快速凝固合金的組織結(jié)構(gòu)和性能

快速凝固合金的組織結(jié)構(gòu)和性能

隨著金屬冷杉技術(shù)的興趣和深入研究，形成了幾種冷杉法控制組織。其中，高速冷杉是一種重要的加固材料，用于研究金屬的潛在性能和發(fā)展趨勢(shì)，也是冷杉過程研究的一個(gè)特殊領(lǐng)域。在過去，對(duì)冷杉過程的模擬考慮了在融合狀態(tài)下產(chǎn)生的熱傳導(dǎo)和冷杉過程中不可避免的冷流，而在金屬冷杉過程中，除了冷杉過程中存在的流動(dòng)外，快速冷杉技術(shù)還開始研究如何改變不同形式的冷杉，以滿足人們的真實(shí)生活和生產(chǎn)要求。著重于大的溫度梯度和快的凝固速度的快速凝固技術(shù),正在走向逐步完善的階段。1冷卻速度對(duì)固液界面的影響快速凝固是指通過對(duì)合金熔體的快速冷卻(≥104～106K/s)或非均質(zhì)形核的被遏制,使合金在很大的過冷度下,發(fā)生高生長(zhǎng)速率(≥1～100cm/s)的凝固。由于凝固過程的快冷、起始形核過冷度大,生長(zhǎng)速率高,使固液界面偏離平衡,因而呈現(xiàn)出一系列與常規(guī)合金不同的組織和結(jié)構(gòu)特征。加快冷卻速度和凝固速率所引起的組織及結(jié)構(gòu)特征可以近似地用圖1來表示.從上圖我們不難看出,隨著冷卻速度的加快,材料的組織及結(jié)構(gòu)發(fā)生著顯著的變化,可以肯定地說,它也將帶來性能上的顯著變化。開發(fā)了襯底急冷技術(shù)與表面熔凝技術(shù)。2快速凝固的一些重要方法2.1表面熱耦合技術(shù)和快速冷卻技術(shù)這兩種凝固技術(shù)的核心是使熔化后的熔體通過冷或高導(dǎo)熱率的基體冷卻凝固。圍繞這個(gè)問題,人們2.1.1金屬及其合金的襯底襯底急冷技術(shù)的特點(diǎn)是把熔體分散成截面尺寸很小的熔體流,然后使熔體流與高導(dǎo)熱率襯底接觸而凝固,如表1及表1(續(xù))所示。主要通過傳導(dǎo)方式散熱、冷卻,獲得的大多數(shù)是片狀的金屬條帶。上述幾種襯底急冷凝固方法應(yīng)用于大多數(shù)金屬及其合金,但某些活性金屬如鈦、鋯等及其合金在熔化后的高溫下很容易與石英管或陶瓷管發(fā)生反應(yīng)而受到污染。另外,由于石英管噴嘴尺寸一般很小,容易產(chǎn)生堵塞問題.所以相應(yīng)的有了以下快速凝固的方法。如表1(續(xù))。2.1.2表面精煉技術(shù)表面熔凝技術(shù)的特點(diǎn)是用高密度能束掃描工件表面使其表層熔化,通過熔體向下面冷的工件迅速傳熱而凝固,如表2所示。2.2分散技術(shù)和表面沉積物技術(shù)其核心是進(jìn)一步將熔體熔化成小的液滴,縮小與冷卻介質(zhì)接觸的散熱面積之比,從而使熔體迅速冷凝。2.2.1流體介質(zhì)中迅速冷卻凝固反應(yīng)的方法霧化技術(shù)的特點(diǎn)是使熔體在外力作用下分散成極小的霧滴,在相對(duì)運(yùn)動(dòng)速度很高的流體介質(zhì)中迅速冷卻凝固,如表3所示。其制成的產(chǎn)品主要是粉末,可直接固結(jié)成形為大塊材料或工件。它主要是以對(duì)流方式冷卻,故冷凝的速度不高;此外如何提高粉末的收得率、減輕粉末的氧化與污染等問題還有待進(jìn)一步研究改進(jìn).2.2.2固定的涂層體系表面沉積技術(shù)的特點(diǎn)主要是使將通過霧化技術(shù)制得的粉末或已霧化的金屬熔滴,噴射到工件表面上,讓其迅速冷凝沉積成與基體結(jié)合牢固、致密的噴涂層。上述幾種快速凝固的原理決定了產(chǎn)品的形狀,至少在一維方向上尺寸很小,如粉末、箔片、纖維、薄帶、細(xì)線等形狀,但是對(duì)于主要做為結(jié)構(gòu)材料使用的急冷晶態(tài)合金,這些形狀的產(chǎn)品顯然無法實(shí)際應(yīng)用.2.3冷硬固大工藝大過冷凝固技術(shù)的核心是利用金屬本身的特點(diǎn)實(shí)現(xiàn)快速凝固的方法之一。具體方法有快速蒸汽冷凝技術(shù)、快速卸壓淬火等。2.3.1汽快速蒸餾法ERC法是借助于低溫液體將蒸發(fā)的金屬蒸汽快速冷凝,然后在聚結(jié)之前沉積到捕集器中或旋流收集器中。利用此法所制得的金屬粉末顆粒尺寸極細(xì),而且粒度分布非常均勻.2.3.2亞穩(wěn)相的產(chǎn)生及非晶化的特點(diǎn)快速卸壓淬火是一種有效的新的快速凝固方法,對(duì)熔體在適當(dāng)?shù)某跏紲囟群蛪毫ο驴焖傩秹哼_(dá)到固化。由于不受材料自身的熱傳導(dǎo)性質(zhì)的限制,因而可獲得大塊亞穩(wěn)材料甚至非晶,實(shí)現(xiàn)了快速凝固的原理,并對(duì)亞穩(wěn)相的產(chǎn)生及非晶化成因提供了熱力學(xué)上的合理解釋.大過冷凝固技術(shù)的特點(diǎn)是:在熔體中形成盡可能接近均勻形核的凝固條件,從而在形核前獲得大的過冷度。熔體主要是通過導(dǎo)熱性差的介質(zhì)傳熱或以輻射傳熱的方式冷卻。目前,采用此技術(shù)制取的合金尺寸、數(shù)量都很小,而且不能連續(xù)生產(chǎn),因此要使其不僅在理論和實(shí)驗(yàn)研究中得到廣泛應(yīng)用,而且象急冷凝固技術(shù)那樣應(yīng)用于實(shí)際生產(chǎn)還需要做進(jìn)一步的改進(jìn).對(duì)于大量用作結(jié)構(gòu)材料的快速凝固合金,就需要采用固結(jié)成型技術(shù),它的效果直接影響到了合金的最終性能和廣泛應(yīng)用?？焖倌碳夹g(shù)正在引起人們更多的重視,而且隨著實(shí)際生產(chǎn)的需要,也正在不斷的深化。3鋼等新材料研究與開發(fā)中的問題快速凝固技術(shù)是1960年才開始出現(xiàn)的一種研制新型合金的技術(shù),它在對(duì)Fe-Mo-Al合金、改型304不銹鋼等新材料的研究與開發(fā)起到了關(guān)鍵性作用;特別是超塑性的利用更是其它方法所不能取代的。有關(guān)快速凝固及合金的理論研究將給材料科學(xué)和其它有關(guān)學(xué)科注入新的活力,而且對(duì)快速凝固合金的微觀組織結(jié)構(gòu)與凝固參數(shù)之間的關(guān)系、對(duì)合金相的形成,特別是亞穩(wěn)晶態(tài)相、非晶和準(zhǔn)晶形成機(jī)制的研究,都將對(duì)固體物理等基礎(chǔ)理論構(gòu)成嚴(yán)峻的挑戰(zhàn).4冷的培養(yǎng)基冷卻冷卻目前關(guān)于快速凝固技術(shù)的研究著重于母合金熔融后分成微