定向凝固技术的几种方法

定向凝固技术

定向凝固技术是在高温合金的研制中建立和完善起来的，是指采用强制手段，在凝固金属和未凝固金属液体之间建立特定方向的温度梯度和一定的热流方向使得熔体沿着相反的方向凝固，最终获得特定取向的柱状晶组织甚至单晶的技术。

与普通铸造方法相比，定向凝固技术获得的发动机叶片的高温强度、抗蠕变性能、热疲劳性能都能得到大幅度提高。在磁性材料方面，利用定向凝固技术可使得柱状晶排列方向与磁化方向一致，进而大大改善材料的磁性能。定向凝固技术也是制备单晶的有效方法。另外，定向凝固技术还广泛用于自生复合材料的生产制造。利用定向凝固方法得到的自生复合材料消除了其它复合材料制备过程中增强相与基体间界面的影响，使复合材料的性能大大提高。

那么当今都有什么常用的定向凝固方法呢？

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发热剂法（EP）

发热剂法的原理是将熔化好的金属液浇入一个底部冷却、四周覆盖发热剂的铸型中，在金属液和已凝固金属中建立起一个自上而下的温度梯度，使铸件自下而上进行凝固，实现定向凝固。

发热剂法的工艺简单，成本较低，是最原始的定向凝固方法。此方法的金属熔体内温度梯度较小，凝固过程可控性较差，重复性、一致性较差难以获得高质量产品。因此发热剂法只适用于小型的要求不高的定向凝固件的生产。

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功率降低法

功率降低法的铸型加热感应圈分两段，在凝固过程中固定铸件，在底部使用水冷激冷板。在加热过程中上下两部分感应圈都通电，首先建立所要的温度场而后加入熔化好的金属液、注入过热的合金液。将下部感应线圈断电，通过调节上部感应圈的功率大小，在金属液中形成一个轴向温度梯度。功率降低法的结晶热量主要通过已凝固部分及底盘由冷却水带走。因为热传导能力会随着离水冷平台距离的增加而显著降低，液态金属温度梯度会在凝固过程中逐渐减小，轴向上的柱状晶较短、生长长度受到限制、柱状晶之间的平行度变差、合金的显微组织在不同部位产生差异甚至产生放射状凝固组织。另外，由于设备相对复杂，且能耗大，限制了该方法的应用。

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高速凝固法（HRS）

高速凝固法是铸件以一定的速度从炉中移出或炉子移离铸件，除了水冷底座的对流传热外，同时采用空冷的辐射传热方式，而且炉子保持加热状态。

这种方法由于避免了炉膛的影响，且利用空气冷却已凝固铸件，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。但 HRS 法是靠辐射换热来冷却的，获得的温度梯度和冷却速度都很有限。

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液态金属冷却法（LMC）

为了获得更高的温度梯度和生长速度，在HRS法的基础上开发出液态金属冷却法。由于液态金属比热较大，LMC采用液态金属冷却以增大冷却效果。LMC中常用的液态金属有Ga-In合金和Ga-In-Sn合金以及Sn液和Al液。

该方法与快速凝固法基本相同。采用液态金属替代水作为冷却介质，将模壳直接浸入液态金属冷却剂中，增强散热，在感应器底部迅速达到热平衡，得到很大的温度梯度。LMC提高了铸件的冷却速度，加大了固液界面的温度梯度，而且在较大的生长速度范围内使得界面前沿的温度梯度始终保持稳定，结晶过程能在相对稳态条件下进行，从而得到较长的单向柱晶。液态金属冷却法已被美国、前苏联等国用于航空发动机叶片的生产。

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流态床冷却法（FBQ）

FBQ法以漂浮在惰性气体中的稳定陶瓷粉末作为冷却介质，激冷能力有所下降。在冷却介质保持相同的温度条件下，流态床冷却法和液态金属冷却法两者的凝固速率和糊状区高度相同，FBQ法得到的温度梯度要略小。

流态床冷却法存在着设备复杂、噪音大、污染重、材料表面二次氧化严重等问题。

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区域熔化液态金属冷却法ZMLNC

ZMLMC法的冷却方式与LMC方法相同，只是改变了LMC法的加热方式，通过电子束或高频感应电流对凝固界面前沿液相部分进行集中加热，可充分发挥过热度对温度梯度的影响，从而极大的提高了固液界面前沿的温度梯度，其值可达1300K/cm，冷却速度可达50K/s，允许的抽拉速度也大大提高。

ZMLMC法有很多优点，不仅可在较快的生长速率下进行定向凝固还可以使高温合金定向凝固得到的一次枝晶和二次枝晶间距得到明显的细化。但是，单纯通过强制加热的方法来提高温度梯度从而提高凝固速度，仍不能获得足够大的冷却速度。

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连续定向凝固技术（OCC）

连续定向凝固技术是在连续铸造过程中对铸型进行加热，使其温度高于被铸金属的凝固温度，并通过在铸型出口附近的强制冷却，或同时对铸型进行分区加热与控制，在凝固金属和未凝固熔体中建立起沿拉坯方向的温度梯度和热流方向，从而使熔体形核后沿着与热流相反的方向，按单一的结晶取向进行凝固，获得连续定向结晶组织（连续柱状晶组织），甚至单晶组织。 

由于依赖于固相的导热，连续定向凝固技术能较好的适用于具有高热导率的金属或合金。并且由于随着铸锭尺寸的增大，固相导热的热阻增大，维持原散热条件变得更加困难。因此连续定向凝固技术主要适用于小尺寸的铸锭。

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电磁约束成型定向凝固法

利用电磁感应加热方法直接熔化感应器内的金属材料，并利用在金属熔体表层产生的电磁力来约束已经熔化的金属熔体促成成形。

在电磁约束成形下，熔体与铸模几乎无物理接触，在保持自由表面状态下金属熔体逐渐凝固，大大改善了铸坯的表面质量，提高了成材率。可用于生产无(少) 偏析、组织超细化、无污染的高纯难熔金属及合金。但是，对于密度大、电导率小的金属，在实现完全无接触约束时，由于约束力较小，故不易实现稳定连续的凝固。对简单、对称性的较好的试件，感应线圈的设计比较容易，而对于复杂形状的试件，还存在如何设计线圈，使得电磁场分布合理，从而得到尺寸精度合乎要求的近终形试件，还是一个难点。针对此难点，有人进一步提出了液态金属电磁软接触成形定向凝固工艺。

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深过冷定向凝固技术

在坩埚中装入试样，装在高频悬浮熔炼线圈中循环过热使异质核心通过蒸发与分解方式去除，或装有净化剂，通过净化剂的吸附作用消除和钝化合金的异质核心。以此获得深过冷的合金熔体。再将坩埚的底部激冷，金属液内建立起一个自下而上的温度梯度，冷却过程中温度低的底部先形核，晶体自下而上生长，形成定向排列的树枝晶骨架，其间是残余的金属液。在随后的冷却过程中，这些金属液依靠向外界散热而向已有的枝晶骨架上凝固，最终获得了定向凝固组织。当熔体获得很大热力学过冷，即在形核就处于深过冷这种亚稳态时，由于固液两相的吉布斯自由能相差很大，一旦形核，生长速率很快，基本上不受外界散热条件的影响。所以金属体积对深过冷定向凝固的影响不大。深过冷与一般的定向凝固技术相比，可以免除复杂的抽拉装置，另外，凝固速度快，时间短可大幅度提高生产效率。

深过冷熔体激发快速定向凝固技术能否成为一种实用的凝固技术 (或工艺) 还需解决两个问题。一是研究不同过冷度条件下过冷熔体激发形核后晶体生长方式和组织形成规律；确定适用于形成枝晶阵列微观组织的试验条件和工艺因素。其次是在上述研究结果的基础上最终解决大体积深过冷熔体激发快速定向凝固技术。

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二维定向凝固技术

对于圆盘件，二维定向凝固的主要原理是通过控制热流传导方向，使得金属结晶方向呈现由边缘向中心定向生长，最终获得具有径向柱状晶 (宏观) 和枝晶轴 (微观) 组织特征的材料。二维定向凝固后的柱状晶合金径向强度、塑性和冲击韧度都会得到大幅度提高，适用于制造径向性能要求高的旋转叶片和圆盘件。

二维定向凝固法还可用于制备放射状多孔金属材料。

此外定向凝固方法还有侧向约束下的定向凝固法，对流下的定向凝固法，重力场作用下的定向凝固法等凝固方法。