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单向凝固技术又称为单向结晶，是在铸型中建立特定方向的温度梯度，使熔体合金沿着与热流相反的方向，按照要求的结晶取向进行凝固的铸造工艺。是使金属或者合金由熔体中定向生长晶体的一种工艺方法。单向凝固技术起源于1925年，布里奇曼首先使用定向凝固方法制备铋单晶。后来斯托克巴杰（1936、1949）进一步发展了定向凝固技术。20世纪60年代，用于高温合金的生产，如涡轮叶片。其抗热冲击性能、疲劳寿命、蠕变抗力和中温塑形等性能优良，从而提高叶片的使用寿命及使用温度。该技术用于制备单晶、柱状晶和自生复合材料根据成分过冷理论,要使单相合金在定向凝固过程中得到平界面凝固组织,主要取决于合金的性质和凝固工艺参数。前者包括溶质量、液相线斜率和溶质在液相中的扩散系数,后者包括液相温度梯度和凝固速率。如果被研究的合金成分已定,则靠工艺参数的选择来控制凝固组织,其中,固液界面液相一侧的温度梯度是关键的因素,可以说,定向凝固技术的发展是不断提高设备温度梯度的历史。1传统的单向凝固技术1.1炉外结晶法(发热铸型法)[1]所谓的炉外结晶法就是将熔化好的金属液浇入一侧壁绝热，底部冷却，顶部覆盖发热剂的铸型中，在金属液和已凝固金属中建立起一个自上而下的温度梯度使铸件自上而下进行凝固，实现单向凝固。这种方法由于所能获得的温度梯度不大，并且很难控制，致使凝固组织粗大，铸件性能差，因此，该法不适于大型、优质铸件的生产。但其工艺简单、成本低，可用于制造小批量零件。1.2炉内结晶法1.2.1功率降低法(PD法)[2]将保温炉的加热器分成几组，保温炉是分段加热的。当熔融的金属液置于保温炉内后，在从底部对铸件冷却的同时，自下而上顺序关闭加热器，金属则自下而上逐渐凝固，从而在铸件中实现定向凝固。通过选择合适的加热器件，可以获得较大的冷却速度，但是在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。加之设备相对复杂，且能耗大，限制了该方法的应用。1.2.2快速凝固法(HRS)[3]为了改善功率降低法在加热器关闭后，冷却速度慢的缺点，在Bridgman晶体生长技术的基础上发展成了一种新的定向凝固技术，即快速凝固法。该方法的特点是铸件以一定的速度从炉中移出或炉子移离铸件，采用空冷的方式，而且炉子保持加热状态。这种方法由于避免了炉膛的影响，且利用空气冷却，因而获得了较高的温度梯度和冷却速度，所获得的柱状晶间距较长，组织细密挺直，且较均匀，使铸件的性能得以提高，在生产中有一定的应用。1.2.3液态金属冷却法(LMC法)[4]HRS法是由辐射换热来冷却的，所能获得的温度梯度和冷却速度都很有限。为了获得更高的温度梯度和生长速度。在HRS法的基础上，将抽拉出的铸件部分浸入具有高热系数的高沸点、低熔点、热容量大的液态金属中，形成了一种新的定向凝固技术，即LMC法。这种方法提高了铸件的冷却速度和固液界面的温度梯度，而且在较大的生长速度范围内可使界面前沿的温度梯度保持稳定，结晶在相对稳态下进行，能得到比较长的单向柱晶。1.3传统单向凝固技术存在的问题不论是炉外法，还是炉内法，也不论是功率降低法，还是快速凝固法，它们的主要缺点是冷却速度太慢，即使是液态金属冷却法，其冷却速度仍不够高，这样产生的一个弊端就是使得凝固组织有充分的时间长大、粗化，以致产生严重的枝晶偏析，限制了材料性能的提高。造成冷却速度慢的主要原因是凝固界面与液相中最高温度面距离太远，固液界面并不处于最佳位置，因此所获得的温度梯度不大，这样为了保证界面前液相中没有稳定的结晶核心的形成，所能允许的最大凝固速度就有限。2新型单向凝固技术2.1ZMLMC法[5,6]李建国等通过改变加热方式，在LMC法的基础上发展了一种新型单向凝固技术一区域熔化液态金属冷却法，即ZMLMC法。该方法将区域熔化与液态金属冷却相结合，利用感应加热集中对凝固界面前沿液相进行加热，从而有效地提高了固液界面前沿的温度梯度。他们研制的ZMLMC定向凝固装置，最高温度梯度可达1300K／cm，最大冷却速度可达50k／s。采用该装置在Ni—Cu、Al—Cu合金系的工作，发现了高速枝胞转变现象，据此提出了高速枝胞转变的时空模型。K5、K1...