1、第7章 定向凝固技術(shù),定向凝固技術(shù),定向凝固技術(shù)的特點 定向凝固設(shè)備與方法 定向凝固中溫度場分布 定向凝固中濃度場分布 定向凝固界面穩(wěn)定性,定向凝固技術(shù),渦輪葉片,圖1 等軸晶、定向柱狀晶和單晶葉片,圖 2 光學晶體CaF2(左1:220150mm).,光學晶體,定向凝固技術(shù)的特點,提拉法,直拉法(丘克拉斯基法)， Czochralshi method(process) 簡稱CZ） Czochralshi crystal pulling technique,定向凝固的定義,（1）在材料部分熔化狀態(tài)下，通過移動固液界面，以實現(xiàn)晶體特定方向生長，稱為定向凝固。 （2）定向凝固是指在凝固過程中采用強

2、制手段,在凝固金屬和未凝固金屬熔體中建立起特定方向的溫度梯度,從而使熔體沿著與熱流相反的方向凝固,最終得到具有特定取向柱狀晶的技術(shù)。 （3）directional solidification(定向凝固),定向凝固方法,HRS法,定向凝固方法,定向凝固方法,定向凝固方法,定向凝固方法,定向凝固方法,定向凝固方法,定向凝固方法,定向凝固方法,定向凝固方法,定向凝固方法,定向凝固方法,定向凝固方法,定向凝固技術(shù),定向凝固中溫度場分布,定向凝固技術(shù),定向凝固中濃度場分布,定向凝固中的溶質(zhì)場,方程中左邊為控制單元體的溶質(zhì)變化，右邊第一項和第二項為從x0位置處傳入的溶質(zhì)和從x0+x傳出的溶質(zhì)，其中J(x

3、0,)為位置為x0，時刻的溶質(zhì)流量密度，而第三項為單元體中存在源或黑洞產(chǎn)生或消耗溶質(zhì)的部分。,x0x1x0+x; x0x2x0+x,x0,J=J1+J2 J1=-Dc/x (擴散造成的通量) J2=cV （對流造成的通量）,定向凝固中的溶質(zhì)場,q1=-DC,q2=CV,定向凝固中的溶質(zhì)場,不同凝固條件下的溶質(zhì)分凝,溶質(zhì)保守系統(tǒng)的一維定向凝固過程(a)和非溶質(zhì)保守系統(tǒng)的區(qū)熔過程(b),（a) 平衡凝固的情況（Equilibrium freezing） 凝固足夠慢，液相和固相都能充分擴散，沒有成分梯度存在于固相和液相中。根據(jù)溶質(zhì)守恒有： CSfS+CL(1-fS)=C0 CSfS+(1-fS)/k

4、0=C0 CS=C0k0/(1+(k0-1)fS) 方程中CS為凝固的固相成分，C0為原始液相成分，k0為平衡溶質(zhì)分布系數(shù)，fs為已凝固的固相分數(shù)，因此只要知道C0、k0就可以計算不同凝固位置fs下的成分Cs。,(b) 液相完全混合的情況 (Complete mixing),(c) 液相中沒有混合的情況（No mixing） 界面處排出的成分只能通過液相擴散進行，而固相中無溶質(zhì)擴散，則溶質(zhì)達到穩(wěn)態(tài)分布的情況,z=z+Vt,邊界條件： z=0，CL(0)=CS/k0；z=，CL()=C0,液相中沒有混合的情況（No mixing）,?,對流對溶質(zhì)分凝的影響,邊界條件： CL(0)-CSV+DdC

5、L(z)/dzz=0=0， z=0； CL()=C0, z=；,定向凝固技術(shù),定向凝固界面穩(wěn)定性,由于金屬材料不透明，所以難以直接觀察界面失穩(wěn)的過程，但我們可以利用透明有機物來模擬金屬凝固界面形態(tài)演化，獲得所需的信息。對于界面形態(tài)是否穩(wěn)定，我們可以在界面前沿加以微小干擾，如果干擾隨凝固時間增長趨于消失，我們說該界面是穩(wěn)定的；如果界面上的干擾隨凝固時間增長越來越大，我們說該界面是不穩(wěn)定的。,界面穩(wěn)定性分析方法擾動法,定向凝固界面穩(wěn)定性,常規(guī)條件下，合金凝固組織絕大部分為枝晶形態(tài)，所以固液界面通常是不穩(wěn)定的，而穩(wěn)定平界面組織只有在特殊情況下才能獲得。,定向凝固界面穩(wěn)定性,對純物質(zhì)來說，正溫度梯度下限制性生長的界面形態(tài)是穩(wěn)定的，而負溫度梯度下非限制性生長的界面形態(tài)是不穩(wěn)定的。,(a)限制性生長和(b)非限制性生長的界面穩(wěn)定性,定向凝固界面穩(wěn)定性,兩種凝固生長模式中系統(tǒng)過冷度、溫度與成分之間的關(guān)系,(a) 限制性生長 (b) 非限制性生長,合金的平界面界面穩(wěn)定性分析,界面穩(wěn)定 界面處于臨界穩(wěn)定 界面失穩(wěn),成分