快速凝固技術及其應用課件

第1章

凝固技術及其應用BigQ第1章凝固技術及其應用BigQ11.什么是凝固？凝固：物質(zhì)從液態(tài)冷卻轉(zhuǎn)變?yōu)楣虘B(tài)的過程。結晶：形核－長大交錯重疊進行。2.什么是快速凝固？快速凝固一般指大于105K/s級的冷卻速度或以數(shù)秒級的固液界面前進速度使液相凝結為固相的過程。1.什么是凝固？凝固：物質(zhì)從液態(tài)冷卻轉(zhuǎn)變?yōu)楣虘B(tài)的過程。2.什2一.快速凝固理論基礎不同凝固速度對組織的影響一.快速凝固理論基礎不同凝固速度對組織的影響3一.快速凝固理論基礎1.實現(xiàn)快速凝固的條件1）金屬液分散成液流或液滴，至少在一個方向

上尺寸極小，以便散熱。2）具有傳熱的冷卻介質(zhì)。

急冷模法示意圖1-真空出口；2-絕熱冷卻劑容器；3-冷卻池；4-銅模；5-模穴；6-墊圈；7-基板；8-壓緊螺帽；9-射入管；10-鋁箔一.快速凝固理論基礎1.實現(xiàn)快速凝固的條件1）金屬液分散成4一.快速凝固理論基礎2.滿足快速凝固條件的途徑1）大的冷卻速度

對于尺寸足夠小的凝固試件，界面散熱成為控制冷卻的主要環(huán)節(jié)。增大散熱強度，使熔體以極快的速度降溫，即可實現(xiàn)快速凝固。一.快速凝固理論基礎2.滿足快速凝固條件的途徑1）大的冷卻5一.快速凝固理論基礎2）大的生長速度傳熱主要靠導熱提高鑄型的導熱能力，增加熱流導出速度，凝固界面快速推進，熔體與基體為一體，3）大過冷度利用抑制凝固過程的形核，使合金液獲得很大過冷度，實現(xiàn)凝固過程釋放的凝固潛熱與過冷散失的物理熱抵消。使凝固過程處在幾乎絕熱狀態(tài)，需導出的熱流幾乎很小，獲得很大的冷卻速度。一.快速凝固理論基礎2）大的生長速度3）大過冷度利用抑制凝固6一.快速凝固理論基礎3.快速凝固的特點1）凝固速度大，無溶質(zhì)分配。2）液固界面穩(wěn)定性增加，凝固形成平面、無偏析等軸晶。3）形成組織結構特殊的晶態(tài)合金。4）形成非晶態(tài)合金。5）形成準晶合金。一.快速凝固理論基礎3.快速凝固的特點7二.快速凝固工藝快速凝固工藝可以粗略的分為三類：1）用高速氣流打擊金屬液流，或在離心力的作用下，使之霧化變成十分細小的液滴，最后凝固成粉末；2）把金屬液噴到急冷板或轉(zhuǎn)動的輥輪上，凝固成很薄的金屬箔或絲材；3）用激光或電子束熔化極薄一層金屬表層，整塊金屬基體起到自身冷卻劑的作用，也能獲得很高的冷速；

二.快速凝固工藝快速凝固工藝可以粗略的分為三類：8二.快速凝固工藝1.霧化法基本原理：將連續(xù)的金屬熔體在離心力、機械力或高速流體(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。主要工藝方法：氣體霧化法、氣體溶解霧化法、超聲霧化法等。產(chǎn)品形式：粉末、碎片、箔片二.快速凝固工藝1.霧化法9二.快速凝固工藝二.快速凝固工藝10二.快速凝固工藝2.液態(tài)急冷法基本原理：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：自由噴射溶液自旋法；平面流鑄法。二.快速凝固工藝2.液態(tài)急冷法11

(ａ)自由噴射熔液自旋工藝(ｂ)平面流鑄工藝 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；2-排氣閥；3-坩堝；4-感應加熱線圈； 5-合金液；6-金屬薄帶；7-淬冷輥輪；8-噴嘴 (ａ)自由噴射熔液自旋工藝(ｂ)平面流鑄工12二.快速凝固工藝3.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。1）只改變組織，不改變成分表面上釉，表面非晶化等2）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、離子注入后快速熔凝等常用方法激光快速熔凝二.快速凝固工藝3.束流表層急冷法采用激光、電子束、粒子13二.快速凝固工藝3.束流表層急冷法單向熔化法示意圖二.快速凝固工藝3.束流表層急冷法單向熔化法示意圖14三.快速凝固的應用

快速凝固對材料性能的影響1）提高強度2）提高塑性3）提高耐磨性4）提高耐蝕性5）提高磁性能6）提高催化劑效率三.快速凝固的應用快速凝固對材料性能的影響1）提高強度15四.定向凝固技術1.定向凝固：鑄件按一定方向由一端開始，逐步向另一端結晶。共晶轉(zhuǎn)變：由一定成分的液相同時結晶出兩個一定成分固相的轉(zhuǎn)變。四.定向凝固技術1.定向凝固：鑄件按一定方向由一端開始，逐步16四.定向凝固技術在控制凝固狀態(tài)下凝固，即在一個方向上散熱，那么生長的兩種相，或者呈相互平行的片層狀，或者第二相以纖維狀排列在構成基體的另一相中。宏觀規(guī)則排列，且晶體生長的擇優(yōu)取向與散熱方向一致。

四.定向凝固技術在控制凝固狀態(tài)下凝固，即在一個方向上散熱，那17四.定向凝固技術控制顯微組織的主要工藝參數(shù)是固液界面的溫度梯度和凝固速度。獲得具有優(yōu)異性能的規(guī)則排列組織的關鍵設備：大溫度梯度的定向凝固裝置。

四.定向凝固技術控制顯微組織的主要工藝參數(shù)是固液界面的溫度梯18四.定向凝固技術1.定向凝固共晶復合材料的力學性能1）力學性能特點其強度主要取決于增強相的性能和體積比，而連續(xù)的金屬基體則作為傳遞載荷的介質(zhì)和提供韌性。四.定向凝固技術1.定向凝固共晶復合材料的力學性能1）力學19四.定向凝固技術1.定向凝固共晶復合材料的力學性能2）蠕變性能規(guī)則排列的共晶合金具有優(yōu)異的蠕變性能。大多數(shù)合金的蠕變指數(shù)n=3~5，而定向凝固共晶合金的n=7~21。在恒定溫度和應力下，蠕變抗力隨λ和纖維尺寸的減小而提高。四.定向凝固技術1.定向凝固共晶復合材料的力學性能2）蠕變20四.定向凝固技術1.定向凝固共晶復合材料的力學性能1）拉伸性能定向凝固共晶復合材料的強度主要取決于增強相的體積百分數(shù)和相間間距。復合材料在偏離軸向上的性能低于縱向上的性能；規(guī)則排列的共晶體的橫向拉伸強度通常是縱向拉伸強度的30%~50%。四.定向凝固技術1.定向凝固共晶復合材料的力學性能1）拉伸21四.定向凝固技術1.定向凝固共晶復合材料的力學性能3）疲勞性能由于存在相界面，從而使裂紋轉(zhuǎn)移鈍化。提高凝固速度和凝固后熱處理可顯著提高其疲勞性能。四.定向凝固技術1.定向凝固共晶復合材料的力學性能3）疲勞22四.定向凝固技術2.定向凝固共晶復合材料的物理性能和非結構性能由于定向共晶復合材料的兩相具有不同的電、磁、熱等物理性能以及規(guī)則排列引起的各向異性，使得這類材料有可能用作電磁材料，電子材料。四.定向凝固技術2.定向凝固共晶復合材料的物理性能和非結構性23四.定向凝固技術4.定向凝固共晶復合材料的發(fā)展和應用前景1）20世紀80年代出現(xiàn)了以金屬間化合物為基的復合材