共晶合金的定向凝固(directional   solidification   of   eutectics)

控制共晶合金的凝固条件，产生沿凝固方向平行排列的层状或纤维状组织而获得不同相的复合材料的工艺。这类复合材料主要有Mg、Al、Cu等低熔点共晶系和Ni、Ti及碳化物组成的高熔点共晶系两组。组织形态有层状、纤维状、片状和板状。合金定向凝固的条件为G/R ≥ΔH/ρ；式中G为液固相温度梯度；R为凝固速度；ΔH为凝固潜热；ρ为热导率。凝固组织形态P可用下式判断：G／R—m△C／D—K_iC_i =P式中m为液相线斜率；△C为与共晶成分偏差量；D为溶质在液相扩散系数；K_iC_i：为微量元素浓度。如果P>0，结晶为层状，P≤0为网状组织，P《0为枝状组织。

制备定向凝固共晶合金的设备为桶式炉(见图)。原料由上部加入，加热后形成液体，然后缓慢下流，进入冷却区，在A点开始结晶。然后继续下移，在B点完成结晶，全部凝固。为保证结晶形态，AB两点间应保持适当温度梯度及合适的冷却速度，即保证P>0。这种方法由于从下向上垂直凝固，可以防止液固相界面上产生对流，保证结晶形态。控制热流的方法有两种：（1）将材料整体熔化，从一端冷却；（2）将材料部分熔化，然后逐渐推移，熔化其他部分。第1种方法易产生成分偏析；第二种方法装置复杂。

定向凝固复合材料，由于组织间结合性好，近于化学平衡状态，因而热稳定性好，高温与室温强度相近。缺点是制造工艺复杂，成本高。这类复合材料的主要特点为：

(1)室温强度高。如Al—10%AlNi₃整齐排列的共晶合金，室温强度比普通铸造合金高3.5倍。

(2)高温性能好。日本开发的Ni—Nb—Cr—Al超合金，是Ni。Al与NiNb共晶合金，室温强度为1800MPa，2000℃时强度还可保持在800MPa。该类合金蠕变抗力高。一般合金蠕变应力指数n为3～5，而定向凝固共晶合金为7～21。

(3)疲劳极限高。这类复合材料高周疲劳强度与拉伸强度之比约为0.8。优良的抗疲劳性能的主要原因是相界面使裂纹转移、钝化。

定向凝固复合材料主要用作高温用材。美国1977年就成功地进行了NiTaC13定向凝固合金制作的低压涡轮实心叶片的试车，1988年又通过3NiTaCl4B共晶合金制作的高压涡轮空心叶片的试车，比原用材料使用温度提高38℃。共晶合金两相的电磁、热等物理性能不同，且各向异性，因而可用作电磁材料和电子材料。如Ni—W共晶合金可作冷发射电极，InSb—NiSb共晶合金可作电磁场传感器、无触点电位计等