انجماد جهت دار
انجماد جهت دار (DS) و انجماد پیشرونده دو نوع از انواع جامد سازی هستند که به روش ریخته‌گری انجام می‌شوند. انجماد جهت دار، انجمادی است که از انتهایی‌ترین قسمت قالب نسبت به راهگاه شروع شده و به سمت راهگاه امتداد می‌یابد. انجماد پیشرونده، که همچنین به عنوان انجماد موازی شناخته می‌شود نیز، انجمادی است که از دیواره‌های قالب ریخته‌گری شروع می‌شود و از سطح آن به صورت عمودی پیش می‌رود.
اکثر فلزات و آلیاژها، هنگام تبدیل از حالت مایع به جامد، از نظر حجمی دچار انقباض می شوند.همچنین اگر مذاب ماده ی مورد نظر در هنگام انجماد نتواند اثر این انقباض را جبران کند، ماده پس از انجماد دچار نقص انقباضی می شود. هرگاه در فرایند جامد سازی،انجماد پیشرونده بر انجماد مستقیم (جهت دار) غالب شود، یک عیب انقباضی ایجاد خواهد شد.
شکل هندسی حفره ی قالب ریخته گری، تاثیری مستقیم بر انجماد پیشرونده یا جهت دار ماده خواهد داشت.در انتهای تونل قالب،واگرایی جریان گرما اتفاق می افتد که باعث سرد شدن سریع تر این منطقه (انتهای تونل) از قالب ریخته گری نسبت به مناطق اطرافش خواهد شد. به این اتفاق، اثر نهایی (end effect) می گویند. در قسمتی از قالب، که حفره بزرگ تر و پهن تر می باشد،فرایند سرد شدن به اندازه ی مناطق اطراف آن سریع رخ نخواهد داد، چون در این حفره ها شدت جریان گرما کمتر است. به این رویداد، اثر رایزر(riser effect) گفته می شود. همچنین توجه داشته باشید که کنج های قالب می توانند هم جریان گرمای واگرا و هم همگرا ایجاد کنند. این کنج ها به عنوان نقاط داغ (hot spots) نیز شناخته می شوند.
به منظور ایجاد انجماد جهت دار، استفاده از امکاناتی مانند ایجاد لرزه ی مناسب برای تقویت فرایند انجماد، استفاده از پوشش های عایق، کنترل میزان و سرعت ریختن مذاب در قالب و کنترل دما، ضروری می باشد.
انجماد جهت دار میتواند به عنوان یک فرایند تصفیه نیز مورد استفاده قرار بگیرد. در فرایند انجماد، از آنجایی که بیشتر ناخالصی، قابل حل شدن در فاز مایع ماده می باشد تا فاز جامد؛ این ناخالصی ها با پیشروی جبهه ی انجماد، تحت فشار قرار خواهند گرفت که این موضوع سبب می شود تا بیشتر ماده ی ریخته گری شده، غلظت ناخالصی کمتری نسبت به ماده ی اولیه داشته باشد، در حالی که بخش کوچکی از ماده ی حاصل ریخته گری (آخرین قسمتی که از قالب ریخته گری جدا خواهد شد) غنی از ناخالصی می باشد. این قسمت آخر را می توان اسقاط یا بازیافت کرد. میزان مفید بودن فرایند انجماد جهت دار در خارج سازی یک ناخالصی خاص از یک فلز خاص، بستگی به ضریب تقسیم ناخالصی در فلز خواهد داشت که از معادله ی شیل به دست می آید. انجماد جهت دار (در ذوب ناحیه ای) مکرراً به عنوان یک مرحله ی تصفیه در فرایند تولید سیلیکون چند بلوری (برای استفاده در سلول های خورشیدی)، به کار گرفته می شود.
انجماد جهت دار یک روش مناسب برای ریخته گری سوپر آلیاژ هایی با پایه ی نیکلی در دماهای بالا می باشد که این سوپر آلیاژ های پایه نیکلی، معمولاً در توربین موتور هواپیما ها مورد استفاده قرار می گیرند. آلیاژ هایی که بر پایه ی نیکل تک کریستالی هستند، پتانسیل بالایی برای داشتن عیوب ریزساختاری مانند عیوب دندریت درشت، شاخه های دندریت جانبی طولانی و تخلل دارند. ریخت شناسی این عیوب، به وسیله ی بررسی نسبت G به V (که G مقدار شیب دما در مذاب مقابل جبهه ی انجماد می باشد و V نرخ انجماد است.) قابل درک می باشد. لازم است که از نسبت در محدوده ی مناسبی قرار داشته باشد تا به طور حتمی یک تک کریستال با ریزساختاری صحیح به همراه شاخه های دندریت جانبی ایجاد شود. ما امروزه می دانیم که افزایش نرخ سرد کردن در فرایند انجماد می تواند باعث تسریع بهبود ویژگی های مکانیکی ماده شود و در انجماد جهت دار به دلیل پالایش شدن ناخالصی ها، عمر گسستگی تک کریستال افزایش خواهد یافت.
در انجماد جهت دار، هنگام رشد تک کریستال ها، زمانی که فلز ذوب شده در شکافی که بین فلز جامد شده و قالب است، سرازیر می شود، دانه هایی جعلی در ساختار به وجود می آیند. این اتفاق تاثیر فاجعه باری بر خصوصیات مکانیکی سوپر آلیاژهای پایه نیکلی، مثل CMSX4 دارد که البته می تواند با حفظ صفحه ی <001> در ساختار، کنترل شود. همچنین لازم است تا دامنه ی جهت گیری های محوری در طول فرایند انجماد کاهش یابد تا یک تک کریستال به طور موفقیت آمیز، رشد کند.
در آلیاژهایی با پایه ی تیتانیوم و آلومینیوم، ریز ساختار لایه ای، خواص ناهمسانگردی را در جهت لایه ای نمایش می دهد و همچنین، سینتیک و جهت گیری رشد آن برای بهینه سازی خواص مکانیکی آن امری اساسی می باشند. رشد دانه در انجماد جهت دار، در جایی که جهت ساختار لایه ای با جهت رشد موازی باشد، منجر به مقاومت و انعطاف پذیری بالا می شود. اضافه کردن رسوب به فازی که از حالت جامد شکل گرفته است و نه حالت مایع؛ کار دشواری است. اولین روش برای غلبه بر این چالش این است که از دانه ی ماده ای ثانویه که به درستی جهت گیری کرده است و در طول فرآیند، لایه ی جدید را با همان جهت ماده ی اصلی شکل می دهد، در طول انجماد استفاده کنیم. این دانه های ثانویه در جلوی توده ی اصلی ماده ی ما قرار می گیرد و در نتیجه مادامی که مذاب ماده ی اصلی در حال جامد شدن است، ماده ی ثانویه یک الگو برای جهت گیری صحیح خواهد داشت. یک روش دیگر برای رسیدن به استحکام بالا برای فاز تک لایه ای این است که جهت رشد ساختار لایه ای را در جهت رشد جبهه ی انجماد قرار دهیم. البته این روش برای یک منطقه ی کوچک از انجماد موفقیت آمیز می باشد. در انتهای انجماد، استحکام خزشی نمونه هایی با دانه های ستونی، به مراتب بهتر از ساختارهای هم محور هستند.