区域熔炼定向凝固制备镍基高温合金(5)
（3）要避免液态金属的对流，搅拌和振动，从而阻止界面前方的晶粒游离。
1.2.2选晶器原理
在制备单晶，进行晶粒的选择的时候往往会用到选晶器，选晶器分为：转折型、倾斜型、螺旋型和尺寸限制型（缩颈选晶器）。选晶行为与选晶器的种类是密不可分的，以下以螺旋选晶器与缩颈选晶器为例。
在螺旋选晶器选晶的过程中，结晶沿螺旋方向攀旋近180°时就得到单一的晶粒，完成选晶。如下图2a[24]所示，柱状晶从起晶器进入缩颈时，缩颈的约束结构只允许对应于螺旋体入口界面的柱晶通过，其它柱晶通过，其它柱晶被阻隔在外起到一次选晶的作用。在转折部分由经历一个典型的转折型选晶过程，在此过程中，由于空间因素的限制，显然只有那些在竖直段中靠近侧向倾斜延伸段的晶粒才可能得以继续生长，并且横向<001>与它转折方向更一致的晶粒将得到优先的生长，其它晶粒的生长被抑制形成二次选晶。图2b[24]是螺旋选晶器旋管部分横向剖面的双组织照片。晶粒1生长显然占据优势，并且成为最终的单一晶体。在照片右侧如果延续螺旋迹线，晶粒一的枝晶择优生长方向（即横向<001>晶体取向）与该段前段法线方向更一致，而晶粒2的枝晶取向则与该方向形成一个角度，晶界快速向晶粒2一侧移动，所以晶粒1在此方向上得以快速的生长。同时因空间条件的约束，晶粒2一侧收到晶粒1的排挤，另一侧受螺旋限制，失去生长空间，最终被淘汰。多个晶粒竞争生长具有相同的原理。选晶原则为：1）横向<001>取向与该段前方法线方向一致；2）生长空间。取向与空间尺度同时约束晶体生长，选晶行为时两者耦合的结果。
图2a 图2b 图3
由图3[24]可以看到，在缩颈选晶器的第一缩颈区入口处，基本上市按照截面面积关系淘汰的晶粒。缩颈结构只允许对应于缩颈截面上的那些柱晶进入缩颈区，其它柱晶则被阻隔，造成机械阻隔淘汰选晶。设置多重缩颈的目的是强化选晶过程。进一步减少缩颈横截面和粗化起晶器中的柱状晶尺寸，能有效提高选晶能力。
1.2.3传统定向凝固技术
传统的定向凝固技术主要有：发热剂法（EP法）、功率降低法（PD法）、快速凝固法（HRS法）和液态金属冷却法（LMC法）等。
（1）炉外结晶法(EP法)
炉外结晶法又叫发热剂法,是定向凝固工艺中最原始的方法之一,Versnyder等[8]早在20世纪50年代就应用于试验中。其原理是水冷模底部采用水冷铜底座,顶部覆盖发热剂,侧壁采用隔热层绝热,浇入金属液后,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,使铸件自下而上,实现定向凝固。由于所能获得的温度梯度小和沿高度不断减小,而且很难控制。因此,该法只可用于制造要求不高的零件。
（2）功率降低法(PD法)
在20世纪60年代, Versnyder等[9]人提出了功率降低法。其原理图见图4,采用水冷底盘,上面放一个底部开放的模壳,外面套有石墨罩,石墨上套有中间抽头的两组感应线圈,在模壳上安有热电偶,在加入熔化好的金属液前,建立所要的温度场。自下而上顺序关闭加热线圈,调节功率,使金属建立一个自下而上的温度梯度场,实现定向凝固。由于热传导能力随着离水冷平台距离的增加而明显降低,温度梯度在凝固过程中逐渐减小,所以轴向上的柱状晶较短。由于其生长长度受到限制,并且柱状晶之间的平行度差,合金的显微组织在不同部位差异较大,加之设备相对复杂,且能耗大,限制了该方法的应用。