定向凝固技术可较好地控制凝固组织晶粒取向，消除横向晶界，获得柱晶或单晶组织，提高材料的纵向力学性能，已成为富有生命力的工业生产手段，代表着航空发动机涡轮叶片生产的现代水平，除用于高温合金的研制外，还逐渐应用到半导体材料、磁性材料、复合材料的研制中，并成为凝固过程理论研究的重要手段之一。
伴随着热流控制技术的发展，定向凝固技术经历了发热剂法（EP）、功率降低法（PD）、高速凝固法（HRS）、液态金属冷却法（LMC）等。其目的就是通过改变已凝固金属的冷却方式来有效控制单向热流，获得理想的定向凝固组织。然而，这些方法所能获得的冷却速率都是有限的。快速凝固技术的发展为提高材料的性能打下良好的基础。定向凝固技术吸收快速凝固技术的优点，发展成新型快速定向凝固技术，研制出新型高性能材料及功能材料。本文评述了快速定向凝固技术的研究进展，指出了快速定向凝固技术存在的问题，并介绍了发展的前景。
快速凝固技术原理
快速凝固技术自1960年由美国的P．Duwez开创以来，由于能极大地改善某些材料的组织和性能，因此得到了迅速发展。到目前为止，它已从最开始时用于制备快凝薄条等发展到用于制备微晶、准晶以及非晶等，从而成为研制新型材料的又一重要手段和方法。在快速凝固条件下，可以获得小偏析甚至无偏析的超细化组织以及过饱和固溶体、亚稳相等的事实已广为人知。要达到这一目的，实际凝固过程有两种：一是可以看成是“动力学”的方法，即急冷凝固技术；二是“静力学”的方法，即大过冷快速凝固技术。
1急冷凝固技术
急冷凝固技术的核心是提高凝固过程中熔体的冷速，从热传输的基本原理可以知道一个相对环境放热的冷速取决于该系统在单位时间内产生的热量和传出系统的热量，因此对金属凝固而言，提高系统的冷速必须要求：第一，减少单位时间内金属凝固时产生的熔化潜热；第二，提高凝固过程中的传热速度。根据这两个基本要求，并针对常规铸造凝固时熔体在体积很大的铸模中同时凝固、热量不易迅速传出和固态淬火时主要通过对流传热，因而冷速不高等问题，急冷凝固技术的基本原理是设法减小同一时刻凝固的熔体体积并减小熔体体积与其散热表面积之比，并设法减小熔体与热传导性能很好的冷却介质的界面热阻以及主要通过传导的方式散热。采用急冷的方法可以分为模冷技术、雾化技术、表面熔化与沉积技术三类。
2大过冷凝固技术
大过冷快速凝固技术的核心是在熔体中设法消除可以作为非均匀形核媒质的杂质或容器的影响，创造尽可能均匀形核的条件，从而在形核前获得很大的过冷度。通常在熔体凝固过程中促进非均匀形核的形核媒质主要来自熔体内部和容器壁，因此大过冷技术就是主要从这二个方面设法消除形核媒质。采用大过冷快速凝固技术的具体方法大致分为两类。一类是熔滴弥散法，即在细小熔滴中达到大凝固过冷度的方法，包括乳化法、熔滴水成冰（基底法）和落管法等。另一类是在较大体积熔体中获得大的凝固过冷度的方法，包括玻璃体包裹法、二相区法和电磁悬浮熔化法等。
快速定向凝固固液界面稳定性理论
Chalmers等在成分过冷理论中指出，定向凝固过程中固液界面形态由G1／R值决定，当G1／RФΔT0／D1时，为平面状界面；当G1／R值逐渐减小时，平界面失稳，逐渐发展为胞状至树枝状和等轴晶。上式中：G1为固液界面前沿液相中的温度梯度，R为凝固速度，ΔT0为结晶温度间隔，D1液相扩散系数。快速凝固新领域的出现，发现上述理论已不能适用。因为快速凝固时，R值很大，按成分过冷理论G1／R值愈来愈小，更应出现树枝晶，但实际情况是快速凝固后，固液界面反而稳定起来产生无特征无偏析的组织，得到成分均匀的材料。
鉴于成分过冷理论存在不足，Mulins和Sekerka提出一个考虑了溶质浓度场、固液界面能以及界面动力学的新理论－MS稳定性理论。MS稳定性理论预言，在高速凝固时，固液界面将恢复平面状生长，即达到所谓的绝对稳定性。但该理论未能给出在低速下平面状失稳得到胞晶进而得到树枝晶后至绝对稳定性这一广阔区间内界面形态的转变过程。
Boettinger等通过激光表面处理得到了带状组织，这实际是达到绝对稳定性之前所出现的一种振荡不稳定现象。李建国等在自行研制ZMLMC装置上得到了高速凝固时超细的胞状组织，并实现了树枝状至超细状转变的实验结果。综上所述，G1一定时，随着R的增大，界面转变情况可用下图来表示：平面状→胞状→胞状枝晶→树枝状细化胞状→带状→平面状凝固速度R→马东等通过理论分析预测，当G1ФGα(Gα＝ΔT20／3K0（1＋K0）Γ）时，无论生长速度如何，平界面都是稳定的，但是有待于实验的证明。
在快速凝固过程中，如果已知凝固过冷度ΔT，可以根据经验公式牶R＝A（ΔT）2求出R，式中A是与合金成分有关的常数。如果假设凝固长大动力学过程近似是线性的，则上式还可以近似为R＝m（ΔT）。
由上述可知，得到快速定向凝固速度的方法有两种：（1）提高固液界面的温度梯度，结合快速定向凝固技术提出了激光超高温度梯度快速定向凝固。（2）提高过冷度来提高凝固速率。在快速定向凝固的基础上发展出深过冷熔体激发快速定向凝固。
(钢讯)


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