第五章+定向凝固技术分析.ppt

第五章 定向凝固技术 站长素材 SC.CHINAZ.COM 材料制备与加工技术的发展对新材料的研发、应用和产业化具有决定性作用。同时还可有效的改进和提高传统材料的使用性能。对传统材料的产业更新和改造具有重要作用。定向凝固技术被广泛应用于获得具有特殊取向的组织和优异性能的材料。 定向凝固的发展历史 定向凝固基本原理 定向凝固工艺 应用实例 5.1定向凝固的发展历史 定向凝固过程的理论研究的出现是在1953年，那是Charlmers及其他的同事们在定向凝固方法考察液/固界面形态演绎的基础上提出了被人们称之为定量凝固科学的里程碑的成分过冷理论。 在20世纪60年代，定向凝固技术成功的应用于航空发动机涡轮叶片的制备上，大幅度提高了叶片的高温性能，使其寿命加长，从而有力地推动了航空工业发展。 近20年来，不仅开发了许多先进的定向凝固技术，同时对定向凝固理论也进行了丰富和发展，从Charlmers等的成分过冷理论到Mullins等的固/液界面稳定动力学理论（MS理论），人们对凝固过程有了更深刻的认识，从而又能进一步指导凝固技术的发展。 随着其他专业新理论的出现和日趋成熟及实验技术的不断改进，新的凝固技术也将被不断创造出来。定向凝固技术必将成为新材料的制备和新加工技术的开发提供广阔前景，也必将使凝固理论得到完善和发展。 5.2 定向凝固基本原理 定向凝固技术 的基本定义 定向凝固理论 定向凝固技术的适用范围 在凝固过程中采用强制手段，在凝固金属和为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，获得具有特定取向柱状晶的技术。 定向凝固 定向凝固技术的工艺参数 凝固过程中固液界面前沿液相中的温度梯度GL 固液界面向前推进的速度R GL/R值是控制晶体长大形态的重要判据。 5.2.2 定向凝固理论 定向凝固技术实验的发展推动了凝固理论的发展和深入。Charlmers、Tiller等人在研究中发现在合金中液固界面前沿由于溶质富集将会产生“成分过冷”导致平衡界面失稳而形成胞晶核枝晶。首次提出了成分过冷理论。 1、成分过冷理论 成分过冷理论能成功的判定低速生长条件下无偏析特征的平面凝固，避免胞晶或枝晶的生长。 20世纪50年代Charlmers、Tiller等人首次提出单晶二元合金成分理论。 固液界面液相区内形成成分过冷条件 一是由于溶质在固相和液相中的固溶度不同，即溶质原子在液相中固溶度大，在固相中固溶度小，当单向合金冷却凝固时，溶质原子被排挤到液相中去，在固液界面液相一侧堆积着溶质原子，形成溶质原子的富集层。随着离开固液界面距离增大，溶质质量分数逐渐降低。 二是在凝固过程中，由于外界冷却作用，在固液界面固相一侧不同位置上的实际温度不同，外界冷却能力强，实际温度低；相反实际温度高。如果在固液界面液相一侧，溶液中的实际温度低于平衡时液相线温度，出现过冷现象。 在此基础上，Charlmers、Tiller等人首次提出了著名的“成分过冷”判据： 式中：GL为液固界面前沿液相温度梯度（K/mm）；V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；ΔT0为平衡结晶温度间隔。 图5.1 成分过冷 据此，可以得到平衡界面生长的临界速度。 式中，△T0=mLC0(k0-1)，△T0是合金平衡结晶温度间隔。 在晶体生长过程中，当不存在成分过冷时，如果在平直的固液界面上由于不稳定因素扰动产生凸起，也会由于过热的环境将其熔化而继续保持平面界面。 而当界面前沿存在成分过冷时，界面前沿由于不稳定因素而形成的凸起会因为处于过冷区而发展，平界面失稳，导致树枝晶的形成。 成分过冷理论提供了判断液固界面稳定性的第一个简明而适用的判据，对平界面稳定性，甚至胞晶和枝晶形态稳定性都能够很好地做出定性地解释。 但是这一判据本身还有一些矛盾，如： 成分过冷理论把平衡热力学应用到非平衡动力学过程中，必然带有很大的近似性; 随着快速凝固新领域的出现，上述理论已不能适用。 在固液界面上引入局部的曲率变化要增加系统的自由能，这一点在成分过冷理论中被忽略了； 成分过冷理论没有说明界面形态的改变机制。 2、绝对稳定性理论 MullniS和skeerka鉴于成分过冷理论存在不足，提出一个考虑溶质浓度场和温度场、固液界面能以及界面动力学的绝对稳定理论(MS理论)。对于平界面生长，Ms理论可表示为： 式中， 其中，αL、αS分别是液固相的热扩散系数，KL、KS分别是液固相