快速凝固課件

第八章凝固新技術(shù)第二節(jié)快速凝固主要內(nèi)容快速凝固應(yīng)用快速凝固方法與技術(shù)快速凝固簡(jiǎn)介金屬凝固基礎(chǔ)知識(shí)回顧快速凝固合金組織特點(diǎn)1、金屬凝固基礎(chǔ)知識(shí)回顧結(jié)晶概念：金屬由液態(tài)轉(zhuǎn)變?yōu)楣虘B(tài)的過程。

金屬原子由短程有序變?yōu)殚L(zhǎng)程有序的過程。結(jié)晶的基本過程結(jié)晶由晶核的形成和晶核的長(zhǎng)大兩個(gè)基本過程組成液態(tài)金屬中存在著原子排列規(guī)則的小原子團(tuán)，它們時(shí)聚時(shí)散，稱為晶坯。在T0以下,經(jīng)一段時(shí)間后(即孕育期),一些大尺寸的晶坯將會(huì)長(zhǎng)大，稱為晶核。金屬結(jié)晶過程中的過冷現(xiàn)象過冷度:ΔT=Tm—Tn

Tm:金屬的理論結(jié)晶溫度。液—固共存溫度。Tm-----理論結(jié)晶溫度;Tn-----實(shí)際結(jié)晶溫度。

金屬結(jié)晶須過冷，且冷速愈快，則ΔT越大Tn越低。

金屬結(jié)晶的熱力學(xué)條件

結(jié)晶為何需過冷？→提供熱力學(xué)條件。

熱力學(xué)第二定律：在等溫等壓下，任何自發(fā)進(jìn)行的過程都是向自由能降低的方向進(jìn)行。結(jié)晶：高能→低能。1.形核時(shí)能量變化和臨界晶核半徑。

多大尺寸晶胚可作為晶核長(zhǎng)大呢？

在ΔT下，假設(shè)：晶核為球形，半徑為r，則有系統(tǒng)總自由能變化：

ΔG=V?ΔGV+A?σ

A-表面積，σ-比表面能

①ΔGV=GS-GL<0（結(jié)晶驅(qū)動(dòng)力）晶核長(zhǎng)大，驅(qū)動(dòng)力↑。②A·σ>0→（結(jié)晶阻力）隨晶核長(zhǎng)大，表面能上升。

1．形核時(shí)能量變化和臨界晶核半徑。對(duì)球形晶核，由ΔG=V?ΔGV+A?σ可得

設(shè)r*為臨界晶核半徑。

當(dāng)r<r*，晶胚長(zhǎng)大ΔG↑，不能形核。

r>r*，晶胚長(zhǎng)大使ΔG↓，形核。

在r=r*時(shí)，ΔG極大→ΔG*

晶核形成后便向各方向生長(zhǎng)，同時(shí)又有新的晶核產(chǎn)生。晶核不斷形成，不斷長(zhǎng)大，直到液體完全消失。每個(gè)晶核最終長(zhǎng)成一個(gè)晶粒，兩晶粒接觸后形成晶界。晶核的形成方式形核有兩種方式，即自發(fā)(均勻)形核和非自發(fā)（非均勻）形核。在液體結(jié)構(gòu)內(nèi)部由金屬本身原子自發(fā)長(zhǎng)出的結(jié)晶核心稱自發(fā)形核以液體中存在的固態(tài)雜質(zhì)為核心形核稱非自發(fā)形核?！敖Y(jié)構(gòu)相似，尺寸相當(dāng)”。非自發(fā)形核更為普遍。均勻形核非均勻形核示意圖二、快速凝固簡(jiǎn)介定義：快速凝固是指采用急冷技術(shù)或深過冷技術(shù)獲得很高的凝固前沿推進(jìn)速率的凝固過程。界面推進(jìn)速率大于10mm/s冷卻速率達(dá)到105~1010K/s快固-液界面的移動(dòng)速率趕上或超過原子間擴(kuò)散速率時(shí)，晶體將來不及轉(zhuǎn)移成分，界面固、液相成分不再平衡。實(shí)現(xiàn)快速凝固的條件滿足RS條件的途徑：

1）大的冷卻速度

對(duì)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溫，即可實(shí)現(xiàn)快速凝固。

大過冷度

T

利用抑制凝固過程的形核，使合金液獲得很大過冷度，實(shí)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

℃

)

快速凝固的目的超細(xì)組織過飽和固溶體亞穩(wěn)相或新的結(jié)晶相微晶、納米晶或金屬玻璃形成獲得優(yōu)異的強(qiáng)度、塑性、耐磨性、耐腐蝕性等?？焖倌碳夹g(shù)的歷史1960年，杜韋茲（Duwez）首先創(chuàng)立了一種新型合金的冶金技術(shù)

“槍”式急冷凝固技術(shù)。該技術(shù)特點(diǎn)：設(shè)法將金屬熔體分割成尺寸很小的熔滴，減小熔滴體積和熔滴散熱面積之比，從而使熔滴被冷卻介質(zhì)迅速冷卻而凝固。如杜韋茲制取Au-Si非晶態(tài)合金時(shí)，凝固的冷卻速度高達(dá)106

109K/s，過冷度高達(dá)102K數(shù)量級(jí)，相應(yīng)的凝固速度可達(dá)10

102cm/s，這種冷卻速度、過冷度和凝固速度是常規(guī)凝固技術(shù)所無(wú)法達(dá)到的。自從杜韋茲1960年創(chuàng)立快速凝固技術(shù)以來，這一技術(shù)已經(jīng)不斷完善和系統(tǒng)化，并逐步由實(shí)驗(yàn)室研究轉(zhuǎn)向商業(yè)生產(chǎn)?？焖倌碳夹g(shù)研究已經(jīng)經(jīng)歷了三個(gè)發(fā)展階段：1960年代的非晶態(tài)急冷合金研究、1970年代的快速凝固晶態(tài)合金研究和1980年代以后的準(zhǔn)晶態(tài)合金研究。自1973年以后，全世界每年與快速凝固技術(shù)或合金有關(guān)的論文數(shù)量呈指數(shù)上升；到1985年，每年發(fā)表的有關(guān)論文已達(dá)1000余篇。已經(jīng)召開了6次急冷金屬國(guó)際會(huì)議和3次快速凝固國(guó)際會(huì)議；1985年，快速凝固學(xué)術(shù)期刊“Int.JRapidSolidification”創(chuàng)刊。DepartmentofMaterialsScienceandEngineering,Y.F.Wang3、快速凝固合金組織特點(diǎn)偏析傾向減小，成分均勻化一方面是溶質(zhì)原子不均勻分布或偏析的范圍減小通常，用樹枝狀晶偏析的二次枝晶臂間距來表征成分偏析的范圍或距離顯然，快速凝固合金晶粒細(xì)化，枝晶間距減小，偏析范圍呈數(shù)量級(jí)減小b.形成超飽和固溶體產(chǎn)生的原因在于大多數(shù)液態(tài)合金是無(wú)限互溶的（CLmax→1），而在快速凝固過程中，發(fā)生了非平衡或無(wú)溶質(zhì)分配凝固?？焖倌毯辖鹬兄脫Q式固溶體和間隙式固溶體的溶質(zhì)固溶度都會(huì)有較大的亞穩(wěn)擴(kuò)展，而且一般冷速高、擴(kuò)展大DepartmentofMaterialsScienceandEngineering,Y.F.Wangｃ．組織超細(xì)化、尺寸均勻化快速凝固合金晶粒，隨冷速增大，依次可能為樹枝狀晶、胞狀或柱狀晶與等軸晶快速凝固合金晶粒尺寸極小，而且大小分布均勻由于凝固形核前熔體過冷度可達(dá)幾十甚至幾百度，而結(jié)晶形核速率比長(zhǎng)大速度更強(qiáng)烈地依賴于過冷度，大大地提高了凝固形核速率，同時(shí)，在極短的凝固時(shí)間晶粒難以充分長(zhǎng)大通常，快速凝固晶態(tài)合金被稱為微晶合金，甚至有人根據(jù)凝固速度很高的合金中晶粒可小達(dá)納米量級(jí)，而把快速凝固晶態(tài)合金分為微（米）晶合金和納（米）晶合金DepartmentofMaterialsScienceandEngineering,Y.F.Wangｄ．晶體缺陷增加與鑄態(tài)合金相比，快速凝固合金中的空位、位錯(cuò)等缺陷密度有較大增加原因液態(tài)合金中空位形成能（0.11eV）比固態(tài)合金中的（0.76eV）小得多，故，液態(tài)合金中空位濃度高得多，快速凝固時(shí)大部分空位來不及消失而留在固態(tài)合金中凝固速度高，晶體生長(zhǎng)過程中也容易形成空位，導(dǎo)致固態(tài)合金中空位濃度高由于快速凝固過程中熱應(yīng)力大，空位聚集，崩塌，形成位錯(cuò)環(huán)，導(dǎo)致位錯(cuò)密度（尤其是位錯(cuò)環(huán)）高與鑄態(tài)合金相比，快速凝固合金中的層錯(cuò)密度也有較大增加快速凝固合金中的空位濃度、位錯(cuò)密度、層錯(cuò)密度增大，這對(duì)合金的溶質(zhì)擴(kuò)散、合金中固態(tài)相變以及合金性能都會(huì)產(chǎn)生重要影響ｅ．產(chǎn)生亞穩(wěn)晶體相，甚至準(zhǔn)晶、非晶相形成的亞穩(wěn)相是快速凝固合金微觀組織結(jié)構(gòu)的一個(gè)重要特征DepartmentofMaterialsScienceandEngineering,Y.F.Wang快速凝固合金的主要性能特征快速凝固組織——微觀組織結(jié)構(gòu)尺寸細(xì)化與均勻化；成分均勻化、偏析減少；固溶度擴(kuò)展、過飽和過熔體形成；位錯(cuò)、層錯(cuò)等密度提高；亞穩(wěn)相形成與控制經(jīng)適當(dāng)?shù)墓探Y(jié)成型——基本能保持快速凝固組織的優(yōu)勢(shì)，甚至可以產(chǎn)生更好的彌散強(qiáng)化作用細(xì)晶強(qiáng)化與韌化、微疇強(qiáng)化與韌化提高合金元素使用效率、避免有害相產(chǎn)生、消除微裂紋萌生起到很好的固溶強(qiáng)化作用、也為第二相析出和彌散強(qiáng)化提供條件產(chǎn)生位錯(cuò)強(qiáng)化作用，也可以改善脫溶產(chǎn)物形貌強(qiáng)化和韌化作用與相應(yīng)的鑄態(tài)合金相比，快速凝固合金的硬度、強(qiáng)度、塑性、韌性、耐磨性、耐蝕性等均有明顯提高，室溫性能如此，某些高溫性能亦如此在常規(guī)鑄態(tài)合金基礎(chǔ)上經(jīng)成分調(diào)整和具有全新成分的快速凝固合金一般也具有更加優(yōu)異的性能DepartmentofMaterialsScienceandEngineering,Y.F.Wang凝固在很大的過冷度和很高的冷卻速率下進(jìn)行，凝固組織中會(huì)出現(xiàn)非平衡相。把溫度梯度G和生長(zhǎng)速率R聯(lián)系起來，用GR空間表示顯微組織的變化和枝晶間距（偏析間距）的變化：

對(duì)鑄件和鑄錠，通常GR=10-3~101K/s，但對(duì)霧化法，GR=102~106K/s。相應(yīng)地，偏析間距λ從1000μm減小到0.01μm。＜冷卻條件冷卻速率/(K·S-1)組織特征工業(yè)冷卻速率砂型鑄件和鑄錠10-3---100平衡條件的晶粒組織,如粗樹枝晶,共晶和其他結(jié)構(gòu)。中等冷卻速率薄帶，模鑄件，普通霧化粉末100---103精細(xì)顯微結(jié)構(gòu),如細(xì)樹枝晶,共晶和其他結(jié)構(gòu)?？焖倌天F化細(xì)粉、噴霧沉積、電子束或激光玻璃化處理103---106特殊顯微結(jié)構(gòu),如擴(kuò)大固溶度，微晶結(jié)構(gòu)，亞穩(wěn)結(jié)晶相，非晶結(jié)構(gòu)。不同凝固速度所得材料的組織特征3、快速凝固方法與技術(shù)1.動(dòng)力學(xué)急冷法2.熱力學(xué)深過冷法動(dòng)力學(xué)急冷法

在動(dòng)力學(xué)急冷凝固技術(shù)中，根據(jù)熔體分離和冷卻方式的不同，可以分成霧化技術(shù)、模冷技術(shù)和表面熔化技術(shù)三大類。原理：通過提高熔體凝固時(shí)的傳熱速率從而提高凝固時(shí)的冷卻速率，使熔體形核時(shí)間極短，來不及在平衡熔點(diǎn)附近凝固而只能在遠(yuǎn)離平衡熔點(diǎn)的較低溫度凝固，因而具有很大的凝固過冷度和凝固速率。模冷技術(shù)模冷技術(shù)：使金屬液接觸固體冷源并以傳導(dǎo)的方式散熱而實(shí)現(xiàn)快速凝固。其主要特點(diǎn)是首先把熔體分離成連續(xù)或不連續(xù)的、界面尺寸很小的熔體流，然后使熔體流與旋轉(zhuǎn)或固定的、導(dǎo)熱良好的冷?；蚧籽杆俳佑|而冷卻凝固。模冷技術(shù)槍法雙活塞法熔體旋轉(zhuǎn)法平面流鑄造法表面熔化與沉積技術(shù)熔體提取法急冷模法霧化技術(shù)

霧化技術(shù)是指采用某種措施將熔體分離霧化，同時(shí)通過對(duì)流的冷卻方式凝固，其主要特點(diǎn)是在離心力、機(jī)械力或高速流體沖擊力等作用下分散成尺寸極小的霧狀熔滴在氣流或冷模接觸中迅速冷卻凝固。流體霧化法霧化技術(shù)離心霧化法機(jī)械霧化法DepartmentofMaterialsScienceandEngineering,Y.F.Wang“槍”法“槍”法工藝示意圖1-高壓室，2-聚酯薄膜，3-感應(yīng)線圈，4-低壓室，5-銅模工作原理：

小于0.5g的母合金放置在石英管中，經(jīng)感應(yīng)圈3加熱熔化后，高壓室1中突然通入2

3GPa(20410

30600個(gè)工業(yè)大氣壓)的高壓氣流，使位于高壓室1和低壓室4之間的聚酯薄膜2破裂，從而產(chǎn)生沖擊波，將金屬熔體分離成細(xì)小的熔滴，并使其加速到每秒幾百米的速度，然后噴射到導(dǎo)熱性良好的固定銅模5上，熔滴迅速凝固成箔片。

由于熔滴的速度很高，象子彈一樣，所以該方法稱之為“槍”法。DepartmentofMaterialsScienceandEngineering,Y.F.Wang雙活塞法（TwinPistonMethod）

小于1g的母合金在感應(yīng)器1中加熱熔化，熔滴2下落；當(dāng)熔滴2擋住光電管的光束時(shí)，光點(diǎn)線路啟動(dòng)純銅雙活塞相對(duì)運(yùn)動(dòng)的驅(qū)動(dòng)裝置，使活塞迅速收合，擠壓熔滴，使之凝固成薄片。1-感應(yīng)線圈，2-熔滴，3-活塞DepartmentofMaterialsScienceandEngineering,Y.F.Wang熔體旋轉(zhuǎn)法（MeltSpinning）

將母合金切成30mm的小段或小塊，再磨去氧化皮，裝入石英管1中；通過感應(yīng)器8迅速加熱熔化母合金；從石英管上端通入氮?dú)饣蚨栊詺怏w2，金屬熔體在壓力下克服表面張力，從石英管下端的噴嘴4中噴到下方高速旋轉(zhuǎn)的輥輪7的表面；當(dāng)金屬熔體與輥輪表面接觸時(shí)，迅速凝固，并在離心力的作用下以薄帶的形式拋出。1-石英管，2-惰性氣體，3-薄帶，4-噴嘴，5-熔體，6-熔池，7-輥輪，8-感應(yīng)線圈熔體旋轉(zhuǎn)快速凝固設(shè)備DepartmentofMaterialsScienceandEngineering,Y.F.Wang平面流鑄法（PFC）

平面流鑄工藝原理與熔體旋轉(zhuǎn)法基本相同，只是石英管噴嘴的寬度與制成薄帶的寬度相同，噴嘴與輥面的間距更小，約20

100

m（熔體旋轉(zhuǎn)法中噴嘴與輥面的間距約為200

m）。1-石英管，2-輥輪，3-薄帶DepartmentofMaterialsScienceandEngineering,Y.F.Wang熔體拖拉法（MD）

與平面流鑄法的不同之處在于石英管位于輥輪的側(cè)面，近似與輥輪面相切；母合金1在石英管2中快速感應(yīng)加熱熔化；金屬熔體不靠氣體壓力流出，而是靠重力作用自動(dòng)流出，并被緊靠噴嘴的旋轉(zhuǎn)輥面向上拖帶，迅速冷卻凝固，從輥輪的另一面落下。1-熔體，2-石英管，3-感應(yīng)線圈，4-輥輪，5-薄帶DepartmentofMaterialsScienceandEngineering,Y.F.Wang電子束急冷淬火法（EBSO）

聚焦電子束2加熱懸掛的母合金棒的下端，熔化后的母合金熔滴3在重力作用下向下滴落，熔滴3滴落在以母合金棒為軸心的高速旋轉(zhuǎn)的銅盤上，冷凝成箔片，并在離心力的作用下甩出。1-母合金棒，2-電子束，3-熔滴，4-銅盤DepartmentofMaterialsScienceandEngineering,Y.F.Wang懸滴熔體提取法（MeltExtraction）

懸滴熔體提取法與電子束急冷淬火相似，旋轉(zhuǎn)提取銅盤的軸線與母合金棒垂直而非平行；母合金1在電弧或電子束加熱下熔化，熔體靠重力下滴，與旋轉(zhuǎn)銅盤的棱邊接觸，并被拖拉快凝成纖維或薄片，在離心力作用下被甩出。1-母合金棒，2-熱源，3-旋轉(zhuǎn)提取盤，4-弧刷，5-纖維DepartmentofMaterialsScienceandEngineering,Y.F.Wang坩堝熔體提取法快速凝固纖維DepartmentofMaterialsScienceandEngineering,Y.F.Wang(3)霧化技術(shù)

霧化技術(shù)是指采用某種措施將熔體分離霧化，同時(shí)通過對(duì)流的冷卻方式凝固，其主要特點(diǎn)是在離心力、機(jī)械力或高速流體沖擊力等作用下分散成尺寸極小的霧狀熔滴在氣流或冷模接觸中迅速冷卻凝固。流體霧化法霧化技術(shù)離心霧化法機(jī)械霧化法DepartmentofMaterialsScienceandEngineering,Y.F.Wang霧化技術(shù)

金屬熔體在上室的坩堝中感應(yīng)熔化，從坩堝底部的小孔中流出，在高壓、高速霧化氣流的沖擊下，金屬熔體經(jīng)過線狀、片狀、熔滴狀三個(gè)階段被逐步分離霧化，并在氣流的冷卻下凝固成粉末；氣流霧化技術(shù)DepartmentofMaterialsScienceandEngineering,Y.F.Wang圖2-16氣體霧化Al-Li-Cu-Mg-Zr粉末顆粒的掃描電鏡照片DepartmentofMaterialsScienceandEngineering,Y.F.Wang圖2-17雙流水霧化工藝示意圖1-合金熔體，2-水流，3-石英管以水射流代替氣體射流外，其余與氣體霧化相似

顆粒多呈不規(guī)則形，但冷速可達(dá)102-104K/s

已被大規(guī)模應(yīng)用于工具鋼、低合金鋼、銅、錫、鐵粉等等（水霧化鋼和超合金,活潑元素易氧化，O%≥1000ppm，而氣體霧化，O%~100ppm）有時(shí)，也可以油代水，以降O%

水流霧化技術(shù)DepartmentofMaterialsScienceandEngineering,Y.F.Wang圖2-18雙流水霧化金屬粉末顆粒的掃描電鏡照片(a)Fe-1.9Ni-0.5Mo,(b)Cu(a)(b)DepartmentofMaterialsScienceandEngineering,Y.F.Wang圖2-19超聲氣體霧化工作原理示意圖1-集粉罐，2-手動(dòng)真空閥，3-旋風(fēng)分離器，4-磁閥，5-霧化筒，6-窺測(cè)孔，7-高頻電源接線，8-坩堝，9-霧化噴嘴，10-抽真空和輸氣管道，11-熱電偶，12-塞桿超聲霧化技術(shù)DepartmentofMaterialsScienceandEngineering,Y.F.Wang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高，最高達(dá)2.5馬赫，而且聲波頻率高，達(dá)80~100kHz；(常規(guī)氣體霧化射流以連續(xù)方式流動(dòng)，而超聲霧化射流則以80-100Hz的頻率振動(dòng)。)高速高頻氣流由裝配在霧化噴嘴上的激波管產(chǎn)生可有效破碎液流，粉末更細(xì)（平均約20μm），粒度均勻（尺寸分布窄），平均冷速可達(dá)105K/s可以成功地用于生產(chǎn)鋁、超合金、Ti-Al粉

DepartmentofMaterialsScienceandEngineering,Y.F.Wang圖2-22高速旋轉(zhuǎn)筒霧化工藝示意圖1-感應(yīng)圈，2-石英管，3-合金熔體，4-旋轉(zhuǎn)筒，5-冷卻液熔融金屬顆粒落入裝了旋轉(zhuǎn)液體（水）的杯中，液體在內(nèi)壁成液體層，提高冷速，兼霧化器作用粉末尺寸分布范圍窄，細(xì)粉多，呈球形，表面質(zhì)量好。冷速可達(dá)１０４-１０６Ｋ／ｓ旋轉(zhuǎn)筒霧化DepartmentofMaterialsScienceandEngineering,Y.F.Wang圖2-23滾筒急冷霧化工藝示意圖1-氣體霧化裝置，2-合金熔滴，3-滾筒，4-薄片滾筒急冷霧化DepartmentofMaterialsScienceandEngineering,Y.F.Wang圖2-24離心快速凝固霧化工藝示意圖1-冷卻氣體，2-旋轉(zhuǎn)霧化器，3-粉末，4-合金熔體液態(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?gòu)嫩釄寤驈娜刍哪负辖鸢舳藵沧⒌叫D(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，霧滴在飛行過程中球化并凝固。整個(gè)過程（熔化、霧化、凝固）在惰性氣體環(huán)境中完成離心快速凝固霧化DepartmentofMaterialsScienceandEngineering,Y.F.Wang圖2-25旋轉(zhuǎn)電極霧化工藝示意圖1-惰性氣體，2-抽真空，3-母合金，4-電機(jī)，5-鎢電極，6-粉末收集器欲被霧化的棒料快速旋轉(zhuǎn)，同時(shí)棒料一端被一個(gè)非自耗鎢電極產(chǎn)生的電弧熔化，融化的金屬?gòu)男羯纤Τ?，在與惰性氣體室室壁碰撞之前凝固，成粉粉末多呈球形，表面質(zhì)量好，尺寸大，大于200μm，冷速～10２Ｋ／ｓ已用于霧化活潑的金屬，如高純、低氧的Ｔｉ、Ｚｒ、Ｎｂ、Ｔａ、Ｖ等金屬及其合金，以及Ｎｉ和Ｃｏ的超合金。易出現(xiàn)鎢污染，可用鈦陰極或等離子體弧、激光、電子束來熔化棒料旋轉(zhuǎn)電極霧化4.3表面融化與沉積技術(shù)DepartmentofMaterialsScienceandEngineering,Y.F.Wang圖2-28激光表面熔化工藝示意圖激光束將高密度能量施于金屬表面有限的區(qū)域上，該區(qū)表面快速熔化（根據(jù)處理工藝要求，熔化層厚度可從幾十微米到上千微米不等），然后熔化微區(qū)快速凝固，（固態(tài)）冷卻激光表面熔化DepartmentofMaterialsScienceandEngineering,Y.F.Wang圖2-29電子束表面熔化工藝示意圖1-電子束，2-偏轉(zhuǎn)線圈，3-工件，4-熔化區(qū)DepartmentofMaterialsScienceandEngineering,Y.F.Wang圖2-30等離子體噴涂沉積工藝示意圖1-等離子態(tài)噴槍，2-粉末，3-惰性氣體，4-熔滴，5-噴涂沉積層，6-工件基體熱力學(xué)大過冷快速凝固熱力學(xué)深過冷是指通過各種有效的凈化手段避免或消除金屬或合金液中的異質(zhì)晶核的形核作用，增加臨界形核功、抑制均質(zhì)形核作用，使得液態(tài)金屬或合金獲得在常規(guī)條件下難以達(dá)到的過冷度。采用這種技術(shù),可以在冷速不高的情況下獲得很大的凝固過冷度。因此,熱力學(xué)深過冷非平衡凝固在理論上不受熔體體積限制，是實(shí)現(xiàn)大體積熔體非平衡凝固的有效方法。DepartmentofMaterialsScienceandEngineering,Y.F.Wang(2)大過冷技術(shù)

即LargeUndercoolingTechnology，簡(jiǎn)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。

實(shí)現(xiàn)大過冷技術(shù)的途徑：

消除金屬熔體內(nèi)部形核媒質(zhì)

分離熔體為熔滴；

消除容器壁的形核媒質(zhì)

金屬熔體與容器壁分離。

當(dāng)熔滴很小、數(shù)量很多時(shí)，每個(gè)熔滴中的形核媒質(zhì)數(shù)目非常少，從而產(chǎn)生接近均勻形核的條件。

電磁懸浮熔煉法：通過選擇合適的線圈形狀及輸出頻率，使試樣在電磁力作用下處于懸浮裝態(tài)，再通入He、Ar、H2等保護(hù)氣氛，通過感應(yīng)加熱熔化，控制凝固從而實(shí)現(xiàn)深過冷。兩相區(qū)法：將合金熔體過熱，然后冷卻至固液兩相區(qū)，使也想在先析出相的包裹下結(jié)晶而獲得深過冷。落管法：通過電磁懸浮熔煉、電子束或其他方法熔化金屬，隨后金屬熔體在真空或通入保護(hù)性氣體的管中自由下落冷卻凝固。自由下落過程中，金屬或合金液避免與器壁相接觸，同時(shí)又具有微重力凝固的特征，因而可以獲得深過冷。微重力法：利用太空中微重力場(chǎng)和高真空條件，使液態(tài)金屬自由懸浮于空中實(shí)現(xiàn)無(wú)坩堝凝固，從而獲得深過冷。DepartmentofMaterialsScienceandEngineering,Y.F.Wang

循環(huán)過熱法：在非晶態(tài)坩堝或形核觸發(fā)作用較小的坩堝中對(duì)純金屬或合金進(jìn)行“加熱熔化----過熱保護(hù)----冷卻凝固”循環(huán)處理，金屬中的異質(zhì)形核核心通過熔化、分解和蒸發(fā)等途徑消失或鈍化從而失去襯底作用獲得熔體的深過冷。熔融玻璃凈化法：在熔融玻璃的包覆下進(jìn)行熔煉，液態(tài)金屬中的夾雜物在被玻璃熔體物理吸附的同時(shí)，還可以與玻璃中的某些組元相互作用形成低熔點(diǎn)化合物進(jìn)入溶劑中，達(dá)到消除異質(zhì)核心的目的?；瘜W(xué)凈化法：通過界面與氣體間的化學(xué)反應(yīng)使部分氧化物質(zhì)點(diǎn)還原、抑制界面處氧化物質(zhì)點(diǎn)的增加速率來獲得深過冷。復(fù)合凈化法：（1）循環(huán)過熱與懸浮熔煉相結(jié)合工藝（2）熔融玻璃自分離凈化法（3）其他方法DepartmentofMaterialsScienceandEngineering,Y.F.WangDepartmentofMaterialsScienceandEngineering,Y.F.Wang快速凝固金屬的成型工藝

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??；細(xì)絲

二維尺寸很小；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(huì)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(shí)，必須預(yù)先把快速凝固材料成型?？焖倌躺a(chǎn)的帶材、棒材、粉末DepartmentofMaterialsScienceandEngineering,Y.F.Wang

通常采用粉末冶金的方法進(jìn)行快速凝固材料的預(yù)成型，常用的成型方法如下：

高能高壓成型

冷變形固結(jié)

熱變形固結(jié)

粉末直接成型

高壓冷燒結(jié)DepartmentofMaterialsScienceandEngineering,Y.F.Wang高能高壓成型

爆炸成型的原理如圖2-32所示。(a)圖所示為徑向爆炸法；引爆后膨脹的氣體對(duì)管壁產(chǎn)生很高的沖擊壓力，該沖擊波繼續(xù)沿管徑方向傳播，在粉末柱體中心迭加后進(jìn)一步增加了對(duì)粉末的壓力，使粉末固結(jié)；(b)為蓋板式爆炸法；引爆產(chǎn)生的沖擊波通過蓋板傳遞給粉末；(c)為飛行蓋板式爆炸法；引爆產(chǎn)生的沖擊波使飛行蓋板突然下落，并沖擊粉末坯件上方的沖頭，然后壓實(shí)粉末。

1-頂塞2-底塞3-未壓實(shí)的粉末4-炸藥5-蓋板6-沖模7-沖頭8-飛行蓋板炸藥未壓實(shí)的粉末DepartmentofMaterialsScienceandEngineering,Y.F.Wang

采用壓縮空氣驅(qū)動(dòng)壓塊（或沖頭）高速?zèng)_擊粉末，強(qiáng)大的沖擊波使金屬粉末顆粒發(fā)生運(yùn)動(dòng)，從而固結(jié)成型。從真空室一側(cè)通入迅速膨脹的高壓氣流時(shí)，沖頭在壓力差下高速?zèng)_向粉末坯件，并產(chǎn)生脈沖沖擊波，使金屬粉末顆粒發(fā)生運(yùn)動(dòng)，從而固結(jié)成型。沖頭的速度可達(dá)50

2000m/s。1壓縮氣體容器，2閥門，3沖頭，4發(fā)射管道，5真空室，6粉末坯件，7支架動(dòng)壓成型DepartmentofMaterialsScienceandEngineering,Y.F.Wang熱等靜壓（HIP）

熱等靜壓需要一個(gè)模子或包套，預(yù)先包住金屬粉末；熱等靜壓分三個(gè)階段：第一階段為屈服，在0.4Tm下進(jìn)行，伴有普通的固體流動(dòng)；第二階段為冪函數(shù)規(guī)律的蠕變階段，在0.6Tm下進(jìn)行；第三階段為擴(kuò)散階段，在0.75Tm下進(jìn)行。DepartmentofMaterialsScienceandEngineering,Y.F.Wang

工藝改進(jìn)：

提高熱等靜壓的壓力，如在310MPa下，可以達(dá)到相同固結(jié)成型效果而降低加熱溫度，可獲得良好的顯微結(jié)構(gòu)；

提高加熱和隨后的冷卻速度；

增大壓力罐的直徑，如在20世紀(jì)60年代，壓力罐的直徑為100

200mm，但現(xiàn)在壓力罐的直徑可達(dá)1524mm；

提高加熱溫度，以便可以用于高熔點(diǎn)的金屬間化合物的成型，如加熱到1600

2200℃。DepartmentofMaterialsScienceandEngineering,Y.F.Wang

移動(dòng)壓頭3，向粉末施加壓力，同時(shí)將其加熱到0.5

0.7Tm溫度；在壓實(shí)的同時(shí)消除粉末中的氣體，提高擠壓后坯件的致密度，加熱也是獲得高致密度不可缺少的條件之一；熱擠壓控制的主要參數(shù)為：擠壓比、加熱溫度、變形速度、壓力。熱擠壓已經(jīng)廣泛應(yīng)用于快速凝固的鋁合金、銅合金和高溫合金的成型。1-包套，2-粉末，3-壓頭，4-擠壓坯件熱擠壓DepartmentofMaterialsScienceandEngineering,Y.F.Wang高壓冷燒結(jié)成型

當(dāng)冷加工粉末顆粒的流動(dòng)應(yīng)力低于壓制壓力時(shí)，在較高壓力梯度下的室溫塑性流動(dòng)可以使粉末壓件達(dá)到高密度，粉末顆粒之間形成粘接和具有良好的力學(xué)性能，高壓冷燒結(jié)工藝具有明顯的優(yōu)點(diǎn)，它能夠保持快速凝固產(chǎn)品的均勻結(jié)構(gòu)，甚至可以達(dá)到亞穩(wěn)相結(jié)構(gòu)。因?yàn)闊Y(jié)溫度低，所以熱處理之后的坯件具有優(yōu)異的性能。DepartmentofMaterialsScienceandEngineering,Y.F.Wang新型金屬（合金）材料1.非晶態(tài)合金2.準(zhǔn)晶態(tài)合金3.納米材料五、快速凝固應(yīng)用DepartmentofMaterialsScienceandEngineering,Y.F.Wang1.非晶態(tài)合金非晶態(tài)合金（也稱金屬玻璃）

在1950年，冶金學(xué)家學(xué)會(huì)了通過混入一定量的金屬——諸如鎳和鋯一去顯出結(jié)晶體，1960年，美國(guó)加州理工學(xué)院的Klement和Duwez等人采用急冷技術(shù)制備出Au75Si25金屬玻璃。

當(dāng)合金的薄層在每秒一百攝氏度的速率下冷卻時(shí)，它們形成金屬玻璃。但因?yàn)橐笱杆倮鋮s，它們只能制造成很薄的條狀物、導(dǎo)線或粉末。XRDspectraoftheas-castFe7-BMGanditscrystallinecounterpart.快速凝固的Al-Fe-V-Si合金組織

金屬玻璃保留了液態(tài)金屬的短程有序的類似原子簇的結(jié)構(gòu)，微觀組織中不存在晶界、位錯(cuò)和偏析等缺陷，其結(jié)構(gòu)類似于普通玻璃。DepartmentofMaterialsScienceandEngineering,Y.F.Wang

金屬玻璃的拉伸強(qiáng)度可高達(dá)3～4GPa，并具有很好的耐腐蝕性能、優(yōu)異的軟磁性能、優(yōu)良的超導(dǎo)性能、較高的熱穩(wěn)定性和較低的表面活性，已經(jīng)或可望應(yīng)用于機(jī)械結(jié)構(gòu)材料、磁性材料、聲學(xué)材料、仿生材料、光學(xué)材料、體育器材以及電子材料等多個(gè)方面。金屬玻璃實(shí)物圖金屬玻璃又稱非晶態(tài)合金，它既有金屬和玻璃的優(yōu)點(diǎn)，又克服了它們各自的弊?。绮Ａб姿?，沒有延展性．金屬玻璃的強(qiáng)度卻高于鋼，硬度超過高硬工具鋼，且具有一定的韌性和剛性，所以，人們贊揚(yáng)金屬玻璃為“敲不碎、砸不爛”的“玻璃之王”．DepartmentofMaterialsScienceandEngineering,Y.F.Wang

能否發(fā)生玻璃化轉(zhuǎn)變的影響因素主要有