第1章绪论
1.1航空航天先进产品与先进材料
自古以来，人类就怀有翱翔天空，遨游宇宙的愿望。在生产力和科学技术低下的时代，这种愿望只能停留在幻想阶段。1903年，美国莱特兄弟首次把有动力，可操纵和可持续飞行的飞机送上天空。1957年，苏联发射了世界上**颗人造卫星并随后在1961年成功发射了世界上**艘载人飞船，标志着航空航天科学技术获得了巨大的成功，揭开了人类航空航天事业的新纪元。
航空航天高技术产业的发展虽然与军事应用密切相关，但更重要的是人类在这个产业部门所取得的巨大进展，对国民经济的众多部门和社会生活的诸多方面都产生了重大而深远的影响，推动并改变着世界的面貌。进入21世纪之后，航空航天高技术产业将为人类认识和驾驭自然注入新的强大动力，航空航天活动的作用将远超科学领域对政治、经济、军事乃至人类社会生活都会产生更加广泛而深远的影响，并不断地创造出崭新的科技成果和巨大的经济效益。
航空航天飞行器在超高温、超低温、高真空、高应力、强腐蚀等**条件下工作，除了依靠优化的结构设计，还依赖于材料所具有的优异特性和功能。由此可见，航空航天材料在航空航天产品发展中的极其重要的地位和作用。航空航天产品在追求轻质和减重方面可以说是 克克计较，图1-1为飞行器每减重1kg所取得的经济效益与飞行速率的关系。例如，对航天飞机来说，每减重1kg的经济效益将近10万美元。新型材料及改型材料在军机结构减重中的重要性及发展趋势如图1-2所示9由图可见，新型材料和改进型材料与主动载荷控制、颤振抑制、自动化设计及先进结构概念等相比，在飞行器结构减重中占有主导地位，也正因为这个原因，比强度和比模量这些概念在航空航天领域具有更为重要的意义。
图1-2，新型材料及改进型材料在军机结构减重中的重要性及发展趋势
高温材料是制约航空航天产品性能的另一类关键材料。飞机和发动机的发展对服役温度的需求如图1-3所示9由图可见，目前飞机蒙皮的**温度达1000、以上，而发动机的工作温度则高达近2000、不同的航空航天材料的耐温性如图1-4所示9由图可见，为了支撑航空航天产品提高工作温度的要求，许多新型材料如金属间化合物、陶瓷、碳-碳及各种复合材料正在加速发展之中。
图1-3，飞机和发动机发展对服役温度的需求
高性能航空航天结构材料对于减轻结构质量和提高飞行器的结构效率、服役可靠性及延长寿命具有极为重要的作用，是航空航天材料的主要发展趋势。航空航天结构材料的高性能主要是轻质、高强、高模、高韧、耐高温、耐低温、抗氧化、耐腐蚀等。近来在航空航天产品设计中引入损伤容限设计的概念，意味着对材料的韧性要求更高了，有时宁可牺牲一点强度，也要确保韧性的要求，这是由于对航空航天产品已发展到高可靠性、高耐久性和长寿命的要求。对航空航天飞行器的动力装置来说，特别重要的是耐高温、耐低温、抗氧化、耐腐蚀等性能要求，这几乎是结构材料中**的性能要求。高性能材料在新一代飞行器动力装置中起到了关键性的作用，如航空发动机中的单晶涡轮叶片材料和航天固体发动机中的高能推进剂材料等。
图1-4，航空航天材料的耐温性
航空发动机相当于飞机的心脏，是确保飞机使用性能、可靠性和经济性的决定因素。与第四代战斗机配套的推重比10发动机已投入广泛使用，如美国的/119发动机已装备了/22战斗机。民用大推力涡轮风扇发动机如GE90、PW4073/4084、Trent800等为B777、A340等大型宽体客机所选用。提高推重比或功率重量比、提高涡轮前进口温度、提高压气机平均级压比和降低油耗是高性能军用发动机的发展方向。与军用发动机相比，民用发动机的推重比虽增加不大，但其涡轮前温度、涵道比和总增压比的增加，已促使耗油率大幅度下降，仅为军用发动机的1/4~1/3。发达国家航空发动机的产值已占整个航空工业产值的25%~30%。液体火箭发动机通常以不锈钢、高温合金、难熔金属及合金加抗氧化涂层或者碳-碳复合材料加涂层材料为主。涡轮泵是液体火箭发动机的关键部件，其中涡轮盘和叶片工作条件*为苛刻，早期曾采用不锈钢，后来发展演化为铁基、镍基、钴基的高温合金及它们的金属间化合物。当代高性能固体火箭发动机的主要特征是：高能-轻质-可控，三者互相关联，而且是以材料和工艺技术为基础集成起来的。先进的材料及新工艺的全面应用是提高固体火箭发动机性能的一项决定性因素。表1-2列出了液体和固体火箭发动机对材料的需求。从前面列举的航空航天材料的发展历程和趋向可以看出，先进航空航天产品构件越来越多地采用高性能的新型材料以满足日益提高的性能要求，特别是在承受高温的构件方面，以金属间化合物、高温合金、单晶合金、难熔合金及先进陶瓷材料等为代表的新型材料扮演了日益重要的角色。
图1-5为美国航空航天局（NASA）对先进航空发动机用材趋势的预测
由图可以看出，到2020年ti基复合材料、ni及fe基金属间化合物、陶瓷复合材料、难熔合金与ni基高温及单晶合金等将占发动机用材料的45%左右，其中相当一部分关键高温构件要采用凝固和塑性加工制备。就以NiAl基合金来说，通用电气公司宣布，波音747选用的GENX发动机低压涡轮后两级叶片采用NiAl合金可减重200kg，表1-3为通用电气公司NiAl基合金的应用情况与发展计划。我国在航空航天领域2011~2020年先进材料与热工艺技术发展重点计划中也将高性能NiAl合金及冷坩埚熔铸和定向凝固作为研究开发的重点，见表1.2材料凝固加工的先进技术---定向凝固
定向凝固技术在航空涡轮叶片制备上的成功应用以及以Chalmers为代表的定量凝固科学的出现，使定向凝固工艺的实验技术研究逐渐步入材料定向凝固理论研究领域。这种定向凝固理论研究与技术发展的互动作用推动该技术的更新换代和新型定向凝固材料的出现。定向凝固技术的发展进步是人们对定向凝固理论研究的深化，特别是对定向凝固过程四个基本要素的把握，进而在工艺及定向凝固设备的改进上实施从认识到实践的演变过程，定向凝固理论研究成果促进了定向凝固技术的更新换代，拓展了定向凝固技术的应用领域，推动了新型定向凝固材料的开发，同时也为定向凝固理论研究提出了新课题。
定向凝固过程理论研究的出现可以说是在1953年。那时Chalmers与他的同事在定向凝固方法考察液-固界面形态演绎的基础上提出了被人们称为定量凝固科学里程碑的成分过冷理论。因此，从某种意义上讲，定向凝固技术催生了定量凝固科学，而定向凝固过程的理论研究也就伴随着定量凝固科学的萌生、成长与发展而深化。
可以看到，近几十年来，定向凝固理论研究已成为定量凝固科学领域不可分割的重要组成部分，并且因定向凝固使复杂的凝固过程简化为一维凝固过程，使相变的界面行为简化为一维的推进，从而使大量凝固行为的考察研究都能在比较简化的一维定向凝固条件下进行。对定量凝固科学的各个研究领域的深化而言，定向凝固理论研究提供了一种有效的手段。
从另一方面来看，定向凝固理论研究又是与定向凝固技术的发展进步紧密联系在一起的。20世纪60年代，定向凝固技术成功应用于航空发动机涡轮叶片的制备，大幅度提高了叶片的高温性能，使其寿命延长，从而有力地推动了航空工业发展。而自20世纪末以来，广泛的单晶叶片与晶体取向控制的研究与应用更使先进航空航天材料与定向凝固技术的结合迈上一个新的台阶。这种成功促使人们致力于定向凝固过程的理论研究，以完善定向凝固技术，开拓定向凝固技术的新领域，并使大量的新型定向凝固材料及新的定向材料的制备技术涌现出来。
纵观几十年来定向凝固理论研究历程与内容，大体上有两大类理论研究，**类是定向凝固技术的应用基础研究，这个领域的研究是应定向凝固技术发展需要而产生的，它主要涉及定向凝固过程的热场、流动场及溶质场的动态分析、定向组织及其控制和组织与性能关系等。定向凝固理论应用基础领域的研究，不仅使人们对定向凝固技术的工艺过程有更深层次的了解，还为定向凝固技术的完善及发展提供了依据。第二类则归结于定量凝固科学的基础理论研究，这个领域的研究以定向凝固中液-固界面及其生长特性研究为主线，涉及液-固界面形态及其稳定性、液-固界面相变热力学和动力学、定向凝固过程晶体生长行为及微观组织的演绎等，它丰富充实了定量凝固科学，并对定量凝固科学的各个研究领域的深化起到了推动的作用。
多年来生产实践与定向凝固应用基础研究说明，定向凝固过程存在四个基本要素，把握住这四个基本要素是获得优质定向组织的必要条件：热流的单向性或发散度；热流密度或温度梯度；冷却速率或结晶生长速率与晶体取向；结晶前沿液态金属中的形核控制。
正是人们对定向凝固技术的工艺过程有了深层次的了解，定向凝固技术从20世纪60年代初期功率降低（PD）法逐步发展成高速凝固(HRS)法，以后出现液态金属冷却法及后来定向凝固技术的种种完善改进。这都是人们围绕上述四个基本要素的控制所进行的大量应用基础研究的结果。这种从理论认识到生产实践的演绎过程生动显示了定向凝固理论研究与定向凝固技术的互动作用。定向凝固理论的另一大类就应归于定量凝固科学的基础理论研究。其中定向凝固中
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