一、快速凝固技術(shù)

1、第第1章章 快速凝固技術(shù)快速凝固技術(shù) 前 言q快速凝固1960年開始出現(xiàn)q快速凝固是一項新型材料制備技術(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對現(xiàn)有牌號合金，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的一個重要分支，并在實際生產(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，不但開拓了一個嶄新的學術(shù)領(lǐng)域，而且向市場提供了具有特殊性能的新材料討論主題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)實現(xiàn)快速凝固途徑實現(xiàn)快速凝固途

2、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 追溯快速凝固發(fā)展，其原始動力源于解決鑄件（錠）偏析追溯快速凝固發(fā)展，其原始動力源于解決鑄件（錠）偏析的需要。因此，雖然有的技術(shù)的需要。因此，雖然有的技術(shù)DUWEZDUWEZ的的“槍槍”以前就已發(fā)明，以前就已發(fā)明，早可視為快速凝固技術(shù)的前身。然而，目前大家公認的是，快早可視為快速凝固技術(shù)的前身。然而，目前大家公認的是，快速凝固起源于速凝固起源于DUWEZDUWEZ的的“槍槍”技術(shù)技術(shù)( (自從年美國加州理自從年美國加州理工學院的工學院的. DUWEZ. DUWE

3、Z采用采用“槍槍”法熔體急冷技術(shù)使液態(tài)合金在法熔體急冷技術(shù)使液態(tài)合金在高于高于107/107/的冷卻速率下快速凝固以來，快速凝固技術(shù)已受的冷卻速率下快速凝固以來，快速凝固技術(shù)已受到國內(nèi)外的廣泛重視。到國內(nèi)外的廣泛重視。) ) （一）快速凝固發(fā)展的由來冷速可達冷速可達10106 6k/sk/s首次系統(tǒng)報道快凝組織結(jié)構(gòu)、形貌、大小的變化規(guī)律首次系統(tǒng)報道快凝組織結(jié)構(gòu)、形貌、大小的變化規(guī)律自此，快速凝固亞穩(wěn)效應(yīng)被有目的地用來制備高性能材料自此，快速凝固亞穩(wěn)效應(yīng)被有目的地用來制備高性能材料1.1 快速凝固概述（二）快速凝固的定義定義定義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凝：從液態(tài)到固態(tài)

4、的冷卻速度大于某一臨界冷卻速率的凝固過程（固過程（10105 5/s/s）。）。定義定義2 2：由液相到固相的相變過程進行得非?？欤瑥亩@得普：由液相到固相的相變過程進行得非?？?，從而獲得普通鑄件和鑄錠無法獲得的成分、相結(jié)構(gòu)和顯微結(jié)構(gòu)的凝固過程。通鑄件和鑄錠無法獲得的成分、相結(jié)構(gòu)和顯微結(jié)構(gòu)的凝固過程。 定義定義3 3：快速凝固是指采用急冷技術(shù)或深過冷技術(shù)獲得很高的：快速凝固是指采用急冷技術(shù)或深過冷技術(shù)獲得很高的凝固前沿推進速率的凝固過程。凝固前沿推進速率的凝固過程。 1、“動力學動力學”法法 （三）實現(xiàn)快速凝固的途徑2、“熱力學熱力學”法法 急冷凝固技術(shù)（急冷凝固技術(shù)（Rapidly Quen

5、ching Technology, RQT） （或稱（或稱 熔體淬火技術(shù)（熔體淬火技術(shù)（Melt Quenching Technology, MQT）提高熔體凝固時傳熱速度，來增大冷速，從而提高過冷度和凝固速率，使熔體形提高熔體凝固時傳熱速度，來增大冷速，從而提高過冷度和凝固速率，使熔體形核時間短，來不及在熔點附近凝固，而在遠離平衡點的較低溫度凝固，實現(xiàn)快冷核時間短，來不及在熔點附近凝固，而在遠離平衡點的較低溫度凝固，實現(xiàn)快冷和快凝和快凝深過冷技術(shù)（深過冷技術(shù)（Large Undercooling Technology, LUT）針對鑄造合金都是在非均勻形核條件下凝固的，過冷度小，故創(chuàng)造近似均

6、勻形核針對鑄造合金都是在非均勻形核條件下凝固的，過冷度小，故創(chuàng)造近似均勻形核的條件，這時冷速雖小，但凝固過冷度大，亦可實現(xiàn)快速凝固的條件，這時冷速雖小，但凝固過冷度大，亦可實現(xiàn)快速凝固3、定向凝固技術(shù)、定向凝固技術(shù) 隨產(chǎn)品尺寸（至少一維）減小，冷速增大，產(chǎn)品中枝晶壁間距縮短，第二相（雜質(zhì)和孔洞）細化，分布均勻化，獲得組織均勻的合金。l工業(yè)冷卻速率范圍10-310/s（大鑄錠10-2/s ，中、小等的1 /s） （四）冷卻速率與產(chǎn)品特征的關(guān)系但是從液態(tài)到固態(tài)，到底以什么樣的冷速冷卻，才算達到快速凝固，尚不確定。l薄型鑄錠102/s，普通氣體霧化粉末103/s ，水霧化粉末104/s l快速凝固冷

7、速可能需更高（如基體表面淬冷法106/s ，甚至更高） 冷卻條件冷卻條件 冷卻速率冷卻速率/(KS -1)組織特征組織特征工業(yè)冷卻工業(yè)冷卻速率速率砂型鑄件和鑄砂型鑄件和鑄錠錠 10-3-100平衡條件的晶粒組織平衡條件的晶粒組織,如如粗樹枝晶粗樹枝晶,共晶和其他結(jié)共晶和其他結(jié)構(gòu)。構(gòu)。中等冷卻中等冷卻速率速率薄帶，模鑄件，薄帶，模鑄件，普通霧化粉末普通霧化粉末100-103精細顯微結(jié)構(gòu)精細顯微結(jié)構(gòu),如細樹枝如細樹枝晶晶,共晶和其他結(jié)構(gòu)。共晶和其他結(jié)構(gòu)。快速凝固快速凝固霧化細粉、噴霧化細粉、噴霧沉積、電子霧沉積、電子束或激光玻璃束或激光玻璃化處理化處理103-106特殊顯微結(jié)構(gòu)特殊顯微結(jié)構(gòu),如擴大

8、固如擴大固溶度，微晶結(jié)構(gòu)，亞穩(wěn)溶度，微晶結(jié)構(gòu)，亞穩(wěn)結(jié)晶相，非晶結(jié)構(gòu)。結(jié)晶相，非晶結(jié)構(gòu)。（五）快速冷卻和快速凝固的區(qū)別 以冷卻速度來表征快速冷卻的程度。冷卻速度在整個溫度域并非定值，因此要注意其溫度范圍。常采用凝固即將開始時的數(shù)值，或固液相共存區(qū)的平均值。 對于快速凝固過程，采用適當?shù)募僭O(shè)和邊界條件解熱平衡方程式，可求解冷卻速度。也可采用熱電偶和示波器實測，或者通過測量試樣的枝狀晶二次枝晶間距和共晶層間距，求出凝固速度，再運用凝固速度和冷卻速度的關(guān)系式求出冷卻速度。 快速冷卻可產(chǎn)生過冷，冷卻速度越快，過冷度越大。從熱力學角度看，過冷度越大，產(chǎn)生各種亞穩(wěn)定相的可能性就越大。當然，過冷并非只能通過快

9、速冷卻得到，通過抑制凝固過程的形核，也可使合金熔液獲得很大的過冷度。提高冷卻速率是細化組織，消除成分偏析的有效手段提高冷卻速率是細化組織，消除成分偏析的有效手段（1）成分偏析：存在于枝晶范圍）成分偏析：存在于枝晶范圍（0.10.0001cm數(shù)量級）的微觀偏析數(shù)量級）的微觀偏析和存在于整個鑄件或鑄錠范圍和存在于整個鑄件或鑄錠范圍（1cm, 乃至乃至1m）的宏觀偏析）的宏觀偏析 （六）常規(guī)鑄造工藝存在的主要問題（2）晶粒粗大，大小不一，析出相）晶粒粗大，大小不一，析出相顆粒粗大，形狀各異顆粒粗大，形狀各異 （3）在合金設(shè)計時，受極限平衡固）在合金設(shè)計時，受極限平衡固溶度制約溶度制約 （4）存在鑄造

10、缺陷，集中縮孔大）存在鑄造缺陷，集中縮孔大 （1）細化凝固組織，使晶粒細化。）細化凝固組織，使晶粒細化。（2）減小偏析。）減小偏析。（3）擴大固溶極限。）擴大固溶極限。（4）快速凝固可導(dǎo)致非平衡相結(jié)構(gòu)產(chǎn)生，包括新相和擴大）快速凝固可導(dǎo)致非平衡相結(jié)構(gòu)產(chǎn)生，包括新相和擴大 已有的亞穩(wěn)相范圍。已有的亞穩(wěn)相范圍。（5）形成非晶態(tài)。）形成非晶態(tài)。（6）高的點缺陷密度。）高的點缺陷密度。（七）快速凝固材料的主要組織特征（1）力學性能。）力學性能。 由于快速凝固組織具有良好的晶界強化和韌化作用，而且由于快速凝固組織具有良好的晶界強化和韌化作用，而且成分均勻、偏析減小、固溶度增大以及亞穩(wěn)相產(chǎn)生，因而成分均勻、

11、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度、韌性和延性。改善了合金的強度、韌性和延性。（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，使它們具有一些常規(guī)快速凝固組織的微觀組織結(jié)構(gòu)特點，使它們具有一些常規(guī)鑄態(tài)組織所沒有的特殊物理性能。鑄態(tài)組織所沒有的特殊物理性能。（八）快速凝固的性能特點（九）快速凝固的條件快速凝固的條件 實現(xiàn)液態(tài)金屬快速凝固的最重要實現(xiàn)液態(tài)金屬快速凝固的最重要條件條件，是要求液，是要求液/固相變固相變時有時有極高的熱導(dǎo)出速度極高的熱導(dǎo)出速度。 依靠依靠輻射輻射散熱，對于直徑為散熱，對于直徑為1m，溫度為，溫度為1000的金屬的金屬液滴，獲得的極限冷卻

12、速率只有液滴，獲得的極限冷卻速率只有103K/s，可見冷卻速度不，可見冷卻速度不高；高； 通過通過對流對流傳熱，將導(dǎo)熱良好的氫或氦以高速流過厚度為傳熱，將導(dǎo)熱良好的氫或氦以高速流過厚度為5m的試樣，獲得的極限冷速為的試樣，獲得的極限冷速為11042104 K/s； 要獲得高于要獲得高于106 K/s的冷速，只能借助于的冷速，只能借助于熱傳導(dǎo)熱傳導(dǎo)。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??；液體與鑄型表面從開始接觸至凝固完了時間要盡液體與鑄型表面從開始接觸至凝固完了時間要

13、盡可能可能短短。1.2 快速凝固的物理冶金基礎(chǔ) （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 （一）定向凝固過程的傳熱定向凝固過程的傳熱 熱流密度熱流密度q1和和q2與結(jié)晶潛熱釋放率之間與結(jié)晶潛熱釋放率之間 滿足熱平衡方程滿足熱平衡方程: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

14、） 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為固為固相相密度密度。 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） （1-5） （二）體積凝固過程的傳熱體積凝固過程的傳熱假定液相在凝固過程中內(nèi)部熱阻可忽略不計，溫度假定液相在凝固過程

15、中內(nèi)部熱阻可忽略不計，溫度始終是均勻的，凝固過程釋放的熱量通過鑄型均勻始終是均勻的，凝固過程釋放的熱量通過鑄型均勻散出，其熱平衡條件可表示為散出，其熱平衡條件可表示為123QQQ (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， 為負值；為負值；V V

16、SVSV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)晶潛為結(jié)晶潛熱；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； 分別為固相體積分數(shù)和液相體積分數(shù)。分別為固相體積分數(shù)和液相體積分數(shù)。 1QqA (1-7) 2()CSSSLL LQvVCC3SVQv 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:

17、 :SLSLCCC1SL+()SVCqvhcvM (1-10)/MVA式中，式中， 為鑄件模數(shù)。為鑄件模數(shù)。1 1、急冷法（熔體急冷技術(shù)）、急冷法（熔體急冷技術(shù)） 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)出速率控制速率控制的。的。通過提高鑄型的通過提高鑄型的導(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)出速率可可使凝固界面快速推進，實現(xiàn)快速凝固。使凝固界面快速推進，實現(xiàn)快速凝固。在忽略液相過熱的條件下，單向凝固速率在忽略液相過熱的條件下，單向凝固速率R取決于固取決于固相中的溫度梯度相中的溫度梯度GS 。1.3 實現(xiàn)快速凝固的途徑單向凝固速率與導(dǎo)熱條件的關(guān)系單向凝固速

18、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 （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鑄件/鑄型的界面鑄型的界面溫度溫度Ti決定的。決定的。 hGRSSS對凝固層內(nèi)的溫度分布作線性近似，則得出對凝固層內(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）； 對鑄型強制冷卻以降低鑄型對鑄型強制冷卻以降低鑄型/鑄件界面溫度鑄件界面溫度

19、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)致的增大而迅速提高，導(dǎo)致凝固速率下降。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現(xiàn)。中實現(xiàn)。 iKsSTThR1 12 23 34 45 56 67 78 89 91 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)?/p>

20、體形狀，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，并改善熔體與冷卻介質(zhì)的熱接觸狀況，實現(xiàn)快速熱交換，并散熱，達到介質(zhì)的熱接觸狀況，實現(xiàn)快速熱交換，并散熱，達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間或空間上在時間或空間上“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，對冷速起關(guān)鍵作用是急冷設(shè)備的核心，對冷速起關(guān)鍵作用在時間上有時也在時間上有時也“分割

21、分割”熔體，但熔體，但“分割分割”不強烈，熔化潛熱多集中釋不強烈，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，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）ABC急冷凝固技術(shù)中獲得高冷速的基本原則設(shè)法減少同一時刻凝固的熔體體積設(shè)法減少同一時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2 2、深過冷法、深過冷法指通過各

22、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)凝固條件下難以達到的過冷度。液獲得在常規(guī)凝固條件下難以達到的過冷度。上述快速凝固是通過提高熱傳導(dǎo)速率實現(xiàn)的，由于試樣內(nèi)部上述快速凝固是通過提高熱傳導(dǎo)速率實現(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現(xiàn)。顆粒中實現(xiàn)。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-降低凝固過程中的潛熱導(dǎo)出量降低凝固過程中的潛熱導(dǎo)出量通過通過抑制抑制凝

23、固過程的凝固過程的形核形核，使合金液獲得很大的過冷度，使，使合金液獲得很大的過冷度，使凝固過程釋放的潛熱凝固過程釋放的潛熱hh被過冷熔體吸收，可以獲得很大的被過冷熔體吸收，可以獲得很大的凝固速率。凝固速率。過冷度為過冷度為TTS S的熔體凝固時需要導(dǎo)出的實際潛熱的熔體凝固時需要導(dǎo)出的實際潛熱hh可表可表示為示為 ：STchh 在式中用在式中用h取代取代h可知，可知，凝固速率隨過冷度凝固速率隨過冷度TS的的增大而增大增大而增大。 當當h=0，即，即 時，時，凝固潛熱完全被過冷熔體所吸收凝固潛熱完全被過冷熔體所吸收，試件可在無熱流導(dǎo)，試件可在無熱流導(dǎo)出的條件下完成凝固過程。出的條件下完成凝固過程。

24、 由上式所定義的過冷度由上式所定義的過冷度TS稱為稱為單位過冷度單位過冷度。經(jīng)過經(jīng)過特殊凈化處理特殊凈化處理的大體積液態(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冷快速凝固技術(shù)的范例。過冷快速凝固技術(shù)的范例。 chTTSS*3 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

25、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l 措施：措施： 1）避免側(cè)向散熱；）避免側(cè)向散熱； 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。一、霧化技術(shù)一、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）機械霧化技術(shù)（三）機械霧化技術(shù) （四）其它霧化技術(shù)（四）其它霧化技術(shù) 1.4 快速凝固制備工藝基本原理：基本原理：將連續(xù)的金屬熔體在離心力、機械力或高速流體將連續(xù)的金屬熔體在離心力、機械力或高速流體( (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小的沖擊力等外力作用下分散破碎成尺寸極細小

26、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，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。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)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)離心霧化法、快速凝固霧化筒霧化法、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、雙軋輥霧化法、電法、真空霧化法、旋轉(zhuǎn)電極霧化法、雙軋輥霧化法、電流體力學霧化法、流體力學霧化法、火花電蝕霧化法火花電蝕霧化法產(chǎn)品形式：產(chǎn)品形式：粉末、碎片、箔片粉末、碎片、箔

27、片霧化法不是一個很新穎的技術(shù)，但卻是工業(yè)生產(chǎn)中最常見的快凝方法霧化法不是一個很新穎的技術(shù)，但卻是工業(yè)生產(chǎn)中最常見的快凝方法 。霧化技術(shù)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)和冷卻形式不盡相同）（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） 1、氣體霧化法、氣體霧化法過程：兩束或多束氣體射流介質(zhì)傳遞過程：兩束或多束氣體射流介質(zhì)傳遞動能，將金屬液流破碎，細小的液滴在動能，將金屬液流破碎，細小的液滴在飛行中通過對流或輻射散熱凝固成粉飛行中通過對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

28、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、金屬過熱度、氣液交匯角、金屬表面張金屬過熱度、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2、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

29、體霧化相似其余與氣體霧化相似 顆粒多呈不規(guī)則形，但冷速顆粒多呈不規(guī)則形，但冷速可達可達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，）有時，也可以油代水，以降也可以油代水，以降O%O% 3、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

30、法之一，方法類似于普通氣體霧化，只不過是霧化氣體射流速度氣體霧化，只不過是霧化氣體射流速度高，最高達高，最高達2.52.5馬赫，而且聲波頻率高，馬赫，而且聲波頻率高，達達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，而超聲霧化射流則以續(xù)方式流動，而超聲霧化射流則以80-80-100Hz100Hz的頻率振動。的頻率振動。) ) 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（平均約可有效破碎液流，粉末更細（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

31、可達平均冷速可達105 K/s105 K/s 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 （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)金屬從坩堝或從熔化的母合金棒端澆注到旋轉(zhuǎn)器上，碎、霧化的技術(shù)。液態(tài)金屬從坩堝或從熔化的母合金棒端澆注到旋轉(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，霧滴在飛行過程中球化并凝固。整個過程（熔化、霧

32、化、凝固）在惰性氣體滴在飛行過程中球化并凝固。整個過程（熔化、霧化、凝固）在惰性氣體環(huán)境中完成環(huán)境中完成1、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)金屬被機械打碎、霧化，水平盤，液態(tài)金屬被機械打碎、霧化，從旋轉(zhuǎn)盤邊緣甩出，液滴在飛行過程從旋轉(zhuǎn)盤邊緣甩出，液滴在飛行過程中凝固中凝固 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

33、-80m，冷速冷速10104 4-10-106 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 普萊特和惠特尼普萊特和惠特尼（Pratt & Whitney），簡稱普惠普惠，是美國一家飛行器發(fā)動機制造商，總部位于康涅狄格州。 2、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 3、激光自旋霧化、激光自旋霧化l與與Pratt & Whitney工藝相似，

34、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)動的料棒，靠離心力甩出的在碰到容器壁之前被氦氣流冷卻。通過控制旋轉(zhuǎn)速率和氣流，可得不同直徑、冷速的粉冷卻。通過控制旋轉(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，也會有以針狀物形式存在。液滴多凝固成球形顆粒，也會有以針狀物形式存在。m粉冷速達粉冷速達 l已用于生產(chǎn)鈦合金粉已用于生產(chǎn)鈦合金粉 l優(yōu)點在于：高能激光束產(chǎn)生高過熱度，可使第二相顆粒充分優(yōu)點在于：高能激光束產(chǎn)生高過熱度，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

35、中的污染可限制到最低水平 4、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)，同時棒料一欲被霧化的棒料快速旋轉(zhuǎn)，同時棒料一端被一個非自耗鎢電極產(chǎn)生的電弧熔化，端被一個非自耗鎢電極產(chǎn)生的電弧熔化，融化的金屬從旋棒上甩出，在與惰性氣融化的金屬從旋棒上甩出，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

36、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、電子束來熔化棒料弧、激光、電子束來熔化棒料 5、穿孔旋轉(zhuǎn)杯法、穿孔旋轉(zhuǎn)杯法l熔融金屬澆至一個旋轉(zhuǎn)深熔融金屬澆至一個旋轉(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孔洞流出，使熔融金屬穿過孔洞流出，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)低熔點合金板，如鋁、于生產(chǎn)低熔點合金板，如鋁、鉛、鋅等鉛、鋅等 1、雙軋輥霧化法、雙軋輥霧化法 利用兩個反向高速旋轉(zhuǎn)輥輪將利用兩個反向高速旋轉(zhuǎn)輥輪將金屬液流霧化。

37、經(jīng)過雙輥時需金屬液流霧化。經(jīng)過雙輥時需防凝固（用碳涂層包裹兩輥），防凝固（用碳涂層包裹兩輥），液態(tài)金屬從輥下方排出，形成液態(tài)金屬從輥下方排出，形成渦凹，并以液滴形式甩出，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，冷速達的薄片，冷速達。精控工藝參數(shù)，可制備非。精控工藝參數(shù)，可制備非常長的薄帶常長的薄帶（三）機械霧化技術(shù)（三）機械霧化技術(shù) 冷速達冷速達，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

38、球形顆粒。則或球形顆粒。1、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)金屬在壓力下過坩堝內(nèi)液態(tài)金屬在壓力下過飽和溶解氣體（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， 2 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

39、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，折射有時也稱電子束旋轉(zhuǎn)盤法，把歸屬于霧化技術(shù)有時也稱電子束旋轉(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，拉長成薄片的作用下，拉長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

40、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，并在離心力作用下甩出?？杀苊夂辖鹞廴究杀苊夂辖鹞廴静穸扰c冷速主要由銅盤旋轉(zhuǎn)速率決定。片厚和冷速可通過轉(zhuǎn)速來控箔片厚度與冷速主要由銅盤旋轉(zhuǎn)速率決定。片厚和冷速可通過轉(zhuǎn)速來控制，典型冷速可達制，典型冷速可達，甚至達，甚至達10107 7 /s /s 3 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）

41、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，兼霧化器作用l粉末尺寸分布范圍窄，細粉多，呈球形，表面質(zhì)量好。冷速可達粉末尺寸分布范圍窄，細粉多，呈球形，表面質(zhì)量好。冷速可達-二、液態(tài)急冷法二、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。1 12 23 34 45 56 67 7氬氬氣氣氬氣氬氣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

42、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原理示意圖1-壓力計；壓力計； 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2 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 平面流

43、鑄法的特點：平面流鑄法的特點：優(yōu)點：平面流鑄熔潭小于自由噴射溶液自旋工藝的熔潭，熔潭的穩(wěn)定性大大增加，又因為平面流鑄制取的帶材很薄，避免了由于熔潭自由表面不穩(wěn)定而引起的湍動噴射；熔潭和冷卻輥輪表面接觸良好、穩(wěn)定，冷卻速率的波動很小，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： 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)過程更加難以控制，對平面流鑄熔潭的研究也更加難以進行三、束流表層急冷法三、束流表層急冷法采用激光、電子束、粒子束進行表面層快速熔凝。采用激光、電子束、粒子束進行表面層快速熔凝。 只改變組織，不改變成分只改變組織

44、，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一、金屬粉末的快速凝固一、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 制備的粉末細小、均勻，形狀相對規(guī)整，近似球形，粉末收得率高。 3）噴霧沉積法）噴霧沉積法 把霧化制粉過程和金屬成型結(jié)合起來，簡化生產(chǎn)工藝，降低生產(chǎn)成本，解決了粉末表面氧化的問題，消除了原始顆粒界面對合金性能的不利影響。1.5 快

45、速凝固技術(shù)在金屬材料中的應(yīng)用優(yōu)點：容易成型連續(xù)等徑、表面質(zhì)量好的線材。缺點：生產(chǎn)效率很低，不適于生產(chǎn)大批量工業(yè)用線材。 圖圖1-5 玻璃包覆紡線法快速凝固原理圖玻璃包覆紡線法快速凝固原理圖二、金屬線材的快速凝固二、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 圖圖1-6 Kavesh法線材快速凝固原理圖法線材快速凝固原理圖1，7-導(dǎo)流管；導(dǎo)流管；2-噴嘴；噴嘴；3-合金液；合金液；4-感應(yīng)加熱器；感應(yīng)加熱器； 5-穩(wěn)流罩；穩(wěn)流罩；6-分散器；分散器；8-泵泵優(yōu)點：裝置簡單。缺點：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圖圖1

46、-7 回轉(zhuǎn)水紡線法線材快速凝固原理圖回轉(zhuǎn)水紡線法線材快速凝固原理圖1-旋轉(zhuǎn)鼓；旋轉(zhuǎn)鼓；2-冷卻水；冷卻水；3-噴嘴；噴嘴；4-噴射液柱；噴射液柱；5-加熱器加熱器 優(yōu)點：原理和裝置簡單，操作方便，可實現(xiàn)連續(xù)生產(chǎn)。缺點：液流穩(wěn)定性對線材成型有一定影響。3）回轉(zhuǎn)水紡線法）回轉(zhuǎn)水紡線法 圖圖1-8 傳送帶法線材快速凝固原理圖傳送帶法線材快速凝固原理圖1-冷卻水噴嘴；冷卻水噴嘴；2-帶溝槽傳送帶；帶溝槽傳送帶；3-導(dǎo)引帶；導(dǎo)引帶；4-加熱器；加熱器；5-導(dǎo)引鼓；導(dǎo)引鼓；6-坩堝；坩堝；7-合金液；合金液；8-噴嘴；噴嘴；9-驅(qū)動滑輪；驅(qū)動滑輪；10-液流穩(wěn)定器；液流穩(wěn)定器；11-線材；線材；12-繞線

47、機；繞線機；13-集水箱；集水箱；14-噴射合金熔液柱；噴射合金熔液柱；15-輸送泵；輸送泵；16-流量計；流量計；17-壓縮機壓縮機優(yōu)點：綜合了合金液注入冷卻法和旋轉(zhuǎn)液體法，可實現(xiàn)連續(xù)生產(chǎn)缺點：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）傳送帶法三、金屬帶材的快速凝固三、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 圖圖1-10 單輥法制備復(fù)合帶材單輥法制備復(fù)合帶材1-單輥；單輥；2、5-合

48、金液；合金液；3、4-坩堝；坩堝；6-感應(yīng)加熱器；感應(yīng)加熱器；7-復(fù)合薄帶復(fù)合薄帶 圖圖1-11 非晶合金帶材生產(chǎn)線示意圖非晶合金帶材生產(chǎn)線示意圖1-熔化、保溫爐熔化、保溫爐; 2-中間包中間包; 3-噴嘴噴嘴; 4-單輥單輥,直徑約直徑約2000mm; 5-厚度測量裝置厚度測量裝置 2）雙輥法）雙輥法6 65 54 43 32 21 1 圖圖1-12 雙輥法快速凝固原理圖雙輥法快速凝固原理圖l-帶材；帶材；2-合金液流；合金液流；3-加熱器；加熱器；4-坩堝；坩堝；5-噴嘴；噴嘴；6-雙輥雙輥 （a）平行）平行 (b) 傾斜傾斜 (c) 凸面凸面 (d) 凹面凹面 圖圖1-13 兩輥的平行度

49、對帶材質(zhì)量的影響兩輥的平行度對帶材質(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圖圖1-14 雙輥法制備帶材快速凝固模型雙輥法制備帶材快速凝固模型 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3）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 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；合金液；2，6-冷卻長度冷卻長度四、金屬體材的快

50、速凝固四、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-運動機構(gòu)；運動機構(gòu)；10-排氣及取料室排氣及取料室 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 2）大塊非晶態(tài)合金）大塊非晶態(tài)合金 單向熔化法圖圖1-21 單向熔化法

51、示意圖單向熔化法示意圖 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 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3）大塊納米晶合金）大塊納米晶合金 深過冷技術(shù)制備塊狀納米材料 非晶晶化法制備大塊納米晶合金 聚合物化學與高溫材料加工法 1）落管技術(shù) 2）高溫高壓固相淬火法一、快速凝固鋁合金二、快速凝固鎂合金三、快速凝固鈦合金四、快速凝固銅合金1.6 快速凝固其他新型合金材料一、快速凝固鋁合金 研究背景 高性能鋁合金的發(fā)展可追溯到二十世紀四十年代。首先開發(fā)高性能鋁合金的發(fā)展可追溯到二十世紀四十年代。首先開發(fā)的是的是Al-Al2O3彌散強化合金。彌散強化合

52、金。 為了細化合金的顯微結(jié)構(gòu)，最早采用的方法是稱為為了細化合金的顯微結(jié)構(gòu)，最早采用的方法是稱為“直接冷直接冷卻法卻法”，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。 欲進一步細化顯微結(jié)構(gòu)，必須再加快凝固速率。而且已經(jīng)確欲進一步細化顯微結(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知，借助于普通粉末冶金工藝,使用平均粒度使用平均粒度100m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)向快速快速凝

53、固凝固。 快速凝固微晶鋁合金卓有成效的進展是降低密度，提高彈性快速凝固微晶鋁合金卓有成效的進展是降低密度，提高彈性模量、增加強度、保持耐蝕性、改善高溫性能，同時也解除模量、增加強度、保持耐蝕性、改善高溫性能，同時也解除了傳統(tǒng)熔鑄冶金帶來的某些束縛。了傳統(tǒng)熔鑄冶金帶來的某些束縛?？焖倌啼X合金實例 輕合金 含鋰的鋁合金不僅重量輕，還改善了剛性，因此為飛機構(gòu)件設(shè)計者所關(guān)注。鋁合金工業(yè)在市場競爭中受到纖維增強塑料材料的挑戰(zhàn)，從而促進了輕型鋁合金的開發(fā)。雖然在發(fā)展熔鑄鋁-鋰合金方面取得進展，但是因為合金的韌性差和延性低而使鑄件加工十分困難。正因為如此，奧爾科婭的熔鑄IM2020合金在60年代被從市場排

54、擠出去。 鋁-鋰合金延性和斷裂韌性不佳的原因主要是變形時(Al3Li)沉淀顆粒的剪切作用，使合金產(chǎn)生明顯的平面滑移。后來的研究是設(shè)法引入第二相以阻止位錯剪切。均勻分布的無剪切作用的(Al2CuMg)相能十分有效地阻礙了位錯的運動。但是，為了獲得均勻分布的相，必須進行塑性加工，而且往往需要延展形式的加工，例如鍛造、擠壓等?？焖倌啼X合金實例 Al-Li合金 聯(lián)合公司成功地研發(fā)了鋁-鋰鍛造合金，通過添加Zr明顯改善了鋁-鋰合金的力學性能，原因：(1)Zr與Al能生成亞穩(wěn)Al3Zr，并與鋁-鋰合金的主要強化 相（Al3Li）同型。(2)亞穩(wěn)Al3Zr能有效阻礙位錯切變；(3)在時效熱處理過程中Al3

55、Li顆粒環(huán)繞共格的Al3Zr，形 成一種特殊的Al3（Li，Zr）復(fù)合沉淀顆粒?？焖倌棠蜔徜X合金實例pAl-8Fe-2Mo合金由室溫至300的屈服強度水平在均 衡了密度差別的情況下甚至可與鈦合金媲美。 較能代表高溫抗力的性能是蠕變強度。p Al-Fe-V-Zr合金在暴露于鹽霧中的質(zhì)量損失是熔鑄2014-T6和普通粉末冶金7090、7091合金損失的1/4。改善的原因包括化學成分的不同和顯微結(jié)構(gòu)細化兩者的作用。典型快速凝固耐熱鋁合金p快速凝固FVS1212合金拉伸屈服強度與重量之比接近于Ti-6Al-4V合金的水平，斷裂韌性約11MPa m1/2。p快速凝固FVS0812合金的斷裂韌性為31

56、MPa m1/2。合金在698K溫度下退火100小時后，室溫屈服強度和延性基本上不變。這種良好的熱穩(wěn)定性是由于硅化物的粗化速率較低的原因，Al12(Fe，V)3Si彌散顆粒的粗化速率比Al-Fe金屬間化合物低2-3個數(shù)量級。因為硅化物含量高，Al-Fe-V-Si合金的彈性模量高于常規(guī)鋁合金。pFVS1212合金的比剛度高于鈦和沉淀強化鋼。在溫度420K以上，F(xiàn)VS1212合金的比剛性大于含20(體積)碳化硅增強6061鋁。Al-Fe-V-Si系列p Al-Fe-V-Si合金具有優(yōu)異的耐蝕性。FVS0812合金在鹽霧 中的質(zhì)量損失很小。p FVS1212耐應(yīng)力腐蝕開裂能力特別強，合金在3.5氯化

57、鈉溶液中浸40天后，橫向施加應(yīng)力到360MPa也沒有開裂，此應(yīng)力值相當于這種合金拉伸屈服應(yīng)力的95。p FVS0812合金的高周疲勞強度與2014-T6合金相當，這時因為合金極細小的微晶結(jié)構(gòu)阻止了疲勞誘導(dǎo)裂紋的萌生；又因為FVS0812合金含有細小球形硅化物，而不是片狀或者針狀的金屬間化合物，所以疲勞裂紋在FVS0812合金中的擴展速度接近于在粗晶粒的2014-T6合金中的速度。典型快速凝固耐熱鋁合金應(yīng)用n氣體渦輪發(fā)動機（壓縮機翼和葉片）n火箭和導(dǎo)彈（舵和火箭助推器殼體）n飛機骨架n飛機輪（不能用鈦合金，因為鈦易燃）n內(nèi)燃機（連桿、活塞零件）二、快速凝固鎂合金 研究背景 鎂及其合金在平衡或接近

58、平衡的常規(guī)鑄造條件下，微觀組織和結(jié)構(gòu)存在許多缺點，因而長期以來沒有作為結(jié)構(gòu)材料得到很好的使用。這些缺點包括：nMg具有滑移系少，在溫度不高時不易產(chǎn)生塑性變形。nMg具有很弱的電負性，2/3的合金溶質(zhì)元素在-Mg固溶體中的最大 固溶度小于1at.。nMg很難通過冷加工和合金化提高合金的強度。nMg化學活性高，不能形成表面防護膜，耐蝕性差。nMg自擴散系數(shù)高，使Mg合金中的沉淀相很容易粗化，常規(guī)方法生 產(chǎn)的鎂合金的高溫強度等性能都較差。 鎂也有許多獨特的優(yōu)點，例如密度很小，在有可能作為結(jié)構(gòu)材料應(yīng)用的金屬中是最輕的。 此外，Mg的價格也相對較低，但是長期以來在常規(guī)生產(chǎn)條件下鎂和鎂合金始終沒有作為一種

59、工程材料受到重視?？焖倌碳夹g(shù)的出現(xiàn)為改變鎂合金的微觀組織結(jié)構(gòu)和性能創(chuàng)造了條件，快速凝固鎂合金的比強高于快速凝固鋁合金。 快速凝固鎂合金 特點 快速凝固細化鎂合金的晶粒，明顯減少了成分偏析，鎂合金快速凝固后晶粒尺寸減小到鑄態(tài)的1/16，枝晶臂間距僅為5-8m，彌散第二相的尺寸僅為0.01m，晶粒的細化有可能抑制孿晶的形成.與常規(guī)工藝制備的鎂合金相比，室溫的比強度超過 4060，壓縮屈服強度拉伸屈服強度之比由 07增加到11，延伸率達到515，經(jīng)過熱處理 后可達到22；在100 以上時，具有優(yōu)良的塑性 和超塑性由于晶粒非常細，疲勞強度為冶金鎂合金鑄錠的2倍多。 快速凝固技術(shù)還可改善鎂合金的耐蝕

60、性， 快速凝固使很小的溶質(zhì)固溶體有較大的擴展和形成了許多新的亞穩(wěn)中間相。這些微觀組織結(jié)構(gòu)上的這些變化使合金的性能有了較大的提高。 2002年，日本和英國學者先后采用快速凝固法 開發(fā)出具有極高強度和延展性的鎂合金，強度約是 超級鋁合金的3倍，是目前世界上強度最高的鎂合金，此外，它還具有超塑性、高耐熱性和高耐蝕性， 可為航空航天工業(yè)提供優(yōu)質(zhì)材料。美國、以色列和 日本等發(fā)達國家對RS技術(shù)制備鎂合金的研究開展得比較深人，而我國在此領(lǐng)域的研究工作進展比較緩慢。其中從事此研究工作的單位有北京航空材料 研究院、中科院金屬所、中科院物理所、中南大學、 湖南大學和西安理工大學等。 美國、日本、以色列等投入巨資，研究 和開發(fā)超高