快速凝固鋁合金的組織與性能

Word版本，下載可自由編輯快速凝固鋁合金的組織與性能速凝固技術(shù)，過(guò)去對(duì)凝固過(guò)程的模擬只考慮在熔融狀態(tài)下的熱傳導(dǎo)和凝固過(guò)程中潛熱的釋放，很少考慮金屬熔體在型腔內(nèi)必定存在的流淌以及金屬熔體在凝固過(guò)程中存在的流淌。目前，迅速凝固技術(shù)作為一種研制新型合金材料的技術(shù)一開頭討論合金在凝固時(shí)的各種組織形態(tài)的變化以及如何控制才干到符合實(shí)際生活，生產(chǎn)要求的合金著重討論高的溫度梯度和快的凝固速度的迅速凝固技術(shù)正在走向逐步完美階段。

迅速凝固原理及凝固組織，迅速凝固是指利用對(duì)合金熔體的迅速冷卻(≥104-106k/s)，或非均質(zhì)形核備遏制，是合金在很大過(guò)冷度下，發(fā)生高生長(zhǎng)速率(≥1-100cm/s)凝固。因?yàn)槟踢^(guò)程的快冷，起始形核過(guò)冷度大，生長(zhǎng)速率高是古冶界面偏離平衡，因而展現(xiàn)出一系列于常規(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應(yīng)起的組織及結(jié)構(gòu)特征可以近似用表來(lái)表示。本試驗(yàn)通過(guò)真空系統(tǒng)下的金屬熔液迅速凝固裝置，獲得高真空后，充入一定壓力的惰性氣體，熔煉鋁合金在熔融狀態(tài)下以細(xì)直徑金屬液柱方式噴射到銅模具中，液流發(fā)生橫向鋪展并在純銅模具中迅速凝固。因?yàn)猷駠鬟^(guò)程的澆注時(shí)光在很大程度上被簇?fù)?、延遲，熱耗散可以迅速、充分舉行，從而可獲得層狀鋁合金。

非晶材料簡(jiǎn)介

非晶合金具有長(zhǎng)程無(wú)序、短程有序的結(jié)構(gòu)，與晶態(tài)合金相比，具備許多特有些性能，如高硬度、高強(qiáng)度、高電阻、耐蝕及耐磨等，為材料科研工開發(fā)高性能的功能材料和結(jié)構(gòu)材料提供了巨大的潛力。

塊體非晶合金形成的成分和結(jié)構(gòu)條件影響非晶形成能力的因素有，合金中原子的鍵合特征、電子結(jié)構(gòu)、原子尺寸的相對(duì)大小、各組元的相對(duì)含量、合金的熱力學(xué)性質(zhì)以及相應(yīng)的晶態(tài)結(jié)構(gòu)等。普通狀況，假如某種物質(zhì)對(duì)應(yīng)的晶體結(jié)構(gòu)很復(fù)雜，原子之間的鍵合較強(qiáng)，并且有特定的指向，其形成非晶結(jié)構(gòu)在動(dòng)力學(xué)上要簡(jiǎn)單一些。

對(duì)非晶形成的可能性Inoue總結(jié)了3條試驗(yàn)邏輯：(1)合金由3種以上組元構(gòu)成、(2)各組元原子尺寸差別較大?普通大于12%、(3)3個(gè)組元具有負(fù)的混合熱。從液態(tài)到形成非晶態(tài)，原子結(jié)構(gòu)幾乎不發(fā)生變化，各組成元素之間普通具有大于12%的原子尺寸差異和負(fù)的混合熱，這樣能夠形成緊密隨機(jī)堆垛結(jié)構(gòu)，能夠增大固液界面能，抑制結(jié)晶形核，也增大了長(zhǎng)程范圍內(nèi)原子的重排困難性，抑制了晶體的生長(zhǎng)，從而形成非晶態(tài)結(jié)構(gòu)。塊體非晶合金材料的制備辦法在早期，非晶材料的制備，首先采納迅速凝固法制備非晶粉末，然后用粉末冶金辦法將粉末壓制或粘結(jié)成型。20世紀(jì)90年月初發(fā)覺了具有極低臨界冷卻速率的合金系列，可以直接從液相獲得塊體非晶固體。目前，塊體非晶合金的制備辦法基本可劃分為直接凝固法和粉末固結(jié)成形法。形成能力和寬的過(guò)冷液相區(qū)ΔTx，并且形成一種與傳統(tǒng)非晶合金不同的新型非晶態(tài)組織，其特點(diǎn)為，原子呈高度密堆羅列，產(chǎn)生新的區(qū)域原子組構(gòu)，存在互相吸引的長(zhǎng)程勻稱性。Takeuchi等計(jì)算了351種三元非晶態(tài)合金系及其二元子系統(tǒng)的混合焓(ΔH)和錯(cuò)配熵(ΔS/KB)，進(jìn)一步完美了Inoue準(zhǔn)則。Inoue準(zhǔn)則被普遍接受，并依據(jù)它發(fā)覺了許多能形成大塊非晶的合金系，如Mg基、Al基、Fe基、Zr基、La基、Ti基、Cu基等。直接凝固法詳細(xì)包括，水淬法、銅模鑄造法、吸入鑄造法、高壓鑄造、磁懸浮熔煉、單向熔化法等。粉末固結(jié)成形法該辦法是通過(guò)非晶合金特有些在過(guò)冷液相區(qū)間的超塑成形能力，將非晶粉末加壓固結(jié)成形。粉末固結(jié)成形法只需制備低維外形的非晶粉末，因此可以在一定程度上突破塊體非晶合金尺寸上的限制，是一種極有前途的塊體非晶合金的制備辦法[6]。舉行非晶粉末固結(jié)成形的粉末冶金技術(shù)通常有熱壓燒結(jié)(HP)、熱等靜壓燒結(jié)(HIP)等。除傳統(tǒng)的粉末冶金技術(shù)外?最近有報(bào)道通過(guò)放電等離子燒結(jié)(SparkPlasmaSintering,SPS)技術(shù)將非晶粉末致密化制備塊體非晶合金材料。

SPS技術(shù)是通過(guò)外加脈沖強(qiáng)電流形成的電場(chǎng)清潔粉末顆粒表面氧化物和吸附的氣體，并活化粉末顆粒表面，提升顆粒表面的蔓延能力，再在外加壓力下通過(guò)強(qiáng)電流短時(shí)加熱粉體舉行迅速燒結(jié)致密化。其消耗的電能僅為傳統(tǒng)燒結(jié)工藝的1/5~1/3。SPS技術(shù)具有如下優(yōu)點(diǎn):燒結(jié)溫度低(比HP和HIP低200~300℃)、燒結(jié)時(shí)光短(只需3~10min)?而HP和HIP需要120~300min)、單件能耗低，燒結(jié)機(jī)理特別?給予材料新的結(jié)構(gòu)與性能，燒結(jié)體密度高，顯微組織勻稱是一種近凈成形技術(shù)操作容易。SPS技術(shù)作為一種近年來(lái)快速進(jìn)展的新興迅速燒結(jié)技術(shù)，是一種很有前途的非晶粉末固結(jié)技術(shù)。因?yàn)槠渚哂袩Y(jié)溫度低、燒結(jié)時(shí)光短、能夠迅速固結(jié)粉末制備致密的塊體材料。

因此，SPS技術(shù)可以應(yīng)用于制備需要抑制晶化形核的非晶塊體材料。其燒結(jié)機(jī)理是在極短的時(shí)光內(nèi)，粉末間放電，迅速熔化，在壓力作用下非晶粉末還沒(méi)來(lái)得及晶化就已經(jīng)發(fā)生燒結(jié)。而后利用很快的冷卻速度，非晶態(tài)結(jié)構(gòu)被保存下來(lái)?從而得到致密的塊體非晶態(tài)合金。Shen和Inoue通過(guò)SPS技術(shù)制備出了直徑為20m