材料合成与制备全册配套最完整精品课件2.ppt

1、材料合成与制备全册配套材料合成与制备全册配套 最完整精品课件最完整精品课件2 1 单晶体单晶体 2 多晶体多晶体 3 非晶体非晶体 单晶单晶(single crystal)，即结晶体内部的微粒在三维空间，即结晶体内部的微粒在三维空间 呈有规律地、周期性地排列，或者说晶体的整体在三维呈有规律地、周期性地排列，或者说晶体的整体在三维 方向上由同一空间格子构成，整个晶体中质点在空间的方向上由同一空间格子构成，整个晶体中质点在空间的 排列为长程有序。排列为长程有序。 多晶是众多取向晶粒的单晶的集合。多晶与单晶内部均多晶是众多取向晶粒的单晶的集合。多晶与单晶内部均 以点阵式的周期性结构为其基础，对同一品

2、种晶体来说，以点阵式的周期性结构为其基础，对同一品种晶体来说， 两者本质相同。两者不同处在于两者本质相同。两者不同处在于单晶是各向异性的单晶是各向异性的，多多 晶则是各向同性的晶则是各向同性的。 非晶体是指组成物质的分子（或原子、离子）不呈空间有规则周非晶体是指组成物质的分子（或原子、离子）不呈空间有规则周 期性排列的固体。它没有一定规则的外形，如玻璃、石蜡等。期性排列的固体。它没有一定规则的外形，如玻璃、石蜡等。 从显微学上来看单晶，多晶。单晶与多晶，一从显微学上来看单晶，多晶。单晶与多晶，一 个晶粒就是单晶，多个晶粒就是多晶，没有晶粒个晶粒就是单晶，多个晶粒就是多晶，没有晶粒 就是非晶。单

3、晶只有一套衍射斑点；多晶的话，就是非晶。单晶只有一套衍射斑点；多晶的话， 取向不同会表现几套斑点，标定的时候，一套一取向不同会表现几套斑点，标定的时候，一套一 套来，当然有可能有的斑点重合，通过多晶衍射套来，当然有可能有的斑点重合，通过多晶衍射 的标定可以知道晶粒或者两相之间取向关系。如的标定可以知道晶粒或者两相之间取向关系。如 果晶粒太小，可能会出现多晶衍射环。非晶果晶粒太小，可能会出现多晶衍射环。非晶 衍衍 射是非晶衍射环，这个环均匀连续，与多晶衍射射是非晶衍射环，这个环均匀连续，与多晶衍射 环有区别。环有区别。 举例单晶材料及应用：举例单晶材料及应用： 鸽血红（纯红色）红宝石鸽血红（纯红

4、色）红宝石 粉红色红宝石粉红色红宝石 蓝色蓝宝石蓝色蓝宝石 黄色蓝宝石黄色蓝宝石 绿色蓝宝石绿色蓝宝石 紫色蓝宝石紫色蓝宝石 帕德马蓝宝石帕德马蓝宝石 变色蓝宝石变色蓝宝石 Cr3+ r3+ /Fe/Ti Fe2+/Ti4+ Fe3+、色心、色心 Fe3+、Fe3+/ Ti4+ Cr3+/Fe2+/Ti4+、 Fe2+/Fe3+ 色心色心/Cr3+、 Fe3+ Fe、Ti、Cr .固相固相-固相平衡的晶体生长固相平衡的晶体生长 .液相液相-固相平衡的晶体生长固相平衡的晶体生长 .气相气相-固相平衡的晶体生长固相平衡的晶体生长 第一章第一章 单晶材料的制备单晶材料的制备 .固相固相-固相平衡的晶

5、体生长固相平衡的晶体生长 固固-固生长即是结晶生长法。固生长即是结晶生长法。 1）能在较低温度下生长；）能在较低温度下生长； 2）生长晶体的形状是预先固定的。所以）生长晶体的形状是预先固定的。所以 丝、片等形状的晶体容易生长，取向也容丝、片等形状的晶体容易生长，取向也容 易控制。易控制。 3）杂质和添加组分的分布在生长前被固）杂质和添加组分的分布在生长前被固 定下来，在生长过程中并不改变。定下来，在生长过程中并不改变。 难以控制成核以形成大晶粒。难以控制成核以形成大晶粒。 优点优点 缺点缺点 用用应变退火方法应变退火方法生长单晶，通常是通过生长单晶，通常是通过塑性塑性 变形变形，然后在适当的条

6、件下加热等温，然后在适当的条件下加热等温退火退火，温，温 度变化不能剧烈，结果使晶粒尺寸增大。度变化不能剧烈，结果使晶粒尺寸增大。 .固相固相-固相平衡的晶体生长固相平衡的晶体生长 1.1.1 形变再结晶理论形变再结晶理论 塑性变形（塑性变形（Plastic Deformation），金属零件在外力），金属零件在外力 作用下产生不可恢复的永久变形。作用下产生不可恢复的永久变形。 退火是将金属或合金加热到适当温度，保持一定时退火是将金属或合金加热到适当温度，保持一定时 间，然后缓慢冷却的热处理工艺。间，然后缓慢冷却的热处理工艺。 冷变形后材料经重新加热进行退火之后，冷变形后材料经重新加热进行退火

7、之后， 其组织和性能会发生变化。观察在不同加热温其组织和性能会发生变化。观察在不同加热温 度下变化的特点可将退火过程分为度下变化的特点可将退火过程分为回复、再结回复、再结 晶和晶粒长大晶和晶粒长大三个阶段。三个阶段。 1.1.1 形变再结晶理论形变再结晶理论 晶粒长大是指再结晶结束之后晶粒的继续长大。晶粒长大是指再结晶结束之后晶粒的继续长大。 回复是指新的无畸变晶粒出现之前所产生的亚结回复是指新的无畸变晶粒出现之前所产生的亚结 构和性能变化的阶段；构和性能变化的阶段； 再结晶是指出现无畸变的等轴新晶粒逐步取代变再结晶是指出现无畸变的等轴新晶粒逐步取代变 形晶粒的过程；形晶粒的过程； 经塑性变形

8、后，材料承受了大量的应变，经塑性变形后，材料承受了大量的应变， 因而储存大量的应变能。在产生应变时，发因而储存大量的应变能。在产生应变时，发 生的自由能变化近似等于做功减去释放的热生的自由能变化近似等于做功减去释放的热 量。该能量通常就是应变退火再结晶的主要量。该能量通常就是应变退火再结晶的主要 推动力。推动力。 残存的形变贮能残存的形变贮能 1. 再结晶驱动力再结晶驱动力 应变退火再结晶的推动力由下式给出：应变退火再结晶的推动力由下式给出： G = W-q+GS+G0 （1-8） W是产生应变或加工时所做的功（是产生应变或加工时所做的功（W的大部分驻的大部分驻 留在晶粒间界中），留在晶粒间界

9、中），q是作为热而释放的能量，是作为热而释放的能量， GS是晶粒的表面自由能，是晶粒的表面自由能，G0是试样中不同晶粒是试样中不同晶粒 取向之间的自由能差。取向之间的自由能差。 减小晶粒间界的面积便能降低材料的自由能。减小晶粒间界的面积便能降低材料的自由能。 产生应变的样品相对未产生应变的样品来说产生应变的样品相对未产生应变的样品来说 在热力学上是不稳定的。在热力学上是不稳定的。 2. 晶粒长大晶粒长大 形核形核-焊接焊接-吞并吞并 晶粒长大可以通过现存晶粒长大可以通过现存 晶粒在退火时的生长或晶粒在退火时的生长或 通过新晶粒成核，然后通过新晶粒成核，然后 在退火时生长的方式发在退火时生长的方

10、式发 生，焊接一颗大晶粒到生，焊接一颗大晶粒到 多晶试样上，并且是大多晶试样上，并且是大 晶粒吞并临近的小晶粒晶粒吞并临近的小晶粒 而生长，就可以有籽晶而生长，就可以有籽晶 的固的固-固生长，即固生长，即 再结晶后的晶粒长大再结晶后的晶粒长大 再结晶刚完成后，得到的是细小的等轴晶粒。如果再结晶刚完成后，得到的是细小的等轴晶粒。如果 继续提高退火温度或延长保温时间，便会发生晶粒互继续提高退火温度或延长保温时间，便会发生晶粒互 相吞并而长大的现象，称为相吞并而长大的现象，称为“晶粒长大晶粒长大”。 晶粒的异常长大（不均匀长晶粒的异常长大（不均匀长 大，或称为二次再结晶）大，或称为二次再结晶） 晶粒

11、的正常长大（即均匀长晶粒的正常长大（即均匀长 大）大） 晶粒长大晶粒长大通常通常 有两种方式：有两种方式： 晶粒的正常长大（即均匀长大）晶粒的正常长大（即均匀长大） （1）长大的驱动力）长大的驱动力 驱动力来自总界面能的下驱动力来自总界面能的下 降。晶粒长大是通过晶界迁降。晶粒长大是通过晶界迁 移来实现。移来实现。 晶界移动的驱动力属于化晶界移动的驱动力属于化 学力。化学力的来源是系统学力。化学力的来源是系统 自由能的降低。具体讲有两自由能的降低。具体讲有两 种情况：种情况： 铝晶粒长大的晶界迁移铝晶粒长大的晶界迁移 1 迁移前晶界位置迁移前晶界位置 2 迁移后晶界位置迁移后晶界位置 相邻晶粒

12、的能量差相邻晶粒的能量差 界面曲率界面曲率 晶粒的正常长大（即均匀长大）晶粒的正常长大（即均匀长大） （2）晶界迁移的规律）晶界迁移的规律 若晶粒长大到一定程度，晶界可变为平直状，晶界若晶粒长大到一定程度，晶界可变为平直状，晶界 迁移便趋停止。因此，再结晶后的晶粒长大有一定迁移便趋停止。因此，再结晶后的晶粒长大有一定 的限度，不会无限粗化。的限度，不会无限粗化。 a. 弯曲晶界总是趋向于平直化即晶界向曲率中心移弯曲晶界总是趋向于平直化即晶界向曲率中心移 动，以减少表面积，动，以减少表面积， 晶粒的正常长大（即均匀长大）晶粒的正常长大（即均匀长大） （2）晶界迁移的规律）晶界迁移的规律 b. 在

13、二维坐标中，晶界边数少于在二维坐标中，晶界边数少于6的晶粒的晶粒(其晶界向外其晶界向外 凸出凸出)，必然逐步缩小，消失；而边数大于，必然逐步缩小，消失；而边数大于6的晶粒的晶粒 （其晶界向内凹进）则逐渐长大；当边数为（其晶界向内凹进）则逐渐长大；当边数为6，晶面，晶面 平直，夹角为平直，夹角为120时，不再移动。时，不再移动。 晶粒形状与晶界曲率晶粒形状与晶界曲率 晶粒的正常长大（即均匀长大）晶粒的正常长大（即均匀长大） （3）影响晶粒长大的因素）影响晶粒长大的因素 温度。温度越高，晶界易迁移，晶粒易粗化。温度。温度越高，晶界易迁移，晶粒易粗化。 分散相粒子。阻碍晶界迁移，降低晶粒长大速率。分

14、散相粒子。阻碍晶界迁移，降低晶粒长大速率。 一般有晶粒稳定尺寸一般有晶粒稳定尺寸d和第二相质点半径和第二相质点半径r、体积分体积分 数数 的关系的关系: d=4r/3 杂质与合金元素。降低界面能，不利于晶界移动。杂质与合金元素。降低界面能，不利于晶界移动。 晶粒位向差。小角度晶界的界面能小于大角度晶晶粒位向差。小角度晶界的界面能小于大角度晶 界，因而前者的移动速率低于后者。界，因而前者的移动速率低于后者。 （不均匀长大，或称为二次再结晶）（不均匀长大，或称为二次再结晶） 某些金属材料经过严重变形之后，在较高温度退某些金属材料经过严重变形之后，在较高温度退 火，会出现晶粒的反常长大。这个过程就像

15、在再结晶火，会出现晶粒的反常长大。这个过程就像在再结晶 后，细小、均匀的等轴晶粒中又重新发生了形核和长后，细小、均匀的等轴晶粒中又重新发生了形核和长 大，故又称之为大，故又称之为“二次再结晶二次再结晶”。 晶粒的异常长大晶粒的异常长大 异常长大前异常长大前(5min) 异常长大后异常长大后(20min) Fe-3%Si合金在合金在1100退火组织退火组织 晶粒的异常长大晶粒的异常长大 v驱动力来自界面能或表面能的降低。驱动力来自界面能或表面能的降低。 v不需要重新形核，是以一次再结晶后的某不需要重新形核，是以一次再结晶后的某 些特殊晶粒作为基础而长大。些特殊晶粒作为基础而长大。 v只有在晶粒正

16、常长大受阻情况下才产生二只有在晶粒正常长大受阻情况下才产生二 次再结晶。次再结晶。 v也会产生择优取向的晶粒，称之为再结晶也会产生择优取向的晶粒，称之为再结晶 织构。织构。 二次再结晶特征：二次再结晶特征： 钉扎晶界的第二相溶于基体；钉扎晶界的第二相溶于基体； 再结晶织构中位向一致的晶粒合并；再结晶织构中位向一致的晶粒合并； 大晶粒吞并小晶粒。大晶粒吞并小晶粒。 晶粒的异常长大晶粒的异常长大 异常长异常长 大的主大的主 要机制要机制 1.1.2 应变退火及工艺设备应变退火及工艺设备 1、应变退火、应变退火 应变退火，包括应变和退火两个部应变退火，包括应变和退火两个部 分。分。 对于金属构件，在

17、加工成型过程本身对于金属构件，在加工成型过程本身 就已有变形，刚好与晶体生长有关。就已有变形，刚好与晶体生长有关。 （1）铸造件）铸造件 将液体金属浇铸到与零件形状相适应的将液体金属浇铸到与零件形状相适应的铸铸 模中，待其冷却凝固后，以获得模中，待其冷却凝固后，以获得一定形状、一定形状、 尺寸、成分、组织和性能铸件的成形方法叫尺寸、成分、组织和性能铸件的成形方法叫 铸造。用铸造方法获得铸件叫铸造件。铸造。用铸造方法获得铸件叫铸造件。 晶粒大小和取向取决于纯度、铸件的形状、晶粒大小和取向取决于纯度、铸件的形状、 冷却速度和冷却时的热交换等。冷却速度和冷却时的热交换等。 铸造件应变是如何产生的？铸

18、造件应变是如何产生的？由于冷却时的由于冷却时的 温度梯度和不同的收缩引起的。温度梯度和不同的收缩引起的。 （2）锻造件）锻造件 锻造件是金属被施加压力，通过塑性变形塑锻造件是金属被施加压力，通过塑性变形塑 造要求的形状或合适的压缩力的物件。造要求的形状或合适的压缩力的物件。 金属经过锻造加工后能改善其组织结构和力学金属经过锻造加工后能改善其组织结构和力学 性能。使原来的粗大枝晶和柱状晶粒变为晶粒较性能。使原来的粗大枝晶和柱状晶粒变为晶粒较 细、大小均匀的等轴再结晶组织，提高了金属的细、大小均匀的等轴再结晶组织，提高了金属的 塑性和力学性能。塑性和力学性能。 铸件的力学性能低于同材质的锻件力学性

19、能。铸件的力学性能低于同材质的锻件力学性能。 此外，锻造加工能保证金属纤维组织的连续性，此外，锻造加工能保证金属纤维组织的连续性， 使锻件的纤维组织与锻件外形保持一致。使锻件的纤维组织与锻件外形保持一致。 （3）滚扎件）滚扎件 （4）挤压件）挤压件 （5）拉拔丝）拉拔丝 在应变退火中，通常在一系列试样上改变应变量，在应变退火中，通常在一系列试样上改变应变量， 以便找到退火期间引起一个或多个晶粒生长所必须以便找到退火期间引起一个或多个晶粒生长所必须 的的最佳应变或临界应变最佳应变或临界应变。 一般而言，一般而言，1%-10%的应变足够满足要求。的应变足够满足要求。 用用锥形锥形试样寻找其特殊材料

20、的临界应变，因为试样寻找其特殊材料的临界应变，因为 这种试样在受到拉伸力时自动产生一个应变梯度。这种试样在受到拉伸力时自动产生一个应变梯度。 在退火之后，可以观察到晶粒生长最好的区域，在退火之后，可以观察到晶粒生长最好的区域， 并计算出该区域的应变。并计算出该区域的应变。 注意事项：注意事项： 用应变退火法生长非金属材料比金属材料困难。用应变退火法生长非金属材料比金属材料困难。 2、应变退火法生长晶体、应变退火法生长晶体 （1）应变退火法制备铝单晶）应变退火法制备铝单晶 （2）应变退火法制备铜单晶）应变退火法制备铜单晶 （3）应变退火法制备铁晶体）应变退火法制备铁晶体 烧结过程中晶粒长大的烧结

21、过程中晶粒长大的推动力推动力主要是由主要是由 残余应变、残余应变、反向应变和晶粒维度效应反向应变和晶粒维度效应等因素等因素 影响。影响。 烧结仅用于非金属材料中的晶粒长大。烧结仅用于非金属材料中的晶粒长大。 烧结烧结就是粉末或压坯在低于主要组分熔点就是粉末或压坯在低于主要组分熔点 温度下加热，使颗粒间产生连接，以提高制品温度下加热，使颗粒间产生连接，以提高制品 性能的方法。性能的方法。 作作 业业 1、结晶生长法的优点和缺点。、结晶生长法的优点和缺点。 2、应变退火方法生长单晶原理。、应变退火方法生长单晶原理。 3、什么是退火？简述退火过程三个阶段。、什么是退火？简述退火过程三个阶段。 4、简

22、述再结晶驱动力。、简述再结晶驱动力。 5、什么是晶粒长大？通常有哪两种方式？、什么是晶粒长大？通常有哪两种方式？ 6、简述晶界迁移的规律。、简述晶界迁移的规律。 7、影响晶粒正常长大的因素。、影响晶粒正常长大的因素。 8、简述晶粒异常长大的主要机制。、简述晶粒异常长大的主要机制。 .2 液相液相-固相平衡的晶体生长固相平衡的晶体生长 基本方法是控制凝固而生长，即控制成核，以便基本方法是控制凝固而生长，即控制成核，以便 使一个（最多只能几个）作为籽晶，让所有的生长使一个（最多只能几个）作为籽晶，让所有的生长 都在它上面发生。通常是采用可控制的温度梯度，都在它上面发生。通常是采用可控制的温度梯度，

23、 从而使靠近晶核的熔体局部区域产生最大的从而使靠近晶核的熔体局部区域产生最大的过冷度过冷度， 引入籽晶使单晶沿着要求的方向生长。引入籽晶使单晶沿着要求的方向生长。 基于液相基于液相-固相转变的材料制备一般分为两大类：固相转变的材料制备一般分为两大类： 一是一是从熔体出发从熔体出发，通过降温固化得到固体材料，如，通过降温固化得到固体材料，如 果条件适合并且降温速率足够慢可以得到单晶体，果条件适合并且降温速率足够慢可以得到单晶体， 如果采用快冷技术可以制备非晶材料；另一类则如果采用快冷技术可以制备非晶材料；另一类则从从 溶液出发溶液出发，在溶液中合成新材料或有溶液参与合成，在溶液中合成新材料或有溶

24、液参与合成 新材料，在经固化得到固相材料。新材料，在经固化得到固相材料。 （1）过冷：金属的实际）过冷：金属的实际 结晶温度总是低于其理结晶温度总是低于其理 论结晶温度的现象。论结晶温度的现象。 （2）过冷度：金属材料）过冷度：金属材料 的理论结晶温度的理论结晶温度(Tm) 与与 其实际结晶温度其实际结晶温度To之差之差 T=Tm-To 注：注：过冷是结晶的必要过冷是结晶的必要 条件，结晶过程总是在条件，结晶过程总是在 一定的过冷度下进行。一定的过冷度下进行。 过冷现象过冷现象 定向凝固法定向凝固法 提拉法提拉法 区域熔化技术区域熔化技术 水溶液生长法水溶液生长法 液相液相-固相平衡的晶体生长

25、方法主要有固相平衡的晶体生长方法主要有四种：四种： 1.2.1 定向凝固法（定向凝固法（坩埚下降法坩埚下降法） 故这种生长单晶的方法又称故这种生长单晶的方法又称Bridgman Stockbarger方法，简称方法，简称B-S方法。方法。 1925年，布里奇曼（年，布里奇曼（Bridgman）提出通过）提出通过 控制过冷度定向凝固已获得单晶的方法；控制过冷度定向凝固已获得单晶的方法； 1949年，斯托克巴格（年，斯托克巴格（Stockbarger）进一）进一 步发展了这种方法；步发展了这种方法； B-S方法的构思是在一个方法的构思是在一个温度梯度场温度梯度场内生内生 长结晶，在长结晶，在单一固

26、单一固-液界面液界面上成核。待结晶的上成核。待结晶的 材料通常放在一个圆柱形的坩埚内，使坩埚材料通常放在一个圆柱形的坩埚内，使坩埚 下降通过一个温度梯度，或使加热器沿坩埚下降通过一个温度梯度，或使加热器沿坩埚 上升。上升。 定向凝固技术原理：定向凝固技术原理： 加热炉一般设计为近似线性温度梯度结构，加热炉一般设计为近似线性温度梯度结构， 即炉内有一段温度梯度，如图即炉内有一段温度梯度，如图1-16所示。所示。(P25) 定向凝固技术制备装置定向凝固技术制备装置 定向凝固技术的设备：定向凝固技术的设备： 热梯度炉体；热梯度炉体； 程序控温设备；程序控温设备； 坩埚传动设备。坩埚传动设备。 特定结

27、构的坩埚特定结构的坩埚； 用于制作坩埚的材料通常是派拉克斯玻璃、外用于制作坩埚的材料通常是派拉克斯玻璃、外 科尔玻璃、科尔玻璃、石英玻璃石英玻璃、氧化铝、贵金属或、氧化铝、贵金属或石墨材石墨材 料料。 晶体各向异性决定了晶体不晶体各向异性决定了晶体不 同取向的晶体生长速率不同，同取向的晶体生长速率不同， 生长过程中必然形成晶体的竞生长过程中必然形成晶体的竞 争生长。争生长。 晶体生长的几何淘汰示意图晶体生长的几何淘汰示意图 特定结构的坩埚特定结构的坩埚? 几何淘汰规律图解几何淘汰规律图解 若有许多呈不同取向若有许多呈不同取向 的晶核在一个基底上生长，的晶核在一个基底上生长， 当晶体生长到一定阶

28、段后，当晶体生长到一定阶段后， 就只有那些生长速度最大就只有那些生长速度最大 方向与基底平面垂直的晶方向与基底平面垂直的晶 体才能继续生长。这就是体才能继续生长。这就是 所谓的所谓的“几何淘汰律几何淘汰律”。 晶体生长选晶示意图晶体生长选晶示意图 晶体生长晶体生长 过程中通过合过程中通过合 理设计坩埚选理设计坩埚选 晶段，实现晶晶段，实现晶 体竞争生长，体竞争生长， 通过晶体淘汰，通过晶体淘汰， 形成高品种单形成高品种单 晶。晶。 CuAgGaSe2 热梯度炉体和程序控温设备热梯度炉体和程序控温设备 为造成上、下炉之间有较大的温度为造成上、下炉之间有较大的温度 梯度，上下两炉一般分别独立控温，

29、梯度，上下两炉一般分别独立控温， 还可以在上、下炉之间加一块散热板。还可以在上、下炉之间加一块散热板。 B-S法所使用的结晶炉通常由上、法所使用的结晶炉通常由上、 下两部分组成，上炉为高温区，原料下两部分组成，上炉为高温区，原料 在高温区中充分熔化，下炉为低温区在高温区中充分熔化，下炉为低温区。 在利用定向凝固法制备单晶材料在利用定向凝固法制备单晶材料 时，一般采用较大的温度梯度这样时，一般采用较大的温度梯度这样 就有较快的生长速度。就有较快的生长速度。 炉体设计合理，是保证得到足够炉体设计合理，是保证得到足够 的温度梯度以满足晶体生长需要的的温度梯度以满足晶体生长需要的 关键。关键。 低温区

30、的温度降得很低，低温区的温度降得很低，生长的晶体在短短的距生长的晶体在短短的距 离内会经受很大的温差，由此会造成比较大的离内会经受很大的温差，由此会造成比较大的热应力热应力。 若坩埚的膨胀系数比晶体大，冷却时坩埚的收缩也比若坩埚的膨胀系数比晶体大，冷却时坩埚的收缩也比 晶体大，坩埚就要挤压晶体，使晶体产生比较大的晶体大，坩埚就要挤压晶体，使晶体产生比较大的压压 应力应力，低温区温度越低，这种压应力就越大甚至引起，低温区温度越低，这种压应力就越大甚至引起 晶体炸裂。晶体炸裂。 固固-液界面处的温度梯度是由高温区液界面处的温度梯度是由高温区 和低温区之间的温差造成的。和低温区之间的温差造成的。 高

31、温区的温度高温区的温度 温度梯度温度梯度 低温区的温度低温区的温度 过高地提高高温区的温度，过高地提高高温区的温度，会导致熔体的剧烈挥会导致熔体的剧烈挥 发、分解和污染，影响生长出晶体的质量；发、分解和污染，影响生长出晶体的质量； 理想的轴向温度分布应满足以下几点要求：理想的轴向温度分布应满足以下几点要求： 1、高温区的温度应高于熔体的熔点，但也不要太、高温区的温度应高于熔体的熔点，但也不要太 高，以避免熔体的剧烈挥发；高，以避免熔体的剧烈挥发； 2、低温区的温度应低于晶体的熔点，但也不要太、低温区的温度应低于晶体的熔点，但也不要太 低，以避免晶体炸裂；低，以避免晶体炸裂； 3、熔体结晶应在高

32、温区和低温区之间温度梯度大、熔体结晶应在高温区和低温区之间温度梯度大 的那段区间进行，即在散热板附近；的那段区间进行，即在散热板附近； 4、高温区和低温区内部要求有不大的温度梯度。、高温区和低温区内部要求有不大的温度梯度。 这样既避免了在熔体上部结晶，又避免了在低温这样既避免了在熔体上部结晶，又避免了在低温 区晶体内会产生较大的内应力。区晶体内会产生较大的内应力。 定向凝固（下降法）生长晶体的优点：定向凝固（下降法）生长晶体的优点： （1）由于可以把原料密封在坩埚内，减少了挥发造）由于可以把原料密封在坩埚内，减少了挥发造 成的泄露和污染，使晶体的成分容易控制。成的泄露和污染，使晶体的成分容易控

33、制。 （2）操作简单，可以生长大尺寸的晶体，可生长的）操作简单，可以生长大尺寸的晶体，可生长的 晶体品种也很多，且易实现程序化生长晶体品种也很多，且易实现程序化生长 （3）由于每一个坩埚中的熔体都可以单独成核，这）由于每一个坩埚中的熔体都可以单独成核，这 样可以在一个结晶炉中同时放入若干个坩埚，或者在样可以在一个结晶炉中同时放入若干个坩埚，或者在 一个大坩埚里放入一个多孔的柱形坩埚，每个孔都可一个大坩埚里放入一个多孔的柱形坩埚，每个孔都可 以生长一块晶体，而它们则共用一个圆锥底部进行几以生长一块晶体，而它们则共用一个圆锥底部进行几 何淘汰，这样可以大大提高成品率和工作效率。何淘汰，这样可以大大

34、提高成品率和工作效率。 缺点：缺点： （1）不适宜生长在冷却时体积增大的晶体（具有负）不适宜生长在冷却时体积增大的晶体（具有负 膨胀系数）；膨胀系数）； （2）由于晶体在整个生长过程中直接与坩埚接触，）由于晶体在整个生长过程中直接与坩埚接触， 往往会在晶体中引入较大的内应力和较多的杂质；往往会在晶体中引入较大的内应力和较多的杂质； （3）在晶体生长过程中难于直接观察，生长周期也）在晶体生长过程中难于直接观察，生长周期也 比较长；比较长； （4）若在下降法中采用籽晶法生长，如何使籽晶在）若在下降法中采用籽晶法生长，如何使籽晶在 高温区既不完全熔融，又必须使它有部分熔融进行高温区既不完全熔融，又必

35、须使它有部分熔融进行 完全生长，是一个比较难控制的技术问题。完全生长，是一个比较难控制的技术问题。 1、 传统定向凝固技术传统定向凝固技术 传统传统 定向定向 凝固凝固 技术技术 发热剂法发热剂法 功率功率 降低法降低法 快速快速 凝固法凝固法 液态液态 金属金属 冷却法冷却法 将铸型预热到一定温度后迅速放到激冷板上并将铸型预热到一定温度后迅速放到激冷板上并 立即进行浇注，冒口上方覆盖发热剂，激冷板下立即进行浇注，冒口上方覆盖发热剂，激冷板下 方喷水冷却，从而在金属液和已凝固金属中建立方喷水冷却，从而在金属液和已凝固金属中建立 起一个自下而上的温度梯度，实现定向凝固。起一个自下而上的温度梯度，

36、实现定向凝固。 （1）发热剂法）发热剂法 发热剂法是定向凝固技术发展的起始阶段，是发热剂法是定向凝固技术发展的起始阶段，是 最原始的一种。最原始的一种。 （2）功率降低法（）功率降低法（PD法）法） 铸型加热感应圈分两段，铸件在凝固过程中不移动，其底铸型加热感应圈分两段，铸件在凝固过程中不移动，其底 部采用水冷激冷板。当模壳内建立起所要求的温度场时，铸入部采用水冷激冷板。当模壳内建立起所要求的温度场时，铸入 过热的合金液，切断下部电源，上部继续加热，通过调节上部过热的合金液，切断下部电源，上部继续加热，通过调节上部 感应圈的功率，使之产生一个轴向的温度梯度，以此控制晶体感应圈的功率，使之产生一

37、个轴向的温度梯度，以此控制晶体 生长。生长。 可以根据预定的冷却曲线来控制凝固速可以根据预定的冷却曲线来控制凝固速 率，可以获得较大的冷却速率。率，可以获得较大的冷却速率。 1、凝固过程中温度梯度是逐渐减小的，致使所能允、凝固过程中温度梯度是逐渐减小的，致使所能允 许获得的柱状晶区较短，且组织也不够理想。许获得的柱状晶区较短，且组织也不够理想。 2、设备相对复杂，且能耗大，限制了该法的应用。、设备相对复杂，且能耗大，限制了该法的应用。 优点优点 缺点缺点 （3）快速凝固法（）快速凝固法（HRS） 快速凝固法是对功率降低法的进一步改进，是在快速凝固法是对功率降低法的进一步改进，是在 借鉴借鉴Br

38、indgman晶体生长技术特点的基础上发展起晶体生长技术特点的基础上发展起 来的。它与功率降低法的主要区别是：铸型加热器来的。它与功率降低法的主要区别是：铸型加热器 始终被加热，凝固是铸件与加热器相对移动。始终被加热，凝固是铸件与加热器相对移动。 另外，在热区底部使用辐射挡板和水冷套，从而另外，在热区底部使用辐射挡板和水冷套，从而 在挡板附近产生较大的温度梯度。在挡板附近产生较大的温度梯度。 其主要特点是：铸型以一定速度从炉中一处，或其主要特点是：铸型以一定速度从炉中一处，或 者炉子以一定速度移离铸件，并采用空冷方式。者炉子以一定速度移离铸件，并采用空冷方式。 （4）液态金属冷却法（）液态金属

39、冷却法（LMC法）法） 为了获得更高的温度梯度和生长速度，在为了获得更高的温度梯度和生长速度，在HRS法法 的基础上，发展了的基础上，发展了液态金属冷却法液态金属冷却法。当合金液浇入铸。当合金液浇入铸 型后，按选择的速度将铸件拉出炉体浸入金属浴。型后，按选择的速度将铸件拉出炉体浸入金属浴。 液态金属冷却剂要求熔点低、沸点高、热容量液态金属冷却剂要求熔点低、沸点高、热容量 大和导热性能好。大和导热性能好。 Al ：高的热导率和低的密度：高的热导率和低的密度 Sn ：低的熔点：低的熔点 2、单晶高温合金的生长、单晶高温合金的生长 定向凝固定向凝固 选晶法选晶法 （自生籽晶法）（自生籽晶法） 籽晶法

40、籽晶法 原理是具有狭窄截面的选晶原理是具有狭窄截面的选晶 器只允许一个晶粒长出它的器只允许一个晶粒长出它的 颈部，然后这个晶体长满整颈部，然后这个晶体长满整 个铸型腔，从而得到整体只个铸型腔，从而得到整体只 有一个晶粒的单晶部件有一个晶粒的单晶部件。 转折型转折型 螺旋型螺旋型 倾斜型倾斜型 尺度限制型尺度限制型 (缩颈选晶器缩颈选晶器) 螺旋型选晶器螺旋型选晶器是目前应用最广泛也是最是目前应用最广泛也是最 成功的选晶器类型。成功的选晶器类型。 常见的单晶选晶器有常见的单晶选晶器有4种类型种类型: 定向凝固定向凝固 选晶法选晶法 （自生籽晶法）（自生籽晶法） 籽晶法籽晶法 原理是材料和使铸造部

41、件相同的籽晶安原理是材料和使铸造部件相同的籽晶安 放在模壳的最底端，它是金属和水冷却放在模壳的最底端，它是金属和水冷却 铜板接触的唯一部分，具有一定过热的铜板接触的唯一部分，具有一定过热的 熔融金属液在籽晶的上部流过，使籽晶熔融金属液在籽晶的上部流过，使籽晶 部分熔化，然后在具有一定温度梯度的部分熔化，然后在具有一定温度梯度的 炉子中抽拉模壳，金属熔液就在剩余的炉子中抽拉模壳，金属熔液就在剩余的 籽晶发生外延生长，凝固成三维取向和籽晶发生外延生长，凝固成三维取向和 籽晶相同的单晶体籽晶相同的单晶体。 3、定向凝固技术的适用范围、定向凝固技术的适用范围 应用定向凝固方法，得到单方向生长的应用定向

42、凝固方法，得到单方向生长的 柱状晶柱状晶，甚至，甚至单晶单晶，不产生，不产生横向晶界横向晶界，较，较 大提高了材料的单向力学性能，热强性能大提高了材料的单向力学性能，热强性能 也有了进一步提高，因此，定向凝固技术也有了进一步提高，因此，定向凝固技术 已成为富有生命力的工业生产手段，应用已成为富有生命力的工业生产手段，应用 也日益广泛。也日益广泛。 柱状晶包括柱状晶包括柱状树枝晶柱状树枝晶和和胞状柱晶胞状柱晶。 通常采用定向凝固工艺，使晶体有控制的通常采用定向凝固工艺，使晶体有控制的 向着与热流方向相反的方向生长。共晶体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取

43、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。和磁性合金的铸件上。 （1）柱状晶生长）柱状晶生长 获得定向凝固柱状晶的基本条件是：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合金凝固时热流方向必须是定向定向的。在的。在 固固-液界面应有足够高的液界面应有足够高的温度梯度温度梯度，避免在，避免在 凝固界面的前沿出现成分过冷或外来核心，凝固界面的前沿出现成分过冷或外来核心， 使径向横向生长受到限制。另外，还应该使径向横向生长受到限制。另外，还应该 保证保证定向散热定向散热，绝对避免侧面型壁生核长，绝对

44、避免侧面型壁生核长 大，长出横向新晶体。大，长出横向新晶体。 晶体生长的研究内容之一是制备晶体生长的研究内容之一是制备成分准确成分准确， 尽可能尽可能无杂质无杂质，无缺陷无缺陷（包括晶体缺陷）的（包括晶体缺陷）的 单晶体。晶体是人们认识固体的基础。定向单晶体。晶体是人们认识固体的基础。定向 凝固是制备单晶最有效的方法。为了得到高凝固是制备单晶最有效的方法。为了得到高 质量的单晶体，首先要在金属熔体中形成一质量的单晶体，首先要在金属熔体中形成一 个单晶核：可引入粒晶成自发形核，而在晶个单晶核：可引入粒晶成自发形核，而在晶 核和熔体界面不断生长出单晶体。核和熔体界面不断生长出单晶体。 （2）单晶生

45、长）单晶生长 新型定向凝固技术新型定向凝固技术 区区 域域 熔熔 化化 液液 态态 金金 属属 冷冷 却却 法法 激激 光光 超超 高高 温温 度度 梯梯 度度 快快 速速 定定 向向 凝凝 固固 电电 磁磁 约约 束束 成成 形形 定定 向向 凝凝 固固 技技 术术 深深 过过 冷冷 定定 向向 凝凝 固固 技技 术术 侧侧 向向 约约 束束 下下 的的 定定 向向 凝凝 固固 技技 术术 对对 流流 下下 的的 定定 向向 凝凝 固固 技技 术术 重重 力力 场场 作作 用用 下下 的的 定定 向向 凝凝 固固 技技 术术 思考题思考题 1、定向凝固技术原理、定向凝固技术原理 2、定向凝固

46、法生长单晶的设备包括哪四部分？、定向凝固法生长单晶的设备包括哪四部分？ 3、定向凝固法生长单晶时理想的轴向温度分布、定向凝固法生长单晶时理想的轴向温度分布 应满足什么要求？应满足什么要求？ 4、传统定向凝固法包括哪几类，各自的原理是、传统定向凝固法包括哪几类，各自的原理是 什么？什么？ 5、单晶高温合金的生长采用定向凝固技术通常、单晶高温合金的生长采用定向凝固技术通常 有哪两种方法？工作原理是什么？有哪两种方法？工作原理是什么？ 1.2.2 提拉法（丘克拉斯基技术）提拉法（丘克拉斯基技术） 1、实验原理、实验原理 晶体生长前，待生长的材料在坩埚中熔晶体生长前，待生长的材料在坩埚中熔 化，然后将

47、籽晶浸到熔体中，缓慢向上提化，然后将籽晶浸到熔体中，缓慢向上提 拉，同时拉，同时旋转籽晶旋转籽晶，即可以逐渐生长单晶。，即可以逐渐生长单晶。 旋转籽晶的目的是为了获的热对称性。旋转籽晶的目的是为了获的热对称性。 提拉法生长晶体必须注意如下几点：提拉法生长晶体必须注意如下几点： 晶体熔化过程中不能分解，否则会引晶体熔化过程中不能分解，否则会引 起反应物和分解物分别结晶；起反应物和分解物分别结晶； 晶体不得与坩埚或周围气氛反应；晶体不得与坩埚或周围气氛反应； 炉子及加热元件的使用温度要高于晶炉子及加热元件的使用温度要高于晶 体熔点；体熔点； 确定适当的提拉速度和温度梯度。确定适当的提拉速度和温度梯

48、度。？ 提拉和旋转的速率决定晶体生长速度和质量提拉和旋转的速率决定晶体生长速度和质量 适当的转速，可对熔体产生良好的搅适当的转速，可对熔体产生良好的搅 拌，达到减少径向温度梯度，阻止组分拌，达到减少径向温度梯度，阻止组分 过冷的目的。过冷的目的。 在晶体提拉法生长过程中，常采用在晶体提拉法生长过程中，常采用“缩缩 颈颈”技术技术以减少晶体的位错。以减少晶体的位错。 在保证籽晶和熔体充分沾润后，旋转在保证籽晶和熔体充分沾润后，旋转 并提拉籽晶，这时界面上原子或分子开并提拉籽晶，这时界面上原子或分子开 始按籽晶的结构排列，然后暂停提拉，始按籽晶的结构排列，然后暂停提拉， 当籽晶直径扩大至一定宽度（

49、扩肩）后，当籽晶直径扩大至一定宽度（扩肩）后， 再旋转提拉出等径生长的棒状晶体。这再旋转提拉出等径生长的棒状晶体。这 种扩肩前的旋转提拉使籽晶直径缩小，种扩肩前的旋转提拉使籽晶直径缩小， 故称为故称为“缩颈缩颈”技术。技术。 熔体的温度控制是关键熔体的温度控制是关键 保证籽晶周围的熔体有一定的过冷度，保证籽晶周围的熔体有一定的过冷度， 熔体的其余部分保持过热。熔体的其余部分保持过热。 为了保持一定的为了保持一定的 过冷度，生长界面过冷度，生长界面 必须不断地向远离必须不断地向远离 凝固点等温面的低凝固点等温面的低 温方向移动，晶体温方向移动，晶体 才能不断长大。才能不断长大。 熔体的温度通常熔

50、体的温度通常 远远高于室温，为远远高于室温，为 使熔体保持其适当使熔体保持其适当 的温度，还必须由的温度，还必须由 加热器不断供应热加热器不断供应热 量。量。 （1）提拉法的要求之一就是平衡提拉法的要求之一就是平衡提拉速提拉速 度度和和加热条件加热条件，从而实现正常生长，在籽晶，从而实现正常生长，在籽晶 附近沿坩埚向上的热梯度和附近沿坩埚向上的热梯度和垂直于生长界面垂直于生长界面 的热梯度的热梯度在确定晶体的形状和完整性方面是在确定晶体的形状和完整性方面是 有重要意义的。有重要意义的。 垂直于生长界面的热梯度主要控制因素垂直于生长界面的热梯度主要控制因素 有：加热器结构、热量向环境的释放、坩埚