定向凝固备课讲稿.ppt

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1、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。35.1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。4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

2、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。5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6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

3、固液界面向前推进的速度RGL/R值是控制晶体长大形态的重要判据。75.2.2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。8纯金属的凝固过程正温度梯度下，固液界面前沿液体几乎没有过冷，固液界面以平面方式向前推进，即晶体以平面方式向前生长。负的温度梯度下，界面前方的液体强烈过冷，晶体以树枝晶方式生长。1、成分过冷理论在晶体生长过程中，当不存在成分过冷时，如果在平直的

4、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。11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。12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

5、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。132、绝对稳定性理论（自学）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)。16定向凝固的总原则：金属熔体中的热量严格按单一方向导出，并垂直于生长的固液界面，使金属或合金按柱状晶或单晶的方式生长176.2.3定向凝固技术的适用范围应用定向凝固方法，得到单方向生长的柱状晶，甚至单晶，不产生横向晶界，较大提高了材料的单向力学性能，热强性能也有了进一步提高，因此，定向凝固技术

6、已成为富有生命力的工业生产手段，应用也日益广泛。18单晶在生长过程中绝对要避免固—液界面不稳定而生出晶胞或柱晶。故而固—液界面前沿不允许有温度过冷或成分过冷。固液界面前沿的熔体应处于过热状态，结晶过程的潜热只能通过生长着的晶体导出。定向凝固满足上述热传输的要求，只要恰当的控制固—液界面前沿熔体的温度和速率，是可以得到高质量的单晶体的。193.高温合金制备高温合金是现在航空燃气涡轮.舰船燃气轮机、地面和火箭发动机的重要金属材料，在先进大航空发动机中，高温合金的用量占40%—60%，因此这种材料被喻为燃气轮的心脏。高温合金20采用定向凝固

7、技术生产的高温合金基本上消除了垂直于应力轴的横向晶界，并以其独特的平行于零件主应力轴择优生长的柱晶组织以及有意的力学性能而获得长足的发展。MAR—M200中温性能尤其是中温塑性很低，作为涡轮叶片在工作中常发生无预兆的断裂。21在MAR—M200基础上研究成功的定向凝固高温合金PWA1422不仅具有良好的中高温蠕变断裂强度和塑性,而且具有比原合金高5倍的热疲劳性能，在先进航空航天发动机上获得广泛的应用。在激光超高温度梯度定向凝固条件下，超高温梯度和较快凝固速度共同作用，使镍基高温合金高度细化，同常规凝固相比，组织细化36倍，而且得到了新

8、颖的超细胞状晶组织，该组织是镍基合金的定向凝固组织，组织的微观偏析大大得到改善，甚至消除。226.功能材料的制备压电陶瓷和稀土超磁致伸缩材料在换能器、传感器和电子器件等方便都有广泛的应用。定向凝固技术在制备这两种功能材料