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材料成型工艺中的定向凝固技术探讨 摘要 详细地评述了传统定向凝固技术的发展过程和存在的问题，介绍了几种新近发展起来的新型定向凝固技术，并指出了定向凝固技术今后发展的方向。 关键词：定向凝固；亚快速定向凝固；深过冷 Abstract The development and problems in existence of the traditional directional solidification techno1ogy have been reviewed in details with introduction to several newly developed ones and developing heading of such for the future. Keywords: directional solidification, sub—speed directional solidification, deep overcool 凝固是一种极为普遍的物理现象。物质凡由液态到固态的转变一般都经历凝固过程，它广泛存在于自然界和工程技术领域。从雪花凝结到火山熔岩固化，从铸锭的制造到工农业用铸件及历史文物中各类艺术铸品的生产，以及超细晶、非晶、微晶材料的快速凝固，半导体及各种功能晶体从液相的生长，均属凝固过程。可以说几乎一切金属制品在其生产流程中都要经历一次或多次的凝固过程[1]。定向凝固是在高温合金的研制中建立和完善起来的。该技术最初用来消除结晶过程中生成的横向晶界，从而提高材料的单向力学性能。由于定向凝固技术能得到一些具有特殊组织取向和优异性能的材料，因而自它诞生以来得到了迅速发展。近些年来，随着定向凝固技术的发展， 定向凝固的试验研究也不断深入[2][3]。 定向凝固技术的发展过程 所谓定向凝固，就是指在凝固过程中采用强制手段，在凝固金属样未凝固熔体中建立起沿特定方向的温度梯度，从而使熔体在气壁上形核后沿着与热流相反的方向，按要求的结晶取向进行凝固的技术。该技术最初是在高温合金的研制中建立并完善起来的。采用、发展该技术最初用来消除结晶过程中生成的横向晶界，从而提高材料的单向力学性能。该技术运用于燃汽涡轮发动机叶片的生产，所获得的具有柱状乃至单晶组织的材料具有优良的抗热冲击性能、较长的疲劳寿命、较高的蠕变抗力和中温塑性，因而提高了叶片的使用寿命和使用温度，成为当时震动冶金界和工业界的重大事件之一。 定向凝固技术除用于高温合金的研制外，还逐渐推广到半导体材料、磁性材料、复合材料等的研制中，并成为凝固理论研究的重要手段之一。热流的控制是定向凝固技术中的重要环节，获得并保持单向热流是定向凝固成功的重要保证。伴随着对热流控制（不同的加热、冷却方式）技术的发展，定向凝固技术经历了由炉外法、功率降低法、快速凝固法直到液态金属冷却法等的发展过程[1][2][4][5][6][7]。 发热铸型法 发热剂法是定向凝固技术发展的起始阶段，是最原始的一种。这种方法无法调节温度梯度和凝固速度，单向热流条件很难保证，故不适合大型优质铸件的生产。但该方法工艺简单，成本低，在小批量零件生产中有应用。 功率降低法（PD法） 将保温炉的加热器分成几组，分段加热保温炉。当熔融的金属液置于保温炉内后，在从底部对铸件冷却的同时，自下而上顺序关闭加热器，金属则自下而上逐渐凝固，从而在铸件中实现定向凝固。通过选择合适的加热器件，可以获得较大的冷却速度，但是在凝固过程中温度梯度是逐渐减小的，致使所能允许获得的柱状晶区较短，且组织也不够理想；加之设备相对复杂，且能耗大，限制了该方法的应用。 快速凝固法（HRS） 为了改善功率降低法在加热器关闭后，冷却速度慢的缺点，在Bridgman晶体生长技术的基础上发展了一种新的定向凝固技术，即快速凝固法。该方法的特点是铸件以一定的速度从炉中移出或炉子移离铸件，采用空冷的方式，而且炉子保持加热状态。这种方法由于避免了炉膛的影响，且利用空气冷却，因而获得了较高的温度梯度和冷却速度，所获得的柱状晶间距较长，组织细密挺直，且较均匀，使铸件的性能得以提高，在生产中有一定的应用。 液态金属冷却法（LMC法） HRS法是由辐射换热来冷却的，所能获得的温度梯度和冷却速度都很有限。为了获得更高的温度梯度和生长速度，在HRS法的基础上，将抽拉出的铸件部分浸入具有高热导率的高沸点、低熔点、热容量大的液态金属中，形成了一种新的定向凝固技术，即LMC法。这种方法提高了铸件的冷却速度和固液界面的温度梯度，而且在较大的生长速度范围内可使界面前沿的温度梯度保持稳定，结晶在相对稳态下进行，能得到比较长的单向柱晶。 常用的液态金属有Ga-In合金和Ga-In-Sn合金，以及Sn液，前二者熔点低，但价格昂贵，因此只适于在实验室条件下使用。Sn液熔点