定向凝固技術(shù)

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1、大連交通大學(xué)材料科學(xué)與工程學(xué)院定向凝固技術(shù)1、定向凝固的研究狀況定向凝固成形技術(shù)是伴隨高溫合金的發(fā)展而逐漸發(fā)展起來的，是在凝固過程中采用強制手段，在凝固金屬和未凝固熔體中建立起特定方向的溫度梯度，從而使熔體沿著與熱流相反的方向凝固，以獲得具有特定取向柱狀晶的技術(shù)。定向凝固技術(shù)很好的控制了凝固組織的晶粒取向，消除橫向晶界，提高了材料的縱向力學(xué)性能，因而自美國普拉特·惠特尼航空公司采用高溫合金定向凝固技術(shù)以來，這項技術(shù)得到廣泛的應(yīng)用。1.1定向凝固理論的研究定向凝固理論的研究，主要涉及定向凝固中液-固界面形態(tài)及其穩(wěn)定性，液-固界面處

2、相變熱力學(xué)、動力學(xué)，定向凝固過程晶體生長行為以及微觀組織的演繹等，其中包括成分過冷理論、MS界面穩(wěn)定性、線性擾動理論、非線性擾動理論等。從Chalmers[1]等的成分過冷理論到Mullins[2]等的界面穩(wěn)定動力學(xué)理論(MS理論)，人們對凝固過程有了更深刻的認識。下面主要分析一下成分過冷理論和界面穩(wěn)定性理論。（1）成分過冷理論成分過冷理論是針對單相二元合金凝固過程界面成分的變化提出的，如對于平衡分配系數(shù)小于1的合金在冷卻下來時，由于溶質(zhì)在固相和液相中的分配系數(shù)不同，溶質(zhì)原子隨著凝固的進行，被排擠到液相中去，并形成一定的濃度梯度

3、，與這種溶質(zhì)梯度相對應(yīng)的液相線溫度與真實溫度分布之間有不同的值，其差值大于零時，意味著該部分熔體處于過冷狀態(tài)，有形成固相的可能性而影響界面的穩(wěn)定性。Chalmers等人通過分析得出了成分過冷的判據(jù)，確定了合金凝固過程中固液界面前沿的形態(tài)取決于兩個參數(shù)：GL/v和GL·v，即分別為界面前沿液相溫度梯度和凝固速度的商和積。前者決定了界面形態(tài)，而后者決定了晶體的顯微組織（即枝晶間距或晶粒大?。3]。成分過冷理論能成功的判定無偏析特征的平面凝固的條件，避免胞晶或枝晶的生成。但是成分過冷理論只考慮了溫度梯度和濃度梯度這兩個具有相反效應(yīng)的

4、因素對界面穩(wěn)定性的影響，忽略了非平面界面的表面張力、凝固時的結(jié)晶潛熱及固相中溫度梯度等的影響。[4]（2）MS穩(wěn)定性理論針對成分過冷理論存在的問題，Mullins5大連交通大學(xué)材料科學(xué)與工程學(xué)院等研究人員研究了溫度場和濃度場的干擾行為、干擾振幅和時間的依賴關(guān)系以及它們對界面穩(wěn)定性的影響，在1964年提出了界面穩(wěn)定性的動力學(xué)理論（MS穩(wěn)定性理論），總結(jié)出平界面絕對穩(wěn)定性判據(jù)。MS穩(wěn)定性理論成功的預(yù)言了[5]：隨著生長速度的增加，固液界面形態(tài)將經(jīng)歷從平界面-胞晶-樹枝晶-胞晶-帶狀組織-絕對穩(wěn)定平界面的轉(zhuǎn)變。近年來對MS理論界面穩(wěn)定

5、性條件所做的進一步分析表明，MS理論還隱含著另一種絕對性現(xiàn)象，即當(dāng)溫度梯度G超過一臨界值時，溫度梯度的穩(wěn)定化效應(yīng)會完全克服溶質(zhì)擴散的不穩(wěn)定化效應(yīng)，這時無論凝固速度如何，界面總是穩(wěn)定的，這種絕對穩(wěn)定性稱為高梯度絕對穩(wěn)定性。但是這種理論只適合稀溶液，即低溶質(zhì)質(zhì)量分數(shù)的情況，并且忽略了凝固速率對溶質(zhì)分配因數(shù)的影響。1.2定向凝固技術(shù)的研究熔體中的熱流垂直于固/液界面并嚴格的單向?qū)С?，是定向凝固成功的關(guān)鍵。伴隨著對熱流控制技術(shù)的發(fā)展，研究者對定向凝固技術(shù)進行多種方法的改進，不斷細化材料的結(jié)構(gòu)組織，大大提高了溫度梯度和凝固速度，制備出的材

6、料性能大幅度提高。伴隨著對熱流控制（不同的加熱、冷卻方式）技術(shù)的發(fā)展，傳統(tǒng)定向凝固技術(shù)經(jīng)歷了發(fā)熱劑法（EP）、功率降低法(PD)、高速凝固法(HRS)、液態(tài)金屬冷卻法(LMC)、流態(tài)床冷卻法(FBQ)等多種方法的發(fā)展。傳統(tǒng)定向凝固工藝的主要缺點[6]是冷卻速度慢，這樣就使得凝固組織有充分的時間長大、粗化，以致產(chǎn)生嚴重的枝晶偏析，限制了材料性能的提高。造成冷卻速度慢的主要原因是凝固界面與液相中最高溫度面距離太遠，固液界面并不處于最佳位置，因此所獲得的溫度梯度不大，這樣為了保證界面前液相中沒有穩(wěn)定的結(jié)晶核心的形成，所能允許的最大凝固

7、速度就有限。為了進一步提高定向凝固過程中的溫度梯度，從而提高凝固速度，最終提高材料的性能，研究者在傳統(tǒng)定向凝固技術(shù)的基礎(chǔ)上，吸收了其它凝固技術(shù)如快速凝固等的優(yōu)點，開發(fā)出了一些新的定向凝固技術(shù)。這些新型定向凝固技術(shù)[7]包括區(qū)域熔化液態(tài)金屬冷卻法（ZMLMC）、深過冷定向凝固(DUDS）、電磁約束成形定向凝固技術(shù)(DSEMS）、激光超高溫度梯度快速定向凝固（LRM）。新型定向凝固技術(shù)提高了凝固速度，進而得到組織性能更加優(yōu)越的材料，使得定向凝固技術(shù)的使用范圍更廣。1、定向凝固的特征及應(yīng)用2.1定向凝固的特征5大連交通大學(xué)材料科學(xué)與工

8、程學(xué)院根據(jù)定向凝固的理論研究和技術(shù)研究，可知定向凝固的熱流是單向的，因此其性能是各向異性、晶間雜質(zhì)少、組織致密、縮松少。定向凝固技術(shù)所得到的材料綜合性能提高很多，更有利于定向凝固技術(shù)的廣泛應(yīng)用。但是定向凝固技術(shù)凝固時枝晶相向生長的界面雜質(zhì)多，性能較差，因此其不能