第一章 快速凝固技術(shù)

1、1第第1章章 快速凝固技術(shù)快速凝固技術(shù) 2前前 言言q快速凝固1960年開始出現(xiàn)q快速凝固是一項(xiàng)新型材料制備技術(shù)，既是一種生產(chǎn)手段,又是一種探索新材料的研究方法，受到了普遍的重視q對(duì)現(xiàn)有牌號(hào)合金，可以顯著地改善其組織結(jié)構(gòu)，充分挖掘其性能潛力，也可以研制在常規(guī)鑄造條件下無(wú)法得到的、具有優(yōu)異性能的新型材料q快速凝固技術(shù)和快速凝固合金的研究已成為了材料科學(xué)的一個(gè)重要分支，并在實(shí)際生產(chǎn)中得到了廣泛的應(yīng)用，具有廣闊的應(yīng)用前景q近二、三十年來(lái)，不但開拓了一個(gè)嶄新的學(xué)術(shù)領(lǐng)域，而且向市場(chǎng)提供了具有特殊性能的新材料3內(nèi)內(nèi) 容容快速凝固概論快速凝固概論快速凝固的物理冶金基礎(chǔ)快速凝固的物理冶金基礎(chǔ)實(shí)現(xiàn)快速凝固途徑實(shí)

2、現(xiàn)快速凝固途徑快速凝固制備工藝快速凝固制備工藝快速凝固技術(shù)在金屬材料中的應(yīng)用快速凝固技術(shù)在金屬材料中的應(yīng)用快速凝固其他新型合金快速凝固其他新型合金4（一）快速凝固發(fā)展的由來(lái)（一）快速凝固發(fā)展的由來(lái)1.1 1.1 快速凝固概述快速凝固概述 鑄造是冶金生產(chǎn)中重要的工藝手段，除了粉末冶金鑄造是冶金生產(chǎn)中重要的工藝手段，除了粉末冶金等方法直接成型產(chǎn)品外，幾乎所有的金屬制品和構(gòu)件的等方法直接成型產(chǎn)品外，幾乎所有的金屬制品和構(gòu)件的生產(chǎn)都離不開鑄造。生產(chǎn)都離不開鑄造。工業(yè)鑄造55鑄造工藝、鑄件的微觀組織、結(jié)構(gòu)和性能都會(huì)對(duì)后續(xù)鑄造工藝、鑄件的微觀組織、結(jié)構(gòu)和性能都會(huì)對(duì)后續(xù)加工的進(jìn)行和最終產(chǎn)品的質(zhì)量產(chǎn)生重要的甚

3、至是決定性的影加工的進(jìn)行和最終產(chǎn)品的質(zhì)量產(chǎn)生重要的甚至是決定性的影響。響。常規(guī)鑄造中鑄件的凝固時(shí)間一般很長(zhǎng)，凝固過(guò)冷度很常規(guī)鑄造中鑄件的凝固時(shí)間一般很長(zhǎng)，凝固過(guò)冷度很小。小。常規(guī)鑄錠66合金凝固時(shí)的晶粒尺寸等微觀組織與凝固冷速或過(guò)冷合金凝固時(shí)的晶粒尺寸等微觀組織與凝固冷速或過(guò)冷度直接相關(guān)，用常規(guī)鑄造工藝生產(chǎn)的鑄件不可避免產(chǎn)生一度直接相關(guān)，用常規(guī)鑄造工藝生產(chǎn)的鑄件不可避免產(chǎn)生一系列系列鑄造缺陷鑄造缺陷：容易形成粗大的樹枝晶，并產(chǎn)生嚴(yán)重的晶內(nèi)偏析與晶容易形成粗大的樹枝晶，并產(chǎn)生嚴(yán)重的晶內(nèi)偏析與晶界偏析；界偏析；在較大的鑄錠與鑄件中，熔體先從相對(duì)溫度較低、傳在較大的鑄錠與鑄件中，熔體先從相對(duì)溫度較低

4、、傳熱較快、與模壁接觸的外層開始凝固并相應(yīng)出現(xiàn)溶質(zhì)分配熱較快、與模壁接觸的外層開始凝固并相應(yīng)出現(xiàn)溶質(zhì)分配，最后凝固的心部富含溶質(zhì)元素與低熔點(diǎn)雜質(zhì)元素，從而，最后凝固的心部富含溶質(zhì)元素與低熔點(diǎn)雜質(zhì)元素，從而在較大尺度上出現(xiàn)宏觀偏析。在較大尺度上出現(xiàn)宏觀偏析。77采用常規(guī)鑄造工藝還容易出現(xiàn)縮孔、疏松、氣泡、熱應(yīng)力等采用常規(guī)鑄造工藝還容易出現(xiàn)縮孔、疏松、氣泡、熱應(yīng)力等鑄造缺陷，它們也會(huì)對(duì)鑄錠或鑄件的性能產(chǎn)生有害影響；鑄造缺陷，它們也會(huì)對(duì)鑄錠或鑄件的性能產(chǎn)生有害影響；合金元素含量高時(shí)（特別是比重小、粘度高、擴(kuò)散能力差的合金元素含量高時(shí)（特別是比重小、粘度高、擴(kuò)散能力差的合金元素）會(huì)降低熔體的流動(dòng)性、充

5、型能力和導(dǎo)熱性，上述合金元素）會(huì)降低熔體的流動(dòng)性、充型能力和導(dǎo)熱性，上述問(wèn)題更嚴(yán)重。問(wèn)題更嚴(yán)重。常規(guī)鑄造中的缺陷：縮孔和縮松88這些問(wèn)題不僅使現(xiàn)有牌號(hào)合金的鑄造質(zhì)量和性能很難這些問(wèn)題不僅使現(xiàn)有牌號(hào)合金的鑄造質(zhì)量和性能很難得到保證，還限制了新型合金材料的研制。得到保證，還限制了新型合金材料的研制。鎳基鑄造高溫合金鎳基鑄造高溫合金：為進(jìn)一步提高合金的熱強(qiáng)度：為進(jìn)一步提高合金的熱強(qiáng)度與工作溫度，必須增加合金中與工作溫度，必須增加合金中AlAl、TiTi含量以增加彌散強(qiáng)化相含量以增加彌散強(qiáng)化相(Ni3A1)(Ni3A1)的含量，并提高的含量，并提高的固溶溫度，但常規(guī)鑄造工藝下的固溶溫度，但常規(guī)鑄造工藝

6、下這將產(chǎn)生一些無(wú)法解決的問(wèn)題。這將產(chǎn)生一些無(wú)法解決的問(wèn)題。高溫鎳基合金99Fe-Si軟磁合金軟磁合金：含：含SiSi較高的較高的Fe-6.5wtFe-6.5wtSiSi合金的軟磁性能合金的軟磁性能比含比含SiSi少的合金好，但采用常規(guī)鑄造工藝無(wú)法將少的合金好，但采用常規(guī)鑄造工藝無(wú)法將Fe-6.5wtFe-6.5wtSiSi合金熱軋成合金熱軋成0.3mm0.3mm厚的芯片，只能采用鑄造和加工性能較好的厚的芯片，只能采用鑄造和加工性能較好的Fe-3wtFe-3wtSiSi合金制作變壓器芯片，使變壓器性能受到很大影響合金制作變壓器芯片，使變壓器性能受到很大影響。 鐵硅軟磁合金1010只有突破傳統(tǒng)工藝

7、的限制，采用新的技術(shù)才有可能只有突破傳統(tǒng)工藝的限制，采用新的技術(shù)才有可能研制出少含甚至不含這些戰(zhàn)略元素的新型合金。研制出少含甚至不含這些戰(zhàn)略元素的新型合金。在研制新型合金材料的過(guò)程中，人們不僅從單純的在研制新型合金材料的過(guò)程中，人們不僅從單純的調(diào)整改變合金成分著手，也把研究生產(chǎn)合金的新技術(shù)提調(diào)整改變合金成分著手，也把研究生產(chǎn)合金的新技術(shù)提上了議事日程。上了議事日程?？焖倌碳夹g(shù)快速凝固技術(shù)正是在這樣的背景下出現(xiàn)并很快得正是在這樣的背景下出現(xiàn)并很快得到了迅速的發(fā)展。到了迅速的發(fā)展。1111常規(guī)鑄造合金出現(xiàn)晶粒粗大、偏析嚴(yán)重、鑄造性能不好等常規(guī)鑄造合金出現(xiàn)晶粒粗大、偏析嚴(yán)重、鑄造性能不好等嚴(yán)重缺陷

8、的主要原因是合金凝固時(shí)的過(guò)冷度和凝固速度很小。嚴(yán)重缺陷的主要原因是合金凝固時(shí)的過(guò)冷度和凝固速度很小。要消除鑄造合金存在的這些缺陷，核心是要提高形核凝固要消除鑄造合金存在的這些缺陷，核心是要提高形核凝固時(shí)的過(guò)冷度，從而提高凝固速度：時(shí)的過(guò)冷度，從而提高凝固速度：提高凝固傳熱速度提高凝固傳熱速度急冷凝固技術(shù)或熔體淬火技術(shù)急冷凝固技術(shù)或熔體淬火技術(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(guò)冷技術(shù)。大過(guò)冷技術(shù)。12定義定義1 1：從液態(tài)到固態(tài)的冷卻速度大于某一臨界冷卻速率的：從液態(tài)到固態(tài)的冷卻速度大于某一臨界冷卻速率的凝固過(guò)程（凝固過(guò)程（10105 5/s/s）。）。定義定義2 2：由液相到固

9、相的相變過(guò)程進(jìn)行得非?？?，從而獲得：由液相到固相的相變過(guò)程進(jìn)行得非常快，從而獲得普通鑄件和鑄錠無(wú)法獲得的成分、相結(jié)構(gòu)和顯微結(jié)構(gòu)的凝固過(guò)普通鑄件和鑄錠無(wú)法獲得的成分、相結(jié)構(gòu)和顯微結(jié)構(gòu)的凝固過(guò)程。程。 定義定義3 3：快速凝固是指采用急冷技術(shù)或深過(guò)冷技術(shù)獲得很高：快速凝固是指采用急冷技術(shù)或深過(guò)冷技術(shù)獲得很高的凝固前沿推進(jìn)速率的凝固過(guò)程。的凝固前沿推進(jìn)速率的凝固過(guò)程。 快速凝固的定義1313（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。 快速凝固合金的微觀組織一般隨著離冷卻介質(zhì)距離快速凝固合金的微觀組織一般隨著離冷卻介質(zhì)距離的增加，依次為等軸晶、柱狀晶與樹枝晶。的增加，依次為等軸晶、柱

10、狀晶與樹枝晶。 快速凝固材料的主要微觀組織不同冷卻方式制備NdFeB鑄錠的幾何形貌（a）傳統(tǒng)冷卻方式（b）單向強(qiáng)制水冷方式（c）雙向強(qiáng)制水冷方式(a)(b)(c)1414 (c) (b) (a)不同冷卻方式制備NdFeB鑄錠的顯微組織形貌（a）傳統(tǒng)冷卻方式（b）單向強(qiáng)制水冷方式（c）雙向強(qiáng)制水冷方式1515 快速凝固合金的晶粒尺寸很小，而且十分均勻，一般平快速凝固合金的晶粒尺寸很小，而且十分均勻，一般平均晶粒尺寸為均晶粒尺寸為mm左右，左右，快速凝固時(shí)過(guò)冷度較大，大大提高形核率；快速凝固時(shí)過(guò)冷度較大，大大提高形核率；極短的凝固時(shí)間又使晶粒不可能充分長(zhǎng)大；極短的凝固時(shí)間又使晶粒不可能充分長(zhǎng)大；用

11、熔淬法制取的快速凝固樣品中，晶粒直徑可小至納米量級(jí)用熔淬法制取的快速凝固樣品中，晶粒直徑可小至納米量級(jí) 快速凝固晶態(tài)合金的晶粒尺寸明顯減小的同時(shí)，快速凝固晶態(tài)合金的晶粒尺寸明顯減小的同時(shí)，相、有相、有序疇序疇等其它微觀組織尺寸與常規(guī)鑄態(tài)合金相比也有較大幅度等其它微觀組織尺寸與常規(guī)鑄態(tài)合金相比也有較大幅度的減小。的減小。1616（2）快速凝固可使合金成分均勻化，偏析減小。）快速凝固可使合金成分均勻化，偏析減小。凝固時(shí)間極短，凝固時(shí)溶質(zhì)分配很少，成分偏析也相應(yīng)顯凝固時(shí)間極短，凝固時(shí)溶質(zhì)分配很少，成分偏析也相應(yīng)顯著減小，合金的成分不均勻程度或偏析程度大大減小。著減小，合金的成分不均勻程度或偏析程度大

12、大減小?？焖倌滩牧系闹饕⒂^組織1717通常用樹枝晶偏析的二次枝晶臂間距通常用樹枝晶偏析的二次枝晶臂間距作為成分偏析范圍標(biāo)作為成分偏析范圍標(biāo)志，快速凝固合金由于晶粒細(xì)化，偏析范圍從鑄態(tài)合金志，快速凝固合金由于晶粒細(xì)化，偏析范圍從鑄態(tài)合金的幾毫米到幾十微米減小到的幾毫米到幾十微米減小到0.10-0.25m0.10-0.25m。冷速（冷速（K/s）凝固工藝凝固工藝產(chǎn)品厚度產(chǎn)品厚度10-6-10-3大砂模鑄件或鑄錠大砂模鑄件或鑄錠6m0.5-5mm10-3-10標(biāo)準(zhǔn)鑄件或鑄錠標(biāo)準(zhǔn)鑄件或鑄錠0.2-6m50-500m10-103常規(guī)模鑄或霧化常規(guī)模鑄或霧化6-20mm5-50m103-106快速凝固

13、霧化快速凝固霧化0.2-6mm0.5-5m106-109熔淬熔淬6-200m0.05-0.5m常規(guī)鑄態(tài)合金和快速凝固合金的冷速和平均枝晶臂間距常規(guī)鑄態(tài)合金和快速凝固合金的冷速和平均枝晶臂間距1818（3）快速凝固使合金缺陷密度增加）快速凝固使合金缺陷密度增加與鑄態(tài)合金相比，快速凝固合金中的與鑄態(tài)合金相比，快速凝固合金中的空位、位錯(cuò)空位、位錯(cuò)等缺陷密等缺陷密度有較大增加。度有較大增加。液態(tài)合金中空位形成能比固態(tài)合金的空位形成能小得多，液態(tài)合金中空位形成能比固態(tài)合金的空位形成能小得多，其空位濃度比固態(tài)合金高得多，快速凝固時(shí)大部分空位來(lái)不及其空位濃度比固態(tài)合金高得多，快速凝固時(shí)大部分空位來(lái)不及析出而

14、留在固態(tài)合金中；析出而留在固態(tài)合金中；由于凝固速度很高，晶體長(zhǎng)大中也容易形成空位，因而快由于凝固速度很高，晶體長(zhǎng)大中也容易形成空位，因而快速凝固合金一般有很高的空位濃度。速凝固合金一般有很高的空位濃度?？焖倌滩牧系闹饕⒂^組織1919合金在快速凝固過(guò)程中受到較大的熱應(yīng)力，空位聚合金在快速凝固過(guò)程中受到較大的熱應(yīng)力，空位聚集形成位錯(cuò)環(huán)，這些因素都使快速凝固合金中的位錯(cuò)密集形成位錯(cuò)環(huán)，這些因素都使快速凝固合金中的位錯(cuò)密度比一般鑄態(tài)合金增加很多。度比一般鑄態(tài)合金增加很多。此外，快速凝固合金的層錯(cuò)密度也很高。此外，快速凝固合金的層錯(cuò)密度也很高。這些特點(diǎn)對(duì)合金的溶質(zhì)擴(kuò)散，相變以及性能都會(huì)產(chǎn)這些特點(diǎn)對(duì)合

15、金的溶質(zhì)擴(kuò)散，相變以及性能都會(huì)產(chǎn)生重要影響。生重要影響。 2020（4 4）快速凝固使合金中形成新的亞穩(wěn)相。）快速凝固使合金中形成新的亞穩(wěn)相。亞穩(wěn)相是指在一定的溫度、壓力、成分等狀態(tài)條件下吉布斯亞穩(wěn)相是指在一定的溫度、壓力、成分等狀態(tài)條件下吉布斯自由能比穩(wěn)定相或平衡相高的相，但亞穩(wěn)相不會(huì)在任意小的能量自由能比穩(wěn)定相或平衡相高的相，但亞穩(wěn)相不會(huì)在任意小的能量起伏作用下自發(fā)轉(zhuǎn)變成穩(wěn)定相或其它亞穩(wěn)相，而是必須在外界環(huán)起伏作用下自發(fā)轉(zhuǎn)變成穩(wěn)定相或其它亞穩(wěn)相，而是必須在外界環(huán)境作用下經(jīng)過(guò)熱激活越過(guò)勢(shì)壘才能轉(zhuǎn)變成穩(wěn)定相或其它亞穩(wěn)相。境作用下經(jīng)過(guò)熱激活越過(guò)勢(shì)壘才能轉(zhuǎn)變成穩(wěn)定相或其它亞穩(wěn)相。亞穩(wěn)相的特點(diǎn)在于它

16、既偏離穩(wěn)定相又偏離不穩(wěn)定相亞穩(wěn)相的特點(diǎn)在于它既偏離穩(wěn)定相又偏離不穩(wěn)定相并能在一定的條件下較長(zhǎng)時(shí)間保持不變并能在一定的條件下較長(zhǎng)時(shí)間保持不變。快速凝固材料的主要微觀組織2121利用從穩(wěn)定相利用從穩(wěn)定相亞穩(wěn)相亞穩(wěn)相穩(wěn)定相穩(wěn)定相的相變過(guò)程，在不的相變過(guò)程，在不用改變合金成分的條件下可以使穩(wěn)定相用改變合金成分的條件下可以使穩(wěn)定相I I的微觀組織形態(tài)得到的微觀組織形態(tài)得到很大改善，提高合金的性能，這比設(shè)計(jì)、研制一種新成分的很大改善，提高合金的性能，這比設(shè)計(jì)、研制一種新成分的合金容易得多。合金容易得多。金屬材料中的許多亞穩(wěn)相都具有穩(wěn)定相所沒(méi)有的優(yōu)良微金屬材料中的許多亞穩(wěn)相都具有穩(wěn)定相所沒(méi)有的優(yōu)良微觀組織結(jié)

17、構(gòu)和性能，觀組織結(jié)構(gòu)和性能，只要在使用狀態(tài)下不存在使亞穩(wěn)相只要在使用狀態(tài)下不存在使亞穩(wěn)相穩(wěn)定化轉(zhuǎn)變的熱激活條件，就可以長(zhǎng)期使用主要由亞穩(wěn)定化轉(zhuǎn)變的熱激活條件，就可以長(zhǎng)期使用主要由亞穩(wěn)相組成的材料穩(wěn)相組成的材料。 22（1 1）力學(xué)性能。）力學(xué)性能。 由于快速凝固組織具有良好的晶界強(qiáng)化和韌化作用，由于快速凝固組織具有良好的晶界強(qiáng)化和韌化作用，而且成分均勻、偏析減小、固溶度增大以及亞穩(wěn)相產(chǎn)生，因而且成分均勻、偏析減小、固溶度增大以及亞穩(wěn)相產(chǎn)生，因而改善了合金的強(qiáng)度、韌性和延性。而改善了合金的強(qiáng)度、韌性和延性。（2 2）物理性能。）物理性能。 快速凝固組織的微觀組織結(jié)構(gòu)特點(diǎn)，使它們具有一些快速凝固組

18、織的微觀組織結(jié)構(gòu)特點(diǎn)，使它們具有一些常規(guī)鑄態(tài)組織所沒(méi)有的特殊物理性能。常規(guī)鑄態(tài)組織所沒(méi)有的特殊物理性能?？焖倌痰男阅芴攸c(diǎn)23快速凝固的條件快速凝固的條件實(shí)現(xiàn)液態(tài)金屬快速凝固的最重要條件，是要求液實(shí)現(xiàn)液態(tài)金屬快速凝固的最重要條件，是要求液/ /固固相變時(shí)有極高的相變時(shí)有極高的熱導(dǎo)出速度熱導(dǎo)出速度。依靠輻射散熱，對(duì)于直徑為依靠輻射散熱，對(duì)于直徑為1m1m，溫度為，溫度為10001000的的金屬液滴，獲得的極限冷卻速率只有金屬液滴，獲得的極限冷卻速率只有103K/s103K/s，可見冷卻，可見冷卻速度不高；速度不高；通過(guò)對(duì)流傳熱，將導(dǎo)熱良好的氫或氦以高速流過(guò)厚通過(guò)對(duì)流傳熱，將導(dǎo)熱良好的氫或氦以高速

19、流過(guò)厚度為度為5m5m的試樣，獲得的極限冷速為的試樣，獲得的極限冷速為1 11010424210104 4 K/s K/s；要獲得高于要獲得高于10106 6 K/s K/s的冷速，只能借助于熱傳導(dǎo)。的冷速，只能借助于熱傳導(dǎo)。24用熱傳導(dǎo)方法獲得高的凝固速率的條件是：用熱傳導(dǎo)方法獲得高的凝固速率的條件是：液體金屬與鑄型表面必須液體金屬與鑄型表面必須良好接觸良好接觸；液體層必須很液體層必須很薄薄；液體與鑄型表面從開始接觸至凝固完了時(shí)間要盡可液體與鑄型表面從開始接觸至凝固完了時(shí)間要盡可能能短短。251.2 1.2 快速凝固的物理冶金基礎(chǔ)快速凝固的物理冶金基礎(chǔ) （a）定向凝固 (b)體積凝固 圖1-

20、1 兩種典型的凝固方式q1-自液相導(dǎo)人凝固界面的熱流密度；q2-自凝固界面導(dǎo)人固相的熱流密； Q-鑄件向鑄型散熱熱量 26（一）定向凝固過(guò)程的傳熱定向凝固過(guò)程的傳熱213qqq 熱流密度熱流密度q1q1和和q2q2與結(jié)晶潛熱釋放率之間滿足熱平衡方程與結(jié)晶潛熱釋放率之間滿足熱平衡方程: :（1-1） 27 根據(jù)傅里葉導(dǎo)熱定律知根據(jù)傅里葉導(dǎo)熱定律知1LTLqG（1-2） 2STSqG（1-3）3ssqhv （1-4） 式中式中, ,L L, ,S S分別為液相和固相的導(dǎo)熱率分別為液相和固相的導(dǎo)熱率G GTLTL,G,GTSTS分別為分別為凝固界面附近液和固相中的溫度梯度；凝固界面附近液和固相中的溫

21、度梯度；h h為結(jié)晶潛熱，為結(jié)晶潛熱，也稱為凝固潛熱；也稱為凝固潛熱；V VS S為凝固速度；為凝固速度；S S為固為固相密度相密度。28 將式（將式（1-21-2）至式（）至式（1-41-4）帶入式（）帶入式（1-11-1）則可求得凝固速）則可求得凝固速度為：度為：STSLTLSSGGvh（1-5） （1-5） 29（二）體積凝固過(guò)程的傳熱體積凝固過(guò)程的傳熱假定液相在凝固過(guò)程中內(nèi)部熱阻可忽略不計(jì)，溫度始終是均假定液相在凝固過(guò)程中內(nèi)部熱阻可忽略不計(jì)，溫度始終是均勻的，凝固過(guò)程釋放的熱量通過(guò)鑄型均勻散出，其熱平衡條勻的，凝固過(guò)程釋放的熱量通過(guò)鑄型均勻散出，其熱平衡條件可表示為件可表示為123QQ

22、Q (1-6) 式中式中,Q,Q1 1為鑄型吸收的熱量為鑄型吸收的熱量;Q;Q2 2為鑄件降溫釋放的物理熱為鑄件降溫釋放的物理熱;Q;Q3 3為凝固過(guò)程放出的結(jié)晶潛熱；為凝固過(guò)程放出的結(jié)晶潛熱；30 Q Q1 1，Q Q2 2，Q Q3 3可如下求出可如下求出 式中，式中，A A為鑄型與鑄件的界面面積；為鑄型與鑄件的界面面積； q q為界面熱流密度；為界面熱流密度；V VC C為冷為冷卻速度卻速度 ， 為負(fù)值；為負(fù)值；V VSVSV為體積凝固速度，為體積凝固速度， ；V V為鑄件體積；為鑄件體積； h h為結(jié)晶潛熱；為結(jié)晶潛熱； S S、 L L、 分別為固相密度、液分別為固相密度、液相密度及

23、平均密度；相密度及平均密度；C CS S、C CL L分別為固相、液相的質(zhì)量熱容；分別為固相、液相的質(zhì)量熱容； 分別為固相體積分?jǐn)?shù)和液相體積分?jǐn)?shù)。分別為固相體積分?jǐn)?shù)和液相體積分?jǐn)?shù)。 1QqA (1-7) 2()CSSSLL LQv VCC3SVQv Vh (1-8)(1-9) /CvdT d/SVSvddSL、31 近似取近似取 , , ,并并且已知且已知 則由式（則由式（1-61-6）至式）至式 （1-91-9）可得出）可得出: :SLSLCCC1SL+()SVCqvhcvM (1-10)/MVA式中，式中， 為鑄件模數(shù)。為鑄件模數(shù)。321 1、急冷法（熔體急冷技術(shù)）、急冷法（熔體急冷技術(shù)）

24、 凝固速率凝固速率是由凝固是由凝固潛熱潛熱及物理熱的及物理熱的導(dǎo)出導(dǎo)出速率控制的。速率控制的。通過(guò)提高鑄型的通過(guò)提高鑄型的導(dǎo)熱能力導(dǎo)熱能力，增大熱流的導(dǎo)出速率增大熱流的導(dǎo)出速率可使凝可使凝固界面快速推進(jìn)，實(shí)現(xiàn)快速凝固。固界面快速推進(jìn)，實(shí)現(xiàn)快速凝固。在忽略液相過(guò)熱的條件下，單向凝固速率在忽略液相過(guò)熱的條件下，單向凝固速率R取決于固相取決于固相中的溫度梯度中的溫度梯度GS 。1.3 1.3 實(shí)現(xiàn)快速凝固的途徑實(shí)現(xiàn)快速凝固的途徑33 （1-11） 式中式中 S 固相熱導(dǎo)率；固相熱導(dǎo)率； h 凝固潛熱；凝固潛熱； s 固相密度；固相密度； GS 溫度梯度，由凝固層的厚度溫度梯度，由凝固層的厚度和鑄件和

25、鑄件/鑄型的界面鑄型的界面溫度溫度Ti決定的。決定的。 hGRSSS單向凝固速率與導(dǎo)熱條件的關(guān)系單向凝固速率與導(dǎo)熱條件的關(guān)系 凝固層厚度凝固層厚度 Ti鑄件鑄件/鑄型界面溫度鑄型界面溫度 TK 凝固界面溫度凝固界面溫度34對(duì)凝固層內(nèi)的溫度分布作線性近似，則得出對(duì)凝固層內(nèi)的溫度分布作線性近似，則得出 提高凝固速率：提高凝固速率：選用選用熱導(dǎo)率熱導(dǎo)率S大的鑄型材料（如純銅）；大的鑄型材料（如純銅）； 對(duì)鑄型強(qiáng)制冷卻以降低鑄型對(duì)鑄型強(qiáng)制冷卻以降低鑄型/鑄件界面溫度鑄件界面溫度Ti凝固層；凝固層；內(nèi)部熱阻（內(nèi)部熱阻（/S）隨凝固層厚度）隨凝固層厚度的增大而迅速提高，導(dǎo)的增大而迅速提高，導(dǎo)致凝固速率下降

26、。致凝固速率下降。因此，快速凝固只能在因此，快速凝固只能在小尺寸試件小尺寸試件中實(shí)現(xiàn)。中實(shí)現(xiàn)。 iKsSTThR351 12 23 34 45 56 67 78 89 91010 圖圖1-2急冷模法示意圖急冷模法示意圖1-真空出口；真空出口；2-絕熱冷卻劑容器；絕熱冷卻劑容器；3-冷卻池；冷卻池；4-銅模；銅模；5-模穴；模穴；6-墊圈；墊圈；7-基板；基板；8-壓緊螺帽；壓緊螺帽；9-射入管；射入管；10-鋁箔鋁箔36急冷凝固技術(shù)的基本原理急冷凝固技術(shù)的基本原理或改變?nèi)垠w形狀，或分散熔體，避免大量熔化潛熱集中釋放，并改善熔體與冷卻或改變?nèi)垠w形狀，或分散熔體，避免大量熔化潛熱集中釋放，并改善熔

27、體與冷卻介質(zhì)的熱接觸狀況，實(shí)現(xiàn)快速熱交換，并散熱，達(dá)到介質(zhì)的熱接觸狀況，實(shí)現(xiàn)快速熱交換，并散熱，達(dá)到快冷和快凝的目的快冷和快凝的目的 。急冷凝固技術(shù)的設(shè)備組成急冷凝固技術(shù)的設(shè)備組成熔化合金熔化合金傳出熔體熱量傳出熔體熱量熔化裝置熔化裝置冷卻裝置冷卻裝置分離裝置分離裝置在時(shí)間或空間上在時(shí)間或空間上“分割分割”熔體熔體冶煉爐冶煉爐鑄模鑄模急冷急冷 凝固凝固常規(guī)常規(guī) 鑄造鑄造B是急冷設(shè)備的核心，對(duì)冷速起關(guān)鍵作用是急冷設(shè)備的核心，對(duì)冷速起關(guān)鍵作用在時(shí)間上有時(shí)也在時(shí)間上有時(shí)也“分割分割”熔體，但熔體，但“分割分割”不強(qiáng)烈，熔化潛熱多集中釋不強(qiáng)烈，熔化潛熱多集中釋放放在不同的急冷方法中，在不同的急冷方法中

28、，B可與可與A和和C組合（離心霧化法、熔體旋轉(zhuǎn)法），也可僅與組合（離心霧化法、熔體旋轉(zhuǎn)法），也可僅與C組合（熔體提取法）組合（熔體提取法）ABC37急冷凝固技術(shù)中獲得高冷速的基本原則設(shè)法減少同一時(shí)刻凝固的熔體體積設(shè)法減少同一時(shí)刻凝固的熔體體積設(shè)法增大熔體散熱表面積與體積之比設(shè)法增大熔體散熱表面積與體積之比設(shè)法減少熔體與熱傳導(dǎo)性能好的冷卻介質(zhì)的界面熱阻設(shè)法減少熔體與熱傳導(dǎo)性能好的冷卻介質(zhì)的界面熱阻盡可能主要以傳導(dǎo)方式散熱盡可能主要以傳導(dǎo)方式散熱382 2、深過(guò)冷法、深過(guò)冷法指通過(guò)各種有效的凈化手段避免或消除金屬或合金液中的異指通過(guò)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

29、加臨界形核功，使得液態(tài)金屬或合金質(zhì)晶核的形核作用，增加臨界形核功，使得液態(tài)金屬或合金液獲得在常規(guī)凝固條件下難以達(dá)到的過(guò)冷度。液獲得在常規(guī)凝固條件下難以達(dá)到的過(guò)冷度。上述快速凝固是通過(guò)提高熱傳導(dǎo)速率實(shí)現(xiàn)的，由于試樣內(nèi)部上述快速凝固是通過(guò)提高熱傳導(dǎo)速率實(shí)現(xiàn)的，由于試樣內(nèi)部熱阻的限制，只能在薄膜及熱阻的限制，只能在薄膜及小尺寸小尺寸顆粒中實(shí)現(xiàn)。顆粒中實(shí)現(xiàn)。39大尺寸試件快速凝固大尺寸試件快速凝固? ? 唯一途徑唯一途徑-降低凝固過(guò)程中的潛熱導(dǎo)出量降低凝固過(guò)程中的潛熱導(dǎo)出量 通過(guò)通過(guò)抑制抑制凝固過(guò)程的凝固過(guò)程的形核形核，使合金液獲得很大的過(guò)，使合金液獲得很大的過(guò)冷度，使凝固過(guò)程釋放的潛熱冷度，使凝固過(guò)

30、程釋放的潛熱hh被過(guò)冷熔體吸收，可被過(guò)冷熔體吸收，可以獲得很大的凝固速率。以獲得很大的凝固速率。過(guò)冷度為過(guò)冷度為TTS S的熔體凝固時(shí)需要導(dǎo)出的實(shí)際潛熱的熔體凝固時(shí)需要導(dǎo)出的實(shí)際潛熱hh可表示為可表示為 ：STchh40 在式中用在式中用h取代取代h可知，可知，凝固速率隨過(guò)冷度凝固速率隨過(guò)冷度TS的增大的增大而增大而增大。 當(dāng)當(dāng)h=0，即，即時(shí)，時(shí)，凝固潛熱完全被過(guò)冷熔體所吸收凝固潛熱完全被過(guò)冷熔體所吸收，試件可在無(wú)熱流導(dǎo)，試件可在無(wú)熱流導(dǎo)出的條件下完成凝固過(guò)程。出的條件下完成凝固過(guò)程。 由上式所定義的過(guò)冷度由上式所定義的過(guò)冷度TS稱為稱為單位過(guò)冷度單位過(guò)冷度。經(jīng)過(guò)經(jīng)過(guò)特殊凈化處理特殊凈化處理

31、的大體積液態(tài)金屬的快速凝固等都是深的大體積液態(tài)金屬的快速凝固等都是深過(guò)冷快速凝固技術(shù)的范例。過(guò)冷快速凝固技術(shù)的范例。 chTTSS*413 3、定向凝固法、定向凝固法l定向凝固定向凝固是使熔融合金沿著與熱流方向相反的方向按要是使熔融合金沿著與熱流方向相反的方向按要求的結(jié)晶取向凝固的一種鑄造工藝。求的結(jié)晶取向凝固的一種鑄造工藝。l定向凝固的必備條件：定向凝固的必備條件： 1）熱流向單一方向流動(dòng)并垂直于生長(zhǎng)中的固）熱流向單一方向流動(dòng)并垂直于生長(zhǎng)中的固-液界面液界面 2）晶體生長(zhǎng)前方的溶液中沒(méi)有穩(wěn)定的結(jié)晶核心）晶體生長(zhǎng)前方的溶液中沒(méi)有穩(wěn)定的結(jié)晶核心l措施：措施： 1）避免側(cè)向散熱；）避免側(cè)向散熱；

32、2）靠近固液界面的溶液中有較大的溫度梯度。）靠近固液界面的溶液中有較大的溫度梯度。421.4 1.4 快速凝固制備工藝快速凝固制備工藝1.4.1 1.4.1 霧化技術(shù)霧化技術(shù) （一）流體霧化（一）流體霧化 （二）離心霧化技術(shù)（二）離心霧化技術(shù) （三）機(jī)械霧化技術(shù)（三）機(jī)械霧化技術(shù) （四）其它霧化技術(shù)（四）其它霧化技術(shù) 43基本原理：基本原理：將連續(xù)的金屬熔體在離心力、機(jī)械力或高速流體將連續(xù)的金屬熔體在離心力、機(jī)械力或高速流體( (氣體或液體氣體或液體) )沖擊力等外力作用下分散破碎成尺寸極細(xì)小的沖擊力等外力作用下分散破碎成尺寸極細(xì)小的霧化熔滴，并使熔滴在與流體或冷模接觸中迅速冷卻凝固，霧化熔滴

33、，并使熔滴在與流體或冷模接觸中迅速冷卻凝固，凝固后成呈粉末。凝固后成呈粉末。霧化法不是一個(gè)很新穎的技術(shù)，但卻是工業(yè)生產(chǎn)中最常見的霧化法不是一個(gè)很新穎的技術(shù)，但卻是工業(yè)生產(chǎn)中最常見的快凝方法快凝方法 。霧化技術(shù)44氣體霧化法、水霧化法、超聲氣體霧化法、緊偶合氣體霧化法、氣體霧化法、水霧化法、超聲氣體霧化法、緊偶合氣體霧化法、高速旋轉(zhuǎn)筒霧化法、滾筒霧化法、穿孔旋轉(zhuǎn)杯法、旋轉(zhuǎn)離心霧高速旋轉(zhuǎn)筒霧化法、滾筒霧化法、穿孔旋轉(zhuǎn)杯法、旋轉(zhuǎn)離心霧化法、快速凝固霧化法、真空霧化法、旋轉(zhuǎn)電極霧化法、雙軋化法、快速凝固霧化法、真空霧化法、旋轉(zhuǎn)電極霧化法、雙軋輥霧化法、電輥霧化法、電流體力學(xué)霧化法、火花電蝕霧化法流體力

34、學(xué)霧化法、火花電蝕霧化法主要工藝方法：主要工藝方法：（根據(jù)熔煉方法、分離方式、冷卻介質(zhì)和冷卻（根據(jù)熔煉方法、分離方式、冷卻介質(zhì)和冷卻形式不盡相同）形式不盡相同） 產(chǎn)品形式：產(chǎn)品形式：粉末、碎片、箔片粉末、碎片、箔片451、氣體霧化法、氣體霧化法過(guò)程：兩束或多束氣體射流介質(zhì)傳遞過(guò)程：兩束或多束氣體射流介質(zhì)傳遞動(dòng)能，將金屬液流破碎，細(xì)小的液滴在動(dòng)能，將金屬液流破碎，細(xì)小的液滴在飛行中通過(guò)對(duì)流或輻射散熱凝固成粉飛行中通過(guò)對(duì)流或輻射散熱凝固成粉（一）流體霧化（一）流體霧化工藝參數(shù)：射流距離、射流壓力、噴工藝參數(shù)：射流距離、射流壓力、噴嘴結(jié)構(gòu)、氣體和金屬流速和質(zhì)量流率、嘴結(jié)構(gòu)、氣體和金屬流速和質(zhì)量流率、

35、金屬過(guò)熱度、氣液交匯角、金屬表面張金屬過(guò)熱度、氣液交匯角、金屬表面張力和金屬融化溫度范圍力和金屬融化溫度范圍應(yīng)用：高合金鋼、鋁合金、超合金、應(yīng)用：高合金鋼、鋁合金、超合金、鈦合金等（活潑金屬粉末采用惰性氣體鈦合金等（活潑金屬粉末采用惰性氣體霧化）霧化）粉末多成球形。凝固冷速取決于顆粒粉末多成球形。凝固冷速取決于顆粒尺寸和霧化介質(zhì)的類型，通常，尺寸愈尺寸和霧化介質(zhì)的類型，通常，尺寸愈小，氣體愈輕，冷速愈高小，氣體愈輕，冷速愈高462、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

36、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(shí)，）有時(shí)，也可以油代水，以降也可以油代水，以降O%O% 473、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(guò)是霧化氣

37、體射流速度氣體霧化，只不過(guò)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(dòng)，而超聲霧化射流則以續(xù)方式流動(dòng)，而超聲霧化射流則以80-80-100Hz100Hz的頻率振動(dòng)。的頻率振動(dòng)。) ) 高速高頻氣流由裝配在霧化噴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

38、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 48（二）（二） 離心霧化技術(shù)離心霧化技術(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?gòu)嫩釄寤驈娜刍哪负辖鸢舳藵沧⒌叫D(zhuǎn)器上，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(guò)程中球化并凝固。整個(gè)過(guò)程（熔化、霧化、凝固）在惰性氣體滴在飛行過(guò)程中球化并凝

39、固。整個(gè)過(guò)程（熔化、霧化、凝固）在惰性氣體環(huán)境中完成環(huán)境中完成491、快速凝固霧化法、快速凝固霧化法l液流自坩堝底澆至高速旋轉(zhuǎn)的水冷液流自坩堝底澆至高速旋轉(zhuǎn)的水冷水平盤，液態(tài)金屬被機(jī)械打碎、霧化，水平盤，液態(tài)金屬被機(jī)械打碎、霧化，從旋轉(zhuǎn)盤邊緣甩出，液滴在飛行過(guò)程從旋轉(zhuǎn)盤邊緣甩出，液滴在飛行過(guò)程中凝固中凝固 旋轉(zhuǎn)離心霧化的一種，又稱旋轉(zhuǎn)離心霧化的一種，又稱l可加氦氣流噴吹，加速冷卻，（水可加氦氣流噴吹，加速冷卻，（水流等亦然），也防氧化。也有人已螺流等亦然），也防氧化。也有人已螺旋槳代平盤旋槳代平盤 l粉末多呈球形，尺寸約粉末多呈球形，尺寸約20-80m20-80m，冷速冷速10104 4-10

40、-106 6K/sK/s l已用于制備鎳、鋁、鈦和超合金粉已用于制備鎳、鋁、鈦和超合金粉 502、離心霧化法、離心霧化法l靜止電極和帶電旋轉(zhuǎn)坩靜止電極和帶電旋轉(zhuǎn)坩堝之間產(chǎn)生電弧，熔化金堝之間產(chǎn)生電弧，熔化金屬屬 l在離心力作用下，熔融在離心力作用下，熔融金屬被甩出坩堝邊緣霧化，金屬被甩出坩堝邊緣霧化，并噴射出金屬液態(tài)顆粒并噴射出金屬液態(tài)顆粒 513、激光自旋霧化、激光自旋霧化l與與Pratt & Whitney工藝相似，只是采用高能激光束熔化快工藝相似，只是采用高能激光束熔化快速轉(zhuǎn)動(dòng)的料棒，靠離心力甩出的在碰到容器壁之前被氦氣流速轉(zhuǎn)動(dòng)的料棒，靠離心力甩出的在碰到容器壁之前被氦氣流冷卻。

41、通過(guò)控制旋轉(zhuǎn)速率和氣流，可得不同直徑、冷速的粉冷卻。通過(guò)控制旋轉(zhuǎn)速率和氣流，可得不同直徑、冷速的粉末末 l液滴多凝固成球形顆粒，也會(huì)有以針狀物形式存在。液滴多凝固成球形顆粒，也會(huì)有以針狀物形式存在。m粉冷速達(dá)粉冷速達(dá) l已用于生產(chǎn)鈦合金粉已用于生產(chǎn)鈦合金粉 l優(yōu)點(diǎn)在于：高能激光束產(chǎn)生高過(guò)熱度，可使第二相顆粒充分優(yōu)點(diǎn)在于：高能激光束產(chǎn)生高過(guò)熱度，可使第二相顆粒充分溶解；區(qū)域性熔化，霧化中的污染可限制到最低水平溶解；區(qū)域性熔化，霧化中的污染可限制到最低水平 524、旋轉(zhuǎn)電極霧化法、旋轉(zhuǎn)電極霧化法l欲被霧化的棒料快速旋轉(zhuǎn)，同時(shí)棒料一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

42、，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，成粉體室室壁碰撞之前凝固，成粉 l粉末多呈球形，表面質(zhì)量好，尺寸大，粉末多呈球形，表面質(zhì)量好，尺寸大，大于大于200m200m，冷速，冷速1010 l已用于霧化活潑的金屬，如高純、低氧已用于霧化活潑的金屬，如高純、低氧的、等金屬的、等金屬及其合金，以及和的超合金。及其合金，以及和的超合金。易出現(xiàn)鎢污染，可用鈦陰極或等離子體易出現(xiàn)鎢污染，可用鈦陰極或等離子體弧、激光、電子束來(lái)熔化棒料弧、激光、電子束來(lái)熔化棒料 535、穿孔旋轉(zhuǎn)杯法、穿孔旋轉(zhuǎn)杯法l熔融金屬澆至一個(gè)旋轉(zhuǎn)深熔

43、融金屬澆至一個(gè)旋轉(zhuǎn)深杯中，杯四周穿孔，離心力杯中，杯四周穿孔，離心力使熔融金屬穿過(guò)孔洞流出，使熔融金屬穿過(guò)孔洞流出，在飛行中破碎，凝固在飛行中破碎，凝固 l粉末多呈米粒形，針狀，粉末多呈米粒形，針狀，冷速低，只有冷速低，只有 l已可連續(xù)生產(chǎn)板材，多用已可連續(xù)生產(chǎn)板材，多用于生產(chǎn)低熔點(diǎn)合金板，如鋁、于生產(chǎn)低熔點(diǎn)合金板，如鋁、鉛、鋅等鉛、鋅等 541、雙軋輥霧化法、雙軋輥霧化法 利用兩個(gè)反向高速旋轉(zhuǎn)輥輪將利用兩個(gè)反向高速旋轉(zhuǎn)輥輪將金屬液流霧化。經(jīng)過(guò)雙輥時(shí)需金屬液流霧化。經(jīng)過(guò)雙輥時(shí)需防凝固（用碳涂層包裹兩輥），防凝固（用碳涂層包裹兩輥），液態(tài)金屬?gòu)妮佅路脚懦?，形成液態(tài)金屬?gòu)妮佅路脚懦?，形成渦凹，并以

44、液滴形式甩出，并渦凹，并以液滴形式甩出，并迅速落入水浴，凝固迅速落入水浴，凝固 將熔體液流在兩個(gè)反向旋轉(zhuǎn)的導(dǎo)熱軋輥之間軋制，熔體液流垂直下落在兩輥之間，將熔體液流在兩個(gè)反向旋轉(zhuǎn)的導(dǎo)熱軋輥之間軋制，熔體液流垂直下落在兩輥之間，可制備可制備mm的薄片，冷速達(dá)的薄片，冷速達(dá)。精控工藝參數(shù)，可制備非。精控工藝參數(shù)，可制備非常長(zhǎng)的薄帶常長(zhǎng)的薄帶（三）機(jī)械霧化技術(shù)（三）機(jī)械霧化技術(shù) 冷速達(dá)冷速達(dá)，可制備金屬薄片、箔以及不規(guī)可制備金屬薄片、箔以及不規(guī)則或球形顆粒。效率低則或球形顆粒。效率低 551、真空霧化法、真空霧化法 （Vacuum Atomization）又稱可溶氣體霧化又稱可溶氣體霧化l坩堝內(nèi)液態(tài)金

45、屬在壓力下過(guò)坩堝內(nèi)液態(tài)金屬在壓力下過(guò)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 （四）其它霧化技術(shù)（四）其它霧化技術(shù) 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， 562 2、電子束急冷法（）、電子束急冷法（）慢速旋轉(zhuǎn)的柱狀棒料由幾束電子束逐滴熔慢速旋轉(zhuǎn)的柱狀棒料由幾束電子束逐滴熔化，液滴滴入旋轉(zhuǎn)盤中央，甩出，撞水冷銅化，液滴滴入旋轉(zhuǎn)盤中央，甩出，撞水冷銅模，急冷，折射模，急冷，折射有時(shí)也稱電子束旋轉(zhuǎn)盤法，把

46、歸屬于霧化技術(shù)有時(shí)也稱電子束旋轉(zhuǎn)盤法，把歸屬于霧化技術(shù)電子束急冷法，控制基底角度和旋轉(zhuǎn)速度，電子束急冷法，控制基底角度和旋轉(zhuǎn)速度，使液滴落入旋轉(zhuǎn)盤后，在高角速度和離心力使液滴落入旋轉(zhuǎn)盤后，在高角速度和離心力的作用下，拉長(zhǎng)成薄片的作用下，拉長(zhǎng)成薄片電子束急冷法不需要任何形式的坩堝，是電子束急冷法不需要任何形式的坩堝，是在真空條件下用電子束聚焦后加熱垂直懸掛在真空條件下用電子束聚焦后加熱垂直懸掛的合金棒下端，被加熱的部分熔化后在重力的合金棒下端，被加熱的部分熔化后在重力作用下滴到沿合金棒為軸心的高速旋轉(zhuǎn)的銅作用下滴到沿合金棒為軸心的高速旋轉(zhuǎn)的銅盤上冷凝成箔片，并在離心力作用下甩出。盤上冷凝成箔片，

47、并在離心力作用下甩出。可避免合金污染可避免合金污染箔片厚度與冷速主要由銅盤旋轉(zhuǎn)速率決定。片厚和冷速可通過(guò)轉(zhuǎn)速來(lái)控箔片厚度與冷速主要由銅盤旋轉(zhuǎn)速率決定。片厚和冷速可通過(guò)轉(zhuǎn)速來(lái)控制，典型冷速可達(dá)制，典型冷速可達(dá)，甚至達(dá)，甚至達(dá)10107 7 /s /s 573 3、高速旋轉(zhuǎn)筒霧化法（、高速旋轉(zhuǎn)筒霧化法（Rapidly Spinning Cup, RSCRapidly Spinning Cup, RSC）又稱快速自旋杯法又稱快速自旋杯法l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，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，兼霧化器作用提高冷速，兼霧化器

48、作用l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)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)-581.4.2 1.4.2 液態(tài)急冷法液態(tài)急冷法 將液流噴到輥輪的內(nèi)表面或輥輪的外表面或板帶的外表面來(lái)獲得條帶材料。 單輥法單輥法 （1）自由噴射溶液自旋法；（）自由噴射溶液自旋法；（2）平面流鑄法。）平面流鑄法。591 12 23 34 45 56 67 7氬氬 氣氣氬氬 氣氣3 34 48 87 76 6 () 自由噴射熔液自旋工藝自由噴射熔液自旋工藝 () 平面流鑄工藝平面流鑄工藝圖圖1-3 自由噴射熔液自旋工藝和平面流鑄工藝原理示意圖自由噴射熔液自旋工藝和平面流鑄工藝

49、原理示意圖1-壓力計(jì)；壓力計(jì)； 2-排氣閥；排氣閥； 3-坩堝；坩堝； 4-感應(yīng)加熱線圈；感應(yīng)加熱線圈； 5-合金液；合金液； 6-金屬薄帶；金屬薄帶； 7-淬冷輥輪；淬冷輥輪； 8-噴嘴噴嘴602 21 13 34 45 56 6I Ic cH HA Au ud d2 21 13 34 45 56 6() 自由噴射熔液自旋工藝自由噴射熔液自旋工藝 () 平面流鑄工藝平面流鑄工藝圖圖1-4 自由噴射熔液自旋工藝和平面流鑄工藝形成的熔潭示意圖自由噴射熔液自旋工藝和平面流鑄工藝形成的熔潭示意圖61 平面流鑄法的特點(diǎn)：平面流鑄法的特點(diǎn)：優(yōu)點(diǎn)：平面流鑄熔譚小于自由噴射溶液自旋工藝的熔譚，熔譚的穩(wěn)定性大

50、大增加，又因?yàn)槠矫媪麒T制取的帶材很薄，避免了由于熔譚自由表面不穩(wěn)定而引起的湍動(dòng)噴射；熔譚和冷卻輥輪表面接觸良好、穩(wěn)定，冷卻速率的波動(dòng)很小，均勻性增加，冷卻速率提高，從而有利于改善條帶的表面質(zhì)量保證尺寸均一性和組織均勻性。缺點(diǎn)： 噴嘴輥輪間隙距離太窄小，各工藝參數(shù)間相互依附，相互影響使平面流鑄生產(chǎn)過(guò)程更加難以控制，對(duì)平面流鑄熔譚的研究也更加難以進(jìn)行621.4.3 1.4.3 束流表層急冷法束流表層急冷法采用激光、電子束、粒子束進(jìn)行表面層快速熔凝。采用激光、電子束、粒子束進(jìn)行表面層快速熔凝。 只改變組織，不改變成分只改變組織，不改變成分 表面上釉，表面非晶化等表面上釉，表面非晶化等 即改變成分，又

51、改變組織即改變成分，又改變組織 表面合金化、表面噴涂后激光快速熔凝、離表面合金化、表面噴涂后激光快速熔凝、離 子注入后快速熔凝等子注入后快速熔凝等 常用常用激光快速熔凝激光快速熔凝631.5 快速凝固技術(shù)在金屬材料中的應(yīng)用1.5.1 金屬粉末的快速凝固金屬粉末的快速凝固 1）水霧化法）水霧化法 制備的粉末形狀不太規(guī)則 2）氣霧化法）氣霧化法 制備的粉末細(xì)小、均勻，形狀相對(duì)規(guī)整，近似球形，粉末收得率高。 3）噴霧沉積法）噴霧沉積法 把霧化制粉過(guò)程和金屬成型結(jié)合起來(lái)，簡(jiǎn)化生產(chǎn)工藝，降低生產(chǎn)成本，解決了粉末表面氧化的問(wèn)題，消除了原始顆粒界面對(duì)合金性能的不利影響。64優(yōu)點(diǎn)：容易成型連續(xù)等徑、表面質(zhì)量好

52、的線材。缺點(diǎn)：生產(chǎn)效率很低，不適于生產(chǎn)大批量工業(yè)用線材。 圖1-5 玻璃包覆紡線法快速凝固原理圖1.5.2 金屬線材的快速凝固金屬線材的快速凝固 1）玻璃包覆熔融紡線法）玻璃包覆熔融紡線法65 圖1-6 Kavesh法線材快速凝固原理圖1，7-導(dǎo)流管；2-噴嘴；3-合金液；4-感應(yīng)加熱器； 5-穩(wěn)流罩；6-分散器；8-泵優(yōu)點(diǎn)：裝置簡(jiǎn)單。缺點(diǎn)：液流穩(wěn)定性差，流速較低且難于控制速率，不能連續(xù)生產(chǎn)2）合金溶液注入快冷法）合金溶液注入快冷法66圖1-7 回轉(zhuǎn)水紡線法線材快速凝固原理圖1-旋轉(zhuǎn)鼓；2-冷卻水；3-噴嘴；4-噴射液柱；5-加熱器 優(yōu)點(diǎn)：原理和裝置簡(jiǎn)單，操作方便，可實(shí)現(xiàn)連續(xù)生產(chǎn)。缺點(diǎn)：液流穩(wěn)

53、定性對(duì)線材成型有一定影響。3）回轉(zhuǎn)水紡線法）回轉(zhuǎn)水紡線法67 圖1-8 傳送帶法線材快速凝固原理圖1-冷卻水噴嘴；2-帶溝槽傳送帶；3-導(dǎo)引帶；4-加熱器；5-導(dǎo)引鼓；6-坩堝；7-合金液；8-噴嘴；9-驅(qū)動(dòng)滑輪；10-液流穩(wěn)定器；11-線材；12-繞線機(jī)；13-集水箱；14-噴射合金熔液柱；15-輸送泵；16-流量計(jì)；17-壓縮機(jī)優(yōu)點(diǎn)：綜合了合金液注入冷卻法和旋轉(zhuǎn)液體法，可實(shí)現(xiàn)連續(xù)生產(chǎn)缺點(diǎn)：裝置復(fù)雜，工藝參數(shù)調(diào)控較難，傳送速率不快。4）傳送帶法）傳送帶法681.5.3 金屬帶材的快速凝固金屬帶材的快速凝固 1）單輥法（熔體甩出法）單輥法（熔體甩出法） 圖圖1-9 單輥法制備快速凝固薄帶原理圖

54、單輥法制備快速凝固薄帶原理圖 1-激冷輥；激冷輥；2-感應(yīng)加熱器；感應(yīng)加熱器；3-排氣閥；排氣閥；4-壓力表；壓力表；5-帶材帶材69 圖1-10 單輥法制備復(fù)合帶材1-單輥；2、5-合金液；3、4-坩堝；6-感應(yīng)加熱器；7-復(fù)合薄帶70 圖1-11 非晶合金帶材生產(chǎn)線示意圖1-熔化、保溫爐; 2-中間包; 3-噴嘴; 4-單輥,直徑約2000mm; 5-厚度測(cè)量裝置71 2）雙輥法）雙輥法6 65 54 43 32 21 1 圖1-12 雙輥法快速凝固原理圖l-帶材；2-合金液流；3-加熱器；4-坩堝；5-噴嘴；6-雙輥72 （a）平行）平行 (b) 傾斜傾斜 (c) 凸面凸面 (d) 凹面

55、凹面 圖圖1-13 兩輥的平行度對(duì)帶材質(zhì)量的影響兩輥的平行度對(duì)帶材質(zhì)量的影響合合 金金 溶溶 液液第第 一一 種種 情情 況況第第 二二 種種 情情 況況第第 三三 種種 情情 況況固固 相相a a圖1-14 雙輥法制備帶材快速凝固模型73 圖圖1-15 雙輥法制備復(fù)合薄帶雙輥法制備復(fù)合薄帶 1、2-冷卻輥；冷卻輥；3-基帶；基帶； 4-噴嘴；噴嘴；5-合金熔液合金熔液743）溢流法）溢流法 圖圖1-16 溢流法快速凝固原理圖溢流法快速凝固原理圖75 圖圖1-17 溢流法制備復(fù)合帶材溢流法制備復(fù)合帶材 1-復(fù)合層；復(fù)合層；2-基帶；基帶；3-激冷輥；激冷輥；4-合金液；合金液；l，5-合金液；

56、合金液；2，6-冷卻長(zhǎng)度冷卻長(zhǎng)度761.5.4 金屬體材的快速凝固金屬體材的快速凝固 1）噴射沉積法）噴射沉積法 圖圖1-18 噴射沉積法原理圖噴射沉積法原理圖1-沉積室；沉積室；2-基板；基板；3-噴射粒子流；噴射粒子流；4-氣體霧化室；氣體霧化室；5-合金液；合金液；6-坩堝；坩堝；7-霧化氣體；霧化氣體；8-沉積體；沉積體；9-運(yùn)動(dòng)機(jī)構(gòu)；運(yùn)動(dòng)機(jī)構(gòu)；10-排氣及取料室排氣及取料室77 圖圖1-19 噴射沉積法制備坯材噴射沉積法制備坯材 1-感應(yīng)加熱坩堝；感應(yīng)加熱坩堝；2-噴嘴；噴嘴；3-圓柱沉積坯；圓柱沉積坯；4-沉積室；沉積室； 5-排氣管；排氣管； 6-循環(huán)分離器循環(huán)分離器78 2）大

57、塊非晶態(tài)合金）大塊非晶態(tài)合金l單向熔化法單向熔化法圖圖1-21 單向熔化法示意圖單向熔化法示意圖79l連續(xù)鑄軋連續(xù)鑄軋圖圖1-22 連續(xù)鑄軋示意圖連續(xù)鑄軋示意圖80l分步冷卻連續(xù)鑄造法分步冷卻連續(xù)鑄造法圖圖1-23 分步冷卻連續(xù)鑄造法示意圖分步冷卻連續(xù)鑄造法示意圖813）大塊納米晶合金）大塊納米晶合金l深過(guò)冷技術(shù)制備塊狀納米材料l非晶晶化法制備大塊納米晶合金l聚合物化學(xué)與高溫材料加工法 1）落管技術(shù) 2）高溫高壓固相淬火法821.6 1.6 快速凝固其他新型合金材料快速凝固其他新型合金材料一、快速凝固鋁合金一、快速凝固鋁合金二、快速凝固鎂合金二、快速凝固鎂合金三、快速凝固鈦合金三、快速凝固鈦合

58、金四、快速凝固銅合金四、快速凝固銅合金83一、快速凝固鋁合金一、快速凝固鋁合金 研究背景研究背景高性能鋁合金的發(fā)展可追溯到二十世紀(jì)四十年代。首先開高性能鋁合金的發(fā)展可追溯到二十世紀(jì)四十年代。首先開發(fā)的是發(fā)的是Al-AlAl-Al2 2O O3 3彌散強(qiáng)化合金。彌散強(qiáng)化合金。為了細(xì)化合金的顯微結(jié)構(gòu)，最早采用的方法是稱為為了細(xì)化合金的顯微結(jié)構(gòu)，最早采用的方法是稱為“直接直接冷卻法冷卻法”，即在凝固金屬的外殼通入冷卻介質(zhì)，以加速熱傳導(dǎo)，即在凝固金屬的外殼通入冷卻介質(zhì)，以加速熱傳導(dǎo), ,結(jié)果使鑄件的枝晶臂間距減小了五分之一。結(jié)果使鑄件的枝晶臂間距減小了五分之一。欲進(jìn)一步細(xì)化顯微結(jié)構(gòu)，必須再加快凝固速率

59、。而且已經(jīng)欲進(jìn)一步細(xì)化顯微結(jié)構(gòu)，必須再加快凝固速率。而且已經(jīng)確知，借助于普通粉末冶金工藝確知，借助于普通粉末冶金工藝, ,使用平均粒度使用平均粒度100m100m的粉末的粉末, ,不可能大幅度地改善鋁合金的性能，因此，注意力轉(zhuǎn)向不可能大幅度地改善鋁合金的性能，因此，注意力轉(zhuǎn)向快速凝快速凝固固。84鋁合金材料快速凝固微晶鋁合金卓有成效的進(jìn)展是降低密度，提快速凝固微晶鋁合金卓有成效的進(jìn)展是降低密度，提高彈性模量、增加強(qiáng)度、保持耐蝕性、改善高溫性能，同高彈性模量、增加強(qiáng)度、保持耐蝕性、改善高溫性能，同時(shí)也解除了傳統(tǒng)熔鑄冶金帶來(lái)的某些束縛。時(shí)也解除了傳統(tǒng)熔鑄冶金帶來(lái)的某些束縛。85快速凝固鋁合金實(shí)例快

60、速凝固鋁合金實(shí)例快速凝固高強(qiáng)度合金已用于飛機(jī)等飛行器的制造?？焖倌谈邚?qiáng)度合金已用于飛機(jī)等飛行器的制造?？焖倌炭焖倌?0007000系列鋁合金用于制作波音系列鋁合金用于制作波音757757飛機(jī)的門傳動(dòng)飛機(jī)的門傳動(dòng)裝置的絞鏈，裝置的絞鏈，用快速凝固用快速凝固Cw67Cw67合金制作的鍛壓機(jī)的性能明顯優(yōu)于用常規(guī)合金制作的鍛壓機(jī)的性能明顯優(yōu)于用常規(guī)70757075合金制作的鍛壓機(jī)。合金制作的鍛壓機(jī)。波音757飛機(jī)8686快速凝固高溫鋁合金由于重量輕、價(jià)格低，可作為超音速運(yùn)快速凝固高溫鋁合金由于重量輕、價(jià)格低，可作為超音速運(yùn)輸機(jī)、軍用戰(zhàn)斗機(jī)等的機(jī)身結(jié)構(gòu)材料，還可用于制作火箭和輸機(jī)、軍用戰(zhàn)斗機(jī)等的機(jī)身結(jié)構(gòu)材