材料制備新技術(shù)(許春香) 第一章 快速凝固技術(shù)

1、- 材料物理專業(yè)材料物理專業(yè)材料制備新技術(shù)材料制備新技術(shù)- 許春香許春香第第1章章 快速凝固技術(shù)快速凝固技術(shù)1.1 快速凝固概述快速凝固概述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)1.3 實(shí)現(xiàn)快速凝固過程的傳熱實(shí)現(xiàn)快速凝固過程的傳熱1.4 快速凝固制備工藝快速凝固制備工藝1.5 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1.1 快速凝固概述快速凝固概述快速凝固：液相快速凝固：液相-固相，固相， 冷卻速率冷卻速率 105 106 K/s特點(diǎn)：一種非平衡的凝固過程，通常生成亞穩(wěn)相（非晶、特點(diǎn)：一種非平衡的凝固過程

2、，通常生成亞穩(wěn)相（非晶、準(zhǔn)晶、微晶和納米晶）。準(zhǔn)晶、微晶和納米晶）。過冷度：金屬的理論結(jié)晶溫度與實(shí)際結(jié)晶溫度之差過冷度：金屬的理論結(jié)晶溫度與實(shí)際結(jié)晶溫度之差T.T = T0 Tn (T0理論結(jié)晶溫度，理論結(jié)晶溫度，Tn實(shí)際結(jié)晶溫度）實(shí)際結(jié)晶溫度）1.1 快速凝固概述快速凝固概述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；快速凝固材料的主要組織特征：快速凝固材料的主要組織特征：2）減小偏析；）減小偏析；3）擴(kuò)大固溶極限；）擴(kuò)大固溶極限；4）快速凝固可導(dǎo)致非平衡的相結(jié)構(gòu)產(chǎn)生；）快速凝固可導(dǎo)致非平衡的相結(jié)構(gòu)產(chǎn)生；5）形成非晶態(tài)；）形成非晶態(tài)；6）高的點(diǎn)缺陷密度；）高的點(diǎn)缺陷密度；1.1

3、 快速凝固概述快速凝固概述1）力學(xué)性能；）力學(xué)性能；快速凝固主要性能特點(diǎn)：快速凝固主要性能特點(diǎn)：2）物理性能；）物理性能； （a）定向凝固）定向凝固 (b)體積凝固體積凝固 圖圖1-1 兩種典型的凝固方式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；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；自凝固界面導(dǎo)人固相的熱流密； Q-鑄件向鑄型散熱熱量鑄件向鑄型散熱熱量 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)定向凝固和體積凝固定向凝固和體積凝固1.3 實(shí)現(xiàn)快速凝固途徑實(shí)現(xiàn)快速凝固途徑動(dòng)力學(xué)急冷快速凝固技術(shù)簡(jiǎn)稱熔體急冷技術(shù)：動(dòng)力學(xué)急冷快速凝固技術(shù)簡(jiǎn)稱熔體急冷技術(shù)

4、：1.3.1 急冷法急冷法原理：原理：通過通過(1)減小同一時(shí)刻凝固的熔體體積與其散熱表面積之比減小同一時(shí)刻凝固的熔體體積與其散熱表面積之比(2)減小熔體與熱傳導(dǎo)性很好的冷卻的界面熱阻以及加快熱減小熔體與熱傳導(dǎo)性很好的冷卻的界面熱阻以及加快熱傳導(dǎo)散熱。傳導(dǎo)散熱。注：霧化法、單輥法、雙輥法、旋轉(zhuǎn)圓盤法及紡線法等非晶、注：霧化法、單輥法、雙輥法、旋轉(zhuǎn)圓盤法及紡線法等非晶、微晶材料制備過程中，試件尺寸很小，故凝固層內(nèi)部熱阻可微晶材料制備過程中，試件尺寸很小，故凝固層內(nèi)部熱阻可以忽略（即溫度均勻），界面散熱稱為主要控制環(huán)節(jié)。以忽略（即溫度均勻），界面散熱稱為主要控制環(huán)節(jié)。1.3 實(shí)現(xiàn)快速凝固途徑實(shí)現(xiàn)快

5、速凝固途徑1.3.1 急冷法急冷法1 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-鋁箔鋁箔最常見的急冷法是極冷模法最常見的急冷法是極冷模法1.3 實(shí)現(xiàn)快速凝固途徑實(shí)現(xiàn)快速凝固途徑深過冷法是指通過各種有效的凈化手段避免或消除金屬或深過冷法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)晶核的形成作用，增加臨界形核功，抑制合金液中的異質(zhì)晶核的形成

6、作用，增加臨界形核功，抑制均質(zhì)形核作用，是的液態(tài)金屬或合金獲得在常規(guī)凝固條件均質(zhì)形核作用，是的液態(tài)金屬或合金獲得在常規(guī)凝固條件下難以達(dá)到的過冷度。下難以達(dá)到的過冷度。1.3.2 深過冷法深過冷法主要應(yīng)用：液相微粒的霧化法，經(jīng)過凈化處理的大體積液主要應(yīng)用：液相微粒的霧化法，經(jīng)過凈化處理的大體積液態(tài)金屬的快速凝固。態(tài)金屬的快速凝固。1.3 實(shí)現(xiàn)快速凝固途徑實(shí)現(xiàn)快速凝固途徑定向凝固是使熔融合金沿著與熱流相反的方向，按照要求定向凝固是使熔融合金沿著與熱流相反的方向，按照要求的結(jié)晶取向凝固的一種鑄造工藝。的結(jié)晶取向凝固的一種鑄造工藝。1.3.3 定向凝固法定向凝固法定向凝固技術(shù)最突出的成就是在航空工業(yè)中

7、的應(yīng)用。定向凝固技術(shù)最突出的成就是在航空工業(yè)中的應(yīng)用。鑄件定向凝固需要兩個(gè)條件：鑄件定向凝固需要兩個(gè)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)前方的溶液中沒有穩(wěn)定的結(jié)晶核心。）晶體生長(zhǎng)前方的溶液中沒有穩(wěn)定的結(jié)晶核心。1.4 快速凝固制備工藝快速凝固制備工藝氣體霧化法制備粉末，是利用氣體的沖擊力作用于熔融液氣體霧化法制備粉末，是利用氣體的沖擊力作用于熔融液流，使氣體的動(dòng)能轉(zhuǎn)化為熔體的表面能，從而形成細(xì)小的流，使氣體的動(dòng)能轉(zhuǎn)化為熔體的表面能，從而形成細(xì)小的液滴并凝固成粉末顆粒。液滴并凝固成粉末顆粒。1.4.1 氣體霧化法氣體霧

8、化法粉末顆粒度較寬，有小于粉末顆粒度較寬，有小于1m的，的， 也有也有0.5mm的。收得率的。收得率673523703583773HC/(A.m-1)84.51.22m(120)104(180)104(1100)104(150)104Br/Bs0.050.900.10.850.050.950.10.90應(yīng)用應(yīng)用配電變壓器，中頻配電變壓器，中頻變壓器變壓器漏電保護(hù)開關(guān)，電漏電保護(hù)開關(guān)，電流互感器流互感器磁放大器，高頻變磁放大器，高頻變壓器，扼流圈，脈壓器，扼流圈，脈沖變壓器，飽和電沖變壓器，飽和電抗器抗器磁放大器，高頻變磁放大器，高頻變壓器，扼流圈，脈壓器，扼流圈，脈沖變壓器，飽和電沖變壓器，飽

9、和電抗器抗器表表1-4 采用噴射沉積法制備的近終形制件采用噴射沉積法制備的近終形制件產(chǎn)品產(chǎn)品合金系統(tǒng)合金系統(tǒng)產(chǎn)品產(chǎn)品合金系統(tǒng)合金系統(tǒng)管狀制件管狀制件圓管圓管軋輥軋輥襯套襯套汽輪機(jī)套汽輪機(jī)套軸承套軸承套不銹鋼及高溫合金不銹鋼及高溫合金鑄鐵及高合金鋼鑄鐵及高合金鋼鋁合金鋁合金高溫合金高溫合金高速鋼高速鋼平板鍵平板鍵帶鋼帶鋼有色合金帶有色合金帶盔甲板材盔甲板材涂層涂層涂覆管材涂覆管材包層棒材包層棒材涂覆帶材及板材涂覆帶材及板材棒、坯件棒、坯件擠壓坯擠壓坯鍛坯鍛坯圓棒圓棒鋁合金及復(fù)合材料鋁合金及復(fù)合材料高溫材料高溫材料高合金鋼高合金鋼涂層涂層涂覆管材涂覆管材包層棒材包層棒材涂覆帶材及板材涂覆帶材及板材

10、鍋爐管鍋爐管不銹鋼及工具鋼不銹鋼及工具鋼耐磨板及軸承合金耐磨板及軸承合金第第1章章 快速凝固技術(shù)快速凝固技術(shù) 熱流密度熱流密度q q1 1和和q q2 2與結(jié)晶潛熱釋放率之間滿足與結(jié)晶潛熱釋放率之間滿足熱平衡方程熱平衡方程: :213qqq（1-1） 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）而而 3ssqhv （1-4） 式中式中, ,L L, ,S S分別為液相和固相的導(dǎo)熱分別為液相和固相的導(dǎo)熱率率G GTLTL,G,GTSTS分別為凝固界面附近液和固相分別為凝固界面附近液和固相中的溫度梯度；中的溫度梯度；h h為結(jié)晶潛熱，也稱為為結(jié)晶潛熱，也稱

11、為凝固潛熱；凝固潛熱；V VS S為凝固速度；為凝固速度；S S為固密度為固密度。 將式（將式（1-21-2）至式（）至式（1-41-4）帶入式（）帶入式（1-11-1）則可求得凝固速度為：則可求得凝固速度為：STSLTLSSGGvh（1-5） (1-6) 123QQQ 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為鑄件降溫釋為鑄件降溫釋放的物理熱放的物理熱;Q;Q3 3為凝固過程放出的結(jié)晶潛熱；為凝固過程放出的結(jié)晶潛熱； 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為界面熱流為

12、界面熱流密度；密度；V VC C為冷卻速度，為冷卻速度， 為負(fù)值；為負(fù)值；V VSVSV為體積凝為體積凝固速度，固速度， ；V V為鑄件體積；為鑄件體積； h h為結(jié)晶為結(jié)晶潛潛熱；熱；S S、L L、 分別為固相密度、液相密度及平分別為固相密度、液相密度及平均密度；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、 近似取近似取 , , ,并且已并且已知知 ，則由式（，則由式（1-61-6）至式）至式 （1-91-9）可）可得出得出: :SLSLCCC1SL+()SVCqvhcvM (1-10)/MVA/SSTSSvGh（1-11） ()/SSkiSvTTh（1-12）式中，式中， 為鑄件模數(shù)。為鑄件模數(shù)。對(duì)凝固層內(nèi)的溫度分布作線性相似得對(duì)凝固層內(nèi)的溫度分布作線性相似得