定向凝固技術(shù)

定向凝固技術(shù)是在高溫合金的研制中建立和完善起來(lái)的，是指采用強(qiáng)制手段，在凝固金屬和未凝固金屬液體之間建立特定方向的溫度梯度和一定的熱流方向使得熔體沿著相反的方向凝固，最終獲得特定取向的柱狀晶組織甚至單晶的技術(shù)。

與普通鑄造方法相比，定向凝固技術(shù)獲得的發(fā)動(dòng)機(jī)葉片的高溫強(qiáng)度、抗蠕變性能、熱疲勞性能都能得到大幅度提高。在磁性材料方面，利用定向凝固技術(shù)可使得柱狀晶排列方向與磁化方向一致，進(jìn)而大大改善材料的磁性能。定向凝固技術(shù)也是制備單晶的有效方法。另外，定向凝固技術(shù)還廣泛用于自生復(fù)合材料的生產(chǎn)制造。利用定向凝固方法得到的自生復(fù)合材料消除了其它復(fù)合材料制備過(guò)程中增強(qiáng)相與基體間界面的影響，使復(fù)合材料的性能大大提高。

那么當(dāng)今都有什么常用的定向凝固方法呢？

1

發(fā)熱劑法（EP）

發(fā)熱劑法的原理是將熔化好的金屬液澆入一個(gè)底部冷卻、四周覆蓋發(fā)熱劑的鑄型中，在金屬液和已凝固金屬中建立起一個(gè)自上而下的溫度梯度，使鑄件自下而上進(jìn)行凝固，實(shí)現(xiàn)定向凝固。

發(fā)熱劑法的工藝簡(jiǎn)單，成本較低，是最原始的定向凝固方法。此方法的金屬熔體內(nèi)溫度梯度較小，凝固過(guò)程可控性較差，重復(fù)性、一致性較差難以獲得高質(zhì)量產(chǎn)品。因此發(fā)熱劑法只適用于小型的要求不高的定向凝固件的生產(chǎn)。

2

功率降低法

功率降低法的鑄型加熱感應(yīng)圈分兩段，在凝固過(guò)程中固定鑄件，在底部使用水冷激冷板。在加熱過(guò)程中上下兩部分感應(yīng)圈都通電，首先建立所要的溫度場(chǎng)而后加入熔化好的金屬液、注入過(guò)熱的合金液。將下部感應(yīng)線圈斷電，通過(guò)調(diào)節(jié)上部感應(yīng)圈的功率大小，在金屬液中形成一個(gè)軸向溫度梯度。功率降低法的結(jié)晶熱量主要通過(guò)已凝固部分及底盤(pán)由冷卻水帶走。因?yàn)闊醾鲗?dǎo)能力會(huì)隨著離水冷平臺(tái)距離的增加而顯著降低，液態(tài)金屬溫度梯度會(huì)在凝固過(guò)程中逐漸減小，軸向上的柱狀晶較短、生長(zhǎng)長(zhǎng)度受到限制、柱狀晶之間的平行度變差、合金的顯微組織在不同部位產(chǎn)生差異甚至產(chǎn)生放射狀凝固組織。另外，由于設(shè)備相對(duì)復(fù)雜，且能耗大，限制了該方法的應(yīng)用。

3

高速凝固法（HRS）

高速凝固法是鑄件以一定的速度從爐中移出或爐子移離鑄件，除了水冷底座的對(duì)流傳熱外，同時(shí)采用空冷的輻射傳熱方式，而且爐子保持加熱狀態(tài)。

這種方法由于避免了爐膛的影響，且利用空氣冷卻已凝固鑄件，因而獲得了較高的溫度梯度和冷卻速度，所獲得的柱狀晶間距較長(zhǎng)，組織細(xì)密挺直，且較均勻，使鑄件的性能得以提高，在生產(chǎn)中有一定的應(yīng)用。但 HRS 法是靠輻射換熱來(lái)冷卻的，獲得的溫度梯度和冷卻速度都很有限。

4

液態(tài)金屬冷卻法（LMC）

為了獲得更高的溫度梯度和生長(zhǎng)速度，在HRS法的基礎(chǔ)上開(kāi)發(fā)出液態(tài)金屬冷卻法。由于液態(tài)金屬比熱較大，LMC采用液態(tài)金屬冷卻以增大冷卻效果。LMC中常用的液態(tài)金屬有Ga-In合金和Ga-In-Sn合金以及Sn液和Al液。

該方法與快速凝固法基本相同。采用液態(tài)金屬替代水作為冷卻介質(zhì)，將模殼直接浸入液態(tài)金屬冷卻劑中，增強(qiáng)散熱，在感應(yīng)器底部迅速達(dá)到熱平衡，得到很大的溫度梯度。LMC提高了鑄件的冷卻速度，加大了固液界面的溫度梯度，而且在較大的生長(zhǎng)速度范圍內(nèi)使得界面前沿的溫度梯度始終保持穩(wěn)定，結(jié)晶過(guò)程能在相對(duì)穩(wěn)態(tài)條件下進(jìn)行，從而得到較長(zhǎng)的單向柱晶。液態(tài)金屬冷卻法已被美國(guó)、前蘇聯(lián)等國(guó)用于航空發(fā)動(dòng)機(jī)葉片的生產(chǎn)。

5

流態(tài)床冷卻法（FBQ）

FBQ法以漂浮在惰性氣體中的穩(wěn)定陶瓷粉末作為冷卻介質(zhì)，激冷能力有所下降。在冷卻介質(zhì)保持相同的溫度條件下，流態(tài)床冷卻法和液態(tài)金屬冷卻法兩者的凝固速率和糊狀區(qū)高度相同，F(xiàn)BQ法得到的溫度梯度要略小。

流態(tài)床冷卻法存在著設(shè)備復(fù)雜、噪音大、污染重、材料表面二次氧化嚴(yán)重等問(wèn)題。

6

區(qū)域熔化液態(tài)金屬冷卻法ZMLNC

ZMLMC法的冷卻方式與LMC方法相同，只是改變了LMC法的加熱方式，通過(guò)電子束或高頻感應(yīng)電流對(duì)凝固界面前沿液相部分進(jìn)行集中加熱，可充分發(fā)揮過(guò)熱度對(duì)溫度梯度的影響，從而極大的提高了固液界面前沿的溫度梯度，其值可達(dá)1300K/cm，冷卻速度可達(dá)50K/s，允許的抽拉速度也大大提高。

ZMLMC法有很多優(yōu)點(diǎn)，不僅可在較快的生長(zhǎng)速率下進(jìn)行定向凝固還可以使高溫合金定向凝固得到的一次枝晶和二次枝晶間距得到明顯的細(xì)化。但是，單純通過(guò)強(qiáng)制加熱的方法來(lái)提高溫度梯度從而提高凝固速度，仍不能獲得足夠大的冷卻速度。

7

連續(xù)定向凝固技術(shù)（OCC）

連續(xù)定向凝固技術(shù)是在連續(xù)鑄造過(guò)程中對(duì)鑄型進(jìn)行加熱，使其溫度高于被鑄金屬的凝固溫度，并通過(guò)在鑄型出口附近的強(qiáng)制冷卻，或同時(shí)對(duì)鑄型進(jìn)行分區(qū)加熱與控制，在凝固金屬和未凝固熔體中建立起沿拉坯方向的溫度梯度和熱流方向，從而使熔體形核后沿著與熱流相反的方向，按單一的結(jié)晶取向進(jìn)行凝固，獲得連續(xù)定向結(jié)晶組織（連續(xù)柱狀晶組織），甚至單晶組織。 

由于依賴(lài)于固相的導(dǎo)熱，連續(xù)定向凝固技術(shù)能較好的適用于具有高熱導(dǎo)率的金屬或合金。并且由于隨著鑄錠尺寸的增大，固相導(dǎo)熱的熱阻增大，維持原散熱條件變得更加困難。因此連續(xù)定向凝固技術(shù)主要適用于小尺寸的鑄錠。

8

電磁約束成型定向凝固法

利用電磁感應(yīng)加熱方法直接熔化感應(yīng)器內(nèi)的金屬材料，并利用在金屬熔體表層產(chǎn)生的電磁力來(lái)約束已經(jīng)熔化的金屬熔體促成成形。

在電磁約束成形下，熔體與鑄模幾乎無(wú)物理接觸，在保持自由表面狀態(tài)下金屬熔體逐漸凝固，大大改善了鑄坯的表面質(zhì)量，提高了成材率。可用于生產(chǎn)無(wú)(少) 偏析、組織超細(xì)化、無(wú)污染的高純難熔金屬及合金。但是，對(duì)于密度大、電導(dǎo)率小的金屬，在實(shí)現(xiàn)完全無(wú)接觸約束時(shí)，由于約束力較小，故不易實(shí)現(xiàn)穩(wěn)定連續(xù)的凝固。對(duì)簡(jiǎn)單、對(duì)稱(chēng)性的較好的試件，感應(yīng)線圈的設(shè)計(jì)比較容易，而對(duì)于復(fù)雜形狀的試件，還存在如何設(shè)計(jì)線圈，使得電磁場(chǎng)分布合理，從而得到尺寸精度合乎要求的近終形試件，還是一個(gè)難點(diǎn)。針對(duì)此難點(diǎn)，有人進(jìn)一步提出了液態(tài)金屬電磁軟接觸成形定向凝固工藝。

9

深過(guò)冷定向凝固技術(shù)

在坩堝中裝入試樣，裝在高頻懸浮熔煉線圈中循環(huán)過(guò)熱使異質(zhì)核心通過(guò)蒸發(fā)與分解方式去除，或裝有凈化劑，通過(guò)凈化劑的吸附作用消除和鈍化合金的異質(zhì)核心。以此獲得深過(guò)冷的合金熔體。再將坩堝的底部激冷，金屬液內(nèi)建立起一個(gè)自下而上的溫度梯度，冷卻過(guò)程中溫度低的底部先形核，晶體自下而上生長(zhǎng)，形成定向排列的樹(shù)枝晶骨架，其間是殘余的金屬液。在隨后的冷卻過(guò)程中，這些金屬液依靠向外界散熱而向已有的枝晶骨架上凝固，最終獲得了定向凝固組織。當(dāng)熔體獲得很大熱力學(xué)過(guò)冷，即在形核就處于深過(guò)冷這種亞穩(wěn)態(tài)時(shí)，由于固液兩相的吉布斯自由能相差很大，一旦形核，生長(zhǎng)速率很快，基本上不受外界散熱條件的影響。所以金屬體積對(duì)深過(guò)冷定向凝固的影響不大。深過(guò)冷與一般的定向凝固技術(shù)相比，可以免除復(fù)雜的抽拉裝置，另外，凝固速度快，時(shí)間短可大幅度提高生產(chǎn)效率。

深過(guò)冷熔體激發(fā)快速定向凝固技術(shù)能否成為一種實(shí)用的凝固技術(shù) (或工藝) 還需解決兩個(gè)問(wèn)題。一是研究不同過(guò)冷度條件下過(guò)冷熔體激發(fā)形核后晶體生長(zhǎng)方式和組織形成規(guī)律；確定適用于形成枝晶陣列微觀組織的試驗(yàn)條件和工藝因素。其次是在上述研究結(jié)果的基礎(chǔ)上最終解決大體積深過(guò)冷熔體激發(fā)快速定向凝固技術(shù)。

10

二維定向凝固技術(shù)

對(duì)于圓盤(pán)件，二維定向凝固的主要原理是通過(guò)控制熱流傳導(dǎo)方向，使得金屬結(jié)晶方向呈現(xiàn)由邊緣向中心定向生長(zhǎng)，最終獲得具有徑向柱狀晶 (宏觀) 和枝晶軸 (微觀) 組織特征的材料。二維定向凝固后的柱狀晶合金徑向強(qiáng)度、塑性和沖擊韌度都會(huì)得到大幅度提高，適用于制造徑向性能要求高的旋轉(zhuǎn)葉片和圓盤(pán)件。

二維定向凝固法還可用于制備放射狀多孔金屬材料。

此外定向凝固方法還有側(cè)向約束下的定向凝固法，對(duì)流下的定向凝固法，重力場(chǎng)作用下的定向凝固法等凝固方法。