材料合成與制備新技術(shù)》課件：第五章定向凝固

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1、第五章定向凝固技術(shù)站長素材SC.CHINAZ.COM材料制備與加工技術(shù)的發(fā)展對新材料的研發(fā)、應(yīng)用和產(chǎn)業(yè)化具有決定性作用。同時(shí)還可有效的改進(jìn)和提高傳統(tǒng)材料的使用性能。對傳統(tǒng)材料的產(chǎn)業(yè)更新和改造具有重要作用。定向凝固技術(shù)被廣泛應(yīng)用于獲得具有特殊取向的組織和優(yōu)異性能的材料。2定向凝固的發(fā)展歷史定向凝固基本原理定向凝固工藝應(yīng)用實(shí)例35.1定向凝固的發(fā)展歷史定向凝固過程的理論研究的出現(xiàn)是在1953年，那是Charlmers及其他的同事們在定向凝固方法考察液/固界面形態(tài)演繹的基礎(chǔ)上提出了被人們稱之為定量凝固科學(xué)的里程碑的成分過冷理論。4在20世紀(jì)60年代，定向凝固技術(shù)

2、成功的應(yīng)用于航空發(fā)動(dòng)機(jī)渦輪葉片的制備上，大幅度提高了葉片的高溫性能，使其壽命加長，從而有力地推動(dòng)了航空工業(yè)發(fā)展。近20年來，不僅開發(fā)了許多先進(jìn)的定向凝固技術(shù)，同時(shí)對定向凝固理論也進(jìn)行了豐富和發(fā)展，從Charlmers等的成分過冷理論到Mullins等的固/液界面穩(wěn)定動(dòng)力學(xué)理論（MS理論），人們對凝固過程有了更深刻的認(rèn)識(shí)，從而又能進(jìn)一步指導(dǎo)凝固技術(shù)的發(fā)展。5隨著其他專業(yè)新理論的出現(xiàn)和日趨成熟及實(shí)驗(yàn)技術(shù)的不斷改進(jìn)，新的凝固技術(shù)也將被不斷創(chuàng)造出來。定向凝固技術(shù)必將成為新材料的制備和新加工技術(shù)的開發(fā)提供廣闊前景，也必將使凝固理論得到完善和發(fā)展。65.2定向凝固基本

3、原理定向凝固技術(shù)的基本定義定向凝固理論定向凝固技術(shù)的適用范圍7在凝固過程中采用強(qiáng)制手段，在凝固金屬和為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，獲得具有特定取向柱狀晶的技術(shù)。定向凝固8定向凝固技術(shù)的工藝參數(shù)凝固過程中固液界面前沿液相中的溫度梯度GL固液界面向前推進(jìn)的速度RGL/R值是控制晶體長大形態(tài)的重要判據(jù)。95.2.2定向凝固理論定向凝固技術(shù)實(shí)驗(yàn)的發(fā)展推動(dòng)了凝固理論的發(fā)展和深入。Charlmers、Tiller等人在研究中發(fā)現(xiàn)在合金中液固界面前沿由于溶質(zhì)富集將會(huì)產(chǎn)生“成分過冷”導(dǎo)致平衡界面失穩(wěn)而形成胞晶核枝晶。首次提出了成

4、分過冷理論。10純金屬的凝固過程正溫度梯度下，固液界面前沿液體幾乎沒有過冷，固液界面以平面方式向前推進(jìn)，即晶體以平面方式向前生長。負(fù)的溫度梯度下，界面前方的液體強(qiáng)烈過冷，晶體以樹枝晶方式生長。1、成分過冷理論11成分過冷理論能成功的判定低速生長條件下無偏析特征的平面凝固，避免胞晶或枝晶的生長。20世紀(jì)50年代Charlmers、Tiller等人首次提出單晶二元合金成分理論。12固液界面液相區(qū)內(nèi)形成成分過冷條件一是由于溶質(zhì)在固相和液相中的固溶度不同，即溶質(zhì)原子在液相中固溶度大，在固相中固溶度小，當(dāng)單向合金冷卻凝固時(shí)，溶質(zhì)原子被排擠到液相中去，在固液界面液相一

5、側(cè)堆積著溶質(zhì)原子，形成溶質(zhì)原子的富集層。隨著離開固液界面距離增大，溶質(zhì)質(zhì)量分?jǐn)?shù)逐漸降低。二是在凝固過程中，由于外界冷卻作用，在固液界面固相一側(cè)不同位置上的實(shí)際溫度不同，外界冷卻能力強(qiáng)，實(shí)際溫度低；相反實(shí)際溫度高。如果在固液界面液相一側(cè)，溶液中的實(shí)際溫度低于平衡時(shí)液相線溫度，出現(xiàn)過冷現(xiàn)象。13在此基礎(chǔ)上，Charlmers、Tiller等人首次提出了著名的“成分過冷”判據(jù)：式中：GL為液固界面前沿液相溫度梯度（K/mm）；V為界面生長速度（mm/s）；mL為液相線斜率；C0為合金平均成分；k0為平衡溶質(zhì)分配系數(shù)；DL為液相中溶質(zhì)擴(kuò)散系數(shù)；ΔT0為平衡結(jié)晶溫度

6、間隔。14圖5.1成分過冷15據(jù)此，可以得到平衡界面生長的臨界速度。式中，△T0=mLC0(k0-1)，△T0是合金平衡結(jié)晶溫度間隔。16在晶體生長過程中，當(dāng)不存在成分過冷時(shí)，如果在平直的固液界面上由于不穩(wěn)定因素?cái)_動(dòng)產(chǎn)生凸起，也會(huì)由于過熱的環(huán)境將其熔化而繼續(xù)保持平面界面。而當(dāng)界面前沿存在成分過冷時(shí)，界面前沿由于不穩(wěn)定因素而形成的凸起會(huì)因?yàn)樘幱谶^冷區(qū)而發(fā)展，平界面失穩(wěn)，導(dǎo)致樹枝晶的形成。17成分過冷理論提供了判斷液固界面穩(wěn)定性的第一個(gè)簡明而適用的判據(jù)，對平界面穩(wěn)定性，甚至胞晶和枝晶形態(tài)穩(wěn)定性都能夠很好地做出定性地解釋。18但是這一判據(jù)本身還有一些矛盾，如：成

7、分過冷理論把平衡熱力學(xué)應(yīng)用到非平衡動(dòng)力學(xué)過程中，必然帶有很大的近似性;隨著快速凝固新領(lǐng)域的出現(xiàn)，上述理論已不能適用。在固液界面上引入局部的曲率變化要增加系統(tǒng)的自由能，這一點(diǎn)在成分過冷理論中被忽略了；成分過冷理論沒有說明界面形態(tài)的改變機(jī)制。192、絕對穩(wěn)定性理論MullniS和skeerka鑒于成分過冷理論存在不足，提出一個(gè)考慮溶質(zhì)濃度場和溫度場、固液界面能以及界面動(dòng)力學(xué)的絕對穩(wěn)定理論(MS理論)。對于平界面生長，Ms理論可表示為：20式中，2122其中，αL、αS分別是液固相的熱擴(kuò)散系數(shù)，KL、KS分別是液固相的導(dǎo)熱系數(shù)，GL、GS是液固相溫度梯度，Γ為G

8、ibbs-Thompson系數(shù)，LV為凝固潛熱，ω為幾何干擾頻率，