1.定向凝固

柱状晶是晶核优先朝一个方向生长而成。面心立方和体心立方晶体具有较大生长速率的是［100］晶向，密排六方晶体为［1010］晶向。柱状晶组织致密并具有各向异性的特点，而且当柱状组织的排列方向与受力方向一致时，其强度较高。因此，具有定向柱状组织的金属铸件在实际中获得了应用，如具有定向柱状组织的汽轮机叶片具有高的高温强度。又比如具有定向柱状组织的磁性铁合金沿［100］方向具有最大的磁导率。要获得柱状晶组织，人们常用定向凝固的方法。

定向凝固主要是采用单向散热。铸件从一端开始凝固，逐步发生沿温度梯度方向的凝固，如图9.22所示。图9.23为Zn-Cu合金的定向凝固生长图（Cu的质量分数0.7%）。

图9.22　定向凝固示意图（引自潘金生，2011）

图9.23　Zn-Cu合金的定向凝固生长图（右图为左图中固相柱状晶的断面形貌）（引自Kaya，2009）

如今，定向凝固方法已成为控制金属基复合材料基体凝固组织的重要手段之一。用该方法可使复合材料中的基体相和增强相沿一定方向生长而得到具有特殊显微结构的高温合金。这种合金在高温下长时间使用时，其热稳定性可保持到熔点附近。(www.daowen.com)

除了在金属材料中获得广泛应用外，定向凝固方法还在无机非金属材料中得到较多的应用。比如，通过定向凝固方法获得的Al2O3/YAG（YAG为钇铝石榴石）共晶多相复合陶瓷，具有较多优良的性能：空气中于1973 K经1000 h的热处理后，未观察到晶粒生长。这说明定向凝固共晶Al2O3/YAG复合材料长时间在高温空气中仍是非常稳定的。此外，定向凝固Al2O3/YAG共晶复合材料的断裂强度还不随温度的升高而变化。人们在对定向凝固Al2O3/YAG共晶复合材料进行研究后，认为该复合材料具有优良高温强度的原因在于：①（110）单晶Al2O3和（743）单晶YAG组成的基体有良好的结晶取向匹配；②在Al2O3相和YAG相之间没有容易引起塑性形变的无定形相；③组成共晶复合材料的单晶Al2O3和YAG在非常高的温度下是稳定的。因而，定向凝固Al2O3/YAG共晶复合材料有望成为新的耐热结构材料。

实际上，用提拉法、坩埚下降法和尖端形核法制备的人工晶体采用的都是定向凝固方法。

2.单晶的制备

图9.24　提拉法生产单晶示意图（引自潘金生，2011）

生长金属单晶体的方法是1916年，波兰化学家Jan Czochralski（1885—1953年）在偶然中发明的。他将钢笔尖放入熔融锡中，很快又迅速将笔拿出。结果，他看到笔尖上有很细的固化金属线。经核实，他发现金属线由金属单晶构成，而且单晶体的直径在毫米级。1950年，Bell实验室采用Czochralski法制备了单晶Ge，为半导体做出了贡献。后来，人们在制备单晶Si时引入一个核芯。液体中的其他质点在核芯上堆砌成单晶Si。

图9.24示意了一种制备单晶的方法。最初，籽晶与熔体接触。熔体以籽晶（或种晶）为核开始结晶。接着，籽晶转动并缓慢地从熔体中拉出而长成一个单晶。该方法称为提拉法（pulling technique）。人造宝石采用的焰熔法（verneuil technique）的原理与此类似。采用焰熔法可制备刚玉、尖晶石、金红石等晶体。定向凝固和单晶制备主要利用了非均匀形核的原理。