快速凝固技術(shù)

1、精選優(yōu)質(zhì)文檔-傾情為你奉上精選優(yōu)質(zhì)文檔-傾情為你奉上專心-專注-專業(yè)專心-專注-專業(yè)精選優(yōu)質(zhì)文檔-傾情為你奉上專心-專注-專業(yè)快速凝固技術(shù)的研究進(jìn)展摘要：快速凝固技術(shù)是當(dāng)材料科學(xué)與工程中研究比較活躍的領(lǐng)域之一，目前已成為一種金屬材料潛在性能與開發(fā)新材料的重要手段。快速凝固技術(shù)得到的合金與常規(guī)合金有著不同的組織和結(jié)構(gòu)特征，對(duì)材料科學(xué)和其它學(xué)科的理論研究以及開展實(shí)際生產(chǎn)應(yīng)用起了重要的作用。介紹了快速凝固技術(shù)的原理和特點(diǎn)、主要方法和在實(shí)際中的應(yīng)用和存在的問(wèn)題。關(guān)鍵詞：快速凝固技術(shù)；合金；應(yīng)用；存在問(wèn)題1 引言 隨著對(duì)金屬凝固技術(shù)的重視和深入研究，形成了許多種控制凝固組織的方法，其中快速凝固已成為一種

2、具有挖掘金屬材料潛在性能與發(fā)展前景的開發(fā)新材料的重要手段，同時(shí)也成了凝固過(guò)程研究的一個(gè)特殊領(lǐng)域1。過(guò)去常規(guī)鑄造合金之所以會(huì)出現(xiàn)晶粒粗大，偏析嚴(yán)重、鑄造性能差等缺陷的主要原因是合金凝固時(shí)的過(guò)冷度和凝固速度很小，這是由于它們凝固時(shí)的冷速很小而引起的。要消除鑄造合金存在的這些缺陷，突破研制新型合金的障礙，核心是要提高熔體凝固時(shí)的過(guò)冷度，從而提高凝固速度，因此出現(xiàn)了快速凝固技術(shù)。目前，快速凝固技術(shù)作為一種研制新型合金材料的技術(shù)已開始研究了合金在凝固時(shí)的各種組織形態(tài)的變化以及如何控制才能得到符合實(shí)際生活、生產(chǎn)要求的合金。著重于大的溫度梯度和快的凝固速度的快速凝固技術(shù)，正在走向逐步完善的階段。2 快速凝固

3、技術(shù) 1960年美國(guó)的Duwez等用銅輥快淬法，首次使液態(tài)合金在大于107K/S的冷卻速度下凝固，在CuSi合金中發(fā)現(xiàn)了無(wú)限固溶的連續(xù)固溶體；在AgGe合金中出現(xiàn)新的亞穩(wěn)相；在AuSi合金中形成非晶結(jié)構(gòu)。在快速冷卻所形成的亞穩(wěn)結(jié)晶組織中，出現(xiàn)了一系列前所未見的重要的結(jié)構(gòu)特征，表現(xiàn)出各種各樣比常規(guī)合金優(yōu)異的使用性能2。此后，快速凝固技術(shù)和理論得到迅速發(fā)展，成為材料科學(xué)與工程研究的一個(gè)熱點(diǎn)?？焖倌淌侵竿ㄟ^(guò)對(duì)合金熔體的快速冷卻(104106 K/s)或非均質(zhì)形核被遏制，使合金在很大過(guò)冷度下，發(fā)生高生長(zhǎng)速率(1100 cm/s)凝固3。通過(guò)快速凝固技術(shù)獲取的粉末和材料會(huì)具有特殊的性能和用途。由于它是

4、一種非平衡的凝固過(guò)程4，詳細(xì)的說(shuō)就是凝固過(guò)程中的快冷、起始形核過(guò)冷度大，生長(zhǎng)速率高，促使固液界面偏離平衡，生成亞穩(wěn)相(非晶、準(zhǔn)晶、微晶和納米晶)，從而會(huì)使常規(guī)合金呈現(xiàn)出一系列不同的組織和結(jié)構(gòu)5。由于凝固過(guò)程的快冷，起始形核過(guò)冷度大，生長(zhǎng)速率高，使固液界面偏離平衡，因而呈現(xiàn)出一系列與常規(guī)合金不同的組織和結(jié)構(gòu)特征6：(1)細(xì)化凝固組織，使晶粒細(xì)化。結(jié)晶過(guò)程是一個(gè)不斷形核和晶核不斷長(zhǎng)大的過(guò)程。隨凝固速度增加和過(guò)冷度加深，可能萌生出更多的晶核，而生長(zhǎng)的時(shí)間極短，致使某些合金的晶粒度可細(xì)化到0.1m以下。(2)減小偏析。很多快速凝固合金仍樹枝晶結(jié)構(gòu)，但枝晶臂間距可能有0.25m。在某些合金中可能發(fā)生平面

5、型凝固，從而獲得完全均勻的顯微結(jié)構(gòu)。(3)擴(kuò)大固溶極限。過(guò)飽和固溶快速凝固可顯著擴(kuò)大溶質(zhì)元素的固溶極限。因此既可以通過(guò)保持高度過(guò)飽和固溶以增加固溶強(qiáng)化作用，也可以使固溶元素隨后析出，提高其沉淀強(qiáng)化作用(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(kuò)大已有的亞穩(wěn)相范圍。(5)形成非晶態(tài)。適當(dāng)選擇合金成分，以降低熔點(diǎn)和提高玻璃態(tài)的轉(zhuǎn)變溫度Tg(Tg/TM0.5)，這樣合金就可能失去長(zhǎng)程有序結(jié)構(gòu)，而成為玻璃態(tài)或稱非晶態(tài)。(6)高的點(diǎn)缺陷密度。固態(tài)金屬中點(diǎn)缺陷密度隨著溫度的上升而增大，其關(guān)系式為：C=exp（QF/RT）式中，C為點(diǎn)缺陷密度，QF為摩爾缺陷形成能。金屬熔化以后，由于原子有序程度的突然

6、降低，液態(tài)金屬中的點(diǎn)缺陷密度要比固態(tài)金屬高很多，在快速凝固過(guò)程中，由于溫度的驟然下降而無(wú)法恢復(fù)到正常的平衡狀態(tài)，則會(huì)較多的保留在固態(tài)金屬中，造成了高的點(diǎn)缺陷密度。3 快速凝固技術(shù)的主要方法3.1 動(dòng)力學(xué)急冷快速凝固技術(shù)動(dòng)力學(xué)急冷快速凝固就是設(shè)法減小同一時(shí)刻凝固的熔體體積與其散熱表面積之比。設(shè)法減小熔體與熱傳導(dǎo)性能很好的冷卻介質(zhì)的界面熱阻，同時(shí)通過(guò)提高鑄型的導(dǎo)熱能力、增大熱流的導(dǎo)出速率，就可使凝固界面快速推進(jìn)實(shí)現(xiàn)快速凝固7。其中熔體的凝固冷速、凝固速率和過(guò)冷度是由系統(tǒng)向環(huán)境的傳熱速度和熔體體積等因素控制的，進(jìn)一步說(shuō)明影響溫度場(chǎng)及冷卻速度的主要因素就是金屬、襯底界面的狀況及金屬試樣的厚度。根據(jù)熔體

7、分離和冷卻方式的不同，可以分為霧化技術(shù)、模冷技術(shù)和表面熔化及沉淀技術(shù)三大類。模冷技術(shù)。主要包括：槍法、雙活塞法、熔體旋轉(zhuǎn)法、平面流鑄造法、電子柬急冷淬火法、熔體提取法和急冷模法。霧化技術(shù)。具體分為：流體霧化法、離心霧化法和機(jī)械霧化法。表面熔化與沉積技術(shù)。主要有離子體噴涂沉積法和激光表面重熔法兩種。在忽略液相過(guò)熱的條件下，單向凝固速率R取決于固相中的溫度梯度TTS，即：R=式中：s：固相熱導(dǎo)率； h：凝固潛熱； Ps：固相密度； TTS：溫度梯度，由凝固層的厚度和鑄件與鑄型的界面溫度Ti決定。對(duì)凝固層內(nèi)的溫度分布作線性近似，可得：R=式中：Tk：凝固界面溫度。在應(yīng)用熔體急冷凝固技術(shù)的各種方法時(shí)，

8、熔體的傳熱過(guò)程是：固液界面前沿熔體的溫度TL0，而已凝固的固相一側(cè)的溫度梯度Ts0，因而過(guò)熱熔體的熱能和熔化潛熱只能通過(guò)固相向環(huán)境釋放，這時(shí)熱流方向與固、液界面移動(dòng)的方向相反，因而這類快速凝固過(guò)程的進(jìn)行以及相應(yīng)的凝固冷速、凝固速率和過(guò)冷度等都是由系統(tǒng)向環(huán)境的傳熱速度和熔體體積等因素控制的。目前，主要的快速凝固技術(shù)(包括離心霧化法在內(nèi))都是通過(guò)薄層液態(tài)金屬與高導(dǎo)熱系數(shù)的冷襯底之間的緊密相貼來(lái)實(shí)現(xiàn)極快的導(dǎo)熱傳熱。影響溫度場(chǎng)及冷卻速度的主要因素就是金屬、襯底界面的狀況及金屬試樣的厚度。3.2 熱力學(xué)深過(guò)冷快速凝固技術(shù)熱力學(xué)深過(guò)冷快速凝固是為了使液態(tài)金屬或合金獲得常規(guī)凝固條件下難以達(dá)到的過(guò)冷度，必須采

9、取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)晶核的結(jié)晶作用，增加臨界形核功，抑制均質(zhì)形核作用，同時(shí)在盡可能消除異質(zhì)晶核的前提下。使液態(tài)金屬在液相線以下數(shù)百度后突然形核，并獲得快速凝固組織的一種工藝方法。其中深過(guò)冷熔體主要是通過(guò)導(dǎo)熱性差的介質(zhì)傳熱或以輻射傳熱的方式冷卻。其凝固過(guò)程不受外部散熱條件影響。同時(shí)熔體深過(guò)冷理論上也不受液態(tài)金屬體積限制。所以，深過(guò)冷是實(shí)現(xiàn)三維大體積液態(tài)金屬快速凝固最有效的途徑8。 對(duì)于深過(guò)冷熔體，其凝固過(guò)程不受外部散熱條件所控制，生長(zhǎng)速度可以達(dá)到甚至超過(guò)激冷凝固過(guò)程中的晶體生長(zhǎng)速度。熔體深過(guò)冷卻獲得，理論上不受液態(tài)金屬體積限制。因此，深過(guò)冷是實(shí)現(xiàn)三維大體積液態(tài)金屬快

10、速凝固最為有效的途徑。 (1)熱力學(xué)深過(guò)冷熔體的凝固特征。過(guò)冷熔體處于熱力學(xué)的亞穩(wěn)狀態(tài)，一旦發(fā)生晶體形核，其晶體的生長(zhǎng)速度主要取決于過(guò)冷度的大小，基本不受外部冷卻條件的控制。如果過(guò)冷度足夠大，熔體的凝固將遠(yuǎn)離平衡凝固，從而使深過(guò)冷熔體的凝固機(jī)制和微觀組織表現(xiàn)出與傳統(tǒng)凝固不同的特點(diǎn)。主要表現(xiàn)在：晶粒尺寸的細(xì)化，這是深過(guò)冷的一個(gè)明顯特征。形成新的亞穩(wěn)相，深過(guò)冷液態(tài)金屬凝固過(guò)程中亞穩(wěn)相的形成已被許多的研究所證實(shí)，并可劃分為晶態(tài)亞穩(wěn)相、微晶亞穩(wěn)相、準(zhǔn)晶態(tài)亞穩(wěn)相和金屬玻璃。無(wú)偏析凝固，深過(guò)冷條件下，熔體的凝同速度很高，并有可能達(dá)到同液界面絕對(duì)穩(wěn)定速度而保持平界面的凝固方式。同時(shí)，由于固液界面上的原子擴(kuò)散

11、速度遠(yuǎn)小于凝固速度，界面上幾乎不發(fā)生溶質(zhì)原再分配，實(shí)際的溶質(zhì)分配系數(shù)近似等于1，所有的溶質(zhì)均被“陷落”在生長(zhǎng)的固相內(nèi)，使凝固過(guò)程成為一種無(wú)偏析凝固。定向生長(zhǎng)特征，深過(guò)冷合金液的自由枝晶生長(zhǎng)表現(xiàn)出定向凝固形貌的特征，并且可以認(rèn)為在過(guò)冷熔體中實(shí)現(xiàn)定向凝固是可能的，但必須在過(guò)冷熔體的某一部位施加一個(gè)小的溫度梯度。(2)熱力學(xué)深過(guò)冷獲得技術(shù)實(shí)驗(yàn)方法分類。大體積液態(tài)金屬的深過(guò)冷，主要有熔融玻璃凈化法，循環(huán)過(guò)熱法和熔融玻璃凈化法+循環(huán)過(guò)熱法；微小金屬液滴的深過(guò)冷，包括乳化熱分析法、落管法和無(wú)容器電磁懸浮熔爍法；其他形狀金屬液態(tài)的深過(guò)冷熔體急冷法，可分為：氣槍法、霧化沉積法、熔體旋轉(zhuǎn)法、錘砧法、單輥法。4

12、快速凝固的性能特點(diǎn)4.1力學(xué)性能 快速凝固組織由于微觀結(jié)構(gòu)的尺寸與鑄態(tài)組織相比有明顯的細(xì)化和均勻化，所以具有很好的晶界強(qiáng)化和韌化作用；而成分均勻、偏析減少不僅提高了合金元素的使用效率，還避免了一些會(huì)減低合金性能的有害相的產(chǎn)生，消除了微裂紋產(chǎn)生的隱患，因而改善了合金的強(qiáng)度、延性和韌性；固溶度的增大、過(guò)飽和固溶體的形成，不僅起到了很好的同溶強(qiáng)化的作用，也為第二相的析出、彌散強(qiáng)化提供了條件；位錯(cuò)、層錯(cuò)密度的提高還產(chǎn)生了位錯(cuò)強(qiáng)化的作用；此外，快速凝固過(guò)程形成的一些亞穩(wěn)相也能起到很好的強(qiáng)化和韌化作用。所以通常的鑄態(tài)合金經(jīng)過(guò)快速凝固后，強(qiáng)度、韌性、硬度、耐磨、耐腐蝕等力學(xué)性能得到了很大的提高。4.2 物理

13、性能快速凝同組織的微觀組織結(jié)構(gòu)特點(diǎn)還使它們具有一些常規(guī)鑄態(tài)組織所沒(méi)有的特殊的物理性能。例如快速凝固形成的一些亞穩(wěn)相具有較高的超導(dǎo)轉(zhuǎn)變溫度。快速凝固組織的成分偏析的顯著減少對(duì)提高磁學(xué)性能十分有利，所以有些快速凝同晶態(tài)合金也和非晶態(tài)合金一樣具有很好的磁學(xué)性能。此外，某些快速凝同合金還具有很好的電學(xué)性能9。5 快速凝固技術(shù)在金屬材料中的應(yīng)用5.1 在鎂合金的應(yīng)用鎂合金具有一系列優(yōu)點(diǎn)如剛度及比強(qiáng)度高、電磁屏蔽性能強(qiáng)、尺寸穩(wěn)定、資源豐富等，所以其在汽車、電子、航空、航天等領(lǐng)域中具有廣闊的應(yīng)用前景。但是，鎂合金自身具有一些缺點(diǎn)如變形能力差、抗腐蝕性能和抗高溫性能不高等限制了其發(fā)展應(yīng)用。當(dāng)然采用傳統(tǒng)的鑄造冶

14、金方法難以獲取高性能鎂合金，不能滿足材料的性能要求。那么研究新的制備工藝和加工技術(shù)獲取高性能型材和結(jié)構(gòu)件是發(fā)展的必然趨勢(shì)。所以快速凝固鎂合金將成為未來(lái)變形鎂合金的主要制備工藝。一些學(xué)者研究表明通過(guò)快速凝固合金熔體制備的非晶態(tài)鎂合金，不僅力學(xué)性能優(yōu)異，而且具有優(yōu)良的抗腐蝕性和儲(chǔ)氫性能是潛在的結(jié)構(gòu)材料和具有發(fā)展前途的新型材料。近年來(lái)世界各國(guó)投入了人力物力進(jìn)行快速凝固鎂合金的研究取得了大量成果10。5.2 快速凝固技術(shù)在銅合金的應(yīng)用銅及其合金由于具有很高的導(dǎo)熱、導(dǎo)電性能和良好的抗腐蝕性能，所以在工業(yè)中有著廣泛的應(yīng)用。隨著現(xiàn)代工業(yè)的迅速發(fā)展，各行業(yè)對(duì)銅及其銅合金的使用性能提出了更高的要求。而快速凝固技

15、術(shù)的發(fā)展為研究和開發(fā)高性能銅合金開辟了新的途徑。自二十世紀(jì)70年代末以來(lái)，英、美、瑞士等國(guó)相繼開展了快速凝固銅合金的研究。大量的研究表明快速凝固銅合金不僅保持了良好的導(dǎo)電性能，而且改善了合金的耐磨性能、室溫與高溫力學(xué)性能和耐腐蝕性能。近年來(lái)快速凝固技術(shù)已在銅和銅合金的工業(yè)生產(chǎn)中得到應(yīng)用，如利用快速凝固銅合金可以制作耐磨電接觸開關(guān)、冷凝管、艦艇中的管道和減弱機(jī)器噪聲的聲阻元件、軸承、螺栓、螺旋槳葉片、齒輪等構(gòu)件有效地提高了它們的綜合性能：快速凝固CuCrZr合金可以用來(lái)制作要求具有較高導(dǎo)電、導(dǎo)熱性能和疲勞抗力的部件；快速凝固CuPb合金可以代替價(jià)格較貴的常規(guī)青銅合金(含銅量大于80)制作軸承等等

16、11。5.3 快速凝固技術(shù)在鋁合金的應(yīng)用隨著航空航天技術(shù)和汽車工業(yè)的發(fā)展，對(duì)高性能鋁合金材料的需求越來(lái)越大。而快速凝固技術(shù)為鋁合金的研究與開發(fā)提供了新的方向。利用快速凝固技術(shù)制備鋁合金的方法主要有快速凝固粉末冶金(RS/PM)和快速凝固噴射沉積兩種方法(SF)12。國(guó)內(nèi)外已成功地利用該技術(shù)研制出耐熱鋁合金、耐磨鋁硅合金、高強(qiáng)度鋁合金及低密度鋁鋰合金等鋁合金材料。這些快速凝固的高性能鋁合金材料多具有高的熱強(qiáng)性能、耐磨性、高的比強(qiáng)度和高彈性模量等優(yōu)異的綜合力學(xué)性能和特殊的物理性能，已發(fā)展成為重要的新型合金材料。5.4 快速凝固金屬納米結(jié)構(gòu)材料的應(yīng)用納米材料是指顯微結(jié)構(gòu)中的物相具有納米尺度的材料，它

17、包括三個(gè)層次，納米微粒；納米固體；納米組裝體系。納米材料的晶粒細(xì)小而均勻，晶粒表面清潔，所以具有高的強(qiáng)度、硬度和良好的塑韌性和優(yōu)異的磁性能。納米材料推廣應(yīng)用的關(guān)鍵是塊體納米材料的制備而制備不同類型塊體納米材料的主要技術(shù)是熱力學(xué)深過(guò)冷凝固技術(shù)。通過(guò)此技術(shù)制備出的金屬納米結(jié)構(gòu)材料不僅能夠作為優(yōu)良的功能材料，而且還能成為一些特定用途的結(jié)構(gòu)材料或者是結(jié)構(gòu)功能兩用材料。6 有待解決的問(wèn)題快速凝固技術(shù)的研究與應(yīng)用取得了很大的進(jìn)展，發(fā)展了很多制取快速凝固粉束，片、絲和薄帶的新工藝。特別是近幾年來(lái)由于高功率能源如激光、電子，離子束等用于材料表層的快速凝固及強(qiáng)化，更加擴(kuò)大了快速凝固技術(shù)的研究和應(yīng)用領(lǐng)域?？焖倌?/p>

18、技術(shù)已在鐵、鎳、鉆、鈦、鎂、銅等合金系及宇航材料、電子儀表材料及超導(dǎo)材料上展開了大量的工作。取得了不少進(jìn)展，成為近年來(lái)最引人注目的材料科學(xué)新領(lǐng)域。快速凝固材料的一系列優(yōu)異性能如高的強(qiáng)度，硬度、耐磨性、韌性，抗氧化性能、耐蝕性及良好的電化學(xué)性能和磁學(xué)性能已得到航天，航海，通訊，儀表，機(jī)械化工領(lǐng)域的普遍重視。從目前的發(fā)展來(lái)看，應(yīng)解決以下問(wèn)題。(1)降低成本，達(dá)到工業(yè)化生產(chǎn)的目的。目前，不管是旋鑄法、霧化法和氣槍法，成本都比較高，難以達(dá)到工業(yè)應(yīng)用。比較有應(yīng)用潛力的是霧化噴射沉積，但由于收得率低，過(guò)噴粉末較多，無(wú)形之中增加了成本。(2)增加對(duì)工業(yè)過(guò)程的控制能力。(3)對(duì)快速凝固過(guò)程進(jìn)行計(jì)算機(jī)模擬，有效地進(jìn)行顯微組織的預(yù)測(cè)和材料設(shè)計(jì)。(4)合理控制工藝參數(shù)，提高高能束對(duì)鑄鐵等黑色金屬材料表面處理的效果，擴(kuò)大其應(yīng)用范圍。(5)非晶合金的催化活性