第3章凝固原理.ppt

* Figure Competitive growth of the grains in the chill zone results in only those grains with favorable orientations developing into columnar grains * Figure (a) Shrinkage can occur between the dendrite arms. (b) Small secondary dendrite arm spacings result in smaller, more evenly distributed shrinkage porosity. (c) Short primary arms can help avoid shrinkage. (d) Interdendritic shrinkage in an aluminum alloy is shown (x 80) * Figure 8-20 Engine block produced using the lost foam casting process * Directional solidification (DS) - A solidification technique in which cooling in a given direction leads to preferential growth of grains in the opposite direction, leading to an anisotropic-oriented microstructure. Bridgman processes - A process to grow semiconductor and other single crystals. Epitaxial growth - Growth of a material via epitaxy. Homoepitaxy - Growth of a highly oriented material onto a crystal of the same material. Heteroepitaxy - Growth of a highly oriented material onto a different substrate material. 3.5.3 Directional Solidification (DS), Single Crystal Growth, and Epitaxial Growth * 1.定向凝固（directional solidification-DS） 涡轮叶片铸件是用Ti,Co,Ni基高温合金采用精密熔模铸造法制造出来的。然而，用普通铸造方法的铸造的涡轮叶片为等轴晶，容易沿晶界横向断裂。采用定向凝固生长技术可以获得更高的蠕变和断裂抗力。这是因为在定向凝固中，从一端加热，从另一端进行冷却，产生所有晶界全部沿零件纵向排列的柱状晶，在横向上没有晶界。 采用单晶（single crystal-SC）制备技术可以获得更好的性能。柱状晶的凝固开始于一个冷端，由于螺旋状的连接，只有一个柱状晶粒可以生长成为铸件。单晶铸件没有晶界，所以其晶面和晶向沿最佳取向定向排列 3.5.3定向凝固、单晶生长和外延生长 * 2. 单晶生长： 单晶生长是最重要的凝固应用之一。在许多电子、光学应用领域，多晶材料性能并不好。晶界和其它缺陷影响了电学、光学性能。例如，为了充分利用掺杂硅的半导体的性能，必须使用高纯单晶材料。目前可以制造出直径为250mm的大单晶硅。大单晶硅可以切成几个毫米后的硅晶片。布里奇曼(Bridgman)法和切克劳斯基(Czochralski)法是制造Si，GaAs，LiNbO3等单晶材料最为常用的方法。 含有熔融材料的晶体生长炉必须保持其精密和稳定的温度。通常，将一个预先具有某种晶体学位向的小晶体做为晶种。控制传热以使熔融的材料结晶成单晶材料。一般，单晶材料可以具有性能提高的、可控制的和可预盼的性能。虽然单晶材料的成本比多晶材料高。但是，随着制造新型高性能装置需求的增加，和加工成本相比，单晶材料的成本不是一个什么重要的因素了。 3.5.3定向凝固、单晶生长和外延生长 * 3. 外延生长（Epitaxial Growth） 目前，沉积薄膜材料的工艺有100多种，在其中某些工艺中，需要控制沉积多晶材料的织构或者晶体学位向。其它工艺需要在特定位向上的单晶薄膜。如果是这样的话，我们可以利用一个已知位向的基体。如果基体和薄膜之间的点阵匹配很好，就可以高度定向生长或者单晶薄膜。这种方法叫外延生长。薄膜和基体材料相同的外延生长叫同质