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第八章 凝固新技术—定向凝固


第八章 凝固新技术

一、 定向凝固
? 1、定向凝固定义、概述
? 2、定向凝固原理 ? 3、定向凝固工艺 ? 4、定向凝固的应用

1、定向凝固定义
在凝固过程中采用强制手段,在凝固金属
和未凝固熔体中建立起特定方向的温度梯度,

从而使熔体沿着与热流相反的方向凝固,获得<

br />具有特定取定向柱状晶或单晶的技术。 是20世纪60年代发展起来的技术。

3

定向凝固概述
为什么要获取“具有特定取定向柱状晶或单晶”?
1、柱状晶 在航空发动机中,定向结晶叶片消除了对 空洞和裂纹敏感的横向晶界,使全部晶界平行 于应力轴方向,从而改善了合金的使用性能。 单晶叶片消除了全部晶界,不必加入晶界 强化元素,使合金的初熔温度相对升高,从而 提高了合金的高温强度,并进一步改善了合金 的综合性能。

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2.5倍 单晶叶片,寿命是普通铸造的5倍
等轴晶、定向柱状晶、单晶叶片

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10~30oC,涡轮进口温度提高 20~60oC,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、单晶 在单晶硅中掺入微量的第ЩA族元素,形成P型半导体, 掺入微量的第VA族元素,形成N型。单晶硅主要用于制作半导 体元件如 芯片、太阳能电池板。

氟化钙单晶 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。

图 2 光学晶体CaF2 (左1:φ220×150mm).

金属单晶具有特殊的力学物理性能

2、 定向凝固原理

—如何实现定向凝固?

10

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

b) 无成分过冷
C) 窄成分过冷区间

平面晶
胞状晶

d) 成分过冷区间较宽 柱状树枝晶 e) 宽成分过冷 内部等轴晶

成分过冷对晶体生长方式影响模型

成分过冷”条件和判据
?

“成分过冷”的形成条件分析
(K0<1 情况下) :

TM

mL

a)

TS

CL*=C0/k0 CS=C0
C%

→ 界面前沿形成溶质富集层 → 液相线温度TL(x‘)随x’增大上升 → 当GL(界面前沿液相的实际温度梯度)小 于液相线的斜率时,即:
GL ?TL ( x ' ) ? ?x '
x ?0
'

C% CS*

CL*
CL(X')

b)
C0

界面

X'

T T1实 际

T2实际

TL ( x' ) ? Tm ? mLC0 ?1 ? e ? K0 ?

TL(X') ? 1 ? K c)0 ?

?

R ? x' DL ?

出现“成分过冷” 。

成分过 区 冷

? ? ?

界面
Ti

X'

?

“成分过冷”的判据

G L mL ? C0 (1 ? K 0 ) < R DL K0
式中:GL为液固界面前沿液相温度梯度(K/mm); R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为平衡溶质分配系数;DL为液相中溶质 扩散系数。

由判据

G L mL ? C0 (1 ? K 0 ) < R DL K0

可见,下列条件有助于抑制

“成分过冷”:
? 液相中温度梯度大(G L大);

?
?

晶体生长速度慢,R小;
m L小,即陡的液相线斜率;

工艺因素

?
?

原始成分浓度小,C 0 小;
液相中溶质扩散系数 D L 高;

合金本身 的因素

?

K 0<1 时,K 0大;K 0>1 时,K 0 小

无成分过冷时的平面生长 平面生长的条件:

GL

mC 0 1 ? K 0 ? ? R DL K0

T1

dTL(x)/dx x=0 GL TL(x)

GS T2

Δ TK

界面前方无成分过冷时平面 生长 a)局部不稳定界面 b)最终稳定界面

S

L

(a) 局部不稳定界面

S

L

(b) 最终稳定界面

定向凝固技术的重要工艺参数包括:

? 凝固过程中固-液界面前沿液相中的温度梯度GL ? 固-液界面向前推进速度,即晶体生长速度R ? GL/R值是控制晶体长大形态的重要判据
在提高GL的条件下,增加R,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。

定向凝固技术和装置不断改进,其关键技术之一是提 高固-液界面前沿液相中的温度梯度GL。目前, GL已经达 到100-300℃/cm,工业生产中已达到30-80℃/cm。

(3)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:

? 热流向单一方向流动并垂直于生长中的固-液界面 ? 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。

晶体生 长方向

侧向无温度梯度,不 散热

热流方向

定向凝固柱状晶生长示意图

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 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

深 过 冷 定 向 凝 固 技 术

电 磁 约 束 成 形 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.发热剂法(EP法)
? 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:工艺简单、成本低。
? 适用:小型的定向凝固实验与生产。

发热剂法(炉外法)

?最原始的方法。 ?缺点:无法调节凝固速率和

温度梯度,只能制备小的柱 状晶铸件,这种方法多用于 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:
? 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:高度120mm以下定向 凝固铸件。

? 3.快速凝固法( H.R.S法)
? Erickson于1971年提出。原理如图所示。

? 与P.D法的主要区别:铸型加热器始终加热,在凝固时,铸 件与加热器之间产生相对移动。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: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。 ? H.R.S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.液态金属冷却法(L.M.C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:在于冷却介质为低 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。

? L.M.C法示意图 ?1一真空室 2一熔炼坩埚 ?3一烧杯 4一炉子的热区 ?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: 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: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:L.M.C法设备复杂,操作麻烦,因此在工业上未广泛 应用。

金属所 LMC法制备的发动机叶片

金属所研制的大型“高温度梯度液态金属冷 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

液态金属冷却法
影响因素: 冷却剂的温度 模壳传热性、厚度和形状 挡板位置 熔液温度 液态金属冷却剂的选择条件: 有低的蒸气压,可在真空中使用 熔点低,热容量大,热导率高

3.2 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)

?深过冷定向凝固
?激光超高温梯度快速凝固技术(LRM)

?连续定向凝固技术(OCC法)

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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。

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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6~1000um/s内调节。 但是,这种方法单纯采用强制加热来提高温度梯度,
从而提高了凝固速度,仍不能获得很大的冷却速度,因 为需要散发掉的热量相对而言更多了,故冷却速率提高 有限,一般很难达到快速凝固,目前这方便面的研究还 都处于实验室规模,要进一步广泛运用,还有待遇进一 步的努力和改进。
34

1.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
35

电磁约束成形定向凝固(DSEMS)
在ZMLMC法基础上,凝固剂属国家重点实验室提出并 探索研究了近十年的电磁约束成形定向凝固技术。该技 术是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。
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深过冷定向凝固
ZMLMC法的一个显著特点是通过提高温度梯度,扩大 所允许的抽拉速率,从而达到亚快速凝固水平,实现组织 超细化。但是单纯采用强制加热的方法增大温度梯度来提 高凝固速率,人不能获得很大的冷却速率,因为此时要求 散发的热量更多了,一般来说采用这样的技术很难实现快 速凝固。 1981年,Lux等在动力学过冷熔体定向凝固方面开展 了有益的探索,通过改进冷却条件获得了近100K的动力学 过冷度,并施加很小的温度梯度,最终得到了直径21mm, 长70~80mm的MAR-M-200高温合金定向凝固试样。

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过冷容提中的定向凝固是 由1981年B-Lux等首先提出的。 西北工业大学采用玻璃净化和 过热相结合的净化方法,获得 合金熔体的热力学深过冷,并 利用过冷度的遗传性,将熔体 深过冷与定向凝固相结合,使 熔体在固液界面前沿相中温度
深过冷定向凝固实验过程的实验原理图

梯度GL﹤0的条件下凝固。他 们称之为深过冷定向凝固 (SDS),整个实验过程的原 理简图如图左所示。

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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5×104K/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。

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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适 有熔液整体过冷(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
长的是想应用到连续铸造技术上,提出了一种最新的铸 造工艺——热型连续法(简称OCC法),即连续定向凝

固技术。
40

定向柱晶铸件的主要缺陷:

? ?

柱晶方向发散 在铸件上出现不利取向的晶粒或等轴晶——“雀斑”

严重恶化定向铸件的性能。
“雀斑”的形成与凝固前沿液-固共存的两相区(“糊状 区”)内熔体的流动有关。

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 选择合适的生长速度和温度梯度

生长速度和温度梯度对 “雀斑”形成的影响

4. 定向凝固技术的应用

应用定向凝固方法,得到单方向生长的柱状晶, 甚至单晶,不产生横向晶界,较大提高了材料的单

向力学性能,热强性能也有了进一步提高,因此,
定向凝固技术已成为富有生命力的工业生产手段, 应用也日益广泛。

43

4.1 ? ?

? ? ?

?

定向凝固制备单晶铸件 单晶用途: (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性质: 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: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 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: 20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晶涡轮叶片。

?拉伸性能:三种铸造镍基高温合金Mar—M200的拉伸性能如 图所示。A为普通铸造、B为柱状晶、C为单晶。

? 看出: ?单晶的拉伸塑性在所有温度下都比较优越; ?柱状晶的瞬时拉伸强度随着温度升高而提高,在760? C附近达 最高值(拉伸强度比等轴晶高出100MPa),超过800? C时,迅 速降低;在760? C附近出现拉伸塑性的最低值。

? 蠕变速度和持久性能——高温合金材料性能重要指 标。 ? 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
? 首先:在金属熔体中形成一个单晶核(可以引入籽 晶或自发形核); ? 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: 固一液界面前沿不允许有温度过冷和成分过冷,避 免固—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,结晶过程 的潜热只能通过生长着的晶体导出。

定向凝固满足上述热传输的要求,是制备单晶最

有效的方法。为了得到高质量的单晶体,首先要在金属
熔体中形成一个单晶核: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。

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? 生产单晶铸件的关键:利用柱状晶 生长过程中的竞争和淘汰,最终在 铸件本体中保留一个柱晶晶粒。 ? “自生籽晶法”如示意图所示: ? 在铸件本体下部设置一个空腔,称 为“晶粒选择器”,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 面形成等轴晶。在单向凝固的条件 下,经过一定高度的择优生长,得 到一束接近 [001] 取向的柱晶。 ? 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。上述选晶过程全部在 “晶粒选择器”中完成。

?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”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: ? ①水冷结晶器表面形成等轴晶; ? ②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。
?③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。
?自生籽晶法生产单晶叶片 1—铸件 2一选晶段 3一起始段

4.2 制备柱状晶铸件
定向凝固柱状晶铸件与用普通方法得到的铸件相比, 前者可以减少偏析、疏松等,而且形成了取向平行于主 应力轴的晶粒,基本上消除了垂直应力轴的横向晶界, 使航空发动机叶片的力学性能有了新的飞跃。 另外,对面心立方晶体的磁性材料,如铁等,当铸 态柱晶沿晶向取向时,因与磁化方向一致,而大大改善 其磁性。

51

4.2.1 高温合金制备
高温合金是现在航空燃气涡

高 温 合 金

轮.舰船燃气轮机、地面和火箭发 动机的重要金属材料,在先进大 航空发动机中,高温合金的用量 占 40%—60%, 因 此 这 种 材 料 被

喻为燃气轮的心脏。

52

采用定向凝固技术生产的高温合金基本上消除 了垂直于应力轴的横向晶界,并以其独特的平行于 零件主应力轴择优生长的柱晶组织以及有意的力学 性能而获得长足的发展。 MAR—M200中温性能尤其是中温塑性很低,作为 涡轮叶片在工作中常发生无预兆的断裂。

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在MAR—M200基础上研究成功的定向凝固 高温合金PWA1422不仅具有良好的中高温蠕变断 裂强度和塑性,而且具有比原合金高5倍的热疲劳 性能,在先进航空航天发动机上获得广泛的应用。
在激光超高温度梯度定向凝固条件下,超高 温梯度和较快凝固速度共同作用,使镍基高温合 金高度细化,同常规凝固相比,组织细化36倍, 而且得到了新颖的超细胞状晶组织,该组织是镍 基合金的定向凝固组织,组织的微观偏析大大得 到改善,甚至消除。

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在定向凝固的合金基础上发展出的完全消除晶 界和晶界元素的单晶高温合金,热强性能有了进一 步的提高。采用高梯度定向凝固技术,在较高的冷 却速率下,可以得到具有超细枝晶组织的单晶高温 合金材料。 定向凝固技术促进了航空等领域的发展,目前 几乎所有现金航空发动机都采用单晶叶片为特色, 第三代的单晶合金制造的涡轮叶片,工作温度可达 1240℃。另外,新的单晶合金成分中Re的加入以及 Hf、Y、La、Ru等元素的合理应用使合金的持久性 能和抗环境性能有明显提高。
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4.2.2 磁性材料的制备
磁性材料是古老而年轻的功能材 料,指具有可利用的磁学性质的 材料。深过冷快速凝固是目前国 内外制备块体纳米磁性材料的研 究热点,采用该工艺可先制备出 大块磁性非晶,再将其进行退货 热处理而获得纳米磁性材料,也 可直接将整块金属进行晶粒细化 至纳米级获得纳米磁性材料。

磁 性 材 料

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深过冷快速凝固方法所制备块体纳米材料的厚度

及平均晶粒尺寸在很大程度上时由合金成分以及液态
金属获得的过冷度决定的。 张振忠等采用深过冷水淬方法直接制备出了式样 直径为16mm、平均晶粒尺寸小于120nm的Fe76B12Si12合 金块体纳米软磁材料,其磁耗损PFF400和PFF1000仅

为普通硅钢片的45.3%和69%。

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4.2.3 高温超导体材料的制备
高 温 超 导 体 材 料
氧 化 钇 钡 铜 ( Yttrium Barium Copper Oxide,YBCO) YBCO高 温超导体由于具有高温临界电流密 度和低的导热率,是做电线的潜在 材料。如果要在SMES等方面有广泛 的应用,为了减少热泄露,并且在 磁场中具有高临界电流密度,那么 就必须需要大尺寸的电线。

58

有学者研究了在不同体积分数时的jc-B特性和沿 长度方向Y211相晶粒组织,他们发现在YBCO超导

棒条体的中间段jc-B特性最优,并用此部位的棒条体
做成电线,在ab面平行于所在磁场方向处,当温度 为77K,磁场强度为3T时,其临界电流为380A。

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4.2.4 功能材料的制备
压电陶瓷和稀土超磁致伸缩材料在换能器、传 感器和电子器件等方便都有广泛的应用。定向凝固 技术在制备这两种功能材料中也得到了应用。 中国科学院上海硅酸盐研究所高性能陶瓷和超 微结构国家重点实验室曾用定向凝固技术制备了择 优方向为[111]、晶粒为柱状的PMN-0.35PT定向陶瓷 和择优方向为[011],[001]的定向陶瓷。

60

最近又用定向凝固方法制备了择优方向为[112] 的PMN-0.30PT高性能定向压电陶瓷,它的压电常 熟远大于PZT陶瓷,达到1500pC/N以上,耦合系数 Kt为0.51,k33达0.82,22kV/cm时的场致应变达到 了0.23%。片状样品的XRD结果如图5.3。

61

图5.3 PMN-0.30PT定向压电陶瓷的XRD图谱
62

由 图 5.3 可 看 出 , 晶 粒 生 长 方 向 主 要 为 [112],其次为[011],此外还有少量(001)、 (111)、(003)面的衍射。按照Lotgering 计算方法,所得到陶瓷沿[112]方向的取向度 约为35%。他们认为定向凝固技术可望成为 之额比高性能PMN-PT定压压电陶瓷的有前 景的技术。

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4.2.5 复合材料的制备
定向凝固技术也是一种制备复合材料的重要手段。 西北工业大学在自制的具有高真空、高温度梯度、宽抽 拉速度等特点的定向凝固设备上制备出自生Cu-Cr复合 材料棒;研究发现:Cu-Cr自生复合材料的定向凝固组 织是由α基体相和分布于α相间的纤维状共晶复合组成。 随着凝固速度的增加,各组织生长定向性变好且径 向尺寸均得到细化。致密、均匀、规整排列的组织减少 了横向晶界、微观组织中α基体相起导电作用,纤维状 共晶体起增强作用。Cu-Cr自生复合材料的强度、塑性、 导电性均高于凝固试样,复合材料综合性能得到提高。
64

美国NASA Glenn研究中心用移动区域激光加

热方法研究了定向凝固Al2O3/ZrO2 (Y2O3)复合材
料的效果,结果表明:Al2O3/ZrO2(Y2O3)复合材料 具有低的界面能,并且增强相与基体能形成强而

稳定的结合。

65

4.2.6 多孔材料的制备
日本学者用定向凝固技术 制备了藕状多孔铜材料和硅材 料,在材料中孔都是长而直的。 图5.4和图5.5分别是多孔铜材 料和硅材料的光学显微图。他

多 孔 材 料

们研究了制备的多孔材料气孔
率、气孔大小及分布与性能关 系,认为多孔材料在许多新的

领域有应用前景。

66

图5.4多孔铜材料的光学图谱

67

68

4.2.7 单晶连铸坯的制备
OCC技术主要要应用在单晶材料、

单 晶 连 铸 坯

复杂截面薄壁型材及其他工艺难以加
工的合金连铸型材。OCC技术制备的 金属单晶材料表面异常光洁,又没有 晶界和各种铸造缺陷,具有优异的变 形加工性能,可拉制成极细的丝和压 延成极薄的箔。

69

西北工业大学在OCC的技 术基础上将定向凝固、高梯度 与连续铸造结合起来制备出准 无限长的铜单晶,为高频、超 高频信号的高清晰、高保真传 输提供了关键技术。图5.6是连 铸单晶的样件。与多晶相比, 其塑性大幅度提高,电阻率降 低38%。而且他们用纯度99.9% 铜锁获的单晶的相对导电率优 于日本用纯度99.9999%的性能。

图5.6铜单晶样品

70

从定向凝固技术的发展过程可以看出,随着其它专 业新理论的出现和日趋成熟,实验技术的改进和人们的 不断努力通过寻找新的热源货加热方式、借鉴快速凝固 的技术以及使用外加作用力等都有可能创造出新的定向 凝固技术。同时,定向凝固技术必将为新材料的制备和 新加工技术的发展提供广阔的前景,也必将是凝固理论 得到完善和发展。

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第八章 答案 隐藏>> 复习思考题 8-3 快速凝固对...形成亚稳相或新的结晶相;形成微晶、纳米晶或 金属...定向凝固技术常用于制备柱状晶和单晶合金。 定向凝固...
定向凝固技术的研究进展
定向凝固技术中,冷却速率的 提高, 可以通过提高凝固过程中固液界面的温度梯度和生长速率来实现。因而如 何采用新工艺、 新方法去实现高温度梯度和大生长速率的...
定向凝固技术
中的温度梯度,从而提高凝固速度,最终提高 材料的性能, 研究者在传统定向凝固技术的基础上,吸收了其它凝固技术如快速 凝固等的优点,开发出了一些新的定向凝固技术。...
定向凝固技术的研究进展
定向凝固技术的研究进展材料的使用性能是由其组织形态来决定的.因此.包括成分调整...具有所希望的使用性能,控制凝固过程已 成为提高传 统材料的性能和开发新材料的...
材料成型新技术——连续定向凝固技术 - 副本
材料成型新技术——连续定向凝固技术 - 副本_材料科学_工程科技_专业资料。材料成型新技术报告 学生姓名: 学班题院: 级: 目: 学号: 材料学院 成型 093 连续定...
新型定向凝固的发展
由于定向凝固中溶质的再分配和组织的定向排列, 消除了横向晶界等 凝固缺陷,提高了材料的单项力学性能 [1] 。利用定向凝固技术可以 开发各种新型材料。采用定向凝固...
定向凝固技术
高速凝固法(HRS 法) :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...
[13]定向凝固技术的研究进展
1.2.2 快速凝固法(HRS) [6] 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 术的基 础上发展成了一种新的定向凝固技术,即...
定向凝固技术及其应用
如今, 定向凝固理论是一种重要的材料制备方法和一种研 究凝固现象的有利工具。 因此, 研究和开发新的定向凝固方法吸引了世界范围内的材料工程 师和科学家。 定向...
定向凝固技术
定向凝固技术 1、 定向凝固的研究状况 定向凝固成形技术是伴随高温合金的发展而...第八章 凝固新技术—定向... 71页 5下载券 定向凝固技术的发展与应... ...
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