定向凝固的特點(diǎn).doc

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1、在熔模鑄造型殼中建立特定方向的溫度梯度，使熔融合金沿著與熱流相反的方向按照要求的結(jié)晶取向凝固的一種鑄造工藝。定向凝固由于消除了橫向晶界，從而提高了材料抗高溫蠕變和疲勞的能力。定向凝固鑄件的組織分為柱狀、單晶和定向共晶3種。鑄件定向凝固需要兩個條件：首先，熱流向單一方向流動并垂直于生長中的固-液界面；其次,晶體生長前方的熔液中沒有穩(wěn)定的結(jié)晶核心。難熔金屬及合金在航空航天、電子信息、能源、化工、冶金和核工業(yè)等國防及民用領(lǐng)域有著不可替代的作用，受到世界各國的高度重視，已成為材料科學(xué)界最為活躍的研究領(lǐng)域之一。本文采用電

2、子束懸浮區(qū)熔技術(shù)(EBFZM)探索難熔金屬鉬單晶的低成本電子束懸浮區(qū)熔定向凝固工藝，研究了鉬單晶的無籽晶法和籽晶法定向凝固組織演變及生長機(jī)理，考察了晶體的力學(xué)性能與工藝參數(shù)和凝固組織的關(guān)系。本文的研究工作主要分為三部分：(一)成功地設(shè)計了新型電子束懸浮區(qū)熔電子槍，實(shí)現(xiàn)了快速、均勻、穩(wěn)定的電子束懸浮區(qū)熔定向凝固。(二)采用無籽晶法電子束懸浮區(qū)熔定向凝固技術(shù)，利用粉末燒結(jié)冶金級鉬和電弧熔煉高純鉬，經(jīng)多次區(qū)熔獲得了取向?yàn)?110)的定向凝固多晶鉬。研究結(jié)果表明：定向凝固鉬晶體的生長符合競爭生長機(jī)制，晶體取向與熱流方向

3、偏離較大的晶粒的生長被抑制，大角度晶界數(shù)量明顯減少；隨著區(qū)熔速率的增大，小角度晶界數(shù)量明顯增多；區(qū)熔定向凝固使得晶體純度提高，成分分布均勻；顯微硬度的測試結(jié)果表明，定向凝固鉬晶體晶界處的硬度明顯高于晶內(nèi)，晶粒內(nèi)硬度值趨于一致。隨著區(qū)熔速率的升高，顯微硬度降低隨著全球經(jīng)濟(jì)的發(fā)展，人類對能源的需求不斷增長，石油、煤炭等不可再生資源日益枯竭。太陽能作為一種清潔的可再生能源，其研究和開發(fā)得到了快速發(fā)展。光伏產(chǎn)業(yè)的爆發(fā)式增長使得太陽能級多晶硅材料的供給出現(xiàn)巨大缺口。傳統(tǒng)的西門子法已經(jīng)不能滿足光伏市場的發(fā)展需求。物理冶金法

4、具有投資小、成本低等優(yōu)點(diǎn)而受到各國的廣泛關(guān)注。定向凝固工藝是物理冶金法制備太陽能級多晶硅的一個重要環(huán)節(jié)。它通過控制溫度場變化使得鑄錠單向生長，并利用分凝效應(yīng)將雜質(zhì)元素富集到鑄錠頂部，以達(dá)到提純的目的。本課題采用自行設(shè)計的真空感應(yīng)熔煉爐，以熔煉后直接拉錠方式對工業(yè)硅進(jìn)行了定向凝固提純研究及工藝優(yōu)化，并對鑄錠組織、成分及電阻率分布進(jìn)行分析，系統(tǒng)評價了定向凝固對工業(yè)硅的提純效果。研究結(jié)果表明：工業(yè)硅一次定向凝固鑄錠中約有50％區(qū)域達(dá)到4n，其中fe、cu、ni、ti等金屬雜質(zhì)去除率在96％以上;取該區(qū)域材料進(jìn)行二次定

5、向凝固，大部分金屬雜質(zhì)含量降到10-6以內(nèi)，金屬雜質(zhì)總含量在5×10-6以內(nèi);降低拉錠速率或增大坩堝尺寸可以使固液界面趨于平直，以增加提純效果;一次定向凝固后，雜質(zhì)在固液界面的不斷富集使得粗大柱狀晶在一定高度停止生長，出現(xiàn)斷層：斷層下部為p型硅材料，電阻率隨p元素增加，在豎直方向增大，并在斷層處達(dá)到最大值;斷層上部為n型硅材料，電阻率隨高度增加迅速趨近于0;在二次定向凝固鑄錠中，柱狀晶生長延伸至鑄錠頂部，無斷層出現(xiàn)，整體電阻率較一次鑄錠p型區(qū)域降低。自1965年美國普拉特·惠特尼航空公司采用高溫合金定向凝固技術(shù)

6、以來，這項(xiàng)技術(shù)已經(jīng)在許多國家得到應(yīng)用。采用定向凝固技術(shù)可以生產(chǎn)具有優(yōu)良的抗熱沖擊性能、較長的疲勞壽命、較好的蠕變抗力和中溫塑性的薄壁空心渦輪葉片。應(yīng)用這種技術(shù)能使渦輪葉片的使用溫度提高10～30°C，渦輪進(jìn)口溫度提高20～60°C，從而提高發(fā)動機(jī)的推力和可靠性，并延長使用壽命。