1、单向凝固技术又称为单向结晶，是在铸型中建立特定方向的温度梯度，使熔体合金沿着与热流相反的方向，按照要求的结晶取向进行凝固的铸造工艺。是使金属或者合金由熔体中定向生长晶体的一种工艺方法。单向凝固技术起源于 1925 年，布里奇曼首先使用定向凝固方法制备铋单晶。后来斯托克巴杰（1936、1949）进一步发展了定向凝固技术。20 世纪 60 年代，用于高温合金的生产，如涡轮叶片。其抗热冲击性能、疲劳寿命、蠕变抗力和中温塑形等性能优良，从而提高叶片的使用寿命及使用温度。该技术用于制备单晶、柱状晶和自生复合材料。根据成分过冷理论,要使单相合金在定向凝固过程中得到平界面凝固组织,主要取决于合金的性质和凝固
2、工艺参数。前者包括溶质量、液相线斜率和溶质在液相中的扩散系数,后者包括液相温度梯度和凝固速率。如果被研究的合金成分已定,则靠工艺参数的选择来控制凝固组织,其中,固液界面液相一侧的温度梯度是关键的因素,可以说,定向凝固技术的发展是不断提高设备温度梯度的历史。1 传统的单向凝固技术 1.1 炉外结晶法(发热铸型法) 1 所谓的炉外结晶法就是将熔化好的金属液浇入一侧壁绝热，底部冷却，顶部覆盖发热剂的铸型中，在金属液和已凝固金属中建立起一个自上而下的温度梯度，使铸件自上而下进行凝固，实现单向凝固。这种方法由于所能获得的温度梯度不大，并且很难控制，致使凝固组织粗大，铸件性能差，因此，该法不适于大型、优质
3、铸件的生产。但其工艺简单、成本低，可用于制造小批量零件。1.2 炉内结晶法 1.2.1 功率降低法(PD 法) 2 将保温炉的加热器分成几组，保温炉是分段加热的。当熔融的金属液置于保温炉内后，在从底部对铸件冷却的同时，自下而上顺序关闭加热器，金属则自下而上逐渐凝固，从而在铸件中实现定向凝固。通过选择合适的加热器件，可以获得较大的冷却速度，但是在凝固过程中温度梯度是逐渐减小的，致使所能允许获得的柱状晶区较短，且组织也不够理想。加之设备相对复杂，且能耗大，限制了该方法的应用。 1.2.2 快速凝固法(HRS) 3 为了改善功率降低法在加热器关闭后，冷却速度慢的缺点，在 Bridgman 晶体生长技
4、术的基础上发展成了一种新的定向凝固技术，即快速凝固法。该方法的特点是铸件以一定的速度从炉中移出或炉子移离铸件，采用空冷的方式，而且炉子保持加热状态。这种方法由于避免了炉膛的影响，且利用空气冷却，因而获得了较高的温度梯度和冷却速度，所获得的柱状晶间距较长，组织细密挺直，且较均匀，使铸件的性能得以提高，在生产中有一定的应用。 1.2.3 液态金属冷却法(LMC 法) 4 HRS 法是由辐射换热来冷却的，所能获得的温度梯度和冷却速度都很有限。为了获得更高的温度梯度和生长速度。在 HRS 法的基础上，将抽拉出的铸件部分浸入具有高 热系数的高沸点、低熔点、热容量大的液态金属中，形成了一种新的定向凝固技术
5、，即 LMC 法。这种方法提高了铸件的冷却速度和固液界面的温度梯度，而且在较大的生长速度范围内可使界面前沿的温度梯度保持稳定，结晶在相对稳态下进行，能得到比较长的单向柱晶。 1.3 传统单向凝固技术存在的问题 不论是炉外法，还是炉内法，也不论是功率降低法，还是快速凝固法，它们的主要缺点 是冷却速度太慢，即使是液态金属冷却法，其冷却速度仍不够高，这样产生的一个弊端就是使得凝固组织有充分的时间长大、粗化，以致产生严重的枝晶偏析，限制了材料性能的提高。造成冷却速度慢的主要原因是凝固界面与液相中最高温度面距离太远，固液界面并不处于最佳位置，因此所获得的温度梯度不大，这样为了保证界面前液相中没有稳定的结
6、晶核心的形成，所能允许的最大凝固速度就有限。2 新型单向凝固技术 2.1ZMLMC法 5,6 李建国等通过改变加热方式，在 LMC 法的基础上发展了一种新型单向凝固技术一区域熔化液态金属冷却法，即 ZMLMC 法。该方法将区域熔化与液态金属冷却相结合，利用感应加热集中对凝固界面前沿液相进行加热，从而有效地提高了固液界面前沿的温度梯度。他们研制的 ZMLMC 定向凝固装置，最高温度梯度可达 1300Kcm，最大冷却速度可达 50ks。采用该装置在 NiCu、Al Cu 合金系的工作，发现了高速枝胞转变现象，据此提出了高速枝胞转变的时空模型。K5、K10 以及 NASAIR100 高温合金的定向凝
7、固实验结果表明：在高温度梯度条件下，可得到一次枝晶间距仅为 24m的超细柱晶，与传统单向凝固相比，枝晶组织细化 5 一 10 倍以上，枝晶间元素偏析比趋于 l。对性能的测试表明：高温度梯度使铸造 NASA!R100 单晶的持久寿命提高 7 倍，使K5、K10 高温合金 1073k 时的强度提 18，寿命提高 300，断面收缩率分别提高 420和 270。采用 ZMLMC 方法制备 TbDyFe 磁致伸缩材料，在8104Am 磁场下，磁致伸缩系数达 10-3 以上，压应力下的饱和磁致伸缩系数达 1710 -3，比采用其它方法制备的同一材料的性能高得多。由此可见，高温度梯度单向凝固技术在现代凝固理
8、论特别是高性能材料制备中已经发挥了重要作用。 2.2 深过冷单向凝固(DUDS) 7,8 过冷熔体中的单向凝固首先由 BIux 等在 1981 年提出，其基本原理是将盛有金属液的没涡置于一激冷基座上，在金属液被动力学过冷的同时，金属液内建立起一个自下而上的温度梯度，冷却过程中温度最低的底部先形核，晶体自下而上生长，形成定向排列的树枝晶骨架，其间是残余的金属液。在随后的冷却过程中，这些金属液依靠向外界散热而向已有的枝晶骨架上凝固，最终获得了定向凝固组织。与传统单向凝固工艺相比，深过冷单向凝固法具有下述特点： (1)铸件和炉子间无相对运动，省去了复杂的传动和控制装置，大大降低了设备要求； (2)凝
9、固过程中热量散失快，铸件生产率高。(3)更重要的是，单向凝固组织形成过程中的晶体生产速度高，组织结构细小，微观成分偏析程度低，促使铸件的各种力学性能大幅度提高。如用深过冷单向凝固法生产的 MARM200 叶片，其常温极限抗拉强度提高 14，高温极限抗拉强度提高 40，抗高温蠕变能力也得到了改善。 2.3 电磁约束成形单向凝固技术(DSEMS) 9 电磁约束成形单向凝固技术是将电磁约束成形技术与单向凝固技术相结合而产生的 一种新型单向凝固技术。该技术利用电磁感应加热熔化感应器内的金属材料，并利用在金属熔体表层部分产生的电磁压力来约束已熔化的金属熔体成形。同时，冷却介质与铸件表面直接接触，增强了铸
10、件固相的冷却能力，在固液界面附近熔体内可以产生很高的温度梯度，使凝固组织超细化，显著提高铸件的表面质量和内在综合性能。而工业上广泛应用的 LMC 法，由于是采用熔模精铸型壳使合金凝固成形的，粗厚、导热性能差的陶瓷模壳一方面严重降低了合金熔体中的温度梯度和凝固速度，另一方面模壳在高温下对铸件产生污染，降低了材料的性能。ZMLMC 法只限于实验室研究使用，无法实现工业化。因此，电磁约束成形单向凝固工艺将成为一种很有竞争力的定向凝固技术。但该技术涉及电磁流体力学、冶金、凝固以及自动控制等多学科领域，目前还处于研究阶段。 2.4 激光超高温度梯度快速单向凝固 10-13 自七十年代大功率激光器问世以来
11、，在材料的加工和制备过程中得到了广泛的应用。 在激光表面快速熔凝时，凝固界面的温度梯度可高达5104Kcm ，凝固速度高达数米每秒。但一般的激光表面熔凝过程并不是单向凝固，因为熔池内部局部温度梯度和凝固速度是不断变化的，且两者都不能独立控制；同时，凝固组织是从基体外延生长的，界面上不同位置的生长方向也不相同。然而，激光能量高度集中的特性，使它具备了在作为单向凝固热源时可能获得比现有单向凝固方法高得多的温度梯度的可能性。早在七十年代，Cline 等就利用 90W cw Nd：YAG 激光器作为热源来定向凝固制作 Al-Al2Cu、PdCd 共晶薄膜得到了规则的层片状共晶组织，通过计算得到凝固时的
12、温度梯度分别可达 24 104Kcm 和 11104Kcm。3 单向凝固的应用3.1 单向凝固技术在工业中的应用单向凝固技术的最主要应用是生产具有均匀柱状晶组织的铸件，特别是在航空领域生产高温合金的发动机叶片，与普通铸造方法获得的铸件相比，它使叶片的高温强度、抗蠕变和持久性能、热疲劳性能得到大幅度提高 14对于磁性材料，应用单向凝固技术，可使柱状晶排列方向与磁化方向一致，大大改善了材料的磁性能 15单向凝固技术也是制备单晶的有效方法 16单向凝固技术还广泛用于自生复合材料的生产制造，用单向凝固方法得到的自生复合材料消除了其他复合材料制备过程中增强与基体界面的影响，使复合材料的性能大大提高 17
13、。3.2 单向凝固理论的研究进展另一个重要应用是对于凝固理论的研究，单向凝固技术的发展直接推动了凝固理论的发展和深入。从 Chalmers 等 18的成分过冷理论到 Mullins 等 19的界面稳定动力理论（MS） ，人们对凝固过程有了更深刻的认识。MS 理论成功地预言了：随着生长速度的提高，固液界面形态将经历从平面、胞晶、树枝晶、胞晶、带状晶组织，绝对稳定平面的转变。枝晶/胞晶一次间距选择的历史相关性及容许范围的发现 20，是近年来凝固理论研究的重大进展之一，它导致在凝固界流行了十多年的单向凝固理论推出历史舞台，并成为以非平衡的自组织理论为指导的新的单向凝固理论的实验基础。在过去的理论和实
14、验研究中,关注的是凝固速率而忽视温度梯度的影响。近年来对 MS 理论界面稳定性条件所做的进一步分析表明,MS 理论还隐含着另一种绝对稳定性现象,即当温度梯度 G 超过一临界值 Ga 时,温度梯度的稳定化效应会完全克服溶质扩散的不稳定化效应,这时无论凝固速度如何,界面总是稳定的,这种绝对稳定性称为高梯度绝对稳定性21。由于没有明确的理论判据以及实验技术的限制,在过去三十多年中,高梯度绝对稳定性被不适当地忽视了。最近,我们采用数学分析与数值计算相结合的方法,给出了高梯度绝对稳定性临界条件的简明的表达式。对大多数合金,实现高梯度绝对稳定性的临界温度梯度在 5000Kcm 以上远远超过常规的定向凝固方
15、法包括 ZM LM C 方法所能达到的温度梯度。因此, 寻求新的实验方法实现高梯度绝对稳定性,揭示在这种极端条件下凝固过程的新现象和新规律,并在此基础上对该新现象予以更加准确的理论描述,成为当前急需进行的具有重大理论意义的研究工作。4 结束语应用单向凝固技术的目的是获得稳定的定向凝固组织,合金性能又与组织细化程度紧密相关,因此,采取不同控制措施以获得细小的定向组织成为新一代单向凝固技术的发展方向。纵观单向凝固技术发展的历史就是温度梯度和凝固速度不断提高的历史。随着实验技术的改进和理论研究的深入,新一代的单向凝固技术必将为新材料的制备和新加工技术的开发提供广阔的前景,同时反过来也将促进凝固理论得
16、到进一步完善和发展。参考文献1 V ersnyder F L , Shank M E. M a ter Sci Eng, 1970, 6: 213.2 G iam ei A F , T sch inkel J G. M eta ll T ran s A , 1976, 7A : 1427.3 Sahm P R , L o renz M , J M a ter Sci, 1972, 79: 793.4 T sch inkel J G, G iam ei A F , Kea r B H1U S Pa t 3763193, 1980.5 傅恒志.铸钢和铸造高温合金及其熔炼.西北工业大学出版社, 19
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