材料工程基礎(chǔ)：2-3 快速凝固技術(shù)

1、2.3 快速凝固技術(shù)（rapid solidification）2.3.1 概述 可以說60年代，快速凝固概念形成，并在多種合金體系當(dāng)中觀察到了亞穩(wěn)效應(yīng) 在快速凝固領(lǐng)域中的幾個主要標(biāo)志 1960年Duwez及其同事發(fā)明“槍”技術(shù)，開創(chuàng)了材料科學(xué)領(lǐng)域的一個新時代。（106k/s），這年的工作發(fā)現(xiàn)，凝固工藝可以改變材料的組織結(jié)構(gòu)，包括：擴(kuò)大固溶極限形成新型非平衡晶體或準(zhǔn)晶相生成金屬玻璃1. 快速凝固及其發(fā)展 什么是快速凝固？ 指冷卻速度大于102K/S的凝固過程稱為快速凝固。70年代，非晶態(tài)材料領(lǐng)域的研究更為活躍，因為制備連續(xù)的等截面長薄帶技術(shù)得到了發(fā)展。金屬玻璃非同尋常的性能促進(jìn)了該領(lǐng)域的發(fā)展，

2、同時推動了磁性材料的應(yīng)用和發(fā)展。80年代關(guān)于快速凝固微晶合金的研究（尤其是航空工業(yè)領(lǐng)域具有應(yīng)用前景的輕金屬材料）活躍，這是因為金屬玻璃在高溫退火后晶化并失去其所有的優(yōu)異性能。目前，已發(fā)展了很多制備快速凝固金屬和合金的技術(shù)，主要功能：細(xì)化晶粒、產(chǎn)生一種或多種亞穩(wěn)相，其產(chǎn)品主要為粉、絲、帶、片、線等?？焖倌坍a(chǎn)品廣泛應(yīng)用，航空、天工業(yè)、機(jī)械、電子。2. 實現(xiàn)快速凝固的條件 實現(xiàn)RS的基本條件 金屬液分散成液流或液滴，至少在一個方向上尺寸極小，以便散熱。具有傳熱的冷卻介質(zhì)。 滿足RS條件的途徑 大的冷卻速度 對于尺寸足夠小的凝固試件，界面散熱成為控制冷卻的主要環(huán)節(jié)。增大散熱強(qiáng)度，使熔體以極快的速度降

3、溫，即可實現(xiàn)快速凝固。設(shè)：液膜厚度為h，與冷卻介質(zhì)的溫差T，一維傳熱， 其冷卻速度為： 界面換熱系數(shù) (W / m2 ) T：液膜與冷卻介質(zhì)的溫度差 ()： 合金的密度 （Kg/m3）C： 比熱 (J / Kg ) h： 液膜厚度 (m)單輥、雙輥、旋轉(zhuǎn)圓盤及錘砧式制備工藝。大的生長速度R 提高鑄型的導(dǎo)熱能力，增加熱流導(dǎo)出速度，凝固界面快速推進(jìn)，熔體與基體為一體，傳熱主要靠導(dǎo)熱。忽略液相過熱條件下，單向凝固速度：s- 導(dǎo)熱系數(shù)(W / m )Gs- 凝固層溫度梯度（ /m）L 熔化潛熱（J/Kg） - 合金密度（Kg/m3）大生長速度見于快速定向凝固、焊接過程和激光處理等大過冷度T 利用抑制凝

4、固過程的形核，使合金液獲得很大過冷度，實現(xiàn)凝固過程釋放的凝固潛熱與過冷散失的物理熱抵消。使凝固過程處在幾乎絕熱狀態(tài)，需導(dǎo)出的熱流幾乎很小，獲得很大的冷卻速度。T - 過冷度（ ）L - 熔化潛熱 （J/Kg）C - 比熱 (J / Kg ) 見于液相微粒的快凝、特殊處理的大過冷度液體塊料的凝固3. 快速凝固的特點 凝固速度大，無溶質(zhì)分配（產(chǎn)生平衡分配）。S/L界面穩(wěn)定性增加，凝固形成平面、無偏析等軸晶。形成組織結(jié)構(gòu)特殊的晶態(tài)合金。形成非晶態(tài)合金。形成準(zhǔn)晶合金。 2.3.2 快速凝固技術(shù) 1. 急冷凝固技術(shù)（1）模冷技術(shù)（2）霧化技術(shù)2. 大過冷凝固技術(shù)（3）表面熔化與沉積技術(shù)（1）小體積大過冷

5、凝固法（2）大體積大過冷凝固法 快速凝固過程中，熔體金屬液流的分散形式與冷卻介質(zhì)的組合分析：1. 急冷凝固技術(shù)分散形式冷卻介質(zhì)模冷技術(shù)：熔體分離成細(xì)小的熔體流在運(yùn)動或固定的導(dǎo)熱性好的冷模上迅速冷卻凝固。霧化技術(shù)：外力作用下（離心、機(jī)械力、高速流體沖擊力）熔體分散成霧狀熔滴，在流體或冷模上迅速冷卻凝固。表面熔化與沉積技術(shù)：表面快速凝固技術(shù)，即待加工的材料或半成形、已成形的工件表面處于快速凝固狀態(tài)。按熔體分離和冷卻方式分為：（1）模冷技術(shù) 熔體分離成細(xì)小的熔體流在運(yùn)動或固定的導(dǎo)熱性好的冷模上迅速冷卻凝固?！皹尅狈ǎ弘p活塞法：活塞砧法、錘砧法熔體旋轉(zhuǎn)法：單輥、雙輥、離心式、旋轉(zhuǎn)翼急冷平面流鑄造法：包

6、括熔體拖拉法電子束急冷淬火熔體提取法：坩堝熔體提取法、懸滴熔體提取法 “槍” 法 雙活塞法：活塞砧法、錘砧法 熔體旋轉(zhuǎn)法：單輥、雙輥、離心式、旋轉(zhuǎn)翼急冷 平面流鑄造法：包括熔體拖拉法. 電子束急冷淬火 熔體提取法：坩堝熔體提取法、懸滴熔體提取法（2）霧化技術(shù)雙流霧化離心霧化機(jī)械霧化和其他霧化技術(shù) 雙流霧化 離心霧化 機(jī)械霧化（3） 表面熔化與沉積技術(shù)高能束表面熔凝（激光束、電子束、等離子束）熱噴涂（等離子、HVOF等）等離子噴涂等離子噴涂Principle of dc plasma sprayed coating formation.激光表面加工 Fig.1 Spectrum of laser

7、-materials interaction2. 大過冷凝固技術(shù) 在凝固過程，設(shè)法消除熔體中可以作為非均勻形核媒質(zhì)的雜質(zhì)或容器壁的影響，盡可能形成接近均勻形核的凝固條件，以獲得大的凝固過冷度。（1）小體積大過冷凝固法乳化法：將熔融的金屬彌散在與之不互溶的載流體中，通過高速機(jī)械攪拌，破碎成細(xì)小的乳滴（1-10um），隨后凝固成粉末。載流體常用有機(jī)油或熔鹽。該法的過冷度0.3-0.4Tm。熔滴-基底法：與上相似，熔滴在冷模上凝固。落管法：合金熔滴熔化后，從長達(dá)100m左右、真空度10-3 Pa，豎直的真空管上端自由下落而凝固，熔體在凝固過程中可不與任何介質(zhì)接觸，達(dá)到較大的過冷度。示意圖(2) 大體積大過冷凝固法玻璃體包裹法：用流體玻璃體把大塊熔體與容器壁分開，使凝固時不受容器壁的影響。二相區(qū)法：合金加熱到雙相區(qū)，控制溫度使熔體占20%，達(dá)到平衡時淬火凝固。電磁懸浮熔化法：將直徑為數(shù)毫米的合金放入電磁線圈中，依靠電磁場的懸浮力，使樣品處于懸浮狀態(tài)，并在惰性氣氛下感應(yīng)熔化，斷電后凝