定向凝固，又稱為定向結晶，是指使金屬或合金在熔體中定向生長晶體的一種工藝方法。定向凝固技術是在鑄型中建立特定方向的溫度梯度，使熔融合金沿著熱流相反方向，按要求的結晶取向進行凝固鑄造的工藝。它能大幅度地提高高溫合金綜合性能。
基本介紹
- 中文名：定向凝固
- 外文名：directional solidification
- 別稱：定向結晶
- 方法：發熱劑法等
- 套用：高溫合金生產等
- 學科：冶金學
定義,原理,方法,套用,
定義
定向凝固是在凝固過程中採用強制手段，在凝固金屬樣未凝固熔體中建立起沿特定方向的溫度梯度，從而使熔體在氣壁上形核後沿著與熱流相反的方向，按要求的結晶取向進行凝固的技術。該技術最初是在高溫合金的研製中建立並完善起來的。採用、發展該技術最初是用來消除結晶過程中生成的橫向晶界，從而提高材料的單向力學性能。該技術運用於燃氣渦輪發動機葉片的生產，所獲得的具有柱狀乃至單晶組織的材料具有優良的抗熱衝擊性能、較長的疲勞壽命、較高的蠕變抗力和中溫塑性，因而提高了葉片的使用壽命和使用溫度，成為當時震動冶金界和工業界的重大事件之一。
定向凝固技術對金屬的凝固理論研究與新型高溫合金等的發展提供了一個極其有效的手段。但是傳統的定向凝固方法得到的鑄件長度是有限的，在凝固末期易出現等軸晶，且晶粒易粗大。為此出現了連續定向凝固技術，它綜合了連鑄和定向凝固的優點，又相互彌補了各自的缺點及不足，從而可以得到具有理想定向凝固組織、任意長度和斷面形狀的鑄錠或鑄件。它的出現標誌著定向凝固技術進入了一個新的階段。
定向凝固技術的最大優勢在於，其製備的合金材料消除了基體相與增強相相界面之間的影響，有效地改善了合金的綜合性能。同時，該技術也是學者們研究凝固理論與金屬凝固規律的重要手段。
原理
實現定向凝固需要兩個條件：首先，熱流向單一方向流動並垂直於生長中的固-液界面；其次，在晶體生長前方的熔液中沒有穩定的結晶核心。為此，在工藝上必須採取措施避免側向散熱，同時在靠近固一液界面的熔液中應造成較大的溫度梯度，這是保證非定向柱晶和單晶生長停止、取向正確的基本要素。
實現定向凝固應滿足凝固界面具有穩定的定向生長要求，抑制固一液界面前方可能出現的較大成分過冷區，而導致自由晶粒的產生。根據成分過冷理論，固一液界面要以單向的平面生長方式進行長大時，需要保證
足夠大（
為晶體生長前沿液相的溫度梯度，R為界面的生長速度），這就需要通過以下幾個基本工藝措施來保證：①嚴格的單向散熱，要使凝固系統始終處於柱狀晶生長方向的正溫度梯度作用之下，並且要絕對阻止側向散熱，以避免界面前方型壁及其附近的形核和長大；②要減小熔體的異質形核能力以避免界面前方的形核現象，即要提高熔體的純淨度；③要避免液態金屬的對流、攪動和振動，以阻止界面前方的晶粒游離。對於晶粒密度大於液態金屬的合金，避免自然對流的最好方法就是自下而上地進行單向結晶。
方法
發熱劑法
所謂的發熱劑法就是將熔化好的金屬液澆入一側壁絕熱，底部冷卻，頂部覆蓋發熱 劑的鑄型中，在金屬液和已凝固金屬中建立起一個自上而下的溫度梯度，使鑄件自下而上進行凝固，實現單向凝固。這種方法由於所能獲得的溫度梯度不大，並且很難控制，致使凝固組織粗大，鑄件性能差，因此，該法不適於大型、優質鑄件的生產。但其工藝簡單、成本低，可用於製造小批量零件。
功率降低法
高速凝固法
為了改善功率降低法在加熱器關閉後，冷卻速度慢的缺點，在Bridgman晶體生長技術的基礎上發展成了一種新的定向凝固技術，即快速凝固法。該方法的特點是鑄件以一定的速度從爐中移出或爐子移離鑄件，採用空冷的方式，而且爐子保持加熱狀態。這種方法由於避免了爐膛的影響，且利用空氣冷卻，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，組織細密挺直，且較均勻，使鑄件的性能得以提高，在生產中有一定的套用。
液態金屬冷卻法
HRS法是由輻射換熱來冷卻的，所能獲得的溫度梯度和冷卻速度都很有限。為了獲得更高的溫度梯度和生長速度。在HRS法的基礎上，將抽拉出的鑄件部分浸入具有高導熱係數的高沸點、低熔點、熱容量大的液態金屬中，形成了一種新的定向凝固技術，即LMC法。這種方法提高了鑄件的冷卻速度和固液界面的溫度梯度，而且在較大的生長速度範圍內可使界面前沿的溫度梯度保持穩定，結晶在相對穩態下進行，能得到比較長的單向柱晶。
常用的液態金屬有Ga-In合金和Ga-In-Sn合金，以及Sn液，前二者熔點低，但價格昂貴，因此只適於在實驗室條件下使用。 Sn液熔點稍高（232℃），但由於價格相對比較便宜，冷卻效果也比較好，因而適於工業套用。該法已被美國、前蘇聯等國用於航空發動機葉片的生產。
套用
普通鑄造獲得的是大量的等軸晶，等軸晶粒的長度和寬度大致相等，其縱向晶界與橫向晶界的數量也大致相同。對高溫合金渦輪葉片的事故分析發現，由於渦輪高速旋轉時葉片受到的離心力使得橫向晶界比縱向晶界更容易開裂。套用定向凝固方法，得到單方向生長的柱狀晶，不產生橫向晶界，較大地提高了材料的單向力學性能。套用單晶鑄造獲得的單晶葉片可顯著提高現代航空對於磁性材料，套用定向凝固技術，可使柱狀晶排列方向與磁化方向一致，大大改善了材料的磁性能。定向凝固技術還廣泛用於自生複合材料的生產製造，用定向凝固方法得到的自生複合材料消除了其他複合材料製備過程中增強相與基體間界面的影響，使複合材料的性能大大提高。
