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

2、點(diǎn)：一種非平衡的凝固過程，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)；

3、 6）高的點(diǎn)缺陷密度；）高的點(diǎn)缺陷密度； 1.1 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 動力學(xué)急冷快速凝

4、固技術(shù)簡稱熔體急冷技術(shù)：動力學(xué)急冷快速凝固技術(shù)簡稱熔體急冷技術(shù)： 1.3.1 急冷法急冷法 原理：原理： 通過通過(1)減小同一時刻凝固的熔體體積與其散熱表面積之比減小同一時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)。

5、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)快速凝固途徑 1.3.1 急冷法急冷法 1 1 2 2 3 3 4 4 5 5 6 6 7 7 8 8 9 9 1 1 0 0 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

6、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

7、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條件：鑄件定向凝固需要兩個條件： 1）熱流向單一方向流動并垂直于生長中的固）熱流向單一方向流動并垂直于生長中的固-液界面；液界面； 2）晶體生長前方的溶液中沒有穩(wěn)定的結(jié)晶核心。）晶體生長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，使氣體的動能轉(zhuǎn)化

8、為熔體的表面能，從而形成細(xì)小的流，使氣體的動能轉(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673523703583773 HC/(A.m-1)84.51.22 m(120)104(180)104(1100)104(150)104 Br/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

9、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

10、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 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: : 213 qqq（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 1LTL qG （1-2） 2STS

11、qG （1-3） 而而 3ss qhv （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 GTL TL,G ,GTS TS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： STSLTL S S GG v h （1-5） (1-6) 123 QQQ 式中式中,Q,

12、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 VSV SV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

13、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)。 1 QqA (1-7) 2 () CSSSLL L QvVCC 3SV Qv Vh (1-8) (1-9) / C vdT d / SVS vdd SL 、 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: : SL SL CCC 1 SL + () SVC qvhcvM (1-10) /MVA / SSTSS vGh （1-11） ()/ SSkiS vTTh（1-12） 式中，式中， 為鑄件模數(shù)。為鑄件模數(shù)。 對凝固層內(nèi)的溫度分布作線性相似得對凝固層內(nèi)的溫度分布作線