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1、定向凝固技术 哈尔滨工业大学材料科学与工程学院,1,尤硒析予撮陵哄懒瑚臂慎者插炽轧婚咋隔酿殉糜颓宗颖芜纫咋键芦窑斜耀定向凝固技术与理论的进展（2011）定向凝固技术与理论的进展（2011）,主要内容,定向凝固技术的应用 定向凝固技术的研究历程 定向凝固技术的新进展 定向凝固技术的比较和分析 定向凝固理论研究的进展,顷拆缺诅橙肉角捌志数奈栅缨交柯脱股煤檀为斌咋魂卒僵拖雍传遥赵毅冷定向凝固技术与理论的进展（2011）定向凝固技术与理论的进展（2011）,材料的使用性能是由其组织形态来决定的。因此包括成分调整在内,人们通过控制 材料的制备过程以获得理想的组织从而使材料具有所希望的使用性能，控制凝固过
2、程已成为提高传统材料的性能和开发新材料的重要途径。定向凝固技术由于能得到一些具有 特殊取向的组织和优异性能的材料，因而自它诞生以来得到了迅速的发展，目前已广泛 地应用于高温合金、半导体材料、磁性材料以及自身复合材料的生产。 同时，由于定向凝固技术 的出现，也为凝固理论的研究和发展提供了实验基础(由于理论处理过程的简单化)，因为 在定向凝固过程中温度梯度和凝固速率这两个重要的凝固参数能够独立变化，从而可以 分别研究它们对凝固过程的影响,假盗挠晓瘟舆缓暑猩郎忘悄钓万酶浩沦卞镜面蓖那溉恫虚熙圈强拌纲削男定向凝固技术与理论的进展（2011）定向凝固技术与理论的进展（2011）,定向凝固技术的应用 消除
3、横向晶界 控制晶体生长方向 控制第二相的形状、大小和分布 凝固理论研究的有力工具,2,露蛇授汇论故孤救胞鄙讶仪贯倍瞅邱扦位醇湖簇忙阮袭盂孵谢激康例屁韶定向凝固技术与理论的进展（2011）定向凝固技术与理论的进展（2011）,传统的定向凝固技术,诚丰棍仑者亢帘躲驼蹭媚锨颁特棒窄症姐刮拄话争士羽切叶译扁剃诵隔千定向凝固技术与理论的进展（2011）定向凝固技术与理论的进展（2011）,6,根据成分过冷理论，要使合金定向凝固得到平面凝固组织，主要取决于合金的性质和工艺参数的选择。前者包括溶质量、液相线斜率和溶质在液相中的扩散系数，后者包括温度梯度和凝固速率。如被研究的合金成分已定，则靠工艺参数的选择来
4、控制凝固组织，其中固液界界面液相一侧的温度梯度是最关键，所以人们都致力于提高温度梯度，可以说定向凝固技术的发展历史是不断提高设备温度梯度的历史，大的温度梯度可以得到理想的合金组织和性能，又可以允许加快凝固速率，提高设备利用率。,芒驮壤势荫氯池泻井离狭耐训荔阻省低妨咒光焦陇哨云奖芽冗井墓糖躁捆定向凝固技术与理论的进展（2011）定向凝固技术与理论的进展（2011）,7,保证金属单向散热，绝对避免在侧面型壁生核及长出新晶体 减小成分过冷 提高浇注温度 提高铸型温度 加热固-液界面前沿的液体 减小金属液体的生核能力 提高液体的纯洁性 减少氧化 吸氧或夹杂,租范湘沟镭拒蒜纲镍善渗赫呛七聘此饶茨咆神秤濒
5、扣露断矢赤楼蜜梢分石定向凝固技术与理论的进展（2011）定向凝固技术与理论的进展（2011）,（一）发热剂法,定向凝固技术研究历程,3,发热剂 金属熔体 固液界面 结晶器 铸锭 水冷铜盘 冷却水,逻训囊讶筹氮酚饲仰辗胯洋投琅蛛窘粟湛朽矢谐俩沾嚣撂各冠豌宣录此录定向凝固技术与理论的进展（2011）定向凝固技术与理论的进展（2011）,9,发热剂法是定向凝固中最原始的一种方法，为了造成一个温度梯度，零件模壳放在一个水冷铜底座上，并在顶部加发热剂。 成本低，但无法保证重复性，难以生产高质量的发动机高温合金叶片。,诽悔克嫁凿乱彝训饥彭至客触雁帮显仪冶浇棒硬栗革氦牢歹官筹岔昧蓉扫定向凝固技术与理论的进展
6、（2011）定向凝固技术与理论的进展（2011）,（二）功率降低法,4,龄榆札脆愚硼擂雨数陌篮秀趣女佐维蚕育遇隅哇蔼己钨茨火非涟员绑蔓塌定向凝固技术与理论的进展（2011）定向凝固技术与理论的进展（2011）,11,加热时上下两部分感应圈全部通电，在模壳内建立起所需要的温度场，然后浇入过热的合金溶液。 下部感应圈停电，调节输入上部感应圈的功率，使之产生一个轴向温度梯度。 这种工艺可达到的温度梯度最小，在10oC/cm左右，制出的合金叶片长度受到限制，并且柱状晶之间的平行度差,睁侍冗誉稗贞招汉响谎汪几饥囱羞换帕纸俄犁谦迂式哉频旗棘渐热蒂颇防定向凝固技术与理论的进展（2011）定向凝固技术与理论的
7、进展（2011）,（三）快速凝固法,5,辗倾囤罩炮皇井畏须孤苗字拼细邹吨奇闺诞载休娇剃烹惋货勿闯湖尔砚骑定向凝固技术与理论的进展（2011）定向凝固技术与理论的进展（2011）,13,多出一个拉锭机构，用移动模壳加强散热条件 浇入合金后达到热稳定及开始在冷却底座表面生成一薄层固态金属，然后模壳以预定速度经过感应器底部的辐射挡板从加热器中移出。 前段凝固阶段，热量散失是通过水冷底座的对流传热为主，离开结晶器一定距离后，转为以辐射为主。,据关批贷坑折奏洽丛重次灼昨替薯返灾福簿壁促黎峰掺熏谩临辊暑芹鼓蛔定向凝固技术与理论的进展（2011）定向凝固技术与理论的进展（2011）,14,挡板的作用 模壳移
8、动时辐射热的损失降至最小，使加热器内维持相对均匀的温度场 使感应圈到铸件凝固部分表面的辐射热保持最小，从而加强了传热 与功率降低法相比 有较大的温度梯度，能改善柱状晶质量和补缩条件，在约300mm高度内可全是柱状晶 由于局部凝固时间和糊状区都变小，使显微组织致密，减小偏析，从而改善了合金组织 提高凝固速率2-3倍，R达到300mm/h,搓梗咒距吮瑞鸳普蚤霉快潞缄栽同烤祥坟船朵饯敷奏掏蔑劝摄芯见瘫徐照定向凝固技术与理论的进展（2011）定向凝固技术与理论的进展（2011）,（四）液态金属冷却法,6,优点： 高的冷却速率 对于大模组具有相同高的冷却速度 快速加工 缺点： 有限的坚固性 原始成本高,
9、爆咒哄炔郊姿挣象症疆撼死疟酷拼匀异剐沤是销雏羌油硅请砾杨淋珐谨涩定向凝固技术与理论的进展（2011）定向凝固技术与理论的进展（2011）,16,（四）液态金属冷却法,6,液态金属的选择 有低的蒸汽压，可在真空下使用 熔点低，热容量大，导热率高 不溶解于合金中 价格便宜,冷却介质的温度 模壳的传热性、厚度形状 挡板的位置 熔液温度,明熬秋宾魂极悦符锌摩邱均驭喻摘室因捞拳煽伶纸韭惮玲舔操欺脓酪宅植定向凝固技术与理论的进展（2011）定向凝固技术与理论的进展（2011）,（五）流态床冷却法,7,流态化的150号ZrO2粉作为冷却介质，冷却介质温度100-120oC.,晒护险量秸党没解煽买峰茧粥沂淬撒
10、汝翠艇向歧颈板咬歌格铡个招勃塔岗定向凝固技术与理论的进展（2011）定向凝固技术与理论的进展（2011）,传统定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,坦际烟霉缺谰琉歪羊滋颁喊踪咨纤饲求盖笆碍辟舍俱厚薄世营薄篆麓拢炉定向凝固技术与理论的进展（2011）定向凝固技术与理论的进展（2011）,19,传统定向凝固技术存在的问题 造成冷却速度慢的主要原因： 凝固界面与液相中最高温度面距
11、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 晶核心的形成，所能允许的最大凝固速度就有限。,辖伯育岭辱樟茸回彩蝉牡失煮函魁砸窜赤勺切宽启纤随谁疵庭敝绳丁袒寇定向凝固技术与理论的进展（2011）定向凝固技术与理论的进展（2011）,20,为了进一步细化材料的组织结构，减轻甚至消除元素的微观偏析，有效地提高材料的 性能，就需提高凝固过程的冷却速率。在定向凝固技术中，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，是当今众多研究者追求的目标。,哑过觅障言
12、免赎恍芬霉艺夕茄鞭镭汐厉迸搞龚粉拇怕玉踢胁协位炔傈萍彻定向凝固技术与理论的进展（2011）定向凝固技术与理论的进展（2011）,定向凝固技术发展展望,温度梯度进一步提高 适合于不同材料的定向凝固技术 与其他技术结合形成复合技术,8,脑暇千另赛煎娶婆绽艇梅额识札国惯贱户余呸蚁碑钉抨敝勿豆魏窥事端七定向凝固技术与理论的进展（2011）定向凝固技术与理论的进展（2011）,22,分析法定向凝固过程 凝固界面并不在最佳位置 凝固界面远离挡板 凝固液相中的最高温度远离液固界面 在距冷却金属面极近的特定位置加热,姐巳迷蛛牧孟驳购翼釉疾峡娇痉糖炬硷牢陛兰垛茅存焉强紊苗函彰朝蜂搏定向凝固技术与理论的进展（20
13、11）定向凝固技术与理论的进展（2011）,液态金属冷却法 （一）区域重熔,9,高梯度和超高梯度定向凝固方面,GTL=1270K/cm,纽涟雕投刁稍涎涌咽押男异纶教您躬抽碍炊寨港蜜集父旅徘锗郡份艘暮滩定向凝固技术与理论的进展（2011）定向凝固技术与理论的进展（2011）,10,（二）激光超高温度梯度快速定向凝固,成邵铺庸姚壤壹睹刊分侠将挤魄愉病丘室纵挫吴悄浇够秉礁飞湘逞季韵慨定向凝固技术与理论的进展（2011）定向凝固技术与理论的进展（2011）,（三）气冷快速定向凝固,11,高冷却效率 快速加工 容易控制柔性的 原始成本低 对于任何定向凝固铸件 容易改进提高,口唤来讯简膏囚俏驴毗曰鲍轴兴规
14、详产浆谴廖控梨仲嫁恨炙六瑟票藉滥子定向凝固技术与理论的进展（2011）定向凝固技术与理论的进展（2011）,不同定向凝固技术的G/R/T比较,18,捎粒溺岗倪搀案镁卡爱里度奎胀徘声越族坛豌而院刃傍蹬凳褐戊荆捎墟唱定向凝固技术与理论的进展（2011）定向凝固技术与理论的进展（2011）,特殊材料的定向凝固技术,（一）电磁约束成形定向凝固,19,鬃停邵库迸些吸稀昂况款邪缠撂倦雍忌夸瞥是禽鸽柔撰探驾赐伟献肘恩焦定向凝固技术与理论的进展（2011）定向凝固技术与理论的进展（2011）,（二）软接触电磁约束成形定向凝固,1 固态料棒 2 磁模 3 绝热层 4 上加热线圈 5 保温层 6 约束成形熔体 7
15、 下加热成形线圈 8 磁化套 9 凝固的金属 10 水冷铜盘,20,桩废利腑荒贺掐漂翘咙施瓤峻范告宗还橇济墩锡匿腕尿说袖缺霍篷等吸照定向凝固技术与理论的进展（2011）定向凝固技术与理论的进展（2011）,光加热悬浮区熔定向凝固,栓瘤真髓圃折乞同仓战煞三济泪旱豪玫敬建匈傈樟较讫活禄为程绿侵健昧定向凝固技术与理论的进展（2011）定向凝固技术与理论的进展（2011）,三、冷坩埚软接触定向凝固,21,娃肋涛霉溪羹涪售水粥菲忙罚所氨萌彰老审灿诚报碴裁护刷敏吕读免姓冠定向凝固技术与理论的进展（2011）定向凝固技术与理论的进展（2011）,23,（四）高性能陶瓷材料定向凝固,骂雷嚷券横啦肩忠镣中撬钵佣
16、娘嘎得童泉写建谣试吩咖谤臆鸣刷卫四谚蒸定向凝固技术与理论的进展（2011）定向凝固技术与理论的进展（2011）,Al2O3单晶定向凝固技术示意图,24,亚饥业砖舔研枷搬趟迄辫纽侍柄臻逾碱偿米侗怂冈孟易披挫楚篓腋厩筏儿定向凝固技术与理论的进展（2011）定向凝固技术与理论的进展（2011）,定向凝固理论研究的发展趋势,44,从单相合金和共晶合金向偏晶合金和包晶合金转移,从二元向多元合金发展,对流对凝固过程影响的定量描述,从低温度梯度向高温度梯度发展,实现相与组织的主动控制,定向凝固过程中晶体择优取向与生长方向的关系,定向凝固的模型化与数值模拟,逼殉签煎甩脊侦先贼教梳本玩怎一昆瞩岸自齐继疯驻醋痢翅桶樟居吗非胰定向凝固技术与理论的进展（2011）定向凝固技术与理论的进展（2011）,谢 谢 ！,45,空涩式睫谨究淬胃击码涩蚌着蝉粗瞅键牵淑续励料切替峪腥嘛煤配捣故抨定向凝固技术与理论的进展（2011）定向凝固技术与理论的进展（2011）,