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1、專題二：定向凝固和單晶制備技術(shù)報告人：徐志欣專業(yè)：材料加工工程學(xué)號：1400203061定向凝固技術(shù)1定向凝固技術(shù)概述傳統(tǒng)定向凝固技術(shù)新型定向凝固技術(shù)234定向凝固技術(shù)概述1隨著20世紀(jì)60年代后期大量能源相關(guān)的設(shè)備需求不斷增加，如核電站的開發(fā)、大型壓力容器的運(yùn)用，相對應(yīng)的用于這些設(shè)備的大型板類件也迅速增加，從而對這些板件的性能要求也逐漸嚴(yán)格，例如疏松、偏析、非金屬夾雜等。甚至還要求有良好的鑄造性能和焊接性能，這就對傳統(tǒng)的普通錠生產(chǎn)工藝提出了挑戰(zhàn)。正是在這個背景下，日本與法國在70年代末期相繼提出了小高徑比、高冷卻強(qiáng)度的定向凝
2、固錠技術(shù)。1定向凝固技術(shù)的背景1.1定向凝固技術(shù)概述1定向凝固在工業(yè)和高科技方面有重要的運(yùn)用，在生產(chǎn)領(lǐng)域中，磁性材料、航空航天材料、和地面燃油機(jī)渦輪葉片、復(fù)合材料、以及各種功能材料。1定向凝固技術(shù)的發(fā)展圖1：最左邊那個是原本金屬晶體顆粒，中間那個是單方向晶體，右邊那個就是單晶葉片。1.2定向凝固技術(shù)概述1定向凝固在研究領(lǐng)域主要研究金屬凝固和晶體生長的基本手段，從某種意義上講，凝固和晶體生長的理論發(fā)展以及新材料的研發(fā)取決于當(dāng)時定向凝固的發(fā)展水平。定向凝固技術(shù)的發(fā)展圖2典型鑄錠的晶區(qū)結(jié)構(gòu)11.2表層細(xì)晶區(qū)柱狀晶區(qū)中心等軸晶區(qū)定向凝
3、固技術(shù)概述1定向凝固技術(shù)的理論基礎(chǔ)是凝固和晶體生長理論，20世紀(jì)的幾項技術(shù)極大促進(jìn)定向凝固技術(shù)的發(fā)展。定向凝固技術(shù)的理論基礎(chǔ)20世紀(jì)20-30年代Bridgeman-Stockbarger技術(shù)奠定了現(xiàn)代單晶生長和定向凝固的理論基礎(chǔ)。11.3Bridgeman-Stockbarger技術(shù)又稱為坩堝下降法，是一種常見的晶體生長方法，原理：通過加熱是的坩堝中的材料被熔融，當(dāng)坩堝持續(xù)下降過程中，底部的溫度先降低熔點以下，開始結(jié)晶，晶體從而不斷的長大而形成。這種方法常用于制備堿金屬和堿式金屬化合物以及氟化物單晶。定向凝固技術(shù)概述1定向凝
4、固技術(shù)的理論基礎(chǔ)20世紀(jì)60年代末Versnyder提出的高溫合金定向凝固方法，使得渦輪葉片的制備技術(shù)發(fā)生了革命性變化，成為材料制備歷史上的里程碑之一。11.3高溫合金定向凝固方法（典型的渦輪葉片）原理：用柱狀晶的同方向凝固，將細(xì)長的柱狀晶朝著凝固方向平行渦輪葉片運(yùn)轉(zhuǎn)產(chǎn)生的離心力，從而形成單晶葉片。20世紀(jì)60年代末Jackon和Hunt發(fā)明的低熔體有機(jī)物模擬定向方法開辟了凝固過程和微觀組織演化實時觀察的新時代，從而推動了金屬凝固理論的發(fā)展。定向凝固技術(shù)概述1凝固和晶體生長理論11.3定向凝固技術(shù)概述1成分過冷理論成分過冷是指
5、凝固時由于溶質(zhì)再分配造成固液界面前沿溶質(zhì)濃度變化，引起理論凝固溫度的改變在固液界面液相內(nèi)形成的過冷，而這種由固液界面前方溶質(zhì)再分配引起的過冷成為成分過冷。圖3成分過冷現(xiàn)象成分過冷的不足之處在于不適用于快速凝固領(lǐng)域。1.31定向凝固技術(shù)概述1成分過冷理論成分過冷發(fā)生的必要條件固液界面前沿溶質(zhì)的富集而引起溶質(zhì)再分配固液界面前方的也想實際溫度必須到達(dá)一定的值才會發(fā)生成分過冷現(xiàn)象1.31定向凝固技術(shù)概述1界面穩(wěn)定性的動力學(xué)理論也稱為絕對穩(wěn)定理論、MS穩(wěn)定性理論。Mullins和Sekerka鑒于成分過冷理論的不足，提出一個考慮了溶質(zhì)濃
6、度場和溫度場、固液界面能以及界面動力學(xué)的理論。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。圖4界面振動是否穩(wěn)定的正弦現(xiàn)象凝固為穩(wěn)定狀態(tài)不足之處固液界面擾動振幅要很小擾動振幅隨時間成線性變化三個條件11.3定向凝固技術(shù)概述1定向凝固（DirectionalSolidfication）是指在凝固過程中采用強(qiáng)制手段,在凝固金屬和未凝固金屬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,最終得到具有特定取向柱狀晶的技術(shù)。定向凝固的定義定向凝固（DirectionalSolid
7、fication）實質(zhì)在材料部分熔化狀態(tài)下，通過移動固－液界面，以實現(xiàn)晶體特定方向生長。11.4定向凝固技術(shù)概述1定向凝固利用晶體的生長方向與熱流方向平行且相反的自然規(guī)律，在鑄型中建立特定方向的溫度梯度使熔融合金沿著與熱流方向相反的方向、按照要求的結(jié)晶取向進(jìn)行凝固的鑄造工藝。定向凝固的原理圖5定向凝固原理圖11.5定向凝固技術(shù)概述1定向凝固技術(shù)是在高溫合金的研制中建立和完善起來的。該技術(shù)最初用來消除結(jié)晶過程中生成的橫向晶界，甚至消除所有晶界，從而提高材料的高溫性能和單向力學(xué)性能。定向凝固的原理在定向凝固過程中溫度梯度和凝固速率
8、這兩個重要的凝固參數(shù)能夠獨立變化，可以分別研究它們對凝固過程的影響。這既促進(jìn)了凝固理論的發(fā)展，也激發(fā)了不同定向凝固技術(shù)的出現(xiàn)。11.5定向凝固技術(shù)傳統(tǒng)定向凝固技術(shù)新型定向凝固技術(shù)爐外法功率降低法快速凝固法液態(tài)金屬冷卻法區(qū)域熔化液態(tài)金屬冷卻法激光超高溫度梯度快速定向凝固電磁約束
