“ 定向凝固技术在航空涡轮叶片制备上的成功应用及以成分过冷理论为代表的定量凝固科学的出现，使定向凝固工艺的实验研究逐步进入精确定量阶段并与先进的航空航天材料相结合，开辟了金属间化合物、高温合金、单晶合金、难熔合金以及先进陶瓷材料为代表的新型材料的凝固加工。同时，为适应先进航空航天动力系统对高温构件冶金质量和性能的苛刻要求，一批具有创新特点的定向凝固技术，如高梯度超细化定向凝固、电磁约束成形、电磁冷坩埚定向凝固、晶体生长及单晶取向控制等在国家自然科学基金、863、973等项目支持下先后被开发探索，进行了较深入的研究并取得成功。
——傅恒志
中国工程院 院士
八十年代以前，发动机用材除少量高分子材料外，主要为Fe、Ti、Ni及其合金，飞机机体也主要是树脂基复合材料及钢和Al、Mg合金。这些金属材料从凝固加工角度考察，基本上都是以金属键结合为主，熔化熵值较低，粗糙（弥散）型固/液界面的非小平面型的固溶体加弥散强化相的合金材料，它们在凝固中的液/固相变、晶体生长、形态演化与扩散行为都有比较成熟的理论和经验可循，其变化规律也大多在掌握之中。根据航空航天材料的发展趋势，当前及近期人们关注的先进材料的键合特性与结构特征却有很大不同，其化学键中共价键与离子键所占比重增加。
据计算，TiAl金属间化合物中非金属键（共价与离子）所占份额已近70%。众所周知，共价键、离子键与金属键的重要区别之一是前两者具有明显的方向性（见表1）。
表1 金属键、离子键和共价键的比较
性质 | 金属键 | 离子键 | 共价键 |
A和B的电负性 | A电正性 B电正性 | A电正性 B电负性 | A电负性 B电负性 |
键合特性 | 电子气-无方向性 | 静电吸引-有方向性 | 共有电子-有方向性及局域性 |
结合力性质 | 自由电子和金属离子间吸引 | A+和B-间静电吸引 | 成键电子将A、B结合在一起 |
结合的几何形式 | 金属原子密堆积 | A-B间*大地接近；A-A间、B-B间远离 | 由价电子数控制 |
键强度性质 | 6个价电子*高，大于6和小于6都逐渐减小 | 由离子大小和电价决定 | 由净成键电子数决定 |
注：表中A和B表示相互成键原子
随经济和科学技术发展促使新型材料不断出现的大背景下，材料键合特性变化的示意如下图所示。与之相应，共价或离子键合过程中伴随的元素间的电子迁移也会造成材料及其组成相结构的复杂化和多种化合物相的出现。
不同材料与键合特性的示意关系 各种材料体现位置粗略地以开始广泛使用前后为序，面积大小不代表其应用广度或重要性，红色加粗表示金属键特性较强，金属箭头表示相关材料至今仍在不断发展。
材料化学键特性与结构变化在凝固加工领域将导致材料熔化熵及反映固/液界面特性的Jackson因子的改变，从而引起材料凝固特性的改变。键合特性变化导致材料熔化熵变化，而材料不同熔化熵会带来有巨大差异的凝固过程和组织结构。
不同材料的熔化熵
1—金属、合金；2—结构金属间化合物；3—硅、锗半导体；4—化合物半导体；5—金属/非金属间化合物；6—非晶合金；7—金属陶瓷；8—结构陶瓷；9—聚合物；10—氧化物陶瓷；11—高温超导氧化物；12—复杂分子化合物；13—碳、硼及其化合物
表2给出具有低熔化熵值的普通金属与高熔化熵金属化合物各方面凝固和晶体生长的差异。
表2 凝固特性与熔化熵（相变熵）
金属/合金（低熔化熵） | 凝固特性 | 非金属/化合物（高熔化熵） |
弥散型 | 液固界面 | 类锐型 |
非棱面 | 界机结构 | 棱面 |
各向同性 | 生长特性 | 各向异性 |
连续吸附就位（连续生长） | 生长动力学 | 台阶/面扩散/扭拆（不连续生长） |
简单立方/六方 | 晶体结构 | 复杂结构 |
平/胞/枝 | 结晶组织 | 平胞 |
扩散控制 | 生长机制 | 相关标准
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