定向凝固
| 定向凝固 |
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，使熔融合金沿着熱流相反方向，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。
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簡介
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着與熱流相反的方向，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。它的出現標誌着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。
評價
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。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。[1]