1、第7章 定向凝固技术,定向凝固技术,定向凝固技术的特点 定向凝固设备与方法 定向凝固中温度场分布 定向凝固中浓度场分布 定向凝固界面稳定性,定向凝固技术,涡轮叶片,图1 等轴晶、定向柱状晶和单晶叶片,图 2 光学晶体CaF2(左1:220150mm).,光学晶体,定向凝固技术的特点,提拉法,直拉法(丘克拉斯基法)， Czochralshi method(process) 简称CZ） Czochralshi crystal pulling technique,定向凝固的定义,（1）在材料部分熔化状态下，通过移动固液界面，以实现晶体特定方向生长，称为定向凝固。 （2）定向凝固是指在凝固过程中采用强
2、制手段,在凝固金属和未凝固金属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,最终得到具有特定取向柱状晶的技术。 （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,定向凝固技术,定向凝固中温度场分布,定向凝固技术,定向凝固中浓度场分布,定向凝固中的溶质场,方程中左边为控制单元体的溶质变化，右边第一项和第二项为从x0位置处传入的溶质和从x0+x传出的溶质，其中J(x
3、0,)为位置为x0，时刻的溶质流量密度，而第三项为单元体中存在源或黑洞产生或消耗溶质的部分。,x0x1x0+x; x0x2x0+x,x0,J=J1+J2 J1=-Dc/x (扩散造成的通量) J2=cV （对流造成的通量）,定向凝固中的溶质场,q1=-DC,q2=CV,定向凝固中的溶质场,不同凝固条件下的溶质分凝,溶质保守系统的一维定向凝固过程(a)和非溶质保守系统的区熔过程(b),（a) 平衡凝固的情况（Equilibrium freezing）凝固足够慢，液相和固相都能充分扩散，没有成分梯度存在于固相和液相中。根据溶质守恒有： CSfS+CL(1-fS)=C0 CSfS+(1-fS)/k0
4、=C0 CS=C0k0/(1+(k0-1)fS) 方程中CS为凝固的固相成分，C0为原始液相成分，k0为平衡溶质分布系数，fs为已凝固的固相分数，因此只要知道C0、k0就可以计算不同凝固位置fs下的成分Cs。,(b) 液相完全混合的情况 (Complete mixing),(c) 液相中没有混合的情况（No mixing）界面处排出的成分只能通过液相扩散进行，而固相中无溶质扩散，则溶质达到稳态分布的情况,z=z+Vt,边界条件： z=0，CL(0)=CS/k0；z=，CL()=C0,液相中没有混合的情况（No mixing）,?,对流对溶质分凝的影响,边界条件： CL(0)-CSV+DdCL(
5、z)/dzz=0=0， z=0； CL()=C0, z=；,定向凝固技术,定向凝固界面稳定性,由于金属材料不透明，所以难以直接观察界面失稳的过程，但我们可以利用透明有机物来模拟金属凝固界面形态演化，获得所需的信息。对于界面形态是否稳定，我们可以在界面前沿加以微小干扰，如果干扰随凝固时间增长趋于消失，我们说该界面是稳定的；如果界面上的干扰随凝固时间增长越来越大，我们说该界面是不稳定的。,界面稳定性分析方法扰动法,定向凝固界面稳定性,常规条件下，合金凝固组织绝大部分为枝晶形态，所以固液界面通常是不稳定的，而稳定平界面组织只有在特殊情况下才能获得。,定向凝固界面稳定性,对纯物质来说，正温度梯度下限制性生长的界面形态是稳定的，而负温度梯度下非限制性生长的界面形态是不稳定的。,(a)限制性生长和(b)非限制性生长的界面稳定性,定向凝固界面稳定性,两种凝固生长模式中系统过冷度、温度与成分之间的关系,(a) 限制性生长 (b) 非限制性生长,合金的平界面界面稳定性分析,界面稳定 界面处于临界稳定 界面失稳,成分过冷判据,如果液相存在流动，则成分过冷判据为：,图 Pb-Sn 单相合金界面形态与凝固工艺常数之间的关系,成分过冷判据实验验证,成分过冷判据,?,成分过冷区的过冷度及其极值,
