快速凝固習(xí)題

1、試比較快速凝固技術(shù)和霧化制粉技術(shù)的異同答：快速凝固指的是在比常規(guī)工藝過程中快得多的冷卻速度下，金屬或合金以極快的速度從液態(tài)轉(zhuǎn)變?yōu)楣虘B(tài)的過程。要求金屬與合金凝固時具有極大的過冷度。霧化制粉是以快速運(yùn)動的流體（霧化介質(zhì)）沖擊或以其他方式將金屬或合金液體破碎為細(xì)小液滴，繼之冷凝為固體粉末的粉末制取方法。霧化法是生產(chǎn)完全合金化粉末的最好方法，其產(chǎn)品稱為預(yù)合金粉?？焖倌叹哂心趟俣瓤欤瑥亩梢允菇饘僭谝簯B(tài)中的溶解度得到擴(kuò)大，這樣是其材料的密度有所改變，材料各部位的組織更加的緊密，改變金屬中各元素的所含比例，從而可以改變該材料的性質(zhì)，使其達(dá)到某種用途的需求。由于凝固的速度比一般鑄造的快，這樣得到的凝固結(jié)晶會更加的細(xì)小，晶粒的分布更加的均勻，一定程度減少了雜質(zhì)的混入，提高材料的質(zhì)量，由于晶粒組織的優(yōu)化，該材料的力學(xué)，化學(xué)性質(zhì)會得到提高，從而使其得到更廣的運(yùn)用。由于快速凝固給材料帶來的溶解度的擴(kuò)大，更加精細(xì)的晶粒的析出，從而賦予了材料的高強(qiáng)度，高韌度，以及高耐腐蝕性。這是快速凝固技術(shù)能在工業(yè)領(lǐng)域得到廣泛運(yùn)用的硬道理。除了金屬的快速凝固，還有一種快速凝固非晶態(tài)合金。其特點(diǎn)和上類似，可以使材料具有極高的強(qiáng)度，硬度。又因?yàn)槠鋵?shí)處于非晶態(tài)，它在具有高強(qiáng)度的同時也具有較好的韌性。同時，因?yàn)榉蔷B(tài)這種特殊形態(tài)，可以使材料具有良好的半導(dǎo)體性能，這是傳統(tǒng)鑄造方法所不能達(dá)到的。而霧化技術(shù)這種粉的每個顆粒不僅具有與既定熔融合金完全相同的均勻化學(xué)成分，而且由于快速凝固作用而細(xì)化了結(jié)晶結(jié)構(gòu)；消除了第二相的宏觀偏析。霧化制粉法分“雙流法”（以霧化介質(zhì)流破碎合金液流）和“單流法”（以其他方式破碎合金液流）兩大類。前者的霧化介質(zhì)又分氣體（氦、氳、氮、空氣）和液體（水、油）；后者如離心霧化和溶氣真空霧化。2、試論金屬熱處理在快速凝固材料制備工藝中的應(yīng)用答：金屬熱處理是將金屬工件放在一定的介質(zhì)中加熱到適宜的溫度，并在此溫度中保持一定時間后，又以不同速度冷卻的一種工藝方法。快速凝固時由液相到固相的相變過程進(jìn)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。其從液態(tài)到固態(tài)的冷卻速度大于某一臨界冷卻速率。通過金屬熱處理可以控制金屬相變的過程和速率，金屬熱處理在快速凝固材料制備工藝中應(yīng)用廣泛，如快速凝固材料制備采用激光或電子束表面熔凝、大過冷凝固技術(shù)等。激光熔凝技術(shù)中采用近于聚焦的激光束照射材料表面層，使其熔化，依靠向基材散熱而自身冷卻、快速凝固.在熔凝層中形成的鑄態(tài)組織非常細(xì)密，能使材料性能得到改善，增強(qiáng)材料表層的耐磨性和耐蝕性。激光超高溫度梯度快速凝固中利用激光能量高度集中的特性，使它具備了在作為定向凝固熱源時可能獲得比現(xiàn)有定向凝固方法高得多的溫度梯度的可能性。利用激光表面熔凝技術(shù)實(shí)現(xiàn)超高溫度梯度快速定向凝固的關(guān)鍵是在激光熔池內(nèi)獲得與激光掃描速度方向一致的溫度梯度，根據(jù)合金凝固特性選擇適當(dāng)?shù)募す夤に噮?shù)，以獲得胞晶組織。電火花表面沉積技術(shù)是金屬瞬間由高溫冷卻過程，金屬表面不僅會因迅速淬火而形成馬氏體，而且在狹窄的沉積過渡區(qū)還會得到超細(xì)奧氏體組織。該工藝具有沉積層與基體結(jié)合非常牢固、不會使工件退火或變形、設(shè)備簡單及造價低等優(yōu)點(diǎn)。大過冷快速凝固采用快速卸壓淬火技術(shù)，快速卸壓淬火是一種有效的新的快速凝固方法，在適當(dāng)?shù)某跏紲囟群蛪毫ο聦θ垠w快速卸壓達(dá)到固化，由于不受材料自身的熱傳導(dǎo)性質(zhì)的限制，因而可獲得大塊亞穩(wěn)材料甚至非晶，實(shí)現(xiàn)了快速凝固的原理，并對亞穩(wěn)相的產(chǎn)生及非晶化成因提供了熱力學(xué)上的合理解釋。大過冷凝固技術(shù)的特點(diǎn)是在熔體中形成盡可能接近均勻形核的凝固條件，從而在形核前獲得大的過冷度。3、分別闡述快速凝固技術(shù)中急速冷卻和大過冷技術(shù)兩種工藝的原理和實(shí)際應(yīng)用答：(1)急冷凝固技術(shù)又稱熔體淬火技術(shù)，即提高熔體凝固時的傳熱速度從而提高凝固時的冷卻速度，使熔體的形核時間短、效率高，來不及在平衡熔點(diǎn)附近凝固，只能在遠(yuǎn)離平衡熔點(diǎn)的較低溫度下凝固。急冷凝固技術(shù)的核心是要提高凝固過程中熔體的冷卻速度。一個相對于環(huán)境放熱的系統(tǒng)的冷卻速度取決于該系統(tǒng)在單位時間內(nèi)產(chǎn)生的熱量和傳出系統(tǒng)的熱量。因此對金屬凝固而言，提高系統(tǒng)的冷卻速度必須要求：第一，減少單位時間內(nèi)金屬凝固時所釋放的熱量；第二，提高凝固過程中的散熱速度。又因常規(guī)鑄造凝固是熔體在體積很大的鑄模中同時凝固、熱量不易迅速傳出以及固態(tài)淬火主要是通過對流傳熱因而冷速不高，急冷凝固技術(shù)的基本原則是設(shè)法把熔體分成尺寸很小的部分，增大熔體與冷卻介質(zhì)接觸的面積，并設(shè)法減小熔體與冷卻介質(zhì)的界面熱阻。急過冷凝固技術(shù)中根據(jù)熔體分離和冷卻方式的不同，可以分為霧化技術(shù)、模冷技術(shù)和表面處理技術(shù)三大類。模冷技術(shù)是通過高熱導(dǎo)率材料襯底上薄層熔體的快速冷卻開始，使合金熔體中形成大的起始形核過冷度，從而實(shí)現(xiàn)高凝固速率。主要包括：槍法、活塞砧法、熔體旋轉(zhuǎn)法、平面流鑄造法、熔體拉拽法、電子束急冷淬火法、熔體提取法和急冷模法。（2）霧化技術(shù)是使熔體在離心力、機(jī)械力或高速流體的沖擊力等外力作用下，分散成尺寸極小的霧狀熔滴，并使其在與流體或冷卻模接觸后迅速冷卻凝固。具體分為：流體霧化法，離心霧化法和機(jī)械霧化法。（3）表面處理技術(shù)是使待加工的材料或半成形、已成形的工件表面層實(shí)現(xiàn)快速凝固的技術(shù)。它適用于對表面性能有特殊要求的材料或工件。主要有表面熔化和表面噴涂沉積兩類。急冷凝固技術(shù)中獲得高冷速的基本原則：（1）設(shè)法減少同一時刻凝固的熔體體積（2）設(shè)法增大熔體散熱表面積與體積之比（3）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（4）盡可能主要以傳導(dǎo)方式散熱應(yīng)用：急冷技術(shù)本是應(yīng)用于高溫裂解制乙烯等工藝，目的是快速終止反應(yīng)，減少生焦等副反應(yīng)的發(fā)生。隨著原料重質(zhì)化和催化裂化反應(yīng)溫度的不斷升高，急冷技術(shù)也逐漸應(yīng)用到催化裂化中，并且根據(jù)急冷劑注入位置的不同和對提升管反應(yīng)器內(nèi)反應(yīng)苛刻度調(diào)節(jié)的不同，一般可分為兩類。一類是急冷劑在提升管上部或末端注入，作為反應(yīng)終止劑，減少干氣等生成；一類是在提升管的中下部注入，作為調(diào)整反應(yīng)程度和調(diào)節(jié)產(chǎn)品分布的一種手段。（2）大過冷快速凝固技術(shù)的核心是在熔體中設(shè)法消除可以作為非均勻形核媒質(zhì)的雜質(zhì)或容器的影響，創(chuàng)造盡可能均勻形核的條件，從而在形核前獲得很大的過冷度。通常在熔體凝固過程中促進(jìn)非均勻形核的形核媒質(zhì)主要來自熔體內(nèi)部和容器壁，因此大過冷技術(shù)就是主要從這二個方面設(shè)法消除形核媒質(zhì)。采用大過冷快速凝固技術(shù)的具體方法大致分為兩類。一類是熔滴彌散法，即在細(xì)小熔滴中達(dá)到大凝固過冷度的方法，包括乳化法、熔滴水成冰（基底法）和落管法等。另一類是在較大體積熔體中獲得大的凝固過冷度的方法，包括玻璃體包裹法、二相區(qū)法和電磁懸浮熔化法等。應(yīng)用：在懸浮熔煉裝置上采用玻璃包熔及反復(fù)熱循環(huán)處理工藝，可使Ni-25.3wt%sn亞共晶合金以較慢的冷卻速度獲得凝固前的大過冷熔體，其最高無量綱過冷度（0=AAT/T_L）達(dá)到0.29。結(jié)果表明：隨著過冷度的增加，枝晶間距大大細(xì)化，并且枝晶形態(tài)由樹枝晶向非枝晶轉(zhuǎn)變；隨著離開試樣表面的距離增加，其剖面組織中枝晶間距呈現(xiàn)明顯的粗化，用X射線衍射分析表明：在大過冷熔體的凝固組織中存在著亞穩(wěn)相Ni_4Sn。4、試論快速凝固在制備高強(qiáng)鋁合金方面的優(yōu)勢和不足之處答：快速凝固工藝使材料的微觀組織結(jié)構(gòu)發(fā)生變化，與傳統(tǒng)熔鑄合金相比，其顯微結(jié)構(gòu)由細(xì)化的晶粒和極細(xì)小的一次沉淀顆粒組成，但是很多研究表明，在傳統(tǒng)時效強(qiáng)化合金系中，采用快速凝固工藝經(jīng)標(biāo)準(zhǔn)化的熱處理之后并沒有獲得最佳的結(jié)果，從而減小了時效的作用，其原因主要是在晶界和亞晶界上發(fā)生了優(yōu)先沉淀，使材料中存在大量的一次沉淀顆粒。由于快速凝固（RS）合金具有細(xì)小晶粒尺寸，析出相細(xì)小且分布均勻，而且可以根據(jù)需要添加所需的合金元素（合金元素可以超過IM合金的范圍）。與IM7XXX系鋁合金相比，快速凝固粉末冶金方法制備的7XXX系鋁合金可以獲得更高強(qiáng)度的同時，使合金具有良好的腐蝕抗力。在研究快速凝固合金和噴射沉積7XXX系鋁合金時發(fā)現(xiàn)，加入Co、Fe、Ni、Zr等元素還可以提高其耐熱性能，并由此發(fā)展出了多鐘新牌號合金。用快速凝固方法制備的新高強(qiáng)鋁合金的力學(xué)性能均有明顯提高。但是快速凝固高強(qiáng)鋁合金存在疲勞裂紋長大較快的特點(diǎn)，雖然合金在快速凝固后晶粒細(xì)化和粗大夾雜物的去除可以阻止疲勞裂紋的萌生，但仍然存在不同程度的氧化，氧化物在擠壓或軋制后形成氧化物條帶，而疲勞裂紋在氧化物條帶中將進(jìn)一步加速，采用噴射沉積能夠改善這一缺點(diǎn)。5、試簡述一種用到了快速凝固工藝思想的非粉末制備工藝答：快速凝固有兩種方法（1）動力學(xué)急冷法：通過提高熔體凝固時的傳熱速率從而提高凝固時的冷卻速率，使熔體形核時間極短，來不及在平衡熔點(diǎn)附近凝固而只能在遠(yuǎn)離平衡熔點(diǎn)的較低溫度凝固，因而具有很大的凝固過冷度和凝固速率。在動力學(xué)急冷凝固技術(shù)中，根據(jù)熔體分離和冷卻方式的不同，可以分成霧化技術(shù)、模冷技術(shù)和表面熔化及沉積技術(shù)三大類。（2）熱力學(xué)深過冷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)晶核的形核作用，增加臨界形核功、抑制均質(zhì)形核作用，使得液態(tài)金屬或合金獲得在常規(guī)條件下難以達(dá)到的過冷度。采用這種技術(shù)，可以在冷速不高的情況下獲得很大的凝固過冷度。因此,熱力學(xué)深過冷非平衡凝固在理論上不受熔體體積限制，是實(shí)現(xiàn)大體積熔體非平衡凝固的有效方法。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。包括（1）自由噴射溶液自旋法；（2）平面流鑄法。平面流鑄法的特點(diǎn)：優(yōu)