快速凝固合金的組織結(jié)構(gòu)和性能

快速凝固合金的組織結(jié)構(gòu)和性能

隨著金屬冷杉技術(shù)的興趣和深入研究，形成了幾種冷杉法控制組織。其中，高速冷杉是一種重要的加固材料，用于研究金屬的潛在性能和發(fā)展趨勢，也是冷杉過程研究的一個特殊領(lǐng)域。在過去，對冷杉過程的模擬考慮了在融合狀態(tài)下產(chǎn)生的熱傳導和冷杉過程中不可避免的冷流，而在金屬冷杉過程中，除了冷杉過程中存在的流動外，快速冷杉技術(shù)還開始研究如何改變不同形式的冷杉，以滿足人們的真實生活和生產(chǎn)要求。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。1冷卻速度對固液界面的影響快速凝固是指通過對合金熔體的快速冷卻(≥104～106K/s)或非均質(zhì)形核的被遏制,使合金在很大的過冷度下,發(fā)生高生長速率(≥1～100cm/s)的凝固。由于凝固過程的快冷、起始形核過冷度大,生長速率高,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。加快冷卻速度和凝固速率所引起的組織及結(jié)構(gòu)特征可以近似地用圖1來表示.從上圖我們不難看出,隨著冷卻速度的加快,材料的組織及結(jié)構(gòu)發(fā)生著顯著的變化,可以肯定地說,它也將帶來性能上的顯著變化。開發(fā)了襯底急冷技術(shù)與表面熔凝技術(shù)。2快速凝固的一些重要方法2.1表面熱耦合技術(shù)和快速冷卻技術(shù)這兩種凝固技術(shù)的核心是使熔化后的熔體通過冷或高導熱率的基體冷卻凝固。圍繞這個問題,人們2.1.1金屬及其合金的襯底襯底急冷技術(shù)的特點是把熔體分散成截面尺寸很小的熔體流,然后使熔體流與高導熱率襯底接觸而凝固,如表1及表1(續(xù))所示。主要通過傳導方式散熱、冷卻,獲得的大多數(shù)是片狀的金屬條帶。上述幾種襯底急冷凝固方法應用于大多數(shù)金屬及其合金,但某些活性金屬如鈦、鋯等及其合金在熔化后的高溫下很容易與石英管或陶瓷管發(fā)生反應而受到污染。另外,由于石英管噴嘴尺寸一般很小,容易產(chǎn)生堵塞問題.所以相應的有了以下快速凝固的方法。如表1(續(xù))。2.1.2表面精煉技術(shù)表面熔凝技術(shù)的特點是用高密度能束掃描工件表面使其表層熔化,通過熔體向下面冷的工件迅速傳熱而凝固,如表2所示。2.2分散技術(shù)和表面沉積物技術(shù)其核心是進一步將熔體熔化成小的液滴,縮小與冷卻介質(zhì)接觸的散熱面積之比,從而使熔體迅速冷凝。2.2.1流體介質(zhì)中迅速冷卻凝固反應的方法霧化技術(shù)的特點是使熔體在外力作用下分散成極小的霧滴,在相對運動速度很高的流體介質(zhì)中迅速冷卻凝固,如表3所示。其制成的產(chǎn)品主要是粉末,可直接固結(jié)成形為大塊材料或工件。它主要是以對流方式冷卻,故冷凝的速度不高;此外如何提高粉末的收得率、減輕粉末的氧化與污染等問題還有待進一步研究改進.2.2.2固定的涂層體系表面沉積技術(shù)的特點主要是使將通過霧化技術(shù)制得的粉末或已霧化的金屬熔滴,噴射到工件表面上,讓其迅速冷凝沉積成與基體結(jié)合牢固、致密的噴涂層。上述幾種快速凝固的原理決定了產(chǎn)品的形狀,至少在一維方向上尺寸很小,如粉末、箔片、纖維、薄帶、細線等形狀,但是對于主要做為結(jié)構(gòu)材料使用的急冷晶態(tài)合金,這些形狀的產(chǎn)品顯然無法實際應用.2.3冷硬固大工藝大過冷凝固技術(shù)的核心是利用金屬本身的特點實現(xiàn)快速凝固的方法之一。具體方法有快速蒸汽冷凝技術(shù)、快速卸壓淬火等。2.3.1汽快速蒸餾法ERC法是借助于低溫液體將蒸發(fā)的金屬蒸汽快速冷凝,然后在聚結(jié)之前沉積到捕集器中或旋流收集器中。利用此法所制得的金屬粉末顆粒尺寸極細,而且粒度分布非常均勻.2.3.2亞穩(wěn)相的產(chǎn)生及非晶化的特點快速卸壓淬火是一種有效的新的快速凝固方法,對熔體在適當?shù)某跏紲囟群蛪毫ο驴焖傩秹哼_到固化。由于不受材料自身的熱傳導性質(zhì)的限制,因而可獲得大塊亞穩(wěn)材料甚至非晶,實現(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上的合理解釋.大過冷凝固技術(shù)的特點是: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。熔體主要是通過導熱性差的介質(zhì)傳熱或以輻射傳熱的方式冷卻。目前,采用此技術(shù)制取的合金尺寸、數(shù)量都很小,而且不能連續(xù)生產(chǎn),因此要使其不僅在理論和實驗研究中得到廣泛應用,而且象急冷凝固技術(shù)那樣應用于實際生產(chǎn)還需要做進一步的改進.對于大量用作結(jié)構(gòu)材料的快速凝固合金,就需要采用固結(jié)成型技術(shù),它的效果直接影響到了合金的最終性能和廣泛應用。快速凝固技術(shù)正在引起人們更多的重視,而且隨著實際生產(chǎn)的需要,也正在不斷的深化。3鋼等新材料研究與開發(fā)中的問題快速凝固技術(shù)是1960年才開始出現(xiàn)的一種研制新型合金的技術(shù),它在對Fe-Mo-Al合金、改型304不銹鋼等新材料的研究與開發(fā)起到了關(guān)鍵性作用;特別是超塑性的利用更是其它方法所不能取代的。有關(guān)快速凝固及合金的理論研究將給材料科學和其它有關(guān)學科注入新的活力,而且對快速凝固合金的微觀組織結(jié)構(gòu)與凝固參數(shù)之間的關(guān)系、對合金相的形成,特別是亞穩(wěn)晶態(tài)相、非晶和準晶形成機制的研究,都將對固體物理等基礎(chǔ)理論構(gòu)成嚴峻的挑戰(zhàn).4冷的培養(yǎng)基冷卻冷卻目前關(guān)于快速凝固技術(shù)的研究著重于母合金熔融后分成微