石墨冷卻板和冷卻環是製造單晶葉片時定向凝固系統中的主要散熱機制。這些組件通過物理接觸或輻射熱交換與陶瓷模具接觸，從鑄件的底部和側面快速吸熱，推動液-固界面向上移動，從而嚴格控制凝固前沿。
這些組件的基本作用是強制垂直熱梯度，決定晶體生長方向。雖然它們對於初始晶粒選擇至關重要，但其局部冷卻作用也會在葉片橫截面引入複雜的熱變化。
定向凝固的機制
強制向上凝固
石墨冷卻板的主要功能是創建受控的凝固方向。
通過從模具底部快速移除熱量，它們迫使液-固界面垂直推進。這種定向運動是創建單晶結構的基礎要求。
傳熱模式
這些石墨組件利用兩種特定方法提取熱能。
它們通過與模具的物理接觸或通過輻射熱交換來運行。這種雙重方法確保在鑄造過程的關鍵初始階段進行有效冷卻。
對顯微組織和晶粒質量的影響
控制晶粒選擇
冷卻板提供的冷卻直接影響晶粒選擇過程的成功。
它們建立的熱梯度對於啟動塊和晶粒選擇器階段的正常運行至關重要。這確保只有一個期望的晶體取向能夠存活下來形成葉片主體。
確定樹枝狀結構
除了初始選擇之外，吸熱速率決定了材料的內部結構。
冷卻的強度影響樹枝狀結構的粗糙度。具體來說，它控制了初級樹枝狀臂間距（PDAS），這是最終葉片機械性能的關鍵指標。
理解權衡
邊緣效應
雖然冷卻環對於快速冷卻至關重要，但它們會通過比中心更快地冷卻鑄件邊緣來引入不均勻性。
這種在外圍增強的熱交換會在葉片外皮和核心之間產生顯著的熱差異。
等溫線畸變
這種偏向邊緣的冷卻會導致液相線等溫線——分隔液體和固體的線——彎曲。
熱剖面通常不是一條完美的水平線，而是凹形或傾斜。這種畸變會使生長前沿複雜化，如果不加以管理，可能會導致結構缺陷。
間距不均勻
橫截面冷卻速率的變化會導致材料出現物理不一致。
由於熱量移除不均勻，初級樹枝狀臂間距（PDAS）變得不均勻。您通常會觀察到鑄件邊緣與中心相比具有不同的結構密度。
為您的目標做出正確的選擇
為了優化您的定向凝固過程，您必須在快速吸熱和熱均勻性之間取得平衡。
- 如果您的主要重點是晶粒選擇的完整性：確保在啟動塊處有最大的熱接觸，以驅動清晰的初始垂直梯度。
- 如果您的主要重點是結構均勻性：監測鑄件邊緣的熱梯度，以最小化液相線等溫線的彎曲並減少 PDAS 變化。
掌握石墨冷卻的使用在於管理定向力與橫截面均勻性之間的微妙平衡。
摘要表：
| 組件特徵 | 主要功能 | 對鑄件的影響 |
|---|---|---|
| 散熱 | 通過接觸/輻射快速吸熱 | 建立垂直液-固界面 |
| 晶粒選擇 | 強制形成清晰的熱梯度 | 確保只有一個晶體取向能夠存活 |
| 顯微組織控制 | 調節冷卻速率 | 決定初級樹枝狀臂間距（PDAS） |
| 邊緣冷卻 | 周邊散熱 | 可能導致凹形等溫線畸變和不均勻性 |
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参考文献
- Effect of Temperature Profile Curvature on the Formation of Atypical Inhomogeneity of Dendritic Microstructure Across the Width of a Single Crystal Blade. DOI: 10.1007/s11661-025-07909-y
本文还参考了以下技术资料 Kintek Furnace 知识库 .
