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[摘要]从定向凝固的概念、工艺参数、基本方法及其应用等角度就材料铸造加工过程中采用的定向凝固技术进行分析和探讨。
[关键词]铸造 凝固 晶体 冶金
中图分类号：TG2 文献标识码：A 文章编号：1671－7597(2008)1010097－01
近年来国内外冶金、铸造工作者为了获得只有柱状晶的凝固组织，往往使用定向凝固技术。抑制等轴晶的形成，为此应保证做到使液态合金在铸型中产生定向散热以达到定向凝固；设法消除向液相中推进的柱状晶前沿的液相中可能出现的成分过冷，以防止在生长过程中的晶体产生颈缩从而熔断形成的等轴晶；保证在熔体的表面上绝对不能产生晶体，以防止其沉淀堆积而形成等轴晶。另外在凝固过程中最好不要移动铸型，可以通过移动加热体的方法来达到定向凝固的目的。
一、定向凝固工艺参数
定向凝固技术的重要工艺参数：凝固过程中固液界面前沿液相中的温度梯度GL和固液界面向前推进速度，既晶体生长速率R。GL/R值是控制晶体长大形态的重要判据。在提高GL的条件下，增加R，才能获得所要求的晶体形态，细化组织，改善质量，并且提高定向凝固铸件的生产率。定向凝固技术和装置不断改进，其中技术关键之一是致力于提高固液界面前沿的温度梯度GL。目前，GL已经从10～15°C/cm增加到100～300°C/cm；工业上应用的定向凝固装置，GL也可达到30～80°C/cm,从而使定向凝固技术更加广泛用于工业生产。
（一）温度梯度GL。对一定成分的合金来说，从熔体中定向地生长晶体时，必须在固液界面前沿建立必要的温度梯度，以获得某种晶体形态的定向凝固组织。温度梯度大小直接影响晶体的生长速率和晶体的质量。
（二）凝固速率R。采用功率降低法时，定向凝固的铸件在凝固时所释放的热量，只靠水冷结晶器导出；随着凝固界面的推移，结晶器的冷却效果越来越小，因而凝固速率不断减缓。快速凝固法，凝固速率实际上取决于铸型或炉体的 移动速率。通常将固--液界面稳定在辐射板附近，使之达到一定的GL/R值，保证晶体稳定生长。利用这种方法，可使铸件在拉出初期，热量主要靠传导传热，通过结晶器导出。随着铸件不断拉出，铸件向周围辐射传热逐渐增加。显然，采用快速凝固法时，GL受到铸件拉出速度、热辐射条件和铸件径向尺寸的影响。在稳定生长条件下，铸件拉出的临界速率VCT主要受到铸件辐射传热的特性的影响。在小于临界拉出速率时，凝固速率R与拉出速率V基本一致，固液界面稳定在辐射挡板附近。
二、定向凝固的方法
（一）发热剂法。将型壳置于绝热耐火材料箱中，底部安放水冷结晶器。型壳中浇入金属液后，在型壳上部盖以发热剂，使金属处于高温，建立了自下而上的凝固条件。由于无法调节凝固速率和温度梯度，因此只能制备小的柱状晶铸件，这种方法多用于磁钢生产。
（二）功率降低法。铸型加热感应圈分两段，铸件在凝固过程中不移动，当模壳被预热到一定过热温度时，向型壳内浇入过热合金液，切断下部电源，上部继续加热，GL随着凝固的距离增大而不断减小，GL、R 值都不能人为控制。
（三）快速凝固法。快速凝固法与功率降低法的主要区别是：铸型加热器始终加热，在凝固时铸件与加热器之间相对移动。另外，在热区底部使用辐射挡板和水冷套。在挡板附近产生较大的温度梯度GL、GS。这种方法与功率降低法相比可以大大缩小凝固前沿两相区，局部冷却速度增大，有利于细化组织，提高机械性能。
三、定向凝固技术的应用
（一）单晶生长。晶体生长的研究内容之一是制备成分准确，尽可能无杂质、无缺陷（包括晶体缺陷）的单晶体。单晶是人们认识固体的基础。定向凝固是制备单晶体的最有效的方法。为了得到高质量的单晶体，首先要在金属熔体中形成一个单晶核；可以引入籽晶或自发形核，而后，在晶核和熔体界面不断生长出单晶体单晶在生长过程中绝对要避免固--液界面不稳定而长出胞晶或柱晶，因而固--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，只要恰当地控制固--液界面前沿熔体的温度和晶体生长速率，是可以得到高质量的单晶体的。
（二）柱状晶生长。柱状晶包括柱状树枝晶和胞状柱晶。通常采用定向凝固工艺，使晶体有控制地向着与热流方向相反的方向生长。共晶体取向为特定位向，并且大部分柱晶贯穿整个铸件。这种柱晶组织大量用于高温合金和磁性合金的铸件上。定向凝固柱状晶铸件与用普通铸造方法得到的铸件相比，前者可以减少偏析、疏松等，而且形成了取向平行于主应力轴的晶粒基本上消除了垂直应力轴的横向晶界，使高温合金的高温强度、蠕变和持久性、热疲劳性能有大幅度的改善，使航空发动机叶片的力学性能有了新的飞跃。另外，对面心立方晶体的磁性材料，如铁等，当铸态柱晶沿晶向取向时，因与磁化方向一致，而大大改善其磁性。
获得定向凝固柱状晶的基本条件是：合金凝固时热流方向必须是定向的。在固--液界面应有足够高的温度梯度，避免在凝固界面的前沿出现成分过冷或外来核心，使柱晶横向生长受到限制。另外，还应该保证定向散热，绝对避免侧面型壁生核长大，长出横向新晶体。因此，要尽量抑制液态合金的形核能力。提高液态合金的纯洁度，减少氧化、吸气形成的杂质的污染是用来抑制形核能力的有效措施。但是，对于某些合金系，常规化学组成中含有很多杂质，以致即使采用高的GL/R比值,都不足以使液体合金的形核得到抑制。除净化合金液外，还可以通过添加适当的元素或添加物，使形核剂失效。晶体长大的速度与晶向有关。在具有一定拉出速度的铸型中形成的温度梯度场内，各取向晶体竞相生长，在生长过程中抑制了大部分晶体的生长，保留了与热流方向大体平行的单一取向的柱晶继续生长，有的直至铸件顶部。
在柱状晶生长过程中，只有在高的GL/R比值条件下，柱晶的实际生长方向和柱晶的理论生长方向才越接近，否则，晶体生长会偏离轴向排列方向。当晶体生长速度与铸型拉出速度一致时，铸型中横向热辐射造成的热损失不致形成大的横向温度梯度，该条件形成的柱晶取向偏离度最小。采用高速凝固法定向凝固可以保证柱晶的取向分散度较小。柱晶材料使用于特定的受力条件，当主应力方向与柱晶生长方向一致时，才能最大限度的显示柱晶力学性能上的优越性。衡量柱状晶组织的标志，除了取向分散度外，还有枝晶臂间距和晶粒大小。随着晶粒和枝晶臂间距变小，力学性能提高。GL/R值决定着合金凝固时组织的形貌，GL/R值又影响着各组成相的尺寸大小。由于在很大程度上受到设备条件的限制，因此，凝固速度R就成为控制柱晶组织的主要参数。
参考文献：
[1]王家炘、黄积荣等，金属的凝固及控制[M].北京.机械工业出版社，1983.
[2] G.J.戴维斯，凝固与铸造[M].北京.机械工业出版社，1981.
[3]李庆春，铸件形成理论基础[M].北京.机械工业出版社，1982.
[4]胡汉起，金属凝固原理[M].北京.机械工业出版社，1991.
作者简介：
童世合，男，汉族，青海乐都人，青海大学材料成型与控制工程专业本科毕业，学士，助理工程师。
[关键词]铸造 凝固 晶体 冶金
中图分类号：TG2 文献标识码：A 文章编号：1671－7597(2008)1010097－01
近年来国内外冶金、铸造工作者为了获得只有柱状晶的凝固组织，往往使用定向凝固技术。抑制等轴晶的形成，为此应保证做到使液态合金在铸型中产生定向散热以达到定向凝固；设法消除向液相中推进的柱状晶前沿的液相中可能出现的成分过冷，以防止在生长过程中的晶体产生颈缩从而熔断形成的等轴晶；保证在熔体的表面上绝对不能产生晶体，以防止其沉淀堆积而形成等轴晶。另外在凝固过程中最好不要移动铸型，可以通过移动加热体的方法来达到定向凝固的目的。
一、定向凝固工艺参数
定向凝固技术的重要工艺参数：凝固过程中固液界面前沿液相中的温度梯度GL和固液界面向前推进速度，既晶体生长速率R。GL/R值是控制晶体长大形态的重要判据。在提高GL的条件下，增加R，才能获得所要求的晶体形态，细化组织，改善质量，并且提高定向凝固铸件的生产率。定向凝固技术和装置不断改进，其中技术关键之一是致力于提高固液界面前沿的温度梯度GL。目前，GL已经从10～15°C/cm增加到100～300°C/cm；工业上应用的定向凝固装置，GL也可达到30～80°C/cm,从而使定向凝固技术更加广泛用于工业生产。
（一）温度梯度GL。对一定成分的合金来说，从熔体中定向地生长晶体时，必须在固液界面前沿建立必要的温度梯度，以获得某种晶体形态的定向凝固组织。温度梯度大小直接影响晶体的生长速率和晶体的质量。
（二）凝固速率R。采用功率降低法时，定向凝固的铸件在凝固时所释放的热量，只靠水冷结晶器导出；随着凝固界面的推移，结晶器的冷却效果越来越小，因而凝固速率不断减缓。快速凝固法，凝固速率实际上取决于铸型或炉体的 移动速率。通常将固--液界面稳定在辐射板附近，使之达到一定的GL/R值，保证晶体稳定生长。利用这种方法，可使铸件在拉出初期，热量主要靠传导传热，通过结晶器导出。随着铸件不断拉出，铸件向周围辐射传热逐渐增加。显然，采用快速凝固法时，GL受到铸件拉出速度、热辐射条件和铸件径向尺寸的影响。在稳定生长条件下，铸件拉出的临界速率VCT主要受到铸件辐射传热的特性的影响。在小于临界拉出速率时，凝固速率R与拉出速率V基本一致，固液界面稳定在辐射挡板附近。
二、定向凝固的方法
（一）发热剂法。将型壳置于绝热耐火材料箱中，底部安放水冷结晶器。型壳中浇入金属液后，在型壳上部盖以发热剂，使金属处于高温，建立了自下而上的凝固条件。由于无法调节凝固速率和温度梯度，因此只能制备小的柱状晶铸件，这种方法多用于磁钢生产。
（二）功率降低法。铸型加热感应圈分两段，铸件在凝固过程中不移动，当模壳被预热到一定过热温度时，向型壳内浇入过热合金液，切断下部电源，上部继续加热，GL随着凝固的距离增大而不断减小，GL、R 值都不能人为控制。
（三）快速凝固法。快速凝固法与功率降低法的主要区别是：铸型加热器始终加热，在凝固时铸件与加热器之间相对移动。另外，在热区底部使用辐射挡板和水冷套。在挡板附近产生较大的温度梯度GL、GS。这种方法与功率降低法相比可以大大缩小凝固前沿两相区，局部冷却速度增大，有利于细化组织，提高机械性能。
三、定向凝固技术的应用
（一）单晶生长。晶体生长的研究内容之一是制备成分准确，尽可能无杂质、无缺陷（包括晶体缺陷）的单晶体。单晶是人们认识固体的基础。定向凝固是制备单晶体的最有效的方法。为了得到高质量的单晶体，首先要在金属熔体中形成一个单晶核；可以引入籽晶或自发形核，而后，在晶核和熔体界面不断生长出单晶体单晶在生长过程中绝对要避免固--液界面不稳定而长出胞晶或柱晶，因而固--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，只要恰当地控制固--液界面前沿熔体的温度和晶体生长速率，是可以得到高质量的单晶体的。
（二）柱状晶生长。柱状晶包括柱状树枝晶和胞状柱晶。通常采用定向凝固工艺，使晶体有控制地向着与热流方向相反的方向生长。共晶体取向为特定位向，并且大部分柱晶贯穿整个铸件。这种柱晶组织大量用于高温合金和磁性合金的铸件上。定向凝固柱状晶铸件与用普通铸造方法得到的铸件相比，前者可以减少偏析、疏松等，而且形成了取向平行于主应力轴的晶粒基本上消除了垂直应力轴的横向晶界，使高温合金的高温强度、蠕变和持久性、热疲劳性能有大幅度的改善，使航空发动机叶片的力学性能有了新的飞跃。另外，对面心立方晶体的磁性材料，如铁等，当铸态柱晶沿晶向取向时，因与磁化方向一致，而大大改善其磁性。
获得定向凝固柱状晶的基本条件是：合金凝固时热流方向必须是定向的。在固--液界面应有足够高的温度梯度，避免在凝固界面的前沿出现成分过冷或外来核心，使柱晶横向生长受到限制。另外，还应该保证定向散热，绝对避免侧面型壁生核长大，长出横向新晶体。因此，要尽量抑制液态合金的形核能力。提高液态合金的纯洁度，减少氧化、吸气形成的杂质的污染是用来抑制形核能力的有效措施。但是，对于某些合金系，常规化学组成中含有很多杂质，以致即使采用高的GL/R比值,都不足以使液体合金的形核得到抑制。除净化合金液外，还可以通过添加适当的元素或添加物，使形核剂失效。晶体长大的速度与晶向有关。在具有一定拉出速度的铸型中形成的温度梯度场内，各取向晶体竞相生长，在生长过程中抑制了大部分晶体的生长，保留了与热流方向大体平行的单一取向的柱晶继续生长，有的直至铸件顶部。
在柱状晶生长过程中，只有在高的GL/R比值条件下，柱晶的实际生长方向和柱晶的理论生长方向才越接近，否则，晶体生长会偏离轴向排列方向。当晶体生长速度与铸型拉出速度一致时，铸型中横向热辐射造成的热损失不致形成大的横向温度梯度，该条件形成的柱晶取向偏离度最小。采用高速凝固法定向凝固可以保证柱晶的取向分散度较小。柱晶材料使用于特定的受力条件，当主应力方向与柱晶生长方向一致时，才能最大限度的显示柱晶力学性能上的优越性。衡量柱状晶组织的标志，除了取向分散度外，还有枝晶臂间距和晶粒大小。随着晶粒和枝晶臂间距变小，力学性能提高。GL/R值决定着合金凝固时组织的形貌，GL/R值又影响着各组成相的尺寸大小。由于在很大程度上受到设备条件的限制，因此，凝固速度R就成为控制柱晶组织的主要参数。
参考文献：
[1]王家炘、黄积荣等，金属的凝固及控制[M].北京.机械工业出版社，1983.
[2] G.J.戴维斯，凝固与铸造[M].北京.机械工业出版社，1981.
[3]李庆春，铸件形成理论基础[M].北京.机械工业出版社，1982.
[4]胡汉起，金属凝固原理[M].北京.机械工业出版社，1991.
作者简介：
童世合，男，汉族，青海乐都人，青海大学材料成型与控制工程专业本科毕业，学士，助理工程师。