第6章 特殊條件下的凝固

Chapter6Solidification

andProcessingofliquidmetalsunderspecialcondition

第六章液態(tài)金屬在特殊條件下的凝固及成形UCSDMAE-1FluidDynamicsFocusAreaLectureNotes,G.R.Tynan快速凝固是指液態(tài)金屬以105～1010

K/s的冷速進(jìn)行凝固的液態(tài)急冷技術(shù)?？焖倌潭x為：由液相到固相的相變過程非常快，從而獲得普通鑄件或鑄錠無法獲得的成分、相結(jié)構(gòu)和顯微結(jié)構(gòu)的過程?？焖倌踢^程抑制了各種傳輸現(xiàn)象，凝固偏離平衡，經(jīng)典凝固理論中假設(shè)的許多平衡條件不再適應(yīng)，成為材料凝固學(xué)研究的一個(gè)特殊領(lǐng)域。

§10-1快速凝固UCSDMAE-1FluidDynamicsFocusAreaLectureNotes,G.R.Tynan1、快速凝固的條件實(shí)現(xiàn)液態(tài)金屬快速凝固的最重要條件，是要求液/固相變時(shí)有極高的熱導(dǎo)出速度。如果依靠輻射散熱，對于直徑為1μm，溫度為1000℃的金屬液滴，獲得的極限冷卻速率只有103K/s，可見冷卻速度不高；通過對流傳熱，將導(dǎo)熱良好的氫或氦以高速流過厚度為5μm的試樣，獲得的極限冷速為1×104~2×104

K/s；

UCSDMAE-1FluidDynamicsFocusAreaLectureNotes,G.R.Tynan要獲得高于105

K/s的冷速，只能借助于熱傳導(dǎo)。用急冷凝固方法獲得高的凝固速率的條件是：(1)減少單位時(shí)間內(nèi)金屬凝固時(shí)的產(chǎn)生的結(jié)晶潛熱。(2)提高凝固過程中的傳熱速度.途徑?

UCSDMAE-1FluidDynamicsFocusAreaLectureNotes,G.R.Tynan（1）模冷技術(shù)

2、急冷凝固技術(shù)及特點(diǎn)單向凝固速率與導(dǎo)熱條件的關(guān)系

δ－凝固層厚度Ti－鑄件/鑄型界面溫度TK－凝固界面溫度UCSDMAE-1FluidDynamicsFocusAreaLectureNotes,G.R.Tynan圖雙輥法快速凝固技術(shù)的基本原理

1一帶材2－合金液流3－加熱爐4一坩堝5一漏出孔6－雙輥

通常生產(chǎn)幾十微米厚的薄帶UCSDMAE-1FluidDynamicsFocusAreaLectureNotes,G.R.Tynan圖單輥法復(fù)合層快速凝固過程原理圖

1－單輥2－合金液13一坩堝14－坩堝25－合金液2

6－感應(yīng)加熱線圈7一復(fù)合層帶材通常生產(chǎn)幾十微米厚的薄帶UCSDMAE-1FluidDynamicsFocusAreaLectureNotes,G.R.Tynan（2）霧化技術(shù)1）氣體霧化法，工作原理如圖所示。熔化的合金液澆入漏包中經(jīng)過噴嘴霧化并在霧化室中進(jìn)一步破碎、凝固，最后在收集室中收集。霧化氣體進(jìn)人排氣管，經(jīng)過濾后排出或循環(huán)使用。高速氣流的主要作用是使液態(tài)金屬霧化成細(xì)小的顆粒。霧化氣體可采用空氣、氮?dú)?、氬氣或氦氣等，為了避免合金的氧化污染，通常采用保護(hù)性氣氛，特別是氬氣進(jìn)行氣體霧化。UCSDMAE-1FluidDynamicsFocusAreaLectureNotes,G.R.Tynan圖氣體霧化設(shè)備工作原理圖

1一細(xì)粉2一氣體3一氣源4－合金液5一真空感應(yīng)加熱器

6一噴嘴7—霧化室8一收集室9一粉末UCSDMAE-1FluidDynamicsFocusAreaLectureNotes,G.R.Tynan

噴射沉積法可根據(jù)制件的需要設(shè)計(jì)基板的形狀和尺寸，從而獲得最終制件或近終形制件，因此更容易實(shí)現(xiàn)工業(yè)化生產(chǎn)。該技術(shù)是由英國Swansee大學(xué)singer于70年代發(fā)明的，并很快在Osprey金屬有限公司實(shí)現(xiàn)工業(yè)化生產(chǎn)，目前已經(jīng)在許多國家得到廣泛應(yīng)用。

（3）表面熔化與沉積技術(shù)UCSDMAE-1FluidDynamicsFocusAreaLectureNotes,G.R.Tynan1—沉積室2—基板3—噴射粒子流4—?dú)怏w霧化室5－合金液6一坩堝7－霧化氣體8—沉積體9－運(yùn)動機(jī)構(gòu)10—排氣及取料窒UCSDMAE-1FluidDynamicsFocusAreaLectureNotes,G.R.Tynan圖連續(xù)生產(chǎn)錠材的工藝原理圖

1－感應(yīng)加熱坩堝2—?dú)怏w霧化器（噴嘴）3—圓柱沉積錠

4—沉積室5—排氣管6—循環(huán)分離器

UCSDMAE-1FluidDynamicsFocusAreaLectureNotes,G.R.Tynan圖幾種激光表面熔化處理方法的工作原理圖

a）表面硬化b）表面熔凝c）表面合金化d）表面粘附

UCSDMAE-1FluidDynamicsFocusAreaLectureNotes,G.R.Tynan3、快速凝固的產(chǎn)物及其特征快速凝固使金屬材料的結(jié)構(gòu)發(fā)生了前所未有的變化可形成具有特殊性能的新材料。UCSDMAE-1FluidDynamicsFocusAreaLectureNotes,G.R.Tynan（1）形成過飽和固溶體將液態(tài)合金以高速急冷快速地穿過液/固兩相區(qū)，就阻止了第二相的生核和長大。使溶質(zhì)原子以超常規(guī)溶解度陷在α相晶格中。UCSDMAE-1FluidDynamicsFocusAreaLectureNotes,G.R.Tynan表部分合金元素在Al中平衡固溶度和擴(kuò)展固溶度（%）UCSDMAE-1FluidDynamicsFocusAreaLectureNotes,G.R.Tynan（2）超細(xì)的晶粒度隨著冷卻速率的增大，晶粒尺寸減小，可以獲得微晶甚至納米晶?？焖倌毯辖鸨瘸Ｒ?guī)合金低幾個(gè)數(shù)量級的晶粒尺寸，一般為<0.1~1.0μm在Ag-Cu（ωCu=50%）合金中，觀察到細(xì)至3nm的晶粒。原因：很大過冷度下達(dá)到很高形核率UCSDMAE-1FluidDynamicsFocusAreaLectureNotes,G.R.Tynan（3）極少偏析或無偏析如果生長速度加劇，枝晶端部的溫度開始時(shí)上升，當(dāng)生長速度足夠高時(shí)，枝晶端部的溫度會重新下降到平衡的固相線溫度。此時(shí)的固相成分又回到合金的原始成分，凝固前沿亦重新成為平界面，表明合金凝固進(jìn)入了“絕對穩(wěn)定界限”UCSDMAE-1FluidDynamicsFocusAreaLectureNotes,G.R.Tynan如果凝固速率不僅達(dá)到了“絕對穩(wěn)定”界限，而且超過了界面上溶質(zhì)原子的擴(kuò)散速率，即進(jìn)入完全的“無偏析、無擴(kuò)散凝固”時(shí)，可在鑄件的全部體積內(nèi)獲得完全不存在任何偏析的合金UCSDMAE-1FluidDynamicsFocusAreaLectureNotes,G.R.Tynan（4）形成亞穩(wěn)相（非平衡相）亞穩(wěn)相的晶體結(jié)構(gòu)可能與平衡狀態(tài)圖上相鄰的某一中間相的結(jié)構(gòu)極為相似，因此可看成是在快速冷卻和大過冷度條件下中間相亞穩(wěn)濃度范圍擴(kuò)大的結(jié)果。（5）高的點(diǎn)缺陷密度在快速凝固的過程中，液態(tài)金屬的缺陷會較多地保存在固態(tài)金屬中UCSDMAE-1FluidDynamicsFocusAreaLectureNotes,G.R.Tynan（6）形成非晶態(tài)合金液態(tài)金屬為短程有序排列結(jié)構(gòu)，原子有極高的遷移速率。采用極快的冷卻速率冷卻，可能導(dǎo)致金屬在凝固后保留液態(tài)時(shí)結(jié)構(gòu)。Duwez等人用液態(tài)急冷法使接近共晶成分的Au-Si合金凝固成了非晶態(tài)材料。目前所能達(dá)到的冷卻速率，只能使很少一部分合金能夠抑制結(jié)晶過程而形成非晶態(tài)。原則上講，只要有更高的冷卻速率，就可以將所有合金系的合金凝固成非晶態(tài)。

UCSDMAE-1FluidDynamicsFocusAreaLectureNotes,G.R.Tynan§10-2微重力凝固§10-3超重力凝固UCSDMAE-1FluidDynamicsFocusAreaLectureNotes,G.R.Tynan§10-4定向（單向）凝固1、必要條件：GL>0必須在固—液界面前沿建立必要的溫度梯度溫度梯度大小直接影響晶體生長速率和晶體質(zhì)量

UCSDMAE-1FluidDynamicsFocusAreaLectureNotes,G.R.Tynan圖坩堝下降單向凝固法生長裝置和溫度分布

a）裝置示意圖b）溫度分布圖

UCSDMAE-1FluidDynamicsFocusAreaLectureNotes,G.R.Tynan通過增大GS來增強(qiáng)固相的散熱強(qiáng)度，這是實(shí)際應(yīng)用中獲得大的GL的重要途徑。同時(shí)，也會使凝固速率R增大。因此，常用提高固—液界面前沿熔體的溫度來達(dá)到提高GL的目的。UCSDMAE-1FluidDynamicsFocusAreaLectureNotes,G.R.Tynan2.定向凝固的方法1）發(fā)熱劑法絕熱耐火材料箱中，底部水冷結(jié)晶器型殼上部蓋以發(fā)熱劑，金屬液處于高溫，建立自下而上的凝固條件。無法調(diào)節(jié)凝固速率和溫度梯度，只能制備小的柱狀晶鑄件，多用于磁鋼生產(chǎn)。UCSDMAE-1FluidDynamicsFocusAreaLectureNotes,G.R.Tynan2）功率降低法

（P.D法）

鑄型加熱感應(yīng)圈分兩段

鑄件在凝固過程中不移動。GL隨著凝固的距離增大而不斷減小。GL、R值都不能人為地控制。UCSDMAE-1FluidDynamicsFocusAreaLectureNotes,G.R.Tynan3）快速凝固法（H.R.S法）鑄型加熱器始終加熱，在凝固時(shí)，鑄件與加熱器之間產(chǎn)生相對移動。與P.D法相比可以大大縮小凝固前沿兩相區(qū)，局部冷卻速度增大，有利于細(xì)化組織，提高機(jī)械性能。H.R.S法示意圖UCSDMAE-1FluidDynamicsFocusAreaLectureNotes,G.R.Tynan2、定向凝固技術(shù)的應(yīng)用

（1）柱狀晶的生長（一種順序凝固組織）UCSDMAE-1FluidDynamicsFocusAreaLectureNotes,G.R.Tynan（2）單晶生長根據(jù)熔區(qū)的特點(diǎn)分為正常凝固法和區(qū)熔法。1）正常凝固法有坩堝移動、爐體移動及晶體提拉等單向凝固方法或?qū)ⅰ白丫А狈旁谯釄宓撞?，?dāng)坩堝向下移動時(shí)，“籽晶”處開始結(jié)晶，隨著固—液界面移動，單晶不斷長大。主要缺點(diǎn)是晶體和坩堝壁接觸，容易產(chǎn)生應(yīng)力或寄生成核UCSDMAE-1FluidDynamicsFocusAreaLectureNotes,G.R.Tynan圖坩堝移動單向凝固示意圖

a）垂直式b）水平式UCSDMAE-1FluidDynamicsFocusAreaLectureNotes,G.R.Tynan圖自生粒晶法生產(chǎn)單晶葉片

1-鑄件2-選晶段3-起始段

UCSDMAE-1FluidDynamicsFocusAreaLectureNotes,G.R.Tynan圖2-42選晶段示意圖通過x、y、z三個(gè)方向選晶，從而確保一個(gè)柱晶順利進(jìn)入鑄件UCSDMAE-1FluidDynamicsFocusAreaLectureNotes,G.R.Tynan圖晶體提拉示意圖UCSDMAE-1FluidDynamicsFocusAreaLectureNotes,G.