金屬材料制備-2-快速凝固

1、金屬材料的制備金屬材料的制備1、金屬材料簡介2、鎂合金的制備 鎂合金簡介 鎂合金冶煉3、快速凝固 快速凝固的特點(diǎn) 快速凝固的工藝途徑 大過冷技術(shù) 快速凝固的應(yīng)用4、粉末冶金5、噴射成形技術(shù)6、非晶合金快速凝固的特點(diǎn)快速凝固的特點(diǎn)（1）樹枝晶粒、成分偏析）樹枝晶粒、成分偏析常規(guī)鑄造工藝存在的主要問題常規(guī)鑄造工藝存在的主要問題（2）晶粒粗大晶粒粗大，大小不一，大小不一，析出相析出相顆粒粗大顆粒粗大快速凝固的特點(diǎn)快速凝固的特點(diǎn)負(fù)溫度梯度示意圖負(fù)溫度梯度示意圖實(shí)際生產(chǎn)中，會不會有負(fù)溫度梯度的情況？伸入液相的晶體形成一個晶軸，伸入液相的晶體形成一個晶軸， 一次晶軸。一次晶軸。樹枝狀生長樹枝狀生長（den

2、drite growth）結(jié)晶潛熱結(jié)晶潛熱 側(cè)面又產(chǎn)生負(fù)的溫度梯度側(cè)面又產(chǎn)生負(fù)的溫度梯度 二次晶軸二次晶軸三次晶軸三次晶軸每個枝晶成為一個晶粒每個枝晶成為一個晶粒快速凝固的特點(diǎn)快速凝固的特點(diǎn)正溫度梯度示意圖正溫度梯度示意圖快速凝固的特點(diǎn)快速凝固的特點(diǎn)成分過冷共晶合金會不會發(fā)生成分過冷？為什么？加快冷卻速度，會不會從一定程度上規(guī)避成分過冷？也就是減少枝晶？快速凝固的特點(diǎn)快速凝固的特點(diǎn)（1）樹枝晶粒、成分偏析）樹枝晶粒、成分偏析常規(guī)鑄造工藝存在的主要問題常規(guī)鑄造工藝存在的主要問題（2）晶粒粗大晶粒粗大，大小不一，大小不一，析出相析出相顆粒粗大顆粒粗大實(shí)際生產(chǎn)過程中，如何得到彌散分布的細(xì)小第二相？快

3、速凝固的特點(diǎn)快速凝固的特點(diǎn)（1）細(xì)化凝固組織，使晶粒細(xì)化。）細(xì)化凝固組織，使晶粒細(xì)化。（2）減小偏析。）減小偏析。（3）擴(kuò)大固溶極限。）擴(kuò)大固溶極限。（4）快速凝固可導(dǎo)致非平衡相結(jié)構(gòu)產(chǎn)生，包括新相和擴(kuò)大）快速凝固可導(dǎo)致非平衡相結(jié)構(gòu)產(chǎn)生，包括新相和擴(kuò)大 已有的亞穩(wěn)相范圍。已有的亞穩(wěn)相范圍。（5）形成非晶態(tài)。）形成非晶態(tài)。（6）高的點(diǎn)缺陷密度。）高的點(diǎn)缺陷密度。快速的工藝途徑快速的工藝途徑提高冷卻速度的兩種思路：A、減少熔體的尺寸液滴液線液面B、加快傳熱速度固體輔助散熱液體輔助散熱氣體輔助散熱利用固體散熱 模冷技術(shù)：在減小熔體尺寸的前提下，利用導(dǎo)熱良好的冷模提高散熱速度。表面熔化技術(shù)液體、氣態(tài)冷卻

4、介質(zhì)：霧化技術(shù)快速的工藝途徑快速的工藝途徑模冷技術(shù)模冷技術(shù)1）槍法）槍法模冷技術(shù)模冷技術(shù)2）雙活塞法）雙活塞法工藝特點(diǎn)： 母合金可以在真空或保護(hù)氣氛下懸浮熔煉，防止石英管對金屬熔體的污染； 凝固時的冷卻速度較高，可達(dá)106 K/s 薄片的厚度均勻，約為530m，直徑約為2.5mm； 產(chǎn)品不連續(xù)，產(chǎn)量不大。 模冷技術(shù)模冷技術(shù)3）旋轉(zhuǎn)法）旋轉(zhuǎn)法4）平面流鑄法）平面流鑄法模冷技術(shù)模冷技術(shù)如果帶材太寬，很容易形成枝晶。帶材芯部帶材邊沿5）電子束急冷淬火法）電子束急冷淬火法模冷技術(shù)模冷技術(shù)6）溢流法）溢流法模冷技術(shù)模冷技術(shù)霧化技術(shù)霧化技術(shù)霧化霧化聚并聚并凝固凝固外力沖擊相互接觸冷卻1）雙流霧化）雙流霧化

5、霧化技術(shù)霧化技術(shù)1）雙流霧化）雙流霧化霧化技術(shù)霧化技術(shù) 水霧化法（水霧化法（Water Atomization）以水射流代替氣體射流外，以水射流代替氣體射流外，其余與氣體霧化相似其余與氣體霧化相似 顆粒多呈不規(guī)則形，但冷速顆粒多呈不規(guī)則形，但冷速可達(dá)可達(dá)10102 2-10-104 4K/sK/s 已被大規(guī)模應(yīng)用于工具鋼、已被大規(guī)模應(yīng)用于工具鋼、低合金鋼、銅、錫、鐵粉等等低合金鋼、銅、錫、鐵粉等等（水霧化鋼和超合金（水霧化鋼和超合金, ,活潑元活潑元素易氧化，素易氧化，O%1000ppmO%1000ppm，而，而氣體霧化，氣體霧化，O%100ppmO%100ppm）有時，）有時，也可以油代水，

6、以降也可以油代水，以降O%O% 1）雙流霧化）雙流霧化霧化技術(shù)霧化技術(shù)超聲氣體霧化法（超聲氣體霧化法（Ultra-sonic Gas Atomization）是氣體霧化法之一，方法類似于普通是氣體霧化法之一，方法類似于普通氣體霧化，只不過是霧化氣體射流速度氣體霧化，只不過是霧化氣體射流速度高，最高達(dá)高，最高達(dá)2.52.5馬赫，而且聲波頻率高，馬赫，而且聲波頻率高，達(dá)達(dá)80100kHz80100kHz；( (常規(guī)氣體霧化射流以連常規(guī)氣體霧化射流以連續(xù)方式流動，而超聲霧化射流則以續(xù)方式流動，而超聲霧化射流則以80-80-100Hz100Hz的頻率振動。的頻率振動。) ) 高速高頻氣流由裝配在霧化噴

7、嘴上的高速高頻氣流由裝配在霧化噴嘴上的激波管產(chǎn)生激波管產(chǎn)生 可有效破碎液流，粉末更細(xì)（平均約可有效破碎液流，粉末更細(xì)（平均約20m20m），粒度均勻（尺寸分布窄），），粒度均勻（尺寸分布窄），平均冷速可達(dá)平均冷速可達(dá)105 K/s105 K/s 可以成功地用于生產(chǎn)鋁、超合金、可以成功地用于生產(chǎn)鋁、超合金、Ti-AlTi-Al粉粉 氣霧化和水霧化的區(qū)別氣霧化和水霧化的區(qū)別粉末形狀粉末形狀：氣霧化容易獲得球形粉末。水霧化獲得粉末表氣霧化容易獲得球形粉末。水霧化獲得粉末表面張力較小的呈土豆?fàn)罨蛎鎻埩^小的呈土豆?fàn)罨虿灰?guī)則形狀不規(guī)則形狀，只有那些表面張力，只有那些表面張力較大的合金，例如鎳基合金，才能

8、得到球形合金粉末較大的合金，例如鎳基合金，才能得到球形合金粉末?；瘜W(xué)成分化學(xué)成分：不論是采用水霧化還是采用氣霧化，制作出的不論是采用水霧化還是采用氣霧化，制作出的合金粉末的化學(xué)成份不會因?yàn)橹谱鞣椒ǖ牟煌a(chǎn)生差異合金粉末的化學(xué)成份不會因?yàn)橹谱鞣椒ǖ牟煌a(chǎn)生差異。 金相組織金相組織：采用氣霧化制作的合金粉末，合金的過冷度要采用氣霧化制作的合金粉末，合金的過冷度要比采用水霧化制作的小許多，所以相同的化學(xué)成份，采用比采用水霧化制作的小許多，所以相同的化學(xué)成份，采用不同的霧化方法制出的合金粉末的金相組織會不一樣不同的霧化方法制出的合金粉末的金相組織會不一樣。又稱可溶氣體霧化又稱可溶氣體霧化l坩堝內(nèi)液

9、態(tài)金屬在壓力下過坩堝內(nèi)液態(tài)金屬在壓力下過飽和溶解氣體（氮、氬、氫飽和溶解氣體（氮、氬、氫等），突然向真空開放，氣體等），突然向真空開放，氣體膨脹，脫溶，金屬霧化膨脹，脫溶，金屬霧化 l用氫霧化、用氫霧化、o o、和基合金，粉末多呈和基合金，粉末多呈球形，表面潔凈，純度高，但球形，表面潔凈，純度高，但冷速低，冷速低， 2）真空法）真空法霧化技術(shù)霧化技術(shù)3）離心霧化）離心霧化霧化技術(shù)霧化技術(shù)l液態(tài)金屬在高速旋轉(zhuǎn)的容器（盤、杯、坩堝、平板或凹板）的邊緣上破液態(tài)金屬在高速旋轉(zhuǎn)的容器（盤、杯、坩堝、平板或凹板）的邊緣上破碎、霧化的技術(shù)。液態(tài)金屬從坩堝或從熔化的母合金棒端澆注到旋轉(zhuǎn)器上，碎、霧化的技術(shù)。液

10、態(tài)金屬從坩堝或從熔化的母合金棒端澆注到旋轉(zhuǎn)器上，在離心力的作用下，熔融金屬被甩向容器邊緣霧化，噴射出金屬霧滴，霧在離心力的作用下，熔融金屬被甩向容器邊緣霧化，噴射出金屬霧滴，霧滴在飛行過程中球化并凝固。整個過程（熔化、霧化、凝固）在惰性氣體滴在飛行過程中球化并凝固。整個過程（熔化、霧化、凝固）在惰性氣體環(huán)境中完成環(huán)境中完成表面熔化法表面熔化法熔覆層熔覆層粉末粉末激光束激光束大過冷度技術(shù)大過冷度技術(shù)大過冷技術(shù)，即Large Undercooling Technology，簡稱LUT技術(shù)。大過冷技術(shù)的核心是：設(shè)法在金屬熔體中形成盡可能接近均勻形核的凝固條件，從而獲得大過冷度，提高凝固速度。 大過冷

11、度技術(shù)大過冷度技術(shù)獲得大過冷快速凝固技術(shù)的具體方法可以分為兩類： 彌散法：在細(xì)小熔滴中達(dá)到大過冷度，如乳化法、熔滴 基底法、落管法； 大體積過冷法：在較大體積的熔體中獲得大的凝固過冷度，如玻璃體包裹法、嵌入熔體法（或二相區(qū)法）、電磁懸浮熔化法。 大過冷度技術(shù)大過冷度技術(shù) 提供近似均勻形核的條件提供近似均勻形核的條件大過冷技術(shù)。大過冷技術(shù)。乳化法熔滴-基地法落管法玻璃體包覆法兩相區(qū)法由于快速凝固方式的不同，快速凝固材料的形態(tài)一般如下：薄帶 一維尺寸很小；細(xì)絲 二維尺寸很??；粉末 三維尺寸很小。如果不改變快速凝固材料的形態(tài)，將會嚴(yán)重限制其應(yīng)用，如利用快速凝固材料制作結(jié)構(gòu)件時，必須預(yù)先把快速凝固材料成型。 快速凝固技術(shù)的應(yīng)用快速凝固技術(shù)的應(yīng)用力學(xué)性能的改善 細(xì)化晶粒 對于普通低碳鋼，晶粒尺寸約為30m，其對應(yīng)的屈服強(qiáng)度約為290MPa；如果通過RS技術(shù)將晶粒細(xì)化到1 m，其對應(yīng)的屈服強(qiáng)度約為700MPa快速凝固技術(shù)的應(yīng)用快速凝固技術(shù)的應(yīng)用 均勻化學(xué)成分 在快速凝固中，由于溶質(zhì)原子的擴(kuò)散時間很短，因此快速凝固合金中的元素偏析程度很小，即化學(xué)成分很均勻。 化學(xué)成分均勻的快速凝固合金具有更好的抗腐蝕和抗氧化能力，具有更好的熱加工響應(yīng)性，具有更好的熱處理響應(yīng)性。 快速凝固的高速鋼，其初始熔點(diǎn)較高，