方向性凝固

方向性凝固 （DS）と進行性凝固は、鋳物内の凝固のタイプです。方向性凝固は、鋳物の最も遠い端から始まり、湯口に向かって進む凝固です。進行性凝固は平行凝固とも呼ばれ、^[1]鋳物の壁から始まり、その表面から垂直に進む凝固です。^[2]

ほとんどの金属や合金は 、材料が液体状態から固体状態に変化すると収縮します。したがって、この収縮を補うための液体材料がない場合、収縮欠陥が形成されます。^[3]進行性凝固が方向性凝固よりも優勢になると、収縮欠陥が形成されます。^[2]

鋳型のキャビティの形状は、進行性凝固と方向性凝固に直接影響します。トンネル型の形状の端部では発散熱流が発生し、鋳物のその部分が周囲よりも速く冷却されます。これを端部効果と呼びます。大きなキャビティは熱流が少ないため、周囲ほど速く冷却されません。これをライザー効果と呼びます。また、コーナーでは発散または収束（ホットスポットとも呼ばれる）熱流領域が形成される可能性があることに注意してください。^[4]

方向性凝固を誘発するために、冷却管、断熱スリーブ、注入速度および注入温度の制御を利用することができる。^[5]

方向性凝固は、精製プロセスとして使用できます。ほとんどの不純物は凝固中に固体相よりも液体相に溶けやすいため、不純物は凝固前線によって「押し出され」、完成した鋳造品の大部分は原料よりも不純物の濃度が低くなりますが、最後に凝固した金属には不純物が多く含まれます。この金属の最後の部分はスクラップにするか、リサイクルすることができます。特定の金属から特定の不純物を除去する方向性凝固の適性は、Scheil式で説明されているように、問題の金属内の不純物の分配係数に依存します。方向性凝固 (ゾーン溶融) は、太陽電池用の多結晶シリコンの製造における精製ステップとして頻繁に使用されます。^{[引用が必要]}

方向性凝固は、航空機のタービンエンジンに使用される高温ニッケル基超合金の鋳造に適した技術です。粗い樹枝状構造、長い樹枝状側枝、多孔性などの微細構造上の問題により、単結晶ニッケル基合金の潜在能力が十分に発揮されません。^[6]この形態は、凝固の G/V 比を見ることで理解できます。ここで、G は凝固前線の前の溶融物の温度勾配、V は凝固速度です。^[7]この比は、側枝を持つ粗い樹枝状結晶の適切な微細構造を持つ単結晶の形成を確実にするために、一定の範囲内に維持する必要があります。^[8]凝固冷却速度を上げると、方向性凝固によって成長した単結晶の機械的特性と破断寿命が、y' 析出物の微細化によりさらに向上することがわかっています。^[9]

単結晶の方向性凝固成長では、溶融金属が鋳型とシードの隙間に流れ込んで凝固すると、偽の粒子が核生成します。^[10]これは、CMSX4などのNi基超合金の機械的特性にとって壊滅的なものであり、局所表面法線からの<001>の許容差を維持することで最小限に抑えることができます。^[11]さらに、単結晶を正常に成長させるには、方向性凝固開始ブロックの軸方向の範囲を最小限に抑える必要があります。^[12]これは、DS開始ブロックの方向の範囲に応じて困難であるため、方向制御が大きな焦点となります。^[13]

Ti-Al ベース合金では、ラメラ微細構造はラメラ方向に異方性を示すため、その成長の運動学と配向は機械的特性を最適化するために不可欠です。^[14]ラメラ構造が成長方向と平行になる方向性凝固成長を選択すると、高い強度と延性が得られます。^[15]この相は液体からではなく固体から形成されるため、析出はさらに困難です。^[16]この課題を克服する最初の方法は、適切に配向され、処理中に元の材料と同じ配向で新しいラメラを核生成するシード材料を使用することです。^[17]これを材料のメインバルクの前に配置すると、溶融物が凝固するときに正しい配向の前例ができます。^[18]シードを使用しない場合、高強度の単一ラメラ相を達成するもう 1 つの方法は、ラメラ構造を成長方向に沿って配向させることです。^[19]しかし、これは凝固の狭い範囲でのみ成功し、ベータ相の柱状成長とそれに続くアルファ相の等軸成長とホウ素との合金化の成功は、冷却時の高い熱勾配によって損なわれる。^[20]

• チャステイン、スティーブン（2004）、金属鋳造：小規模鋳造所向け砂型鋳造マニュアル、第2巻、第4巻、スティーブン・チャステイン、ISBN 978-0-9702203-3-2。
• ステファネスク、ドル・マイケル（2008）、鋳造凝固の科学と工学（第2版）、Springer、ISBN 978-0-387-74609-8。

• キャンベル、ジョン（2003年6月12日）、Castings（第2版）、Butterworth-Heinemann、ISBN 0-7506-4790-6。
• ヴォロダワー、ロバート（1966）、鋳鋼品の方向性凝固、ペルガモン出版。