ，δ→γ，γ→α），一次二级相变（磁性转变）。相变中的原子位移必然导致微观晶体取向相对于宏观坐标的变化，从而改变织构指数。 在材料相变的前提下，材料有两种织构，一是由固液转变过程形成的织构，我们称之为初始织构，而是材料在初始织构的基础上，通过材料的相变所变异的织构称之为相变织构。显然，探讨定向凝固条件下的熔体凝固过程中形成的织构，必定应该把注意集中于L液 →δ的液固相转变。 然而，即便是高温织构测量设备也无法测量到存在于1394℃以上的δ相晶粒取向，同时δ相不能保存到室温（对于纯度较高的铁尤甚）。因此，对于纯铁定向凝固织构，只能通过对α-Fe相变织构的探测，推演到δ–Fe初始织构。 在金属材料的许多固态相变中，尽管晶体结构及晶胞大小相变前后发生变化（比如，BCC结构的δ–Fe点阵常数为0.2932nm；FCC结构的γ-Fe的点阵常数为0.3564nm；BCC结构的α-Fe点阵常数为0.2860nm），但相变前后的两相往往存在固有取向关系，如Bain关系，K-S关系或西山关系等。 迄今为止，尚无报道定向凝固中的相变织构，本研究证实围绕着这一课题展开。极具巧合的是，包含相变的定向凝固过程为研究相变织构在温度梯度下的变体选择提供较好的先决条件，原因是经过近平衡态的定向凝固织构已经排除了形变织构和再结晶织构（即应力和回复力）的干扰，使得相变织构的分析简单化。 5.4定向凝固法应用实例 1. 定向凝固制备Al2O3-Al2TiO5 实验采用激光加热浮区法制备直径4mm的试验棒，拉晶速率为5-10mm/min，原材料为高纯度Al2O3 (99.999wt.%)和Al2TiO5 (99.95wt.%，主要杂质为SiO2)，制备三种不同材料分别为：富Al2O3区(20wt.% Al2TiO5，11mol%TiO2)，中间区(5