第6章特殊條件下的凝固

1、Chapter 6 Solidification and Processing of liquid metals under special condition 第六章第六章 液態(tài)金屬在特殊條件下的凝固及成形液態(tài)金屬在特殊條件下的凝固及成形快速凝固是指液態(tài)金屬以快速凝固是指液態(tài)金屬以1051010 K/s的冷速進行凝固的液的冷速進行凝固的液態(tài)急冷技術(shù)。態(tài)急冷技術(shù)。快速凝固快速凝固定義定義為：由液相到固相的相變過程非?？?，從而獲為：由液相到固相的相變過程非常快，從而獲得普通鑄件或鑄錠無法獲得的成分、相結(jié)構(gòu)和顯微結(jié)構(gòu)得普通鑄件或鑄錠無法獲得的成分、相結(jié)構(gòu)和顯微結(jié)構(gòu)的過程。的過程?？焖倌踢^程快速凝

2、固過程抑制了各種傳輸現(xiàn)象，凝固偏離平衡抑制了各種傳輸現(xiàn)象，凝固偏離平衡，經(jīng)典凝，經(jīng)典凝固理論中假設的許多平衡條件不再適應，成為材料凝固固理論中假設的許多平衡條件不再適應，成為材料凝固學研究的一個特殊領(lǐng)域。學研究的一個特殊領(lǐng)域。 10-1 10-1 快速凝固快速凝固v1、快速凝固的條件、快速凝固的條件v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出速度極高的熱導出速度。v如果依靠如果依靠輻射輻射散熱，對于直徑為散熱，對于直徑為1m，溫度為，溫度為1000的的金屬液滴，獲得的極限冷卻速率只有金屬液滴，獲得的極限冷卻速率只有10

3、3K/s，可見冷卻，可見冷卻速度不高；速度不高；v通過通過對流對流傳熱，將導熱良好的氫或氦以高速流過厚度為傳熱，將導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105 K/s的冷速，只能借助于的冷速，只能借助于熱傳導熱傳導。用急冷凝固方法獲得高的凝固速率的用急冷凝固方法獲得高的凝固速率的條件是條件是：(1)減少單位時間內(nèi)金屬凝固時的產(chǎn)生的結(jié)晶潛熱。減少單位時間內(nèi)金屬凝固時的產(chǎn)生的結(jié)晶潛熱。(2)提高凝固過程中的傳熱速度提高凝固過程中的傳熱速度.途徑途徑? （1 1）模冷技術(shù)）模冷技術(shù) 2、急冷凝固技術(shù)及特點、

4、急冷凝固技術(shù)及特點單向凝固速率與導熱條件的關(guān)系單向凝固速率與導熱條件的關(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圖圖 雙輥法快速凝固技術(shù)的基本原理雙輥法快速凝固技術(shù)的基本原理1一帶材一帶材2合金液流合金液流3加熱爐加熱爐 4一坩堝一坩堝5一漏出孔一漏出孔6雙輥雙輥 通常生產(chǎn)幾十微米通常生產(chǎn)幾十微米厚的薄帶厚的薄帶圖圖 單輥法復合層快速凝固過程原理圖單輥法復合層快速凝固過程原理圖1單輥單輥 2合金液合金液1 3一坩堝一坩堝1 4坩堝坩堝2 5合金液合金液26感應加熱線圈感應加熱線圈 7一復合層帶材一復合層帶材通常生產(chǎn)幾十微米通常生產(chǎn)幾十微米

5、厚的薄帶厚的薄帶（2）霧化技術(shù)）霧化技術(shù)1）氣體霧化法，工作原理如圖）氣體霧化法，工作原理如圖 所示。所示。熔化的合金液澆入漏包中經(jīng)過噴嘴霧化并在霧化室中進一步熔化的合金液澆入漏包中經(jīng)過噴嘴霧化并在霧化室中進一步破碎、凝固，最后在收集室中收集。破碎、凝固，最后在收集室中收集。霧化氣體進人排氣管，經(jīng)過濾后排出或循環(huán)使用。霧化氣體進人排氣管，經(jīng)過濾后排出或循環(huán)使用。 高速氣流的主要作用是使液態(tài)金屬霧化成細小的顆粒。高速氣流的主要作用是使液態(tài)金屬霧化成細小的顆粒。霧化氣體可采用空氣、氮氣、氬氣或氦氣等，為了避免合金霧化氣體可采用空氣、氮氣、氬氣或氦氣等，為了避免合金的氧化污染，通常采用保護性氣氛，特

6、別是氬氣進行氣的氧化污染，通常采用保護性氣氛，特別是氬氣進行氣體霧化。體霧化。圖圖 氣體霧化設備工作原理圖氣體霧化設備工作原理圖1一一 細粉細粉 2一一 氣體氣體 3一一 氣源氣源 4 合金液合金液 5一真空感應加熱器一真空感應加熱器6一一 噴嘴噴嘴 7 霧化室霧化室 8一一 收集室收集室 9一一 粉末粉末 噴射沉積法可根據(jù)制件的需要設計基板的形狀和尺寸，從而噴射沉積法可根據(jù)制件的需要設計基板的形狀和尺寸，從而獲得最終制件或近終形制件，因此更容易實現(xiàn)工業(yè)化生獲得最終制件或近終形制件，因此更容易實現(xiàn)工業(yè)化生產(chǎn)。產(chǎn)。該技術(shù)是由英國該技術(shù)是由英國Swansee大學大學singer于于70年代發(fā)明的，

7、并很年代發(fā)明的，并很快在快在Osprey金屬有限公司實現(xiàn)工業(yè)化生產(chǎn)，目前已經(jīng)在金屬有限公司實現(xiàn)工業(yè)化生產(chǎn)，目前已經(jīng)在許多國家得到廣泛應用。許多國家得到廣泛應用。 （3）表面熔化與沉積技術(shù)）表面熔化與沉積技術(shù)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6一坩堝一坩堝 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 排氣及取料窒排氣及取料窒圖圖 連續(xù)生產(chǎn)錠材的工藝原理圖連續(xù)生產(chǎn)錠材的工藝原理圖1感應加熱坩堝感應加熱坩堝2氣體霧化器（噴嘴）氣體霧化器（噴嘴）3圓柱沉積錠圓柱沉積錠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 圖圖 幾

8、種激光表面熔化處理方法的工作原理圖幾種激光表面熔化處理方法的工作原理圖a）表面硬化）表面硬化 b）表面熔凝）表面熔凝 c）表面合金化）表面合金化 d）表面粘附）表面粘附 3、快速凝固的產(chǎn)物及其特征、快速凝固的產(chǎn)物及其特征快速凝固使金屬材料的快速凝固使金屬材料的結(jié)構(gòu)發(fā)生了前所未有的變化結(jié)構(gòu)發(fā)生了前所未有的變化可形成具有可形成具有特殊性能的新材料特殊性能的新材料。 粗大的樹枝晶、共晶及其他顯微組織 細化的樹枝晶、共晶及其他顯微組織 擴大的固溶極限、超細晶粒、無偏析 或少偏析、亞穩(wěn)相、直至非晶態(tài) 常規(guī)顯微組織 改善的顯微組織 新型顯微組織 受化學成分及 工藝因素影響 熔體 104 100 108 1

9、02 106 組 織 及 成 分 的 均 勻 性 冷卻速度/(Ks-1) （1） 形成過飽和固溶體形成過飽和固溶體將液態(tài)合金以將液態(tài)合金以高速急冷快速地穿過液高速急冷快速地穿過液/ /固兩相區(qū)固兩相區(qū)，就，就阻止了阻止了第二相第二相的生核和長大。使溶質(zhì)原子以的生核和長大。使溶質(zhì)原子以超常超常規(guī)溶解度規(guī)溶解度陷在陷在相晶格中。相晶格中。表表 部分合金元素在部分合金元素在Al中平衡固溶度和擴展固溶度（中平衡固溶度和擴展固溶度（%）（2） 超細的晶粒度超細的晶粒度隨著冷卻速率的增大，晶粒尺寸減小，可以獲得隨著冷卻速率的增大，晶粒尺寸減小，可以獲得微晶甚至納米晶。微晶甚至納米晶?？焖倌毯辖鸨瘸Ｒ?guī)合金

10、低幾個數(shù)量級的晶粒尺快速凝固合金比常規(guī)合金低幾個數(shù)量級的晶粒尺寸，一般為寸，一般為0.11.00 必須在固必須在固液界面前沿建立必要的溫度梯度液界面前沿建立必要的溫度梯度溫度梯度大小直接影響晶體生長速率和晶體質(zhì)量溫度梯度大小直接影響晶體生長速率和晶體質(zhì)量 000)1 (kDkmCRGLL圖圖 坩堝下降單向凝固法生長裝置和溫度分布坩堝下降單向凝固法生長裝置和溫度分布a）裝置示意圖）裝置示意圖 b）溫度分布圖）溫度分布圖 高溫區(qū) 熔體 Tm 0 x x X X 0 晶體 低溫區(qū) 隔熱板 Tn T0 T a) b) v通過通過增大增大GS來增強固相的散熱強度，這是實際來增強固相的散熱強度，這是實際應

11、用中獲得應用中獲得大的大的GL的重要途徑。同時，也會使的重要途徑。同時，也會使凝固速率凝固速率R增大。增大。v因此，常用因此，常用提高固提高固液界面前沿熔體的溫度液界面前沿熔體的溫度來達來達到提高到提高GL的目的。的目的。LmLSSLLRGGv2. 定向凝固的方法定向凝固的方法v1） 發(fā)熱劑法發(fā)熱劑法v絕熱耐火材料箱中，底部水冷結(jié)晶器型殼上部蓋絕熱耐火材料箱中，底部水冷結(jié)晶器型殼上部蓋以發(fā)熱劑，金屬液處于高溫，建立自下而上的凝以發(fā)熱劑，金屬液處于高溫，建立自下而上的凝固條件。固條件。v無法調(diào)節(jié)凝固速率和溫度梯度，只能制備小的柱無法調(diào)節(jié)凝固速率和溫度梯度，只能制備小的柱狀晶鑄件，多用于磁鋼生產(chǎn)。

12、狀晶鑄件，多用于磁鋼生產(chǎn)。2 2） 功率降低法功率降低法（P. DP. D法）法）鑄型加熱感應圈分兩段鑄型加熱感應圈分兩段鑄件在凝固過程中鑄件在凝固過程中不移動不移動。GL隨著凝固的距離增大而隨著凝固的距離增大而不斷減小。不斷減小。GL、R值都不值都不能人為地控制。能人為地控制。v3） 快速凝固法快速凝固法（H. R. S法）法）v鑄型加熱器始終加熱，鑄型加熱器始終加熱，在凝固時，鑄件與加在凝固時，鑄件與加熱器之間產(chǎn)生熱器之間產(chǎn)生相對移相對移動動。v與與P. D法相比可以大大法相比可以大大縮小凝固前沿兩相區(qū)，縮小凝固前沿兩相區(qū)，局部冷卻速度增大，局部冷卻速度增大，有利于細化組織，提有利于細化組

13、織，提高機械性能。高機械性能。 H. R. S法示意圖法示意圖2、定向凝固技術(shù)的應用、定向凝固技術(shù)的應用（1）柱狀晶的生長）柱狀晶的生長（一種順序凝固組織）（一種順序凝固組織）v（2 2）單晶生長）單晶生長v根據(jù)熔區(qū)的特點分為正常凝固法和區(qū)熔法。根據(jù)熔區(qū)的特點分為正常凝固法和區(qū)熔法。v1） 正常凝固法正常凝固法v有坩堝移動、爐體移動及晶體提拉等單向凝固方法有坩堝移動、爐體移動及晶體提拉等單向凝固方法v或?qū)⒒驅(qū)ⅰ白丫ё丫А狈旁谯釄宓撞浚斲釄逑蛳乱苿訒r，放在坩堝底部，當坩堝向下移動時，“籽晶籽晶”處開始結(jié)晶，隨著固處開始結(jié)晶，隨著固液界面移動，單晶不斷長大。液界面移動，單晶不斷長大。v主要缺點是

14、主要缺點是晶體和坩堝壁接觸晶體和坩堝壁接觸，容易產(chǎn)生應力或寄生成核，容易產(chǎn)生應力或寄生成核圖圖 坩堝移動單向凝固示意圖坩堝移動單向凝固示意圖 a）垂直式）垂直式 b）水平式）水平式 a) b) 爐管 爐絲 坩堝 熔體 擋板 圖圖 自生粒晶法生產(chǎn)單晶葉片自生粒晶法生產(chǎn)單晶葉片1-鑄件鑄件 2-選晶段選晶段 3-起始段起始段 圖2-42 選晶段示意圖 0 y x z 通過通過x、y、z三個方向選晶，從而確保一個柱晶順利進入鑄件三個方向選晶，從而確保一個柱晶順利進入鑄件 圖圖 晶體提拉示意圖晶體提拉示意圖 射頻感應圈 熔體 晶體 坩堝 提拉桿 籽晶 v（3） 區(qū)域提純區(qū)域提純v區(qū)域熔化是獲得超純材料的極有效的手段，由于區(qū)域熔化是獲得超純材料的極有效的手段，由于區(qū)域熔化區(qū)域熔化的發(fā)明，才出現(xiàn)了半導體工業(yè)的發(fā)明，才出現(xiàn)了半導體工業(yè)。v當正常凝固，固