在生產(chǎn)高溫合金材料時(shí)候，對(duì)給定成分的高溫合金，從熔體中定向凝固時(shí)，在固液界面前沿一定要有溫度梯度存在。溫度梯度GL的大小直接影響晶體生長(zhǎng)速度和晶體的組織與性能，是控制定向凝固的關(guān)鍵參數(shù)。定向凝固工藝方法的發(fā)展就是溫度梯度GL不斷提高的過(guò)程。最初的功率降低法(PD法)的溫度梯度只有10℃/cm左右，后來(lái)發(fā)展到國(guó)內(nèi)外廣泛采用的高速凝固法(HRS法)，溫度梯度提高到30℃/cm左右。當(dāng)前國(guó)外采用先進(jìn)的液態(tài)金屬冷卻法，溫度梯度可達(dá)200℃/cm以上。而目前工業(yè)生產(chǎn)中的溫度梯度也已達(dá)到30℃～80℃/cm。
以坩堝下降定向凝固法推導(dǎo)的溫度梯度GL的表達(dá)式[1]為：式中s和L分別為晶體和熔體的導(dǎo)熱系數(shù)，m為熔點(diǎn)附近熔體的密度，L為生長(zhǎng)單位質(zhì)量晶體所放出的結(jié)晶潛熱，GL和Gs分別為液相和固相的溫度梯度，R為凝固速率。假設(shè)s和L為常數(shù)，則在凝固速率一定時(shí)，GL和Gs成正比。通過(guò)增大固相晶體的溫度梯度Gs以增加固相的散熱強(qiáng)度，從而增加液相溫度梯度GL，這就是前面提到的定向凝固方法不斷增大GL的關(guān)鍵技術(shù)。當(dāng)然，固相散熱強(qiáng)度的增大，也會(huì)使凝固速率R增大。通常也采用提高固液界面前沿熔體的溫度來(lái)提高GL，定向凝固裝置在凝固界面附近加輻射板正是為了此目的。
生產(chǎn)高溫合金材料GL增大有利于抑制成分過(guò)冷，提高晶體質(zhì)量。在一定條件下，GL愈大，合金的凝固區(qū)間愈窄，鑄件的補(bǔ)縮愈好，疏松愈少，偏析愈小，組織愈致密，力學(xué)性能愈好。另一方面，GL增大又可以加快凝固速率R。但也并非GL越大越好，超過(guò)某一臨界值，特別是在制備單晶時(shí)，熔體溫度過(guò)高，會(huì)導(dǎo)致熔體劇烈揮發(fā)、分解和受到污染，從而影響晶體質(zhì)量。固相溫度梯度Gs過(guò)大，還會(huì)使生長(zhǎng)著的晶體產(chǎn)生過(guò)大的內(nèi)應(yīng)力，以致使晶體產(chǎn)生裂紋。
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