引言
普通鑄件一般均由無一定結晶方向的多晶體組成。在高溫疲勞和蠕變過程中，垂直於主應力的橫向晶界往往是裂紋產生和擴展的主要部位，也是渦輪葉片高溫工作時的薄弱環節。採用定向凝固技術可獲得生長方向與主應力方向一致的單向生長的柱狀晶體）。定向凝固由於消除了橫向晶界，從而提高了材料抗高溫蠕變和疲勞的能力。定向凝固鑄件的組織分為柱狀、單晶和定向共晶3種。
鑄件定向凝固需要兩個條件：首先，熱流向單一方向流動並垂直於生長中的固-液界面；其次，晶體生長前方的熔液中沒有穩定的結晶核心。為此，在工藝上必須採取措施避免側向散熱,同時在靠近固-液界面的熔液中應造成較大的溫度梯度。這是保證定向柱晶和單晶生長挺直，取向正確的基本要素。以提高合金中的溫度梯度為出發點，定向凝固技術已由功率降低法、快速凝固法發展到液態金屬冷卻法。
定向凝固成形技術是伴隨高溫合金的發展而逐漸發展起來的，是在凝固過程中採用強制手段，在凝固金屬和未凝固熔體中建立起特定方向的溫度梯度，從而使熔體沿著與熱流相反的方向凝固，以獲得具有特定取向柱狀晶的技術。由於該技術較好地控制了凝固組織的晶粒取向，消除了橫向晶界，大大提高了材料的縱向力學性能。因此，將該技術用於燃氣渦輪發動機葉片的生產，所獲得的柱狀晶組織具有優良的抗熱衝擊性能、長的疲勞壽命、高的高溫蠕變抗力和中溫塑性，進而提高了葉片的使用壽命和使用溫度。該技術的進一步發展是單晶生產，它除了用於高溫合金單晶葉片的研製外，還逐漸推廣到半導體材料、磁性材料、複合材料的研究中，成為現代凝固成形的重要手段之一。
定向凝固過程中溫度梯度和凝固速率這兩個凝固參數能夠獨立變化，成為凝固理論研究的重要手段。下面簡單介紹定向凝固的幾種工藝。
傳統的定向凝固技術
1發熱劑法（EP法）
所謂的發熱劑法就是將熔化好的金屬液澆入一側壁絕熱，底部冷卻，頂部復蓋發熱 劑的鑄型中，在金屬液和已凝固金屬中建立起一個自上而下的溫度梯度，使鑄件自下而上進行凝固，實現單向凝固。這種方法由於所能獲得的溫度梯度不大，並且很難控制，致使凝固組織粗大，鑄件性能差，因此，該法不適於大型、優質鑄件的生產。但其工藝簡單、成本低，可用於製造小批量零件。
2功率降低法（PD法）
將保溫爐的加熱器分成幾組，保溫爐是分段加熱的。當熔融的金屬液置於保溫爐內後，在從底部對鑄件冷卻的同時，自下而上順序關閉加熱器，金屬則自下而上逐漸凝固，從而在鑄件中實現定向凝固。通過選擇合適的加熱器件，可以獲得較大的冷卻速度，但是在凝固過程中溫度梯度是逐漸減小的，致使所能允許獲得的柱狀晶區較短，且組織也不夠理想。加之設備相對複雜，且能耗大，限制了該方法的套用。
3高速凝固法（HRS法）
為了改善功率降低法在加熱器關閉後，冷卻速度慢的缺點，在Bridgman晶體生長技術的基礎上發展成了一種新的定向凝固技術，即快速凝固法。該方法的特點是鑄件以一定的速度從爐中移出或爐子移離鑄件，採用空冷的方式，而且爐子保持加熱狀態。這種方法由於避免了爐膛的影響，且利用空氣冷卻，因而獲得了較高的溫度梯度和冷卻速度，所獲得的柱狀晶間距較長，組織細密挺直，且較均勻，使鑄件的性能得以提高，在生產中有一定的套用。
4液態金屬冷卻法（LMC法）
HRS法是由輻射換熱來冷卻的，所能獲得的溫度梯度和冷卻速度都很有限。為了獲得更高的溫度梯度和生長速度。在HRS法的基礎上，將抽拉出的鑄件部分浸入具有高導熱係數的高沸點、低熔點、熱容量大的液態金屬中，形成了一種新的定向凝固技術，即LMC法。這種方法提高了鑄件的冷卻速度和固液界面的溫度梯度，而且在較大的生長速度範圍內可使界面前沿的溫度梯度保持穩定，結晶在相對穩態下進行，能得到比較長的單向柱晶。
常用的液態金屬有Ga—In合金和Ga—In—Sn合金，以及Sn液，前二者熔點低，但價格昂貴，因此只適於在實驗室條件下使用。 Sn液熔點稍高(232℃)，但由於價格相對比較便宜，冷卻效果也比較好，因而適於工業套用。該法已被美國、前蘇聯等國用於航空發動機葉片的生產。
新型的定向凝固技術
1區域熔化液態金屬冷卻法（ZMLMC法）
該方法採用在距液固界面極近的位置處設定感應線圈進行強制加熱，使金屬局部熔化過熱，產生的熔化區很窄，從而將液固界面位置下壓，同時使液相中的最高溫度儘量靠近凝固界面，啟動抽拉裝置，不斷地向下抽拉熔化的試樣進入液態合金中冷卻。ZMLMC定向凝固裝置最高溫度梯度可達1300K/cm，最大冷卻速度可達50K/s，凝固速率可在61000μm/s內調節。目前這方面的研究還都處於試驗階段，要進一步廣泛套用，還有待於進一步的努力和改進。
2深過冷定向凝固（DUDS法）
過冷熔體中的定向凝固法是將盛有金屬液的坩堝置於一激冷基座上，在金屬液被動力學過冷的同時，金屬液內建立起一個自下而上的溫度梯度，冷卻過程中溫度最低的底部先形核，晶體自下而上生長，形成定向排列的樹枝晶骨架，其間是殘餘的金屬液。在隨後的冷卻過程中，這些金屬液依靠向外界散熱而在已有的枝晶骨架上凝固。該法大大降低了設備要求，熱量散失快，鑄件生產率高，鑄件組織結構細小，微觀成分偏析程度低，各種力學性能大幅提高。謝發勤等人採用深過冷定向凝固方法製備的Cu-Ni合金定向凝固樣件，其一次枝晶間距比LMC法獲得的組織還要細。目前，深過冷的研究還局限於純金屬或簡單的二元合金，對複雜合金的深過冷的獲得還存在著許多需要解決的問題。
3電磁約束成形定向凝固技術（DSEMS）
電磁約束成形定向凝固技術是西北工業大學傅恆志等人將電磁約束成形技術和高梯度定向技術相結合而提出的新型材料製備技術。該技術利用電磁感應加熱熔化感應器內的金屬材料，並利用在金屬熔體表層部分產生的電磁壓力來約束已熔化的金屬熔體成形。同時，冷卻介質與鑄件表面直接接觸，增強了鑄件固相的冷卻能力，在固-液界面附近熔體內產生很高的溫度梯度，使凝固組織超細化，可顯著提高逐漸的表面質量和內在綜合性能。
電磁約束成形定向凝固技術為先進材料成形加工技術的發展開闢了一個新的領域，對高熔點、易氧化及高活性特種合金的成形製備具有特別重要的意義。此技術目前還處於研究階段。
4雷射超高溫度梯度快速定向凝固（LRM）
楊森等人認為雷射能量高度集中的特性，使它具備了在作為定向凝固熱源時可能獲得比現有定向凝固方法高得多的溫度梯度的可能性。雷射超高溫度梯度快速定向凝固能夠獲得比常規定向凝固包括ZMLMC技術高得多的溫度梯度和凝固速率。利用雷射表面熔凝技術實現超高溫度梯度快速定向凝固的關鍵在於：在雷射熔池內獲得與雷射掃描速度方向一致的溫度梯度。根據合金凝固特性選擇適當的雷射工藝參數，以獲得包晶組織。目前雷射超高溫度梯度快速定向凝固還處於探索性實驗階段。
