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1、第八章第八章 凝固新技术凝固新技术一、定向凝固1 1、定向凝固定义、概述、定向凝固定义、概述2 2、定向凝固原理、定向凝固原理3 3、定向凝固、定向凝固工艺工艺4 4、定向凝固的应用、定向凝固的应用3 在在凝凝固固过过程程中中采采用用强强制制手手段段，在在凝凝固固金金属属和和未未凝凝固固熔熔体体中中建建立立起起特特定定方方向向的的温温度度梯梯度度，从从而而使使熔熔体体沿沿着着与与热热流流相相反反的的方方向向凝凝固固，获获得得具有特定具有特定取定向取定向柱状晶柱状晶柱状晶柱状晶或或单晶单晶单晶单晶的的技术技术。是是2020世纪世纪6060年代发展起来的技术。年代发展起来的技术。1 1、定向凝固定
2、义、定向凝固定义定向凝固概述为什么要获取为什么要获取“具有特定取定向具有特定取定向柱状晶或单晶柱状晶或单晶”？1 1、柱状晶柱状晶 在在航航空空发发动动机机中中，定定向向结结晶晶叶叶片片消消除除了了对对空空洞洞和和裂裂纹纹敏敏感感的的横横向向晶晶界界，使使全全部部晶晶界界平平行行于于应应力力轴轴方方向向，从从而改善了合金的使用性能而改善了合金的使用性能。单单晶晶叶叶片片消消除除了了全全部部晶晶界界，不不必必加加入入晶晶界界强强化化元元素素，使使合合金金的的初初熔熔温温度度相相对对升升高高，从从而而提提高高了了合合金金的的高高温强度，并进一步改善了合金的综合性能。温强度，并进一步改善了合金的综合
3、性能。定向凝固技术用于制造发动机叶片定向凝固涡轮叶片，寿命是普通铸造的定向凝固涡轮叶片，寿命是普通铸造的2.5倍倍单晶叶片，寿命是普通铸造的单晶叶片，寿命是普通铸造的5倍倍 自1965年美国普拉特惠特尼航空公司采用高温合金定向凝固技术以来，这项技术已经在许多国家得到应用。采用定向凝固技术可以生产具有优良的抗热冲击性能较长的疲劳寿命较好的蠕变抗力和中温塑性的薄壁空心涡轮叶片。应用这种技术能使涡轮叶片的使用温度提高1030oC，涡轮进口温度提高2060oC，从而提高发动机的推力和可靠性，并延长使用寿命。进口温度提高50度，推力提高10%。2 2、单晶、单晶 在在单单晶晶硅硅中中掺掺入入微微量量的的
4、第第AA族族元元素素，形形成成P P型型半半导导体体，掺掺入入微微量量的的第第VAVA族族元元素素，形形成成N N型型。单单晶晶硅硅主主要要用用于于制制作作半半导导体体元件如元件如 芯片、太阳能电池板。芯片、太阳能电池板。直拉法单晶硅生长技术图 2 光学晶体CaF2 (左1:220150mm).在紫外、可见光和红外波段都有很高的透过率，机械性能好。制作红外光学系统中的光学棱镜、透镜和窗口等光学元件。氟化钙单晶氟化钙单晶金属单晶具有特殊的力学物理性能金属单晶具有特殊的力学物理性能112 2、定向凝固原理定向凝固原理 如何实现定向凝固？如何实现定向凝固？成分过冷”条件和判据 “成分过冷成分过冷”的
5、形成条件分的形成条件分析析 （K01 情况下情况下)：界面前沿形成溶质富集层界面前沿形成溶质富集层 液相线温度液相线温度TL(x)随随x增大上升增大上升 当当GL（界面前沿液相的实际温度梯度）（界面前沿液相的实际温度梯度）小于液相线的斜率时，即小于液相线的斜率时，即:出现出现“成分过冷成分过冷”。“成分过冷成分过冷”的判据的判据 式中：式中：GL为液固界面前沿液相温度梯度（为液固界面前沿液相温度梯度（K/mm）；R为为界面生长速度（界面生长速度（mm/s）；）；mL为液相线斜率；为液相线斜率；C0为合为合金平均成分；金平均成分；k0为平衡溶质分配系数；为平衡溶质分配系数；DL为液相中溶质为液相
6、中溶质扩散扩散系数。系数。由判据由判据 可见，下列条可见，下列条件件有助于抑制有助于抑制“成分过冷成分过冷”：液相中液相中温度梯度大（温度梯度大（G L大）大）；晶体生长晶体生长速度慢，速度慢，R小；小；m L小，小，即陡的液相线斜率；即陡的液相线斜率；原始成分原始成分浓度小，浓度小，C 0 小；小；液相中溶质扩散系数液相中溶质扩散系数 D L 高；高；K 01 时，时，K 0大；大；K 01 时，时，K 0 小小工艺因素工艺因素合金本身合金本身的因素的因素 合金固溶体凝固时的晶体生长形态合金固溶体凝固时的晶体生长形态 a)不同的成分过冷情况不同的成分过冷情况 b)无成分过冷无成分过冷 平面晶
7、平面晶 C)窄成分过冷区间窄成分过冷区间 胞状晶胞状晶 d)成分过冷区间较宽成分过冷区间较宽 柱状树枝晶柱状树枝晶 e)宽成分过冷宽成分过冷 内部内部等等轴晶轴晶成分过冷对晶体生长方式影响模型无成分过冷时的无成分过冷时的平面生长平面生长平面生长的条件：平面生长的条件：界面界面前方无成分过冷时平面前方无成分过冷时平面生长生长a a）局部不稳定界面）局部不稳定界面 b b）最终稳定界面）最终稳定界面定向凝固定向凝固技术的重要工艺参数包括：技术的重要工艺参数包括：凝固过程中固凝固过程中固-液界面前沿液相中的温度梯度液界面前沿液相中的温度梯度G GL L固固-液界面向前推进速度，即晶体生长速度液界面向
8、前推进速度，即晶体生长速度R RG GL L/R/R值是控制晶体长大形态的重要判据值是控制晶体长大形态的重要判据 在在提高提高G GL L的条件下，增加的条件下，增加R R，才能获得所要求的晶体形态，细化组，才能获得所要求的晶体形态，细化组织，改善质量，并且，提高定向凝固铸件生产率。织，改善质量，并且，提高定向凝固铸件生产率。定向凝固技术和装置不断改进，定向凝固技术和装置不断改进，其关键技术之一是提其关键技术之一是提高固高固-液界面前沿液相中的温度梯度液界面前沿液相中的温度梯度G GL L。目前，目前，G GL L已经达到已经达到100-300/cm100-300/cm，工业生产中已达到，工业
9、生产中已达到30-80/cm30-80/cm。热流方向热流方向侧向无温度梯度，不侧向无温度梯度，不散热散热晶体生晶体生长方向长方向定向凝固柱状晶生长示意图定向凝固柱状晶生长示意图（3 3）单向凝固技术工艺）单向凝固技术工艺形成定向凝固的柱晶组织需要两个基本条件：形成定向凝固的柱晶组织需要两个基本条件：热流向单一方向流动并垂直于生长中的固热流向单一方向流动并垂直于生长中的固-液界面液界面晶体生长的前方的熔体中没有稳定的结晶核心晶体生长的前方的熔体中没有稳定的结晶核心因此，工艺上必须避免侧向散热。因此，工艺上必须避免侧向散热。3、定向凝固工艺传统定向凝固技术新型定向凝固技术发热铸型法功率降低法快速
10、凝固法液态金属冷却法区域熔化液态金属冷却法激光超高温度梯度快速定向凝固电磁约束成形定向凝固技术深过冷定向凝固技术侧向约束下的定向凝固技术对流下的定向凝固技术重力场作用下的定向凝固技术3.1 传统定向凝固工艺 发热剂法（EP）功率降低法（PD）快速凝固法 （HRS）液态金属冷却法（LMC）发热剂法1 1发热剂法发热剂法(EP(EP法法)原理：原理：将型壳置于绝热耐火材料箱中，底部安放水冷结晶器。型壳中浇入金属液后，在型壳上部盖以发热剂，使金属液处于高温，建立了自下而上的凝固条件。特点：特点：工艺简单、成本低。适用：适用：小型的定向凝固实验与生产。发热剂法（炉外法）发热剂法（炉外法）n最原始的方法
11、。n缺点：缺点：无法调节凝固速率和温度梯度，只能制备小的只能制备小的柱状晶铸件，这种方法多用柱状晶铸件，这种方法多用于磁钢生产。于磁钢生产。功率降低法（PD法）工艺流程：把熔融的金属液置于保温炉，保温炉是分段加热的，其底部采用水冷激冷板。自上而下逐段关闭加热器，金属则自下而上逐渐凝固。功率降低法特点：特点：GL、R值不能人为控制。金属熔体内的温度梯度，随凝固距离增大而不断减小，柱状晶在高度上粗化严重；设备复杂；适合：适合：高度120mm以下定向凝固铸件。3.3.快速凝固法（快速凝固法（H HR RS S法）法）Erickson于1971年提出。原理如图所示。与与P PD D法的主要区别：法的主
12、要区别：铸型加热器始终加热，在凝固时，铸铸型加热器始终加热，在凝固时，铸件与加热器之间产生件与加热器之间产生相对移动相对移动。底部使用辐射挡板和水冷套。底部使用辐射挡板和水冷套。在挡板附近产生较大的温度梯度。热量主要通过已凝固部分及冷却底盘由冷却水带走。特点：特点：局部冷却速度增大，有利于细化组织，从下到上获得均匀柱状晶，提高力学性能。n HRS法示意图1保温盖；2一感应圈；3一玻璃布；4一保温层；5一石墨套；6一模壳；7一挡板；8一冷却圈；9一结晶器 国内小型航空叶片工业生产中普遍应用的是高速凝固法(HRS)定向凝固工艺。随铸型尺寸增加，定向凝固中的温度梯度显著降低，较易出现斑点、等轴晶等铸
13、造缺陷，同时在高温下合金与模壳、陶瓷型芯容易发生反应。此外，由于凝固速率慢，铸件偏析严重，热处理困难。因此HRS法生产重型燃机用大尺寸叶片时，成品率低，效率低，成本高。4 4液态金属冷却法液态金属冷却法(L(LM MC C法法)1974年出现的一种新的单向凝固方法；工艺过程与H.R.S 法基本相同，主要区别：主要区别：在于冷却介质为低在于冷却介质为低熔点的液态金属。熔点的液态金属。当合金液浇入型壳后，按选择的速度将壳型拉出炉体，模壳直接浸入金属浴中冷却。金属浴的水平面保持在凝固的固一液界面近处，并使其保持在一定温度范围内。散热大大增强。n LMC法示意图 1一真空室 2一熔炼坩埚3一烧杯 4一
14、炉子的热区 5一挡板 6一模壳 7一锡浴加热器 8一冷热罩 9一锡浴搅拌器液态金属作为冷却剂应满足以下要求液态金属作为冷却剂应满足以下要求：1)熔点低，有良好的热学性能。2)不溶于合金中。3)在高真空条件下蒸气压低，可在真空条件下使用。4)价格便宜。目前使用的金属浴有：目前使用的金属浴有：锡液、镓铟合金、镓铟锡合金等。镓、铟价格过于昂贵，在工业生产中难以采用。至今锡液应用得较多，其熔点232，沸点 2267 ，有理想的热学性能，只是锡对高温合金是有害元素，操作不善使锡污染了合金，将会严重恶化其性能。缺点：缺点：设备复杂，制备零件尺寸有限。金属所 LMC法制备的发动机叶片金属所研制的大型“高温度
15、梯度液态金属冷却”（LMC）定向凝固设备 实验室用LMC定向凝固设备沈阳可以生产323.2 新型定向凝固技术超高温度梯度定向凝固（ZMLMC）电磁约束成形定向凝固（DSEMS）激光超高温梯度快速凝固技术（LRM）连续定向凝固技术（OCC法）33超高温度梯度定向凝固（ZMLMC）加热和冷却是定向凝固过程的两个基本环节，对固液界面前沿温度梯度具有决定性的影响。西北工业大学李建国等人通过改变加热方式，在液态金属冷却法（LMC法）的基础上发展的一种新型定向凝固技术区域熔化液态金属冷却法，即ZMLMC法。34 这种方法将区域熔炼与液态金属冷却相结合，利用感应加热机中队了凝固洁面前沿液相进行加热，从而有效
16、地提高了固液前沿的温度梯度。西北工业大些研制的ZMLMC定向凝固装置，其最高温度梯度可达1300K/cm,最大冷却速度可达50K/s。凝固速度可在61000um/s内调节。351.试样 2.感应圈 3.隔热板 4.冷却水 5.液态金属 6.拉锭机构 7.熔区 8.坩埚超高温度梯度定向凝固装置图36电磁约束成形定向凝固（DSEMS）在ZMLMC法基础上，将电磁约束成型技术与定向凝固技术相结合而产生的一种新型定向凝固技术。利用电磁感应加热熔化感应器内的金属材料，并利用在金属熔体部分产生的电磁压力来约束已熔化的金属熔体成形，获得特定形状铸件的无坩埚熔炼、无铸型、无污染定向凝固成形。由于电磁约束成形定
17、向凝固取消了粗厚、导热性能查的陶瓷模壳、实现无接触铸造，使冷却介质可以直接作用于金属铸件上，可获得更大的温度梯度，用于生产无（少）偏析、组织超细化、无污染的高纯难熔金属及合金，具有广阔的应用前景。37激光超高温梯度快速凝固技术（LRM）在激光表面快速熔凝时，凝固界面的温度梯度可高达5104K/cm，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定向凝固，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，凝固组织是从集体外延生长的，界面上不同位置生长方向也不相同。利用激光表面熔凝技术实现超高温度梯度快速定向凝固的关键在于：在激光熔池内获得与激光扫描速度方向一致的温
18、度梯度。根据合金凝固特性选择适当的激光激光工艺参数以获得胞晶组织，现在激光超高温度梯度快速定向凝固还处于探索性试验阶段。38连续定向凝固技术（OCC法）连续定向凝固的思想首先是由日本的大野笃美提出的。上世纪60年代末，大野笃美在研究Chalmers提出的等轴晶“结晶游离”理论时，证实了等轴晶的形成不是熔液整体过冷（Constitutional Supercooling）引起，而是主要由铸型表面形核，分离、带入溶液内部，枝晶断裂或重熔引起的。因而控制凝固组织结构的关键是控制铸型表面的形核过程。大野笃美把Bridgeman定向凝固法控制晶粒生长的思想应用到连续铸造技术上，提出了一种最新的铸造工艺热
19、型连续法（简称OCC法），即连续定向凝固技术。定向柱晶铸件的主要缺陷：定向柱晶铸件的主要缺陷：柱晶方向发散柱晶方向发散在铸件上出现不利取向的晶粒或等轴晶在铸件上出现不利取向的晶粒或等轴晶“雀斑雀斑”严重恶化定向铸件的性能。严重恶化定向铸件的性能。“雀斑雀斑”的形成与凝固前沿液的形成与凝固前沿液-固共存的两相区（固共存的两相区（“糊状区糊状区”）内熔体的流动有关。）内熔体的流动有关。防止办法防止办法严格控制热流方向沿平行于零件主应力轴方向流动严格控制热流方向沿平行于零件主应力轴方向流动选择合适的生长速度和温度梯度选择合适的生长速度和温度梯度生长速度和温度梯度对生长速度和温度梯度对“雀斑雀斑”形成
20、的影响形成的影响414.定向凝固技术的应用 应应用用定定向向凝凝固固方方法法，得得到到单单方方向向生生长长的的柱柱状状晶晶，甚甚至至单单晶晶，不不产产生生横横向向晶晶界界，较较大大提提高高了了材材料料的的单单向向力力学学性性能能，热热强强性性能能也也有有了了进进一一步步提提高高，因因此此，定定向向凝凝固固技技术术已已成成为为富富有有生生命命力力的的工工业业生生产产手手段段，应应用用也也日益广泛。日益广泛。4.1 4.1 定向凝固制备单晶铸件定向凝固制备单晶铸件 单晶单晶用途：用途：（1）是人们认识固体的基础；（2）研究晶体结构、各向异性、超导性、核磁共振等都需要单晶。（3）单晶具有许多金属新的
21、性质：单晶晶须：单晶晶须：力学强度要比同物质的多晶体高出许多倍；从锗单晶向硅单晶过渡，大大提高了半导体器件性能：从锗单晶向硅单晶过渡，大大提高了半导体器件性能：由于掌握了反应性较强、熔点较高的硅单晶生长技术。大面积、高度完整性硅单晶是解决大面积集成电路在密度和失效率方面关键。航空发动机单晶涡轮叶片与定向柱晶相比，使用温度、抗热航空发动机单晶涡轮叶片与定向柱晶相比，使用温度、抗热疲劳强度、蠕变强度和抗热腐蚀性等方面都具有更好的性能：疲劳强度、蠕变强度和抗热腐蚀性等方面都具有更好的性能：2020世纪世纪60年代开始，美国普拉特惠特尼(Pran&Whitney)公司用单向凝固高温合金制造航空发动机单
22、晶涡轮叶片。n拉伸性能：拉伸性能：三种铸造镍基高温合金MarM200的拉伸性能如图所示。A为普通铸造、B为柱状晶、C为单晶。n 看出：看出：n单晶单晶的拉伸塑性在所有温度下都比较优越；n柱状晶柱状晶的瞬时拉伸强度随着温度升高而提高，在760C附近达最高值（拉伸强度比等轴晶高出100MPa），超过800C时，迅速降低；在760C附近出现拉伸塑性的最低值。蠕变速度蠕变速度和持久性能持久性能高温合金材料性能重要指高温合金材料性能重要指标标。看出：看出：单晶材料的高温蠕变速度和高温持久断裂寿命大大优于柱晶和等轴晶材料。一、单晶生长的特点一、单晶生长的特点首先：首先：在金属熔体中形成一个单晶核（可以引入
23、籽晶或自发形核）；而后：而后：在晶核和熔体界面上不断生长出单晶体。单晶在生长过程中：单晶在生长过程中：固一液界面前沿不允许有温度过冷和成分过冷，固一液界面前沿不允许有温度过冷和成分过冷，避免固避免固液界面不稳定而长出胞晶或柱晶。液界面不稳定而长出胞晶或柱晶。固一液界面前沿的熔体应处于过热状态，结晶过固一液界面前沿的熔体应处于过热状态，结晶过程的潜热只能通过生长着的晶体导出程的潜热只能通过生长着的晶体导出。46 定向凝固定向凝固满足上述热传输的要求，是是制备单晶最制备单晶最有效的方法有效的方法。为了得到高质量的单晶体，首先要在金属。为了得到高质量的单晶体，首先要在金属熔体中形成熔体中形成一个单晶
24、核一个单晶核：可引入粒晶成自发形核，而在：可引入粒晶成自发形核，而在晶核和熔体界面不断生长出单晶体。晶核和熔体界面不断生长出单晶体。生产单晶铸件的关键：生产单晶铸件的关键：利用柱状晶生长过利用柱状晶生长过程中的竞争和淘汰，最终在铸件本体中保程中的竞争和淘汰，最终在铸件本体中保留一个柱晶晶粒。留一个柱晶晶粒。“自生籽晶法自生籽晶法”如示意图所示：如示意图所示：在铸件本体下部设置一个空腔，称为“晶晶粒选择器粒选择器”，作为柱晶竞争生长的场地。合金液浇入模壳后，激冷结晶器表面形成合金液浇入模壳后，激冷结晶器表面形成等轴晶。在单向凝固的条件下，经过一定等轴晶。在单向凝固的条件下，经过一定高度的择优生长
25、，得到一束接近高度的择优生长，得到一束接近 001 取取向的柱晶。向的柱晶。再经过一定长度的通道，将其余晶粒全部再经过一定长度的通道，将其余晶粒全部抑制，只有一个柱晶晶粒长入铸体本体。抑制，只有一个柱晶晶粒长入铸体本体。上述选晶过程全部在“晶粒选择器”中完成。n自生籽晶法生产单晶叶片1铸件 2一选晶段 3一起始段“晶粒选择器晶粒选择器”由起始段和选晶段组成。由起始段和选晶段组成。“起始段”纵剖面为矩形截面，紧靠结晶器。晶粒生长分为三个阶段：晶粒生长分为三个阶段：水冷结晶器表面形成等轴晶；晶体沿热流相反方向生长为柱晶，柱晶位向差异，造成各取向柱晶生长速率不同。以面心立方晶体为例：先是111取向的
26、晶粒落后，继而是011取向的晶粒逐渐落后，最后001取向的柱晶处于领先地位。n靠近起始段上部，柱晶生长比较稳定，竞争程度缓和，大多数柱晶的取向偏离度比较小。49 定定向向凝凝固固柱柱状状晶晶铸铸件件与与用用普普通通方方法法得得到到的的铸铸件件相相比比，前前者者可可以以减减少少偏偏析析、疏疏松松等等，而而且且形形成成了了取取向向平平行行于于主主应应力力轴轴的的晶晶粒粒，基基本本上上消消除除了了垂垂直直应应力力轴轴的的横横向向晶晶界界，使航空使航空发动机叶片的力学性能有了新的飞跃。发动机叶片的力学性能有了新的飞跃。另另外外，对对面面心心立立方方晶晶体体的的磁磁性性材材料料，如如铁铁等等，当当铸铸态
27、态柱柱晶晶沿沿晶晶向向取取向向时时，因因与与磁磁化化方方向向一一致致，而而大大大大改改善善其磁性其磁性。4.2 制备柱状晶铸件制备柱状晶铸件504.2.1 高温合金制备 高高温温合合金金是是现现在在航航空空燃燃气气涡涡轮轮.舰舰船船燃燃气气轮轮机机、地地面面和和火火箭箭发发动动机机的的重重要要金金属属材材料料，在在先先进进大大航航空空发发动动机机中中，高高温温合合金金的的用用量量占占40%60%，因因此此这这种种材材料料被被喻为燃气轮的心脏。喻为燃气轮的心脏。高高温温合合金金51 采采用用定定向向凝凝固固技技术术生生产产的的高高温温合合金金基基本本上上消消除除了了垂垂直直于于应应力力轴轴的的横
28、横向向晶晶界界，并并以以其其独独特特的的平平行行于于零零件件主主应应力力轴轴择择优优生生长长的的柱柱晶晶组组织织以以及及有有意意的的力力学学性性能能而而获得长足的发展。获得长足的发展。MARMARM200M200中中温温性性能能尤尤其其是是中中温温塑塑性性很很低低，作作为为涡轮叶片在工作中常发生无预兆的断裂。涡轮叶片在工作中常发生无预兆的断裂。52 在在MARM200基基础础上上研研究究成成功功的的定定向向凝凝固固高高温温合合金金PWA1422不不仅仅具具有有良良好好的的中中高高温温蠕蠕变变断断裂裂强强度度和和塑塑性性,而而且且具具有有比比原原合合金金高高5倍倍的的热热疲疲劳劳性性能能，在先进
29、航空航天发动机上获得广泛的应用。在先进航空航天发动机上获得广泛的应用。在在激激光光超超高高温温度度梯梯度度定定向向凝凝固固条条件件下下，超超高高温温梯梯度度和和较较快快凝凝固固速速度度共共同同作作用用，使使镍镍基基高高温温合合金金高高度度细细化化，同同常常规规凝凝固固相相比比，组组织织细细化化36倍倍，而而且且得得到到了了新新颖颖的的超超细细胞胞状状晶晶组组织织，该该组组织织是是镍镍基基合合金金的的定定向向凝凝固固组组织织，组组织织的的微微观观偏偏析析大大大大得得到到改改善善，甚甚至消除至消除。534.2.2 高温超导体材料的制备氧氧化化钇钇钡钡铜铜（Yttrium Barium Copper
30、 Oxide，YBCO）YBCO高高温温超超导导体体由由于于具具有有高高温温临临界界电流密度和低的导热率，是做电线的潜在材料电流密度和低的导热率，是做电线的潜在材料。定定向向凝凝固固制制备备的的YBCO单单畴畴中中包包含含大大量量平平行行取取向向的的片片层层,各各片片层层具具有有共共同同的的c-轴轴,片片层层之之间间的的亚亚晶晶界界终终止止于于晶晶体体内内部部而而没没有有贯贯穿穿整整个个晶晶体体,因因而而整整个个晶晶体体相相当当于于一一个个准准单单晶晶,这这种种特特征征保保证证可可以以得得到到高高临临界界电电流流密密度度(77 K时时，大大于于104A/cm2)。高高温温超超导导体体材材料料5
31、4 有有学学者者研研究究了了在在不不同同体体积积分分数数时时的的jc-B特特性性和和沿沿长长度度方方向向Y211相相晶晶粒粒组组织织，他他们们发发现现在在YBCO超超导导棒棒条条体体的的中中间间段段jc-B特特性性最最优优，并并用用此此部部位位的的棒棒条条体体做做成成电电线线，在在ab面面平平行行于于所所在在磁磁场场方方向向处处，当当温温度度为为77K，磁场强度为，磁场强度为3T时，其临界电流为时，其临界电流为380A。YBCO超导体块554.2.4 功能材料的制备 压压电电陶陶瓷瓷和和稀稀土土超超磁磁致致伸伸缩缩材材料料在在换换能能器器、传传感感器器和和电电子子器器件件等等方方便便都都有有广
32、广泛泛的的应应用用。定定向向凝凝固固技技术术在制备这两种功能材料中也得到了应用。在制备这两种功能材料中也得到了应用。中中国国科科学学院院上上海海硅硅酸酸盐盐研研究究所所高高性性能能陶陶瓷瓷和和超超微微结结构构国国家家重重点点实实验验室室曾曾用用定定向向凝凝固固技技术术制制备备了了择择优优方方向向为为111111、晶晶粒粒为为柱柱状状的的PMN-0.35PTPMN-0.35PT定定向向陶陶瓷瓷和和择择优方向为优方向为011011，001001的定向陶瓷。的定向陶瓷。定向凝固压电陶瓷56 最最近近又又用用定定向向凝凝固固方方法法制制备备了了择择优优方方向向为为112的的PMN-0.30PT高高性性
33、能能定定向向压压电电陶陶瓷瓷，它它的的压压电电常常熟熟远远大大于于PZT陶陶瓷瓷，达达到到1500pC/N以以上上，耦耦合合系系数数Kt为为0.51，k33达达0.82，22kV/cm时时的的场场致致应应变变达达到到了了0.23%。片状样品的。片状样品的XRD结果如图结果如图5.3。57图图5.3 PMN-0.30PT定向压电陶瓷的定向压电陶瓷的XRD图谱图谱 58 由由图图5.3可可看看出出，晶晶粒粒生生长长方方向向主主要要为为112,其其次次为为011，此此外外还还有有少少量量（001）、（111）、（003）面面的的衍衍射射。按按照照Lotgering计计算算方方法法，所所得得到到陶陶瓷
34、瓷沿沿112方方向向的的取取向向度度约约为为35%。定定向向凝凝固固技技术术可可望望成成为为之之额额比比高性能高性能PMN-PT定压压电陶瓷的有前景的技术。定压压电陶瓷的有前景的技术。594.2.5 复合材料的制备 定定向向凝凝固固技技术术也也是是一一种种制制备备复复合合材材料料的的重重要要手手段段。西西北北工工业业大大学学在在自自制制的的具具有有高高真真空空、高高温温度度梯梯度度、宽宽抽抽拉拉速速度度等等特特点点的的定定向向凝凝固固设设备备上上制制备备出出自自生生Cu-CrCu-Cr复复合合材材料料棒棒；研研究究发发现现：Cu-CrCu-Cr自自生生复复合合材材料料的的定定向向凝凝固固组组织
35、是由织是由基体相和分布于基体相和分布于相间的纤维状共晶复合组成。相间的纤维状共晶复合组成。随随着着凝凝固固速速度度的的增增加加，各各组组织织生生长长定定向向性性变变好好且且径径向向尺尺寸寸均均得得到到细细化化。致致密密、均均匀匀、规规整整排排列列的的组组织织减减少少了了横横向向晶晶界界、微微观观组组织织中中基基体体相相起起导导电电作作用用，纤纤维维状状共共晶晶体体起起增增强强作作用用。Cu-CrCu-Cr自自生生复复合合材材料料的的强强度度、塑塑性性、导电性均高于凝固试样，复合材料综合性能得到提高。导电性均高于凝固试样，复合材料综合性能得到提高。60 美美国国NASA Glenn研研究究中中心
36、心用用移移动动区区域域激激光光加加热热方方法法研研究究了了定定向向凝凝固固Al2O3/ZrO2(Y2O3)复复合合材材料料的的效效果果，结结果果表表明明：Al2O3/ZrO2(Y2O3)复复合合材材料料具具有有低低的的界界面面能能，并并且且增增强强相相与与基基体体能能形形成成强强而而稳稳定定的结合。的结合。614.2.6 多孔材料的制备 日日本本学学者者用用定定向向凝凝固固技技术术制制备备了了藕藕状状多多孔孔铜铜材材料料和和硅硅材材料料，在在材材料料中中孔孔都都是是长长而而直直的的。图图5.4和和图图5.5分分别别是是多多孔孔铜铜材材料料和和硅硅材材料料的的光光学学显显微微图图。他他们们研研究
37、究了了制制备备的的多多孔孔材材料料气气孔孔率率、气气孔孔大大小小及及分分布布与与性性能能关关系系，认认为为多多孔材料在许多新的领域有应用前景。孔材料在许多新的领域有应用前景。多多孔孔材材料料62图图5.4多孔铜材料的光学图谱多孔铜材料的光学图谱 63644.2.7 单晶连铸坯的制备 OCC技技术术主主要要要要应应用用在在单单晶晶材材料料、复复杂杂截截面面薄薄壁壁型型材材及及其其他他工工艺艺难难以以加加工工的的合合金金连连铸铸型型材材。OCC技技术术制制备备的的金金属属单单晶晶材材料料表表面面异异常常光光洁洁，又又没没有有晶晶界界和和各各种种铸铸造造缺缺陷陷，具具有有优优异异的的变变形形加加工工
38、性性能能，可可拉拉制制成成极极细细的的丝丝和和压压延成极薄的箔。延成极薄的箔。单单晶晶连连铸铸坯坯65 西西北北工工业业大大学学在在OCC的的技技术术基基础础上上将将定定向向凝凝固固、高高梯梯度度与与连连续续铸铸造造结结合合起起来来制制备备出出准准无无限限长长的的铜铜单单晶晶，为为高高频频、超超高高频频信信号号的的高高清清晰晰、高高保保真真传传输输提提供供了了关关键键技技术术。图图5.6是是连连铸铸单单晶晶的的样样件件。与与多多晶晶相相比比，其其塑塑性性大大幅幅度度提提高高，电电阻阻率率降降低低38%。而而且且他他们们用用纯纯度度99.9%铜铜锁锁获获的的单单晶晶的的相相对对导导电电率率优优于
39、于日日本本用用纯纯度度99.9999%的性能。的性能。图图5.6铜单晶样品铜单晶样品 4.2.8 定向凝固磁致伸缩材料 稀土超磁致伸缩材料(GMM)其应变值大、能量密度高、机电耦合系数大、居里温度高、工作性能稳定等特点而引起了科技界的高度重视，目前制备磁致伸缩材料的方法有：单晶提拉法、区域熔炼法、丘克拉尔斯基法 等定向凝固 方法制备，均达到了很高的磁致伸缩性能。定向凝固制备磁致伸缩材料67 从从定定向向凝凝固固技技术术的的发发展展过过程程可可以以看看出出，随随着着其其它它专专业业新新理理论论的的出出现现和和日日趋趋成成熟熟，实实验验技技术术的的改改进进和和人人们们的的不不断断努努力力通通过过寻寻找找新新的的热热源源货货加加热热方方式式、借借鉴鉴快快速速凝凝固固的的技技术术以以及及使使用用外外加加作作用用力力等等都都有有可可能能创创造造出出新新的的定定向向凝凝固固技技术术。同同时时，定定向向凝凝固固技技术术必必将将为为新新材材料料的的制制备备和和新新加加工工技技术术的的发发展展提提供供广广阔阔的的前前景景，也也必必将将是是凝凝固固理理论论得到完善和发展。得到完善和发展。