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1、第第 五五 章章 定定 向向 凝凝 固固(n n n n g g g g )技技术术站站长长(zhn chn)素材素材 SC.CHINAZ.COM第一页，共29页。2第二页，共29页。材材料料制制备备与与加加工工技技术术的的发发展展对对新新材材料料的的研研发发、应应用用和和产产业业化化具具有有决决定定性性作作用用。同同时时还还可可有有效效的的改改进进和和提提高高传传统统材材料料的的使使用用性性能能。对对传传统统材材料料的的产产业业更更新新和和改改造造具具有有重重要要(zhngyo)(zhngyo)作作用用。定定向向凝凝固固技技术术被被广广泛泛应应用用于于获获得得具具有有特特殊取向的组织和优异性
2、能的材料。殊取向的组织和优异性能的材料。3第三页，共29页。5.1定向定向(dn xin)凝固的发展历史凝固的发展历史 定定向向凝凝固固过过程程(guchng)的的理理论论研研究究的的出出现现是是在在1953年年，那那是是Charlmers及及其其他他的的同同事事们们在在定定向向凝凝固固方方法法考考察察液液/固固界界面面形形态态演演绎绎的的基基础础上上提提出出了了被被人人们们称称之之为为定定量量凝凝固固科科学学的的里里程碑的成分过冷理论。程碑的成分过冷理论。4第四页，共29页。在在2020世世纪纪6060年年代代，定定向向凝凝固固技技术术成成功功的的应应用用于于航航空空发发动动机机涡涡轮轮叶叶
3、片片的的制制备备(zhbi)(zhbi)上上，大大幅幅度度提提高高了了叶叶片片的的高高温温性性能能，使使其其寿寿命命加加长长，从从而而有有力力地地推推动动了了航航空空工工业发展。业发展。近近2020年年来来，不不仅仅开开发发了了许许多多先先进进的的定定向向凝凝固固技技术术，同同时时(tngsh)(tngsh)对对定定向向凝凝固固理理论论也也进进行行了了丰丰富富和和发发展展，从从CharlmersCharlmers等等的的成成分分过过冷冷理理论论到到MullinsMullins等等的的固固/液液界界面面稳稳定定动动力力学学理理论论（MSMS理理论论），人人们们对对凝凝固固过过程程有有了了更更深深
4、刻刻的的认认识识，从从而而又又能能进进一一步步指指导凝固技术的发展。导凝固技术的发展。5第五页，共29页。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为为凝凝固固熔熔体体中中建建立立起起特特定定(tdng)(tdng)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，获获得得具具有有特特定定(tdng)(tdng)取取向向柱柱状状晶晶的技术。的技术。定定向向(d(dnn xixinn)凝凝固固6第六页，共29页。定向定向(dn xin)凝固技术的工艺参数凝固技术的工艺参数凝固凝固(nngg)过程中固液界面前沿液相中
5、的温度过程中固液界面前沿液相中的温度梯度梯度GL 固液界面向前推进的速度固液界面向前推进的速度R GL/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。7第七页，共29页。5.2.2 定向定向(dn xin)凝固理论凝固理论 定定向向凝凝固固技技术术实实验验的的发发展展推推动动了了凝凝固固理理论论的的发发展展和和深深入入。Charlmers、Tiller等等人人在在研研究究中中发发现现在在合合金金中中液液固固界界面面前前沿沿(qinyn)由由于于溶溶质质富富集集将将会会产产生生“成成分分过过冷冷”导导致致平平衡衡界界面面失失稳稳而而形形成成胞胞晶晶核核枝枝晶晶。首首次次提出了
6、成分过冷理论。提出了成分过冷理论。8第八页，共29页。纯金属的凝固过程纯金属的凝固过程正温度梯度下正温度梯度下，固液界面前，固液界面前沿液体几乎没有过冷，固液沿液体几乎没有过冷，固液界面以平面方式向前推进，界面以平面方式向前推进，即晶体以平面方式向前生长。即晶体以平面方式向前生长。负的温度梯度下负的温度梯度下，界面前方的液体强烈过冷，界面前方的液体强烈过冷，晶体以树枝晶方式生长。晶体以树枝晶方式生长。1 1、成分、成分(chng fn)(chng fn)过冷理论过冷理论9第九页，共29页。10第十页，共29页。在在晶晶体体生生长长过过程程中中，当当不不存存在在成成分分过过冷冷时时，如如果果在在
7、平平直直的的固固液液界界面面上上由由于于不不稳稳定定(wndng)因因素素扰扰动动产产生生凸凸起起，也也会会由由于于过过热热的的环环境境将将其其熔熔化化而而继继续续保持平面界面。保持平面界面。而而当当界界面面前前沿沿存存在在成成分分过过冷冷时时，界界面面前前沿沿由由于于不不稳稳定定因因素素而而形形成成的的凸凸起起(t(t q)q)会会因因为为处处于于过过冷冷区区而而发发展展，平平界界面失稳，导致树枝晶的形成。面失稳，导致树枝晶的形成。11第十一页，共29页。在此基础上，Charlmers、Tiller等人首次(shu c)提出了著名的“成分过冷”判据：式中：GL为液固界面前沿液相温度梯度（K/
8、mm）；V为界面生长速度（mm/s）；mL为液相线斜率；C0为合金平均成分；k0为平衡(pnghng)溶质分配系数；DL为液相中溶质扩散系数；T0为平衡(pnghng)结晶温度间隔。12第十二页，共29页。成分过冷理论提供了判断液固界面稳定性的第一个简明而适用的判据，对平界面稳定性，甚至(shnzh)胞晶和枝晶形态稳定性都能够很好地做出定性地解释。13第十三页，共29页。14第十四页，共29页。15第十五页，共29页。2、绝对稳定性理论、绝对稳定性理论(lln)（自学）（自学）MullniS和和skeerka鉴鉴于于成成分分(chng fn)过过冷冷理理论论存存在在不不足足，提提出出一一个个考
9、考虑虑溶溶质质浓浓度度场场和和温温度度场场、固固液液界界面面能能以以及及界界面面动动力力学学的的绝绝对对稳稳定定理理论论(MS理理论论)。16第十六页，共29页。定向凝固的总原则：定向凝固的总原则：金属金属(jnsh)熔体中的热量严格按单一熔体中的热量严格按单一方向导出，并垂直于生长的固液界面，方向导出，并垂直于生长的固液界面，使金属使金属(jnsh)或合金按柱状晶或单晶或合金按柱状晶或单晶的方式生长的方式生长17第十七页，共29页。6.2.3 定向定向(dn xin)凝固技术的适用范围凝固技术的适用范围 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
10、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(ync)，定定向向凝凝固固技技术术已已成为富有生命力的工业生产手段，应用也日益广泛。成为富有生命力的工业生产手段，应用也日益广泛。18第十八页，共29页。单单晶晶在在生生长长过过程程中中绝绝对对要要避避免免(bmin)固固液液界界面面不不稳稳定定而而生生出出晶晶胞胞或或柱柱晶晶。故故而而固固液液界界面面前前沿沿不不允允许许有有温温度度过过冷冷或或成成分分过过冷冷。固固液液界界面面前前沿沿的的熔熔体体应应处处于于过过热热状状态态，结结晶晶过
11、过程程的的潜潜热热只只能能通通过过生生长长着着的的晶晶体体导导出出。定定向向凝凝固固满满足足上上述述热热传传输输的的要要求求，只只要要恰恰当当的的控控制制固固液液界界面面前前沿沿熔熔体体的的温温度度和速率，是可以得到高质量的单晶体的。和速率，是可以得到高质量的单晶体的。19第十九页，共29页。3.高温高温(gown)合金制备合金制备 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(cilio)，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
12、料料(cilio)被被喻喻为为燃燃气气轮轮的的心脏。心脏。高高温温(g g o ow w n n)合合金金20第二十页，共29页。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(hjn)(hjn)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能而获得长足的发展。性能而获得长足的发展。MARM200MARM200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，作作为为涡涡轮叶片在工作中常发生无预兆的断裂。轮叶片在工作中常发生无预
13、兆的断裂。21第二十一页，共29页。在在MARM200MARM200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PWA1422PWA1422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 5倍倍的的热热疲疲劳劳性性能能(xngnng)(xngnng)，在在先先进进航空航天发动机上获得广泛的应用。航空航天发动机上获得广泛的应用。在在激激光光(jgung)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
14、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组织，组织的微观偏析大大得到改善，甚至消除。固组织，组织的微观偏析大大得到改善，甚至消除。22第二十二页，共29页。6.功能功能(gngnng)材料的制备材料的制备 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广泛泛的的应应用用。定定向向凝凝固固技技术术(jsh)在在制制备这两种功能材料中也得到了应用。备这两种功能材料中也得到了应用。中
15、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(dn(dn xin)xin)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(dn(dn xin)xin)陶陶瓷瓷和和择择优优方方向向为为011011，001001的的定定向向(dn(dn xin)xin)陶瓷。陶瓷。23第二十三页，共29页。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(fngxing)为为112的的PMN-0.30PT高高性性能能定
16、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%。片片状状样品的样品的XRD结果如图结果如图5.3。24第二十四页，共29页。图图5.3 PMN-0.30PT定向定向(dn xin)压电陶瓷的压电陶瓷的XRD图谱图谱 25第二十五页，共29页。由由图图5.3可可看看出出，晶晶粒粒生生长长(shngzhng)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
17、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瓷沿沿112方方向向的的取取向向度度约约为为35%。他他们们认认为为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高性性能能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。26第二十六页，共29页。8.多孔材料多孔材料(cilio)的制备的制备 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5.45.4和和图图5.55.5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。他他们们研研究究(ynji)(ynji)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，认认为为多多孔孔材材料料在许多新的领域有应用前景。在许多新的领域有应用前景。多多孔孔材材料料(c c i il li i o o)27第二十七页，共29页。图图5.4多孔铜材料的光学多孔铜材料的光学(gungxu)图谱图谱 28第二十八页，共29页。29第二十九页，共29页。