材料的使用性能是由其組織形態(tài)來決定的。因此．包括成分調(diào)整在內(nèi)，人們通過控制 材料的制備過程以獲得理想的組織從而使材料具有所希望的使用性能，控制凝固過程已 成為提高傳統(tǒng)材料的性能和開發(fā)新材料的重要途徑。定向凝固技術(shù)由于能得到一些具有 特殊取向的組織和優(yōu)異性能的材料，因而自它誕生以來得到了迅速的發(fā)展 [1] ，目前已廣泛 地應(yīng)用于半導(dǎo)體材料、磁性材料以及自身復(fù)合材料的生產(chǎn) [2-3] 。同時(shí)，由于定向凝固技術(shù) 的出現(xiàn)，也為凝固理論的研究和發(fā)展提供了實(shí)驗(yàn)基礎(chǔ)(由于理論處理過程的簡(jiǎn)單化)，因?yàn)?在定向凝固過程中溫度梯度和凝固速率這兩個(gè)重要的凝固參數(shù)能夠獨(dú)立變化，從而可以 分別研究它們對(duì)凝固過程的影響。此外，定向凝固組織非常規(guī)則，便于準(zhǔn)確測(cè)量其形態(tài)和 尺度特征。
本文評(píng)述了定向凝固技術(shù)的發(fā)展過程及其在材料的研究和制備過程中的應(yīng)用，指出 了傳統(tǒng)定向凝固技術(shù)存在的問題和不足，并介紹了在此基礎(chǔ)上新近發(fā)展起采的新型定向 凝固技術(shù)及其應(yīng)用前景。
1 傳統(tǒng)的定向凝固技術(shù)
1.1 爐外結(jié)晶法(發(fā)熱鑄型法) [4]
所謂的爐外結(jié)晶法就是將熔化好的金屬液澆入一側(cè)壁絕熱，底部冷卻，頂部覆蓋發(fā)熱 劑的鑄型中，在金屬液和已凝固金屬中建立起一個(gè)自上而下的溫度梯度，使鑄件自上而下 進(jìn)行凝固，實(shí)現(xiàn)單向凝固。這種方法由于所能獲得的溫度梯度不大，并且很難控制，致使凝 固組織粗大，鑄件性能差，因此，該法不適于大型、優(yōu)質(zhì)鑄件的生產(chǎn)。但其工藝簡(jiǎn)單、成本 低，可用于制造小批量零件。
1.2 爐內(nèi)結(jié)晶法
爐內(nèi)結(jié)晶法指凝固是在保溫爐內(nèi)完成，具體工藝方法有：
1.2.1 功率降低法(PD法) [5]
將保溫爐的加熱器分成幾組，保溫爐是分段加熱的。當(dāng)熔融的金屬液置于保溫爐內(nèi) 后，在從底部對(duì)鑄件冷卻的同時(shí)，自下而上順序關(guān)閉加熱器，金屬則自下而上逐漸凝固，從 而在鑄件中實(shí)現(xiàn)定向凝固。通過選擇合適的加熱器件，可以獲得較大的冷卻速度，但是在 凝固過程中溫度梯度是逐漸減小的，致使所能允許獲得的柱狀晶區(qū)較短，且組織也不夠理 想。加之設(shè)備相對(duì)復(fù)雜，且能耗大，限制了該方法的應(yīng)用。
1.2.2 快速凝固法(HRS) [6]
為了改善功率降低法在加熱器關(guān)閉后，冷卻速度慢的缺點(diǎn)，在Bridgman晶體生長(zhǎng)技 術(shù)的基礎(chǔ)上發(fā)展成了一種新的定向凝固技術(shù)，即快速凝固法。該方法的特點(diǎn)是鑄件以一定 的速度從爐中移出或爐子移離鑄件，采用空冷的方式，而且爐子保持加熱狀態(tài)。這種方法 由于避免了爐膛的影響，且利用空氣冷卻，因而獲得了較高的溫度梯度和冷卻速度，所獲 得的柱狀晶間距較長(zhǎng)，組織細(xì)密挺直，且較均勻，使鑄件的性能得以提高，在生產(chǎn)中有一定 的應(yīng)用。
1.2.3 液態(tài)金屬冷卻法(LMC法) [7]
HRS法是由輻射換熱來冷卻的，所能獲得的溫度梯度和冷卻速度都很有限。為了獲 得更高的溫度梯度和生長(zhǎng)速度。在HRS法的基礎(chǔ)上，將抽拉出的鑄件部分浸入具有高導(dǎo) 熱系數(shù)的高沸點(diǎn)、低熔點(diǎn)、熱容量大的液態(tài)金屬中，形成了一種新的定向凝固技術(shù)，即 LMC法。這種方法提高了鑄件的冷卻速度和固液界面的溫度梯度，而且在較大的生長(zhǎng)速 度范圍內(nèi)可使界面前沿的溫度梯度保持穩(wěn)定，結(jié)晶在相對(duì)穩(wěn)態(tài)下進(jìn)行，能得到比較長(zhǎng)的單 向柱晶。
常用的液態(tài)金屬有Ga—In合金和Ga—In—Sn合金，以及Sn液，前二者熔點(diǎn)低，但價(jià)格 昂貴，因此只適于在實(shí)驗(yàn)室條件下使用。 Sn液熔點(diǎn)稍高(232℃)，但由于價(jià)格相對(duì)比較便 宜，冷卻效果也比較好，因而適于工業(yè)應(yīng)用。該法已被美國(guó)、前蘇聯(lián)等國(guó)用于航空發(fā)動(dòng)機(jī)葉 片的生產(chǎn) [8] 。
1.3 傳統(tǒng)定向凝固技術(shù)存在的問題
不論是爐外法，還是爐內(nèi)法，也不論是功率降低法，還是快速凝固法，它們的主要缺點(diǎn) 是冷卻速度太慢，即使是液態(tài)金屬冷卻法，其冷卻速度仍不夠高，這樣產(chǎn)生的一個(gè)弊端就 是使得凝固組織有充分的時(shí)間長(zhǎng)大、粗化，以致產(chǎn)生嚴(yán)重的枝晶偏析，限制了材料性能的 提高。造成冷卻速度慢的主要原因是凝固界面與液相中最高溫度面距離太遠(yuǎn)，固液界面并 不處于最佳位置，因此所獲得的溫度梯度不大，這樣為了保證界面前液相中沒有穩(wěn)定的結(jié) 晶核心的形成，所能允許的最大凝固速度就有限。
為了進(jìn)一步細(xì)化材料的組織結(jié)構(gòu)，減輕甚至消除元素的微觀偏析，有效地提高材料的 性能，就需提高凝固過程的冷卻速率。在定向凝固技術(shù)中，冷卻速率的提高，可以通過提高 凝固過程中固液界面的溫度梯度和生長(zhǎng)速率來實(shí)現(xiàn)。因而如何采用新工藝、新方法去實(shí)現(xiàn) 高溫度梯度和大生長(zhǎng)速率的定向凝固，是當(dāng)今眾多研究者追求的目標(biāo)。
2 新型定向凝固技術(shù)
2.1 ZMLMC法 [9,10]
李建國(guó)等通過改變加熱方式，在LMC法的基礎(chǔ)上發(fā)展了一種新型定向凝固技術(shù)一 區(qū)域熔化液態(tài)金屬冷卻法，即ZMLMC法。該方法將區(qū)域熔化與液態(tài)金屬冷卻相結(jié)合，利 用感應(yīng)加熱集中對(duì)凝固界面前沿液相進(jìn)行加熱，從而有效地提高了固液界面前沿的溫度 梯度。他們研制的ZMLMC定向凝固裝置，最高溫度梯度可達(dá)1300K／cm，最大冷卻速度 可達(dá)；01(／s。采用該裝置在Ni—Cu、Al—Cu合金系的工作，發(fā)現(xiàn)了高速枝胞轉(zhuǎn)變現(xiàn)象，據(jù)此 提出了高速枝胞轉(zhuǎn)變的時(shí)空模型。K5、K10以及NASAIR100高溫合金的定向凝固實(shí)驗(yàn) 結(jié)果表明：在高溫度梯度條件下，可得到一次枝晶間距僅為24μm的超細(xì)柱晶，與傳統(tǒng)定 向凝固相比，枝晶組織細(xì)化5一10倍以上，枝晶間元素偏析比趨于l。對(duì)性能的測(cè)試表明： 高溫度梯度使鑄造NASA!R100單晶的持久壽命提高7倍，使K5、K10高溫合金1073k 時(shí)的強(qiáng)度提高18％，壽命提高300％，斷面收縮率分別提高420％和270％。采用ZMLMC 方法制備Tb—Dy—Fe磁致伸縮材料，在8×104A／m磁場(chǎng)下，磁致伸縮系數(shù)達(dá)10-3以上，壓 應(yīng)力下的飽和磁致伸縮系數(shù)達(dá)1．7×10-3，比采用其它方法制備的同一材料的性能高得 多。由此可見，高溫度梯度定向凝固技術(shù)在現(xiàn)代凝固理論特別是高性能材料制備中已經(jīng)發(fā) 揮了重要作用。
2.2 深過冷定向凝固(DUDS)“10n”
過冷熔體中的定向凝固首先由 B．Iux等在1981年提出，其基本原理是將盛有金屬 液的沒渦置于一激冷基座上，在金屬液被動(dòng)力學(xué)過冷的同時(shí)，金屬液內(nèi)建立起一個(gè)自下而 上的溫度梯度，冷卻過程中溫度最低的底部先形核，晶體自下而上生長(zhǎng)，形成定向排列的 樹枝晶骨架，其間是殘余的金屬液。在隨后的冷卻過程中，這些金屬液依靠向外界散熱而 向已有的枝晶骨架上凝固，最終獲得了定向凝固組織。與傳統(tǒng)定向凝固工藝相比，深過冷 定向凝固法具有下述特點(diǎn)：
(1)鑄件和爐子間無(wú)相對(duì)運(yùn)動(dòng)，省去了復(fù)雜的傳動(dòng)和控制裝置，大大降低了設(shè)備要求；
(2)凝固過程中熱量散失快，鑄件生產(chǎn)率高。傳統(tǒng)的定向凝固技術(shù)是一端加熱，一端冷 卻，需要導(dǎo)出的熱量不僅包括結(jié)晶潛熱和熔體的過熱熱量，還要導(dǎo)出加熱爐不斷傳輸該鑄 件熱端的熱量，且傳熱過程嚴(yán)格限制在一維方向，故生產(chǎn)率極低。在深過冷定向凝固中，導(dǎo) 出的熱量只包括結(jié)晶潛熱和熔體的過熱熱量，而且鑄件的散熱可在三維方向進(jìn)行，故鑄件 的生產(chǎn)周期短；
(3)更重要的是，定向凝固組織形成過程中的晶體生產(chǎn)速度高，組織結(jié)構(gòu)細(xì)小，微觀成 分偏析程度低，促使鑄件的各種力學(xué)性能大幅度提高。如用深過冷定向凝固法生產(chǎn)的 MAR—M—200葉片，其常溫極限抗拉強(qiáng)度提高14％，高溫極限抗拉強(qiáng)度提高40％，抗高溫 蠕變能力也得到了改善。
2.3 電磁約束成形定向凝固技術(shù)(DSEMS) [13]
電磁約束成形定向凝固技術(shù)是將電磁約束成形技術(shù)與定向凝固技術(shù)相結(jié)合而產(chǎn)生的 一種新型定向凝固技術(shù)。該技術(shù)利用電磁感應(yīng)加熱熔化感應(yīng)器內(nèi)的金屬材料，并利用在金 屬熔體表層部分產(chǎn)生的電磁壓力來約束已熔化的金屬熔體成形。同時(shí)，冷卻介質(zhì)與鑄件表 面直接接觸，增強(qiáng)了鑄件固相的冷卻能力，在固液界面附近熔體內(nèi)可以產(chǎn)生很高的溫度梯 度，使凝固組織超細(xì)化，顯著提高鑄件的表面質(zhì)量和內(nèi)在綜合性能。而工業(yè)上廣泛應(yīng)用的 LMC法，由于是采用熔模精鑄型殼使合金凝固成形的，粗厚、導(dǎo)熱性能差的陶瓷模殼一方 面嚴(yán)重降低了合金熔體中的溫度梯度和凝固速度，另一方面模殼在高溫下對(duì)鑄件產(chǎn)生污 染，降低了材料的性能。ZMLMC法只限于實(shí)驗(yàn)室研究使用，無(wú)法實(shí)現(xiàn)工業(yè)化。因此，電磁 約束成形定向凝固工藝將成為一種很有競(jìng)爭(zhēng)力的定向凝固技術(shù)。但該技術(shù)涉及電磁流體 力學(xué)、冶金、凝固以及自動(dòng)控制等多學(xué)科領(lǐng)域，目前還處于研究階段。
2.4 激光超高溫度梯度快速定向凝固 [14-17]
自七十年代大功率激光器問世以來，在材料的加工和制備過程中得到了廣泛的應(yīng)用。 在激光表面快速熔凝時(shí)，凝固界面的溫度梯度可高達(dá)5×104K／cm，凝固速度高達(dá)數(shù)米每 秒。但一般的激光表面熔凝過程并不是定向凝固，因?yàn)槿鄢貎?nèi)部局部溫度梯度和凝固速度 是不斷變化的，且兩者都不能獨(dú)立控制；同時(shí)，凝固組織是從基體外延生長(zhǎng)的，界面上不同 位置的生長(zhǎng)方向也不相同。然而，激光能量高度集中的特性，使它具備了在作為定向凝固 熱源時(shí)可能獲得比現(xiàn)有定向凝固方法高得多的溫度梯度的可能性。早在七十年代，Cline 等就利用90W cw Nd： YAG激光器作為熱源來定向凝固制作Al-Al2Cu、Pd—Cd共晶薄 膜，得到了規(guī)則的層片狀共晶組織，通過計(jì)算得到凝固時(shí)的溫度梯度分別可達(dá)2．4× 104K／cm和1．1×104K／cm。本課題組對(duì)這種可能性已經(jīng)進(jìn)行了初步的探索，發(fā)現(xiàn)激光定 向凝固確實(shí)是可行的。而且能夠獲得比常規(guī)定向凝固包括ZMLMC技術(shù)高得多的溫度梯 度和凝固速率。我們采用展寬的高能CO2激光束作為熱源，加熱固定在陶瓷襯底上的厚 度0．5mm，寬度；mm的鎳基高溫合金薄片，初步實(shí)現(xiàn)了定向凝固組織，其枝品平均一次 間距小于10μm，比采用ZMLMC技術(shù)所獲得的超細(xì)枝晶的最小平均一次間距23．8μm顯 著減小。推測(cè)凝固期間的溫度梯度在4000K／cm以上，約三倍于ZMLMC技術(shù)所能獲得 的最大溫度梯度。但由于凝固速度也顯著提高，因而冷卻速率比ZMLMC技術(shù)提高一個(gè) 數(shù)量級(jí)以上。此外，還通過激光定向凝固首次在鎳基高溫合金中得到了一種完全無(wú)側(cè)向分 枝、接近無(wú)偏析的超細(xì)胞晶。這種超細(xì)胞晶是典型的快速凝固組織。由于上述探索性實(shí)驗(yàn) 只是為了證實(shí)激光定向凝固是否可行，并未采取特別的溫度控制措施，也未系統(tǒng)探索獲得 更大溫度梯度的工藝條件，因而進(jìn)一步提高激光定向凝固溫度梯度的潛力還很大。
3 定向凝固技術(shù)的應(yīng)用及凝固理論的研究進(jìn)展
3.1 定向凝固技術(shù)的工業(yè)應(yīng)用
應(yīng)用定向凝固方法，得到單方向生長(zhǎng)的柱狀晶，甚至單品，不產(chǎn)生橫向晶界，較大地提 高了材料的單向力學(xué)性能，因此定向凝固技術(shù)已成為富有生命力的工業(yè)生產(chǎn)手段，應(yīng)用也 日益廣泛。
目前，定向凝固技術(shù)的最主要應(yīng)用是生產(chǎn)具有均勻柱狀晶組織的鑄件，特別是在航空 領(lǐng)域生產(chǎn)高溫合金的發(fā)動(dòng)機(jī)葉片，與普通鑄造方法獲得的鑄件相比，它使葉片的高溫強(qiáng) 度、抗蠕變和持久性能、熱疲勞性能得到大幅度提高 [18] 。對(duì)于磁性材料，應(yīng)用定向凝固技 術(shù)，可使柱狀晶排列方向與磁化方向一致，大大改善了材料的磁性能 [19] 。定向凝固技術(shù)也 是制備單晶的有效方法 [20] 。定向凝固技術(shù)還廣泛用于自生復(fù)合材料的生產(chǎn)制造，用定向 凝固方法得到的自生復(fù)合材料消除了其它復(fù)合材料制備過程中增強(qiáng)相與基體間界面的影 響，使復(fù)合材料的性能大大提高 [21] 。
3.2 定向凝固理論的研究進(jìn)展
定向凝固技術(shù)的另一個(gè)重要應(yīng)用就是用于凝固理論的研究，定向凝固技術(shù)的發(fā)展直 接推動(dòng)了凝固理論的發(fā)展和深入。從Chalmers等[22]的成分過冷理論到Mullins等”“的 界面穩(wěn)定動(dòng)力學(xué)理論(MS理論)，人們對(duì)凝固過程有了更深刻的認(rèn)識(shí)。 MS理論成功地預(yù) 言了：隨著生長(zhǎng)速度的提高，固液界面形態(tài)將經(jīng)歷從平界面→胞晶→樹枝晶→胞晶→帶狀 組織→絕對(duì)穩(wěn)定平界面的轉(zhuǎn)變。枝晶／胞晶一次間距選擇的歷史相關(guān)性及容許范圍的發(fā) 現(xiàn) [24] ，是近年來凝固理論研究的重大進(jìn)展之一，它導(dǎo)致在凝固界流行了十多年的定向凝 固理論退出歷史舞臺(tái)，并成為以非平衡自組織理論為指導(dǎo)的新的定向凝固理論的實(shí)驗(yàn)基 礎(chǔ)。但關(guān)于枝晶／腦晶一次間距選擇歷史相關(guān)性及容許范圍的實(shí)驗(yàn)?zāi)壳岸际窃诘蜏靥荻?(＜300K／cm)和低凝固速率(＜500μm／s)下進(jìn)行的。理論迫切需要在更高的溫度梯度和 凝固速率范圍內(nèi)的定向凝固實(shí)驗(yàn)規(guī)律，特別是凝固體系在靠近絕對(duì)穩(wěn)定性速度時(shí)的凝固 行為。在過去的理論和實(shí)驗(yàn)研究中。關(guān)注的是凝固速率而忽視溫度梯度的影響。近年來對(duì) MS理論界面穩(wěn)定性條件所做的進(jìn)一步分析表明，MS理論還隱含著另一種絕對(duì)穩(wěn)定性現(xiàn) 象，即當(dāng)溫度梯度G超過一臨界值Ga時(shí)．溫度梯度的穩(wěn)定化效應(yīng)會(huì)完全克服溶質(zhì)擴(kuò)散的 不穩(wěn)定化效應(yīng)，這時(shí)無(wú)論凝固速度如何，界面總是穩(wěn)定的，這種絕對(duì)穩(wěn)定性稱為高梯度絕 對(duì)穩(wěn)定性 [25] 。由于沒有明確的理論判據(jù)以及實(shí)驗(yàn)技術(shù)的限制，在過去三十多年中，高梯度 絕對(duì)穩(wěn)定性被不適當(dāng)?shù)睾鲆暳恕Ｗ罱覀儾捎脭?shù)學(xué)分析與數(shù)值計(jì)算相結(jié)合的方法，給出 了高梯度絕對(duì)穩(wěn)定性臨界條件的簡(jiǎn)明的表達(dá)式。對(duì)大多數(shù)合金，實(shí)現(xiàn)高梯度絕對(duì)穩(wěn)定性的 臨界溫度梯度在5000K／cm以上，遠(yuǎn)遠(yuǎn)超過常規(guī)的定向凝固方法包括ZMLMC方法所能 達(dá)到的溫度梯度。因此，尋求新的實(shí)驗(yàn)方法實(shí)現(xiàn)高梯度絕對(duì)穩(wěn)定性，揭示在這種極端條件 下凝固過程的新現(xiàn)象和新規(guī)律，并在此基礎(chǔ)上對(duì)該新現(xiàn)象予以更加準(zhǔn)確的理論描述，成為 當(dāng)前急需進(jìn)行的具有重大理論意義的研究工作。
4 存在的問題及展望
雖然初步的實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明深過冷定向凝固技術(shù)、電磁約束成形定向凝固技術(shù)以及激 光超高溫度梯度快速定向凝固技術(shù)具有廣闊的應(yīng)用前景，但是目前都存在一些問題需要 解決。
如何在深過冷狀態(tài)下保證定向凝固組織的獲得？如何獲得具有一定外形的零件是關(guān)系到該技術(shù)能否實(shí)用化的主要問題。
電磁約束成形定向凝固技術(shù)是一項(xiàng)涉及電磁流體力學(xué)、冶金、凝固以及自動(dòng)控制等多學(xué)科的技術(shù)，各種工藝參數(shù)如電電磁壓力、加熱密度、抽拉速度的選擇將決定鑄件的表觀質(zhì)量和性能，目前還處于研究階段。 激光超高溫度遞度快速定向凝固技術(shù)存在的主要問題是如何控制熱流的方向使固液界面的生長(zhǎng)方向與激光束的掃描方向一致，實(shí)現(xiàn)傳統(tǒng)意義上的定向凝固，目前該工作正在進(jìn)行之中。 縱觀定向凝固技術(shù)發(fā)展的歷史就是溫度梯度和凝固速度不斷提高的歷史。隨著實(shí)驗(yàn)技術(shù)的改進(jìn)和人們的努力，新一代的定向凝固技術(shù)必將為新材料的制備和新加工技術(shù)的開發(fā)提供廣闊的前景，也必將使凝固理論得到完善和發(fā)展。 (en
