快速凝固凝固新技术.pptx

第八章 凝固新技术第二节第二节 快速凝固快速凝固主要内容快速凝固应用快速凝固方法与技术快速凝固简介金属凝固基础知识回顾快速凝固合金组织特点1、金属凝固基础知识回顾结晶概念：金属由液态转变为固态的过程金属原子由短程有序变为长程有 序的过程 结晶的基本过程• 结晶由晶核的形成晶核的形成和晶核的长大晶核的长大两个基本过程组成• 液态金属中存在着原子排列规则的小原子团，它们时聚时散，称为晶坯在T0以下, 经一段时间后(即孕育期), 一些大尺寸的晶坯将会长大，称为晶核金属结晶过程中的过冷现象 过冷度:ΔT= Tm —Tn Tm :金属的理论结晶温度 液—固共存温度 Tm -----理论结晶温度; Tn -----实际结晶温度 金属结晶须过冷，且冷速愈快，则ΔT越大Tn越低 金属结晶的热力学条件 结晶为何需过冷？→提供热力学条件 热力学第二定律：在等温等压下，任何 自发进行的过程都是向自由能降低的方向进 行结晶：高能→低能1.形核时能量变化和临界晶核半径 多大尺寸晶胚可作为晶核长大呢？ 在ΔT下，假设：晶核为球形，半径为r，则有 系统总自由能变化： ΔG=V•ΔGV +A•σA-表面积 ， σ-比表面能 ①ΔGV=GS-GL0 →（结晶阻力） 随晶核长大，表面能上升。

1．形核时能量变化和临界晶核半径对球形晶核，由ΔG=V•ΔGV+A•σ可得设r*为临界晶核半径当rr*，晶胚长大使ΔG↓， 形核 在r=r*时，ΔG极大→ΔG* • 晶核形成后便向各方向生长，同时又有新的晶核产生晶核不断形成，不断长大，直到液体完全消失每个晶核最终长成一个晶粒，两晶粒接触后形成晶界晶核的形成方式• 形核有两种方式，即自发(均匀)形核和非自发（非均匀）形核• 在液体结构内部由金属本身原子自发长出的结晶核心称自发形核• 以液体中存在的固态杂质为核心形核称非自发形核 “结构相似，尺寸相当”非自发形核更为普遍均匀形核非均匀形核示意图二、快速凝固简介• 定义：快速凝固是指采用急冷技术或深过冷技术获得很高的凝固前沿推进速率的凝固过程 界面推进速率大于10 mm/s冷却速率达到105~1010 K/s快固-液界面的移动速率赶上或超过原子间扩散速率时，晶体将来不及转移成分，界面固、液相成分不再平衡• 实现快速凝固的条件l 满足RS条件的途径： 1）大的冷却速度 对于尺寸足够小的凝固试件，界面散热成为控制冷却的主要环节增大散热强度，使熔体以极快的速度降温，即可实现快速凝固 • 大过冷度T • 利用抑制凝固过程的形核，使合金液获得很大过冷度，实 现凝固过程释放的凝固潜热与过冷散失的物理热抵消。

使 凝固过程处在几乎绝热状态，需导出的热流几乎很小，获 得很大的冷却速度T - 过冷度（ ℃ ）L - 熔化潜热 （J/Kg）C - 比热 (J / Kg ℃ ) 快速凝固 的目的超细组织过饱和固溶体亚稳相或新的结晶相微晶、纳米晶或金属玻璃形成获得优异的 强度、塑性、耐磨性、耐腐蚀性 等快速凝固技术的历史•1960年，杜韦兹（Duwez）首先创立了一种新型合金的冶金技术  “枪”式急 冷凝固技术该技术特点：设法将金属熔体分割成尺寸很小的熔滴，减小熔 滴体积和熔滴散热面积之比，从而使熔滴被冷却介质迅速冷却而凝固如杜 韦兹制取Au-Si非晶态合金时，凝固的冷却速度高达106109K/s，过冷度高达 102K数量级，相应的凝固速度可达10102cm/s，这种冷却速度、过冷度和凝固 速度是常规凝固技术所无法达到的• 自从杜韦兹1960年创立快速凝固技术以来，这一技术已经不断完善和系统化 ，并逐步由实验室研究转向商业生产•快速凝固技术研究已经经历了三个发展阶段：1960年代的非晶态急冷合金研 究、1970年代的快速凝固晶态合金研究和1980年代以后的准晶态合金研究•自1973年以后，全世界每年与快速凝固技术或合金有关的论文数量呈指数上 升；到1985年，每年发表的有关论文已达1000余篇。

•已经召开了6次急冷金属国际会议和3次快速凝固国际会议；1985年，快速凝 固学术期刊“Int. J Rapid Solidification”创刊Department of Materials Science and Engineering, Y.F.Wang3、快速凝固合金组织特点a)偏析倾向减小，成分均匀化l一方面是溶质原子不均匀分布或偏析的范围减小l通常，用树枝状晶偏析的二次枝晶臂间距来表征成分偏 析的范围或距离l显然 ，快速凝固合金晶粒细化，枝晶间距减小，偏析 范围呈数量级减小b.形成超饱和固溶体Ø 产生的原因在于大多数液态合金是无限互溶的（ CLmax →1 ），而在快速凝固过程中，发生了非平衡 或无溶质分配凝固Ø 快速凝固合金中置换式固溶体和间隙式固溶体的溶 质固溶度都会有较大的亚稳扩展，而且一般冷速 高、扩展大Department of Materials Science and Engineering, Y.F.Wangｃ．组织超细化、尺寸均匀化Ø 快速凝固合金晶粒，随冷速增大，依次可能为树枝状晶、胞状 或柱状晶与等轴晶Ø 快速凝固合金晶粒尺寸极小，而且大小分布均匀Ø 由于凝固形核前熔体过冷度可达几十甚至几百度，而结晶形核 速率比长大速度更强烈地依赖于过冷度，大大地提高了凝固形 核速率，同时，在极短的凝固时间晶粒难以充分长大 Ø 通常，快速凝固晶态合金被称为微晶合金，甚至有人根据凝固 速度很高的合金中晶粒可小达纳米量级，而把快速凝固晶态合 金分为微（米）晶合金和纳（米）晶合金Department of Materials Science and Engineering, Y.F.Wangｄ．晶体缺陷增加q与铸态合金相比，快速凝固合金中的空位、位错等缺陷密度有较大增加原因n液态合金中空位形成能（0.11eV）比固态合金中的（0.76eV）小得多，故， 液态合金中空位浓度高得多，快速凝固时大部分空位来不及消失而留在固态 合金中 n凝固速度高，晶体生长过程中也容易形成空位，导致固态合金中空位浓度高 n由于快速凝固过程中热应力大，空位聚集，崩塌，形成位错环，导致位错密 度（尤其是位错环）高q与铸态合金相比，快速凝固合金中的层错密度也有较大增加q快速凝固合金中的空位浓度、位错密度、层错密度增大，这对合金的溶质扩 散、合金中固态相变以及合金性能都会产生重要影响ｅ．产生亚稳晶体相，甚至准晶、非晶相l形成的亚稳相是快速凝固合金微观组织结构的一个重要特征Department of Materials Science and Engineering, Y.F.Wang快速凝固合金的主要性能特征快速凝固组织—— 微观组织结构尺寸细化与均匀化；成分均匀 化、偏析减少；固溶度扩展、过饱和过熔体 形成；位错、层错等密度提高；亚稳相形成 与控制 经适当的固结成型—— 基本能保持快速凝固组织的优势，甚至可以 产生更好的弥散强化作用细晶强化与韧化、微畴强化与 韧化 提高合金元素使用效率、避免 有害相产生、消除微裂纹萌生 起到很好的固溶强化作用、也 为第二相析出和弥散强化提供 条件 产生位错强化作用，也可以改 善脱溶产物形貌 强化和韧化作用与相应的铸态合金相比，快速凝固合金的硬度、强度、塑性、韧性、耐磨性、耐 蚀性等均有明显提高，室温性能如此，某些高温性能亦如此 在常规铸态合金基础上经成分调整和具有全新成分的快速凝固合金一般也具有更 加优异的性能Department of Materials Science and Engineering, Y.F.Wang凝固在很大的过冷度和很高的冷却速率下进行，凝固组织中会出现非平衡相 。

把温度梯度G和生长速率R联系起来，用GR空间表示显微组织的变化和枝晶间距（偏析间距）的变化：对铸件和铸锭，通常GR=10-3~101K/s，但对雾化法， GR=102~106K/s相应地，偏析间距λ从1000μm减小到0.01μm＜冷却条件 冷却速率/(K·S -1)组织特征工业冷却速 率砂型铸件和铸锭 10-3---100平衡条件的晶粒组织,如粗 树枝晶,共晶和其他结构中等冷却速 率薄带，模铸件， 普通雾化粉末100---103精细显微结构,如细树枝晶, 共晶和其他结构快速凝固雾化细粉、喷雾 沉积、电子束或 激光玻璃化处理103---106特殊显微结构,如扩大固溶 度，微晶结构，亚稳结晶 相，非晶结构不同凝固速度所得材料的组织特征3、快速凝固方法与技术• 1.动力学急冷法• 2.热力学深过冷法动力学急冷法• 在动力学急冷凝固技术中，根据熔体分离和 冷却方式的不同，可以分成雾化技术、模冷技 术和表面熔化技术三大类• • 原理原理：：通过提高熔体凝固时的传热速率从而提通过提高熔体凝固时的传热速率从而提 高凝固时的冷却速率，使熔体形核时间极短，高凝固时的冷却速率，使熔体形核时间极短， 来不及在平衡熔点附近凝固而只能在来不及在平衡熔点附近凝固而只能在远离平衡远离平衡 熔点熔点的较低温度凝固，因而具有很大的凝固过的较低温度凝固，因而具有很大的凝固过 冷度和凝固速率。

冷度和凝固速率模冷技术• 模冷技术：使金属液接触固体冷源并以传导的方式散热 而实现快速凝固其主要特点是首先把熔体分离成连续 或不连续的、界面尺寸很小的熔体流，然后使熔体流与 旋转或固定的、导热良好的冷模或基底迅速接触而冷却 凝固模冷技术枪法双活塞法熔体旋转法平面流铸造法表面熔化与沉积技术熔体提取法急冷模法雾化技术• 雾化技术是指采用某种措施将熔体分离雾 化，同时通过对流的冷却方式凝固，其主 要特点是在离心力、机械力或高速流体冲 击力等作用下分散成尺寸极小的雾状熔滴 在气流或冷模接触中迅速冷却凝固流体雾化法雾化技术离心雾化法机械雾化法Department of Materials Science and Engineering, Y.F.Wang“枪” 法“枪”法工艺示意图 1-高压室，2-聚酯薄膜，3-感应线圈，4-低压室，5-铜模工作原理：小于0.5g的母合金放置在石英管中， 经感应圈3加热熔化后，高压室1中突然通 入23GPa(2041030600个工业大气压) 的高压气流，使位于高压室1和低压室4之 间的聚酯薄膜2破裂，从而产生冲击波， 将金属熔体分离成细小的熔滴，并使其加 速到每秒几百米的速度，然后喷射到导热 性良好的固定铜模5上，熔滴迅速凝固成 箔片。

由于熔滴的速度很高，象子弹一样， 所以该方法称之为“枪”法Department of Materials Science and Engineering, Y.F.Wang双活塞法（Twin Piston Method） 小于1g的母合金在感应器1中加热熔化，熔滴2下落；当熔滴2挡住光电管的光束时，光点线路启动纯铜双活塞相对运动的驱动装置，使活塞迅速收合，挤压熔滴，使之凝固成薄片 1-感应线圈，2-熔滴，3-活塞Department of Materials Science and Engineering, Y.F.Wang熔体旋转法（Melt Spinning） 将母合金切成30mm的小段或 小块，再磨去氧化皮，装入石英 管1中；通过感应器8迅速加热熔 化母合金；从石英管上端通入氮 气或惰性气体2，金属熔体在压 力下克服表面张力，从石英管下 端的喷嘴4中喷到下方高速旋转 的辊轮7的表面；当金属熔体与 辊轮表面接触时，迅速凝固，并 在离心力的作用下以薄带的形式 抛出 1-石英管，2-惰性气体，3-薄带，4-喷嘴 ， 5-熔体，6-熔池，7-辊轮，8-感应线圈熔体旋转快速凝固设备 Department of Materials Science and Engineering, Y.F.Wang平面流铸法（PFC） 平面流铸工艺原理与熔体旋 转法基本相同，只。