第7章定向凝固课件.ppt
第第7 7章章 定向凝固技术定向凝固技术定向凝固技术定向凝固技术o定向凝固技术的特点o定向凝固设备与方法o定向凝固中温度场分布o定向凝固中浓度场分布o定向凝固界面稳定性定向凝固技术定向凝固技术涡轮叶片涡轮叶片图1 等轴晶、定向柱状晶和单晶叶片图 2 光学晶体CaF2(左1:220150mm).光学晶体光学晶体定向凝固技术的特点定向凝固技术的特点提拉法提拉法直拉法(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，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。以实现晶体特定方向生长，称为定向凝固。（2 2）定向凝固是指在凝固过程中采用强制手段）定向凝固是指在凝固过程中采用强制手段,在凝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固金属和未凝固金属熔体中建立起特定方向的温度梯度度,从而使熔体沿着与热流相反的方向凝固从而使熔体沿着与热流相反的方向凝固,最终得到最终得到具有特定取向柱状晶的技术。具有特定取向柱状晶的技术。（3）directional solidification(定向凝固定向凝固)定向凝固方法定向凝固方法HRS法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技术o定向凝固中温度场分布定向凝固技术定向凝固技术o定向凝固中浓度场分布定向凝固中的溶质场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(x0,)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。x0 x1x0+x;x0 x2x0+xx0 J=J1+J2J1=-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定向凝固中的溶质场q1=-DC q2=CV定向凝固中的溶质场定向凝固中的溶质场不同凝固条件下的溶质分凝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)=C0CSfS+(1-fS)/k0=C0CS=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)(b)液相完全混合的情况液相完全混合的情况 (Complete mixing)(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（液相中没有混合的情况（No mixingNo mixing）?对流对溶质分凝的影响对流对溶质分凝的影响 边界条件：CL(0)-CSV+DdCL(z)/dzz=0=0，z=0；CL()=C0,z=；定向凝固技术定向凝固技术o定向凝固界面稳定性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。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界面稳定性分析方法扰动法扰动法 定向凝固界面稳定性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实验验证成分过冷判据成分过冷判据?成分过冷区的过冷度及其极值成分过冷区的过冷度及其极值
