第一章 快速凝固技術(shù)

1、1 第第1章章 快速凝固技術(shù)快速凝固技術(shù) 2 前前 言言 q快速凝固1960年開(kāi)始出現(xiàn) q快速凝固是一項(xiàng)新型材料制備技術(shù)，既是一種生產(chǎn)手段,又 是一種探索新材料的研究方法，受到了普遍的重視 q對(duì)現(xiàn)有牌號(hào)合金，可以顯著地改善其組織結(jié)構(gòu)，充分挖掘 其性能潛力，也可以研制在常規(guī)鑄造條件下無(wú)法得到的、具 有優(yōu)異性能的新型材料 q快速凝固技術(shù)和快速凝固合金的研究已成為了材料科學(xué)的 一個(gè)重要分支，并在實(shí)際生產(chǎn)中得到了廣泛的應(yīng)用，具有廣 闊的應(yīng)用前景 q近二、三十年來(lái)，不但開(kāi)拓了一個(gè)嶄新的學(xué)術(shù)領(lǐng)域，而且 向市場(chǎng)提供了具有特殊性能的新材料 3 內(nèi)內(nèi) 容容 快速凝固概論快速凝固概論 快速凝固的物理冶金基礎(chǔ)快速凝

2、固的物理冶金基礎(chǔ) 實(shí)現(xiàn)快速凝固途徑實(shí)現(xiàn)快速凝固途徑 快速凝固制備工藝快速凝固制備工藝 快速凝固技術(shù)在金屬材料中的應(yīng)用快速凝固技術(shù)在金屬材料中的應(yīng)用 快速凝固其他新型合金快速凝固其他新型合金 4 （一）快速凝固發(fā)展的由來(lái)（一）快速凝固發(fā)展的由來(lái) 1.1 1.1 快速凝固概述快速凝固概述 鑄造是冶金生產(chǎn)中重要的工藝手段，除了粉末冶金鑄造是冶金生產(chǎn)中重要的工藝手段，除了粉末冶金 等方法直接成型產(chǎn)品外，幾乎所有的金屬制品和構(gòu)件的等方法直接成型產(chǎn)品外，幾乎所有的金屬制品和構(gòu)件的 生產(chǎn)都離不開(kāi)鑄造。生產(chǎn)都離不開(kāi)鑄造。 工業(yè)鑄造 5 5 鑄造工藝、鑄件的微觀組織、結(jié)構(gòu)和性能都會(huì)對(duì)后續(xù)鑄造工藝、鑄件的微觀組織

3、、結(jié)構(gòu)和性能都會(huì)對(duì)后續(xù) 加工的進(jìn)行和最終產(chǎn)品的質(zhì)量產(chǎn)生重要的甚至是決定性的影加工的進(jìn)行和最終產(chǎn)品的質(zhì)量產(chǎn)生重要的甚至是決定性的影 響。響。 常規(guī)鑄造中鑄件的凝固時(shí)間一般很長(zhǎng)，凝固過(guò)冷度很常規(guī)鑄造中鑄件的凝固時(shí)間一般很長(zhǎng)，凝固過(guò)冷度很 小。小。 常規(guī)鑄錠 6 6 合金凝固時(shí)的晶粒尺寸等微觀組織與凝固冷速或過(guò)冷合金凝固時(shí)的晶粒尺寸等微觀組織與凝固冷速或過(guò)冷 度直接相關(guān)，用常規(guī)鑄造工藝生產(chǎn)的鑄件不可避免產(chǎn)生一度直接相關(guān)，用常規(guī)鑄造工藝生產(chǎn)的鑄件不可避免產(chǎn)生一 系列系列鑄造缺陷鑄造缺陷： 容易形成粗大的樹(shù)枝晶，并產(chǎn)生嚴(yán)重的晶內(nèi)偏析與晶容易形成粗大的樹(shù)枝晶，并產(chǎn)生嚴(yán)重的晶內(nèi)偏析與晶 界偏析；界偏析； 在

4、較大的鑄錠與鑄件中，熔體先從相對(duì)溫度較低、傳在較大的鑄錠與鑄件中，熔體先從相對(duì)溫度較低、傳 熱較快、與模壁接觸的外層開(kāi)始凝固并相應(yīng)出現(xiàn)溶質(zhì)分配熱較快、與模壁接觸的外層開(kāi)始凝固并相應(yīng)出現(xiàn)溶質(zhì)分配 ，最后凝固的心部富含溶質(zhì)元素與低熔點(diǎn)雜質(zhì)元素，從而，最后凝固的心部富含溶質(zhì)元素與低熔點(diǎn)雜質(zhì)元素，從而 在較大尺度上出現(xiàn)宏觀偏析。在較大尺度上出現(xiàn)宏觀偏析。 7 7 采用常規(guī)鑄造工藝還容易出現(xiàn)縮孔、疏松、氣泡、熱應(yīng)力等采用常規(guī)鑄造工藝還容易出現(xiàn)縮孔、疏松、氣泡、熱應(yīng)力等 鑄造缺陷，它們也會(huì)對(duì)鑄錠或鑄件的性能產(chǎn)生有害影響；鑄造缺陷，它們也會(huì)對(duì)鑄錠或鑄件的性能產(chǎn)生有害影響； 合金元素含量高時(shí)（特別是比重小、粘

5、度高、擴(kuò)散能力差的合金元素含量高時(shí)（特別是比重小、粘度高、擴(kuò)散能力差的 合金元素）會(huì)降低熔體的流動(dòng)性、充型能力和導(dǎo)熱性，上述合金元素）會(huì)降低熔體的流動(dòng)性、充型能力和導(dǎo)熱性，上述 問(wèn)題更嚴(yán)重。問(wèn)題更嚴(yán)重。 常規(guī)鑄造中的缺陷：縮孔和縮松 8 8 這些問(wèn)題不僅使現(xiàn)有牌號(hào)合金的鑄造質(zhì)量和性能很難這些問(wèn)題不僅使現(xiàn)有牌號(hào)合金的鑄造質(zhì)量和性能很難 得到保證，還限制了新型合金材料的研制。得到保證，還限制了新型合金材料的研制。 鎳基鑄造高溫合金鎳基鑄造高溫合金：為進(jìn)一步提高合金的熱強(qiáng)度：為進(jìn)一步提高合金的熱強(qiáng)度 與工作溫度，必須增加合金中與工作溫度，必須增加合金中AlAl、TiTi含量以增加彌散強(qiáng)化相含量以增加

6、彌散強(qiáng)化相 (Ni3A1)(Ni3A1)的含量，并提高的含量，并提高的固溶溫度，但常規(guī)鑄造工藝下的固溶溫度，但常規(guī)鑄造工藝下 這將產(chǎn)生一些無(wú)法解決的問(wèn)題。這將產(chǎn)生一些無(wú)法解決的問(wèn)題。 高溫鎳基合金 9 9 Fe-Si軟磁合金軟磁合金：含：含SiSi較高的較高的Fe-6.5wtFe-6.5wtSiSi合金的軟磁性能合金的軟磁性能 比含比含SiSi少的合金好，但采用常規(guī)鑄造工藝無(wú)法將少的合金好，但采用常規(guī)鑄造工藝無(wú)法將Fe-6.5wtFe-6.5wtSiSi 合金熱軋成合金熱軋成0.3mm0.3mm厚的芯片，只能采用鑄造和加工性能較好的厚的芯片，只能采用鑄造和加工性能較好的 Fe-3wtFe-3w

7、tSiSi合金制作變壓器芯片，使變壓器性能受到很大影響合金制作變壓器芯片，使變壓器性能受到很大影響 。 鐵硅軟磁合金 10 10 只有突破傳統(tǒng)工藝的限制，采用新的技術(shù)才有可能只有突破傳統(tǒng)工藝的限制，采用新的技術(shù)才有可能 研制出少含甚至不含這些戰(zhàn)略元素的新型合金。研制出少含甚至不含這些戰(zhàn)略元素的新型合金。 在研制新型合金材料的過(guò)程中，人們不僅從單純的在研制新型合金材料的過(guò)程中，人們不僅從單純的 調(diào)整改變合金成分著手，也把研究生產(chǎn)合金的新技術(shù)提調(diào)整改變合金成分著手，也把研究生產(chǎn)合金的新技術(shù)提 上了議事日程。上了議事日程。 快速凝固技術(shù)快速凝固技術(shù)正是在這樣的背景下出現(xiàn)并很快得正是在這樣的背景下出現(xiàn)

8、并很快得 到了迅速的發(fā)展。到了迅速的發(fā)展。 11 11 常規(guī)鑄造合金出現(xiàn)晶粒粗大、偏析嚴(yán)重、鑄造性能不好等常規(guī)鑄造合金出現(xiàn)晶粒粗大、偏析嚴(yán)重、鑄造性能不好等 嚴(yán)重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。嚴(yán)重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。 要消除鑄造合金存在的這些缺陷，核心是要提高形核凝固要消除鑄造合金存在的這些缺陷，核心是要提高形核凝固 時(shí)的過(guò)冷度，從而提高凝固速度：時(shí)的過(guò)冷度，從而提高凝固速度： 提高凝固傳熱速度提高凝固傳熱速度急冷凝固技術(shù)或熔體淬火技術(shù)急冷凝固技術(shù)或熔體淬火技術(shù)； 提供近似均勻形核的條件提供近似均勻形核的條件大過(guò)冷技術(shù)。大過(guò)冷技術(shù)。 12 定義

9、定義1 1：從液態(tài)到固態(tài)的冷卻速度大于某一臨界冷卻速率的：從液態(tài)到固態(tài)的冷卻速度大于某一臨界冷卻速率的 凝固過(guò)程（凝固過(guò)程（10105 5/s/s）。）。 定義定義2 2：由液相到固相的相變過(guò)程進(jìn)行得非?？欤瑥亩@得：由液相到固相的相變過(guò)程進(jìn)行得非?？?，從而獲得 普通鑄件和鑄錠無(wú)法獲得的成分、相結(jié)構(gòu)和顯微結(jié)構(gòu)的凝固過(guò)普通鑄件和鑄錠無(wú)法獲得的成分、相結(jié)構(gòu)和顯微結(jié)構(gòu)的凝固過(guò) 程。程。 定義定義3 3：快速凝固是指采用急冷技術(shù)或深過(guò)冷技術(shù)獲得很高：快速凝固是指采用急冷技術(shù)或深過(guò)冷技術(shù)獲得很高 的凝固前沿推進(jìn)速率的凝固過(guò)程。的凝固前沿推進(jìn)速率的凝固過(guò)程。 快速凝固的定義 13 13 （1）細(xì)化凝固組織

10、，使晶粒細(xì)化。）細(xì)化凝固組織，使晶粒細(xì)化。 快速凝固合金的微觀組織一般隨著離冷卻介質(zhì)距離快速凝固合金的微觀組織一般隨著離冷卻介質(zhì)距離 的增加，依次為等軸晶、柱狀晶與樹(shù)枝晶。的增加，依次為等軸晶、柱狀晶與樹(shù)枝晶。 快速凝固材料的主要微觀組織 不同冷卻方式制備NdFeB鑄錠的幾何形貌 （a）傳統(tǒng)冷卻方式（b）單向強(qiáng)制水冷方式（c）雙向強(qiáng)制水冷方式 (a) (b) (c) 14 14 (c) (b) (a) 不同冷卻方式制備NdFeB鑄錠的顯微組織形貌 （a）傳統(tǒng)冷卻方式（b）單向強(qiáng)制水冷方式（c）雙向強(qiáng)制水冷方式 15 15 快速凝固合金的晶粒尺寸很小，而且十分均勻，一般平快速凝固合金的晶粒尺寸很

11、小，而且十分均勻，一般平 均晶粒尺寸為均晶粒尺寸為mm左右，左右， 快速凝固時(shí)過(guò)冷度較大，大大提高形核率；快速凝固時(shí)過(guò)冷度較大，大大提高形核率； 極短的凝固時(shí)間又使晶粒不可能充分長(zhǎng)大；極短的凝固時(shí)間又使晶粒不可能充分長(zhǎng)大； 用熔淬法制取的快速凝固樣品中，晶粒直徑可小至納米量級(jí)用熔淬法制取的快速凝固樣品中，晶粒直徑可小至納米量級(jí) 快速凝固晶態(tài)合金的晶粒尺寸明顯減小的同時(shí)，快速凝固晶態(tài)合金的晶粒尺寸明顯減小的同時(shí)，相、有相、有 序疇序疇等其它微觀組織尺寸與常規(guī)鑄態(tài)合金相比也有較大幅度等其它微觀組織尺寸與常規(guī)鑄態(tài)合金相比也有較大幅度 的減小。的減小。 16 16 （2）快速凝固可使合金成分均勻化，偏

12、析減小。）快速凝固可使合金成分均勻化，偏析減小。 凝固時(shí)間極短，凝固時(shí)溶質(zhì)分配很少，成分偏析也相應(yīng)顯凝固時(shí)間極短，凝固時(shí)溶質(zhì)分配很少，成分偏析也相應(yīng)顯 著減小，合金的成分不均勻程度或偏析程度大大減小。著減小，合金的成分不均勻程度或偏析程度大大減小。 快速凝固材料的主要微觀組織 17 17 通常用樹(shù)枝晶偏析的二次枝晶臂間距通常用樹(shù)枝晶偏析的二次枝晶臂間距作為成分偏析范圍標(biāo)作為成分偏析范圍標(biāo) 志，快速凝固合金由于晶粒細(xì)化，偏析范圍從鑄態(tài)合金志，快速凝固合金由于晶粒細(xì)化，偏析范圍從鑄態(tài)合金 的幾毫米到幾十微米減小到的幾毫米到幾十微米減小到0.10-0.25m0.10-0.25m。 冷速（冷速（K/s

13、）凝固工藝凝固工藝產(chǎn)品厚度產(chǎn)品厚度 10-6-10-3大砂模鑄件或鑄錠大砂模鑄件或鑄錠6m0.5-5mm 10-3-10標(biāo)準(zhǔn)鑄件或鑄錠標(biāo)準(zhǔn)鑄件或鑄錠0.2-6m50-500m 10-103常規(guī)模鑄或霧化常規(guī)模鑄或霧化6-20mm5-50m 103-106快速凝固霧化快速凝固霧化0.2-6mm0.5-5m 106-109熔淬熔淬6-200m0.05-0.5m 常規(guī)鑄態(tài)合金和快速凝固合金的冷速和平均枝晶臂間距常規(guī)鑄態(tài)合金和快速凝固合金的冷速和平均枝晶臂間距 18 18 （3）快速凝固使合金缺陷密度增加）快速凝固使合金缺陷密度增加 與鑄態(tài)合金相比，快速凝固合金中的與鑄態(tài)合金相比，快速凝固合金中的空位

14、、位錯(cuò)空位、位錯(cuò)等缺陷密等缺陷密 度有較大增加。度有較大增加。 液態(tài)合金中空位形成能比固態(tài)合金的空位形成能小得多，液態(tài)合金中空位形成能比固態(tài)合金的空位形成能小得多， 其空位濃度比固態(tài)合金高得多，快速凝固時(shí)大部分空位來(lái)不及其空位濃度比固態(tài)合金高得多，快速凝固時(shí)大部分空位來(lái)不及 析出而留在固態(tài)合金中；析出而留在固態(tài)合金中； 由于凝固速度很高，晶體長(zhǎng)大中也容易形成空位，因而快由于凝固速度很高，晶體長(zhǎng)大中也容易形成空位，因而快 速凝固合金一般有很高的空位濃度。速凝固合金一般有很高的空位濃度。 快速凝固材料的主要微觀組織 19 19 合金在快速凝固過(guò)程中受到較大的熱應(yīng)力，空位聚合金在快速凝固過(guò)程中受到較

15、大的熱應(yīng)力，空位聚 集形成位錯(cuò)環(huán)，這些因素都使快速凝固合金中的位錯(cuò)密集形成位錯(cuò)環(huán)，這些因素都使快速凝固合金中的位錯(cuò)密 度比一般鑄態(tài)合金增加很多。度比一般鑄態(tài)合金增加很多。 此外，快速凝固合金的層錯(cuò)密度也很高。此外，快速凝固合金的層錯(cuò)密度也很高。 這些特點(diǎn)對(duì)合金的溶質(zhì)擴(kuò)散，相變以及性能都會(huì)產(chǎn)這些特點(diǎn)對(duì)合金的溶質(zhì)擴(kuò)散，相變以及性能都會(huì)產(chǎn) 生重要影響。生重要影響。 20 20 （4 4）快速凝固使合金中形成新的亞穩(wěn)相。）快速凝固使合金中形成新的亞穩(wěn)相。 亞穩(wěn)相是指在一定的溫度、壓力、成分等狀態(tài)條件下吉布斯亞穩(wěn)相是指在一定的溫度、壓力、成分等狀態(tài)條件下吉布斯 自由能比穩(wěn)定相或平衡相高的相，但亞穩(wěn)相不會(huì)

16、在任意小的能量自由能比穩(wěn)定相或平衡相高的相，但亞穩(wěn)相不會(huì)在任意小的能量 起伏作用下自發(fā)轉(zhuǎn)變成穩(wěn)定相或其它亞穩(wěn)相，而是必須在外界環(huán)起伏作用下自發(fā)轉(zhuǎn)變成穩(wěn)定相或其它亞穩(wěn)相，而是必須在外界環(huán) 境作用下經(jīng)過(guò)熱激活越過(guò)勢(shì)壘才能轉(zhuǎn)變成穩(wěn)定相或其它亞穩(wěn)相。境作用下經(jīng)過(guò)熱激活越過(guò)勢(shì)壘才能轉(zhuǎn)變成穩(wěn)定相或其它亞穩(wěn)相。 亞穩(wěn)相的特點(diǎn)在于它既偏離穩(wěn)定相又偏離不穩(wěn)定相亞穩(wěn)相的特點(diǎn)在于它既偏離穩(wěn)定相又偏離不穩(wěn)定相 并能在一定的條件下較長(zhǎng)時(shí)間保持不變并能在一定的條件下較長(zhǎng)時(shí)間保持不變。 快速凝固材料的主要微觀組織 21 21 利用從穩(wěn)定相利用從穩(wěn)定相亞穩(wěn)相亞穩(wěn)相穩(wěn)定相穩(wěn)定相的相變過(guò)程，在不的相變過(guò)程，在不 用改變合金成分的

17、條件下可以使穩(wěn)定相用改變合金成分的條件下可以使穩(wěn)定相I I的微觀組織形態(tài)得到的微觀組織形態(tài)得到 很大改善，提高合金的性能，這比設(shè)計(jì)、研制一種新成分的很大改善，提高合金的性能，這比設(shè)計(jì)、研制一種新成分的 合金容易得多。合金容易得多。 金屬材料中的許多亞穩(wěn)相都具有穩(wěn)定相所沒(méi)有的優(yōu)良微金屬材料中的許多亞穩(wěn)相都具有穩(wěn)定相所沒(méi)有的優(yōu)良微 觀組織結(jié)構(gòu)和性能，觀組織結(jié)構(gòu)和性能，只要在使用狀態(tài)下不存在使亞穩(wěn)相只要在使用狀態(tài)下不存在使亞穩(wěn)相 穩(wěn)定化轉(zhuǎn)變的熱激活條件，就可以長(zhǎng)期使用主要由亞穩(wěn)定化轉(zhuǎn)變的熱激活條件，就可以長(zhǎng)期使用主要由亞 穩(wěn)相組成的材料穩(wěn)相組成的材料。 22 （1 1）力學(xué)性能。）力學(xué)性能。 由于快

18、速凝固組織具有良好的晶界強(qiáng)化和韌化作用，由于快速凝固組織具有良好的晶界強(qiáng)化和韌化作用， 而且成分均勻、偏析減小、固溶度增大以及亞穩(wěn)相產(chǎn)生，因而且成分均勻、偏析減小、固溶度增大以及亞穩(wěn)相產(chǎn)生，因 而改善了合金的強(qiáng)度、韌性和延性。而改善了合金的強(qiáng)度、韌性和延性。 （2 2）物理性能。）物理性能。 快速凝固組織的微觀組織結(jié)構(gòu)特點(diǎn)，使它們具有一些快速凝固組織的微觀組織結(jié)構(gòu)特點(diǎn)，使它們具有一些 常規(guī)鑄態(tài)組織所沒(méi)有的特殊物理性能。常規(guī)鑄態(tài)組織所沒(méi)有的特殊物理性能。 快速凝固的性能特點(diǎn) 23 快速凝固的條件快速凝固的條件 實(shí)現(xiàn)液態(tài)金屬快速凝固的最重要條件，是要求液實(shí)現(xiàn)液態(tài)金屬快速凝固的最重要條件，是要求液/

19、 /固固 相變時(shí)有極高的相變時(shí)有極高的熱導(dǎo)出速度熱導(dǎo)出速度。 依靠輻射散熱，對(duì)于直徑為依靠輻射散熱，對(duì)于直徑為1m1m，溫度為，溫度為10001000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103K/s103K/s，可見(jiàn)冷卻，可見(jiàn)冷卻 速度不高；速度不高； 通過(guò)對(duì)流傳熱，將導(dǎo)熱良好的氫或氦以高速流過(guò)厚通過(guò)對(duì)流傳熱，將導(dǎo)熱良好的氫或氦以高速流過(guò)厚 度為度為5m5m的試樣，獲得的極限冷速為的試樣，獲得的極限冷速為1 1101042 42 10104 4 K/s K/s； 要獲得高于要獲得高于10106 6 K/s K/s的冷速，只能借助于熱傳導(dǎo)。的冷速，只能借助于熱傳

20、導(dǎo)。 24 用熱傳導(dǎo)方法獲得高的凝固速率的條件是：用熱傳導(dǎo)方法獲得高的凝固速率的條件是： 液體金屬與鑄型表面必須液體金屬與鑄型表面必須良好接觸良好接觸； 液體層必須很液體層必須很薄??； 液體與鑄型表面從開(kāi)始接觸至凝固完了時(shí)間要盡可液體與鑄型表面從開(kāi)始接觸至凝固完了時(shí)間要盡可 能能短短。 25 1.2 1.2 快速凝固的物理冶金基礎(chǔ)快速凝固的物理冶金基礎(chǔ) （a）定向凝固 (b)體積凝固 圖1-1 兩種典型的凝固方式 q1-自液相導(dǎo)人凝固界面的熱流密度；q2-自凝固界面導(dǎo)人固相的熱流密； Q-鑄件向鑄型散熱熱量 26 （一）定向凝固過(guò)程的傳熱定向凝固過(guò)程的傳熱 213 qqq 熱流密度熱流密度q1

21、q1和和q2q2與結(jié)晶潛熱釋放率之間滿足熱平衡方程與結(jié)晶潛熱釋放率之間滿足熱平衡方程: : （1-1） 27 根據(jù)傅里葉導(dǎo)熱定律知根據(jù)傅里葉導(dǎo)熱定律知 1LTL qG （1-2） 2STS qG （1-3） 3ss qhv （1-4） 式中式中, ,L L, ,S S分別為液相和固相的導(dǎo)熱率分別為液相和固相的導(dǎo)熱率G GTL TL,G ,GTS TS分別為 分別為 凝固界面附近液和固相中的溫度梯度；凝固界面附近液和固相中的溫度梯度；h h為結(jié)晶潛熱，為結(jié)晶潛熱， 也稱為凝固潛熱；也稱為凝固潛熱；V VS S為凝固速度；為凝固速度；S S為固為固相密度相密度。 28 將式（將式（1-21-2）至

22、式（）至式（1-41-4）帶入式（）帶入式（1-11-1）則可求得凝固速）則可求得凝固速 度為：度為： STSLTL S S GG v h （1-5） （1-5） 29 （二）體積凝固過(guò)程的傳熱體積凝固過(guò)程的傳熱 假定液相在凝固過(guò)程中內(nèi)部熱阻可忽略不計(jì)，溫度始終是均假定液相在凝固過(guò)程中內(nèi)部熱阻可忽略不計(jì)，溫度始終是均 勻的，凝固過(guò)程釋放的熱量通過(guò)鑄型均勻散出，其熱平衡條勻的，凝固過(guò)程釋放的熱量通過(guò)鑄型均勻散出，其熱平衡條 件可表示為件可表示為 123 QQQ (1-6) 式中式中,Q,Q1 1為鑄型吸收的熱量為鑄型吸收的熱量;Q;Q2 2為鑄件降溫釋放的物理熱為鑄件降溫釋放的物理熱;Q;Q3

23、3 為凝固過(guò)程放出的結(jié)晶潛熱；為凝固過(guò)程放出的結(jié)晶潛熱； 30 Q Q1 1，Q Q2 2，Q Q3 3可如下求出可如下求出 式中，式中，A A為鑄型與鑄件的界面面積；為鑄型與鑄件的界面面積； q q為界面熱流密度；為界面熱流密度；V VC C為冷為冷 卻速度卻速度 ， 為負(fù)值；為負(fù)值；V VSV SV為體積凝固速度， 為體積凝固速度， ； V V為鑄件體積；為鑄件體積； h h為結(jié)晶潛熱；為結(jié)晶潛熱； S S、 L L、 分別為固相密度、液分別為固相密度、液 相密度及平均密度；相密度及平均密度；C CS S、C CL L分別為固相、液相的質(zhì)量熱容；分別為固相、液相的質(zhì)量熱容； 分別為固相體積

24、分?jǐn)?shù)和液相體積分?jǐn)?shù)。分別為固相體積分?jǐn)?shù)和液相體積分?jǐn)?shù)。 1 QqA (1-7) 2 () CSSSLL L QvVCC 3SV Qv Vh (1-8) (1-9) / C vdT d / SVS vdd SL 、 31 近似取近似取 , , ,并并 且已知且已知 則由式（則由式（1-61-6）至式）至式 （1-91-9）可得出）可得出: : SL SL CCC 1 SL + () SVC qvhcvM (1-10) /MVA式中，式中， 為鑄件模數(shù)。為鑄件模數(shù)。 32 1 1、急冷法（熔體急冷技術(shù)）、急冷法（熔體急冷技術(shù)） 凝固速率凝固速率是由凝固是由凝固潛熱潛熱及物理熱的及物理熱的導(dǎo)出導(dǎo)出速

25、率控制的。速率控制的。 通過(guò)提高鑄型的通過(guò)提高鑄型的導(dǎo)熱能力導(dǎo)熱能力，增大熱流的導(dǎo)出速率增大熱流的導(dǎo)出速率可使凝可使凝 固界面快速推進(jìn)，實(shí)現(xiàn)快速凝固。固界面快速推進(jìn)，實(shí)現(xiàn)快速凝固。 在忽略液相過(guò)熱的條件下，單向凝固速率在忽略液相過(guò)熱的條件下，單向凝固速率R取決于固相取決于固相 中的溫度梯度中的溫度梯度GS 。 1.3 1.3 實(shí)現(xiàn)快速凝固的途徑實(shí)現(xiàn)快速凝固的途徑 33 （1-11） 式中式中 S 固相熱導(dǎo)率；固相熱導(dǎo)率； h 凝固潛熱；凝固潛熱； s 固相密度；固相密度； GS 溫度梯度，由凝固層的厚度溫度梯度，由凝固層的厚度和鑄件和鑄件/鑄型的界面鑄型的界面 溫度溫度Ti決定的。決定的。 h

26、 G R S SS 單向凝固速率與導(dǎo)熱條件的關(guān)系單向凝固速率與導(dǎo)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 34 對(duì)凝固層內(nèi)的溫度分布作線性近似，則得出對(duì)凝固層內(nèi)的溫度分布作線性近似，則得出 提高凝固速率：提高凝固速率： 選用選用熱導(dǎo)率熱導(dǎo)率S大的鑄型材料（如純銅）；大的鑄型材料（如純銅）； 對(duì)鑄型強(qiáng)制冷卻以降低鑄型對(duì)鑄型強(qiáng)制冷卻以降低鑄型/鑄件界面溫度鑄件界面溫度Ti凝固層；凝固層； 內(nèi)部熱阻（內(nèi)部熱阻（/S）隨凝固層厚度）隨凝固層厚度的增大而迅速提高，導(dǎo)的增大而迅速提高，導(dǎo) 致凝固速率下降。致凝固速率下降。 因此，快速凝固只能

27、在因此，快速凝固只能在小尺寸試件小尺寸試件中實(shí)現(xiàn)。中實(shí)現(xiàn)。 iK s S TT h R 35 1 1 2 2 3 3 4 4 5 5 6 6 7 7 8 8 9 9 1010 圖圖1-2急冷模法示意圖急冷模法示意圖 1-真空出口；真空出口；2-絕熱冷卻劑容器；絕熱冷卻劑容器；3-冷卻池；冷卻池；4-銅模；銅模； 5-模穴；模穴；6-墊圈；墊圈；7-基板；基板；8-壓緊螺帽；壓緊螺帽；9-射入管；射入管；10-鋁箔鋁箔 36 急冷凝固技術(shù)的基本原理急冷凝固技術(shù)的基本原理 或改變?nèi)垠w形狀，或分散熔體，避免大量熔化潛熱集中釋放，并改善熔體與冷卻或改變?nèi)垠w形狀，或分散熔體，避免大量熔化潛熱集中釋放，并

28、改善熔體與冷卻 介質(zhì)的熱接觸狀況，實(shí)現(xiàn)快速熱交換，并散熱，達(dá)到介質(zhì)的熱接觸狀況，實(shí)現(xiàn)快速熱交換，并散熱，達(dá)到快冷和快凝的目的快冷和快凝的目的 。 急冷凝固技術(shù)的設(shè)備組成急冷凝固技術(shù)的設(shè)備組成 熔化合金熔化合金傳出熔體熱量傳出熔體熱量 熔化裝置熔化裝置冷卻裝置冷卻裝置分離裝置分離裝置 在時(shí)間或空間上在時(shí)間或空間上 “分割分割”熔體熔體 冶煉爐冶煉爐鑄模鑄模 急冷急冷 凝固凝固 常規(guī)常規(guī) 鑄造鑄造 B是急冷設(shè)備的核心，對(duì)冷速起關(guān)鍵作用是急冷設(shè)備的核心，對(duì)冷速起關(guān)鍵作用 在時(shí)間上有時(shí)也在時(shí)間上有時(shí)也“分割分割”熔體，但熔體，但 “分割分割”不強(qiáng)烈，熔化潛熱多集中釋不強(qiáng)烈，熔化潛熱多集中釋 放放 在不

29、同的急冷方法中，在不同的急冷方法中，B可與可與A和和C組合（離心霧化法、熔體旋轉(zhuǎn)法），也可僅與組合（離心霧化法、熔體旋轉(zhuǎn)法），也可僅與C組合（熔體提取法）組合（熔體提取法） A B C 37 急冷凝固技術(shù)中獲得高冷速的基本原則 設(shè)法減少同一時(shí)刻凝固的熔體體積設(shè)法減少同一時(shí)刻凝固的熔體體積 設(shè)法增大熔體散熱表面積與體積之比設(shè)法增大熔體散熱表面積與體積之比 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 盡可能主要以傳導(dǎo)方式散熱盡可能主要以傳導(dǎo)方式散熱 38 2 2、深過(guò)冷法、深過(guò)冷法 指通過(guò)各種有效的凈化手段避免或消除金屬或合金液中的異指通過(guò)各種有效

30、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，使得液態(tài)金屬或合金質(zhì)晶核的形核作用，增加臨界形核功，使得液態(tài)金屬或合金 液獲得在常規(guī)凝固條件下難以達(dá)到的過(guò)冷度。液獲得在常規(guī)凝固條件下難以達(dá)到的過(guò)冷度。 上述快速凝固是通過(guò)提高熱傳導(dǎo)速率實(shí)現(xiàn)的，由于試樣內(nèi)部上述快速凝固是通過(guò)提高熱傳導(dǎo)速率實(shí)現(xiàn)的，由于試樣內(nèi)部 熱阻的限制，只能在薄膜及熱阻的限制，只能在薄膜及小尺寸小尺寸顆粒中實(shí)現(xiàn)。顆粒中實(shí)現(xiàn)。 39 大尺寸試件快速凝固大尺寸試件快速凝固? ? 唯一途徑唯一途徑-降低凝固過(guò)程中的潛熱導(dǎo)出量降低凝固過(guò)程中的潛熱導(dǎo)出量 通過(guò)通過(guò)抑制抑制凝固過(guò)程的凝固過(guò)程的形核形核，使合金液獲得

31、很大的過(guò)，使合金液獲得很大的過(guò) 冷度，使凝固過(guò)程釋放的潛熱冷度，使凝固過(guò)程釋放的潛熱hh被過(guò)冷熔體吸收，可被過(guò)冷熔體吸收，可 以獲得很大的凝固速率。以獲得很大的凝固速率。 過(guò)冷度為過(guò)冷度為T(mén)TS S的熔體凝固時(shí)需要導(dǎo)出的實(shí)際潛熱的熔體凝固時(shí)需要導(dǎo)出的實(shí)際潛熱hh 可表示為可表示為 ： S Tchh 40 在式中用在式中用h取代取代h可知，可知，凝固速率隨過(guò)冷度凝固速率隨過(guò)冷度TS的增大的增大 而增大而增大。 當(dāng)當(dāng)h=0，即，即 時(shí)，時(shí)，凝固潛熱完全被過(guò)冷熔體所吸收凝固潛熱完全被過(guò)冷熔體所吸收，試件可在無(wú)熱流導(dǎo)，試件可在無(wú)熱流導(dǎo) 出的條件下完成凝固過(guò)程。出的條件下完成凝固過(guò)程。 由上式所定義的過(guò)

32、冷度由上式所定義的過(guò)冷度TS稱為稱為單位過(guò)冷度單位過(guò)冷度。 經(jīng)過(guò)經(jīng)過(guò)特殊凈化處理特殊凈化處理的大體積液態(tài)金屬的快速凝固等都是深的大體積液態(tài)金屬的快速凝固等都是深 過(guò)冷快速凝固技術(shù)的范例。過(guò)冷快速凝固技術(shù)的范例。 c h TT SS * 41 3 3、定向凝固法、定向凝固法 l定向凝固定向凝固是使熔融合金沿著與熱流方向相反的方向按要是使熔融合金沿著與熱流方向相反的方向按要 求的結(jié)晶取向凝固的一種鑄造工藝。求的結(jié)晶取向凝固的一種鑄造工藝。 l定向凝固的必備條件：定向凝固的必備條件： 1）熱流向單一方向流動(dòng)并垂直于生長(zhǎng)中的固）熱流向單一方向流動(dòng)并垂直于生長(zhǎng)中的固-液界面液界面 2）晶體生長(zhǎng)前方的溶液

33、中沒(méi)有穩(wěn)定的結(jié)晶核心）晶體生長(zhǎng)前方的溶液中沒(méi)有穩(wěn)定的結(jié)晶核心 l措施：措施： 1）避免側(cè)向散熱；）避免側(cè)向散熱； 2）靠近固液界面的溶液中有較大的溫度梯度。）靠近固液界面的溶液中有較大的溫度梯度。 42 1.4 1.4 快速凝固制備工藝快速凝固制備工藝 1.4.1 1.4.1 霧化技術(shù)霧化技術(shù) （一）流體霧化（一）流體霧化 （二）離心霧化技術(shù)（二）離心霧化技術(shù) （三）機(jī)械霧化技術(shù)（三）機(jī)械霧化技術(shù) （四）其它霧化技術(shù)（四）其它霧化技術(shù) 43 基本原理：基本原理：將連續(xù)的金屬熔體在離心力、機(jī)械力或高速流體將連續(xù)的金屬熔體在離心力、機(jī)械力或高速流體 ( (氣體或液體氣體或液體) )沖擊力等外力作用

34、下分散破碎成尺寸極細(xì)小的沖擊力等外力作用下分散破碎成尺寸極細(xì)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，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。凝固后成呈粉末。 霧化法不是一個(gè)很新穎的技術(shù)，但卻是工業(yè)生產(chǎn)中最常見(jiàn)的霧化法不是一個(gè)很新穎的技術(shù)，但卻是工業(yè)生產(chǎn)中最常見(jiàn)的 快凝方法快凝方法 。 霧化技術(shù) 44 氣體霧化法、水霧化法、超聲氣體霧化法、緊偶合氣體霧化法、氣體霧化法、水霧化法、超聲氣體霧化法、緊偶合氣體霧化法、 高速旋轉(zhuǎn)筒霧化法、滾筒霧化法、穿孔旋轉(zhuǎn)杯法、旋轉(zhuǎn)離心霧高速旋轉(zhuǎn)筒霧化法、滾筒霧化法、穿孔旋轉(zhuǎn)杯法、旋轉(zhuǎn)離心霧 化法、快速凝固霧化法、真空

35、霧化法、旋轉(zhuǎn)電極霧化法、雙軋化法、快速凝固霧化法、真空霧化法、旋轉(zhuǎn)電極霧化法、雙軋 輥霧化法、電輥霧化法、電流體力學(xué)霧化法、火花電蝕霧化法流體力學(xué)霧化法、火花電蝕霧化法 主要工藝方法：主要工藝方法：（根據(jù)熔煉方法、分離方式、冷卻介質(zhì)和冷卻（根據(jù)熔煉方法、分離方式、冷卻介質(zhì)和冷卻 形式不盡相同）形式不盡相同） 產(chǎn)品形式：產(chǎn)品形式：粉末、碎片、箔片粉末、碎片、箔片 45 1、氣體霧化法、氣體霧化法 過(guò)程：兩束或多束氣體射流介質(zhì)傳遞過(guò)程：兩束或多束氣體射流介質(zhì)傳遞 動(dòng)能，將金屬液流破碎，細(xì)小的液滴在動(dòng)能，將金屬液流破碎，細(xì)小的液滴在 飛行中通過(guò)對(duì)流或輻射散熱凝固成粉飛行中通過(guò)對(duì)流或輻射散熱凝固成粉

36、（一）流體霧化（一）流體霧化 工藝參數(shù)：射流距離、射流壓力、噴工藝參數(shù)：射流距離、射流壓力、噴 嘴結(jié)構(gòu)、氣體和金屬流速和質(zhì)量流率、嘴結(jié)構(gòu)、氣體和金屬流速和質(zhì)量流率、 金屬過(guò)熱度、氣液交匯角、金屬表面張金屬過(guò)熱度、氣液交匯角、金屬表面張 力和金屬融化溫度范圍力和金屬融化溫度范圍 應(yīng)用：高合金鋼、鋁合金、超合金、應(yīng)用：高合金鋼、鋁合金、超合金、 鈦合金等（活潑金屬粉末采用惰性氣體鈦合金等（活潑金屬粉末采用惰性氣體 霧化）霧化） 粉末多成球形。凝固冷速取決于顆粒粉末多成球形。凝固冷速取決于顆粒 尺寸和霧化介質(zhì)的類型，通常，尺寸愈尺寸和霧化介質(zhì)的類型，通常，尺寸愈 小，氣體愈輕，冷速愈高小，氣體愈輕，

37、冷速愈高 46 2、水霧化法（、水霧化法（Water Atomization） 以水射流代替氣體射流外，以水射流代替氣體射流外， 其余與氣體霧化相似其余與氣體霧化相似 顆粒多呈不規(guī)則形，但冷速顆粒多呈不規(guī)則形，但冷速 可達(dá)可達(dá)10102 2-10-104 4K/sK/s 已被大規(guī)模應(yīng)用于工具鋼、已被大規(guī)模應(yīng)用于工具鋼、 低合金鋼、銅、錫、鐵粉等等低合金鋼、銅、錫、鐵粉等等 （水霧化鋼和超合金（水霧化鋼和超合金, ,活潑元活潑元 素易氧化，素易氧化，O%1000ppmO%1000ppm，而，而 氣體霧化，氣體霧化，O%100ppmO%100ppm）有時(shí)，）有時(shí)， 也可以油代水，以降也可以油代水，

38、以降O%O% 47 3、超聲氣體霧化法（、超聲氣體霧化法（Ultra-sonic Gas Atomization） 是氣體霧化法之一，方法類似于普通是氣體霧化法之一，方法類似于普通 氣體霧化，只不過(guò)是霧化氣體射流速度氣體霧化，只不過(guò)是霧化氣體射流速度 高，最高達(dá)高，最高達(dá)2.52.5馬赫，而且聲波頻率高，馬赫，而且聲波頻率高， 達(dá)達(dá)80100kHz80100kHz；( (常規(guī)氣體霧化射流以連常規(guī)氣體霧化射流以連 續(xù)方式流動(dòng)，而超聲霧化射流則以續(xù)方式流動(dòng)，而超聲霧化射流則以80-80- 100Hz100Hz的頻率振動(dòng)。的頻率振動(dòng)。) ) 高速高頻氣流由裝配在霧化噴嘴上的高速高頻氣流由裝配在霧化噴

39、嘴上的 激波管產(chǎn)生激波管產(chǎn)生 可有效破碎液流，粉末更細(xì)（平均約可有效破碎液流，粉末更細(xì)（平均約 20m20m），粒度均勻（尺寸分布窄），），粒度均勻（尺寸分布窄）， 平均冷速可達(dá)平均冷速可達(dá)105 K/s105 K/s 可以成功地用于生產(chǎn)鋁、超合金、可以成功地用于生產(chǎn)鋁、超合金、 Ti-AlTi-Al粉粉 48 （二）（二） 離心霧化技術(shù)離心霧化技術(shù) l液態(tài)金屬在高速旋轉(zhuǎn)的容器（盤(pán)、杯、坩堝、平板或凹板）的邊緣上破液態(tài)金屬在高速旋轉(zhuǎn)的容器（盤(pán)、杯、坩堝、平板或凹板）的邊緣上破 碎、霧化的技術(shù)。液態(tài)金屬?gòu)嫩釄寤驈娜刍哪负辖鸢舳藵沧⒌叫D(zhuǎn)器上，碎、霧化的技術(shù)。液態(tài)金屬?gòu)嫩釄寤驈娜刍哪负辖鸢舳藵?/p>

40、注到旋轉(zhuǎn)器上， 在離心力的作用下，熔融金屬被甩向容器邊緣霧化，噴射出金屬霧滴，霧在離心力的作用下，熔融金屬被甩向容器邊緣霧化，噴射出金屬霧滴，霧 滴在飛行過(guò)程中球化并凝固。整個(gè)過(guò)程（熔化、霧化、凝固）在惰性氣體滴在飛行過(guò)程中球化并凝固。整個(gè)過(guò)程（熔化、霧化、凝固）在惰性氣體 環(huán)境中完成環(huán)境中完成 49 1、快速凝固霧化法、快速凝固霧化法 l液流自坩堝底澆至高速旋轉(zhuǎn)的水冷液流自坩堝底澆至高速旋轉(zhuǎn)的水冷 水平盤(pán)，液態(tài)金屬被機(jī)械打碎、霧化，水平盤(pán)，液態(tài)金屬被機(jī)械打碎、霧化， 從旋轉(zhuǎn)盤(pán)邊緣甩出，液滴在飛行過(guò)程從旋轉(zhuǎn)盤(pán)邊緣甩出，液滴在飛行過(guò)程 中凝固中凝固 旋轉(zhuǎn)離心霧化的一種，又稱旋轉(zhuǎn)離心霧化的一種，又

41、稱 l可加氦氣流噴吹，加速冷卻，（水可加氦氣流噴吹，加速冷卻，（水 流等亦然），也防氧化。也有人已螺流等亦然），也防氧化。也有人已螺 旋槳代平盤(pán)旋槳代平盤(pán) l粉末多呈球形，尺寸約粉末多呈球形，尺寸約20-80m20-80m， 冷速冷速10104 4-10-106 6K/sK/s l已用于制備鎳、鋁、鈦和超合金粉已用于制備鎳、鋁、鈦和超合金粉 50 2、離心霧化法、離心霧化法 l靜止電極和帶電旋轉(zhuǎn)坩靜止電極和帶電旋轉(zhuǎn)坩 堝之間產(chǎn)生電弧，熔化金堝之間產(chǎn)生電弧，熔化金 屬屬 l在離心力作用下，熔融在離心力作用下，熔融 金屬被甩出坩堝邊緣霧化，金屬被甩出坩堝邊緣霧化， 并噴射出金屬液態(tài)顆粒并噴射出金屬

42、液態(tài)顆粒 51 3、激光自旋霧化、激光自旋霧化 l與與Pratt 2-中間包; 3-噴嘴; 4-單輥,直徑約2000mm; 5-厚度測(cè)量裝置 71 2）雙輥法）雙輥法 6 6 5 5 4 4 3 3 2 2 1 1 圖1-12 雙輥法快速凝固原理圖 l-帶材；2-合金液流；3-加熱器；4-坩堝；5-噴嘴；6-雙輥 72 （a）平行）平行 (b) 傾斜傾斜 (c) 凸面凸面 (d) 凹面凹面 圖圖1-13 兩輥的平行度對(duì)帶材質(zhì)量的影響兩輥的平行度對(duì)帶材質(zhì)量的影響 合合 金金 溶溶 液液 第第 一一 種種 情情 況況 第第 二二 種種 情情 況況 第第 三三 種種 情情 況況 固固 相相 a a

43、圖1-14 雙輥法制備帶材快速凝固模型 73 圖圖1-15 雙輥法制備復(fù)合薄帶雙輥法制備復(fù)合薄帶 1、2-冷卻輥；冷卻輥；3-基帶；基帶； 4-噴嘴；噴嘴；5-合金熔液合金熔液 74 3）溢流法）溢流法 圖圖1-16 溢流法快速凝固原理圖溢流法快速凝固原理圖 75 圖圖1-17 溢流法制備復(fù)合帶材溢流法制備復(fù)合帶材 1-復(fù)合層；復(fù)合層；2-基帶；基帶；3-激冷輥；激冷輥；4-合金液；合金液；l，5-合金液；合金液；2，6-冷卻長(zhǎng)度冷卻長(zhǎng)度 76 1.5.4 金屬體材的快速凝固金屬體材的快速凝固 1）噴射沉積法）噴射沉積法 圖圖1-18 噴射沉積法原理圖噴射沉積法原理圖 1-沉積室；沉積室；2-

44、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-坩堝；坩堝；7-霧化氣體；霧化氣體；8-沉積體；沉積體；9-運(yùn)動(dòng)機(jī)構(gòu)；運(yùn)動(dòng)機(jī)構(gòu)；10-排氣及取料室排氣及取料室 77 圖圖1-19 噴射沉積法制備坯材噴射沉積法制備坯材 1-感應(yīng)加熱坩堝；感應(yīng)加熱坩堝；2-噴嘴；噴嘴；3-圓柱沉積坯；圓柱沉積坯；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 78 2）大塊非晶態(tài)合金）大塊非晶態(tài)合金 l單向熔化法單向熔化法 圖圖1-21 單向熔化法示意圖單向熔化法示意圖 79 l連續(xù)鑄軋連續(xù)鑄軋 圖圖1-22 連續(xù)鑄軋示意圖連續(xù)鑄軋示意圖 80

45、l分步冷卻連續(xù)鑄造法分步冷卻連續(xù)鑄造法 圖圖1-23 分步冷卻連續(xù)鑄造法示意圖分步冷卻連續(xù)鑄造法示意圖 81 3）大塊納米晶合金）大塊納米晶合金 l深過(guò)冷技術(shù)制備塊狀納米材料 l非晶晶化法制備大塊納米晶合金 l聚合物化學(xué)與高溫材料加工法 1）落管技術(shù) 2）高溫高壓固相淬火法 82 1.6 1.6 快速凝固其他新型合金材料快速凝固其他新型合金材料 一、快速凝固鋁合金一、快速凝固鋁合金 二、快速凝固鎂合金二、快速凝固鎂合金 三、快速凝固鈦合金三、快速凝固鈦合金 四、快速凝固銅合金四、快速凝固銅合金 83 一、快速凝固鋁合金一、快速凝固鋁合金 研究背景研究背景 高性能鋁合金的發(fā)展可追溯到二十世紀(jì)四十

46、年代。首先開(kāi)高性能鋁合金的發(fā)展可追溯到二十世紀(jì)四十年代。首先開(kāi) 發(fā)的是發(fā)的是Al-AlAl-Al2 2O O3 3彌散強(qiáng)化合金。彌散強(qiáng)化合金。 為了細(xì)化合金的顯微結(jié)構(gòu)，最早采用的方法是稱為為了細(xì)化合金的顯微結(jié)構(gòu)，最早采用的方法是稱為“直接直接 冷卻法冷卻法”，即在凝固金屬的外殼通入冷卻介質(zhì)，以加速熱傳導(dǎo)，即在凝固金屬的外殼通入冷卻介質(zhì)，以加速熱傳導(dǎo), , 結(jié)果使鑄件的枝晶臂間距減小了五分之一。結(jié)果使鑄件的枝晶臂間距減小了五分之一。 欲進(jìn)一步細(xì)化顯微結(jié)構(gòu)，必須再加快凝固速率。而且已經(jīng)欲進(jìn)一步細(xì)化顯微結(jié)構(gòu)，必須再加快凝固速率。而且已經(jīng) 確知，借助于普通粉末冶金工藝確知，借助于普通粉末冶金工藝, ,

47、使用平均粒度使用平均粒度100m100m的粉末的粉末, , 不可能大幅度地改善鋁合金的性能，因此，注意力轉(zhuǎn)向不可能大幅度地改善鋁合金的性能，因此，注意力轉(zhuǎn)向快速凝快速凝 固固。 84 鋁合金材料 快速凝固微晶鋁合金卓有成效的進(jìn)展是降低密度，提快速凝固微晶鋁合金卓有成效的進(jìn)展是降低密度，提 高彈性模量、增加強(qiáng)度、保持耐蝕性、改善高溫性能，同高彈性模量、增加強(qiáng)度、保持耐蝕性、改善高溫性能，同 時(shí)也解除了傳統(tǒng)熔鑄冶金帶來(lái)的某些束縛。時(shí)也解除了傳統(tǒng)熔鑄冶金帶來(lái)的某些束縛。 85 快速凝固鋁合金實(shí)例快速凝固鋁合金實(shí)例 快速凝固高強(qiáng)度合金已用于飛機(jī)等飛行器的制造?？焖倌谈邚?qiáng)度合金已用于飛機(jī)等飛行器的制造

48、。 快速凝固快速凝固70007000系列鋁合金用于制作波音系列鋁合金用于制作波音757757飛機(jī)的門(mén)傳動(dòng)飛機(jī)的門(mén)傳動(dòng) 裝置的絞鏈，裝置的絞鏈， 用快速凝固用快速凝固Cw67Cw67合金制作的鍛壓機(jī)的性能明顯優(yōu)于用常規(guī)合金制作的鍛壓機(jī)的性能明顯優(yōu)于用常規(guī) 70757075合金制作的鍛壓機(jī)。合金制作的鍛壓機(jī)。 波音757飛機(jī) 86 86 快速凝固高溫鋁合金由于重量輕、價(jià)格低，可作為超音速運(yùn)快速凝固高溫鋁合金由于重量輕、價(jià)格低，可作為超音速運(yùn) 輸機(jī)、軍用戰(zhàn)斗機(jī)等的機(jī)身結(jié)構(gòu)材料，還可用于制作火箭和輸機(jī)、軍用戰(zhàn)斗機(jī)等的機(jī)身結(jié)構(gòu)材料，還可用于制作火箭和 宇宙飛船上的某些構(gòu)件。宇宙飛船上的某些構(gòu)件。 應(yīng)用快

49、速凝固高強(qiáng)度鋁合金制作軍用飛機(jī)構(gòu)件時(shí)，造價(jià)一般應(yīng)用快速凝固高強(qiáng)度鋁合金制作軍用飛機(jī)構(gòu)件時(shí)，造價(jià)一般 是鈦合金造價(jià)的是鈦合金造價(jià)的3030-50-50，飛機(jī)的總重量可減輕，飛機(jī)的總重量可減輕1515左右左右 。 軍用戰(zhàn)斗機(jī)運(yùn)載火箭 87 鋁鋁- -鋰合金延性和斷裂韌性不佳的原因主要是變形時(shí)鋰合金延性和斷裂韌性不佳的原因主要是變形時(shí) (Al3Li)(Al3Li)沉淀顆粒的剪切作用，使合金產(chǎn)生明顯的平面滑移。沉淀顆粒的剪切作用，使合金產(chǎn)生明顯的平面滑移。 后來(lái)的研究是設(shè)法引入第二相以阻止位錯(cuò)剪切。均勻分布后來(lái)的研究是設(shè)法引入第二相以阻止位錯(cuò)剪切。均勻分布 的無(wú)剪切作用的的無(wú)剪切作用的(Al2CuMg

50、)(Al2CuMg)相能十分有效地阻礙了位錯(cuò)的運(yùn)相能十分有效地阻礙了位錯(cuò)的運(yùn) 動(dòng)。但是，為了獲得均勻分布的相，必須進(jìn)行塑性加工，動(dòng)。但是，為了獲得均勻分布的相，必須進(jìn)行塑性加工， 而且往往需要延展形式的加工，例如鍛造、擠壓等。而且往往需要延展形式的加工，例如鍛造、擠壓等。 快速凝固鋁合金實(shí)例快速凝固鋁合金實(shí)例 輕合金輕合金 88 聯(lián)合公司成功地研發(fā)了鋁聯(lián)合公司成功地研發(fā)了鋁- -鋰鍛造合金，通過(guò)添加鋰鍛造合金，通過(guò)添加ZrZr明明 顯改善了鋁顯改善了鋁- -鋰合金的力學(xué)性能，原因：鋰合金的力學(xué)性能，原因： (1)Zr(1)Zr與與AlAl能生成亞穩(wěn)能生成亞穩(wěn)AlAl3 3ZrZr，并與鋁，并與

51、鋁- -鋰合金的主要強(qiáng)化鋰合金的主要強(qiáng)化 相（相（AlAl3 3LiLi）同型。）同型。 (2)(2)亞穩(wěn)亞穩(wěn)AlAl3 3ZrZr能有效阻礙位錯(cuò)切變；能有效阻礙位錯(cuò)切變； (3)(3)在時(shí)效熱處理過(guò)程中在時(shí)效熱處理過(guò)程中Al3LiAl3Li顆粒環(huán)繞共格的顆粒環(huán)繞共格的AlAl3 3ZrZr，形，形 成一種特殊的成一種特殊的AlAl3 3（LiLi，ZrZr）復(fù)合沉淀顆粒。）復(fù)合沉淀顆粒。 快速凝固鋁合金實(shí)例快速凝固鋁合金實(shí)例 輕合金輕合金 89 快速凝固快速凝固耐熱鋁合金耐熱鋁合金實(shí)例實(shí)例 pAl-8Fe-2MoAl-8Fe-2Mo合金由室溫至合金由室溫至300300的屈服強(qiáng)度水平在均的屈服

52、強(qiáng)度水平在均 衡了密度差別的情況下甚至可與鈦合金媲美。衡了密度差別的情況下甚至可與鈦合金媲美。 較能較能 代表高溫抗力的性能是蠕變強(qiáng)度。代表高溫抗力的性能是蠕變強(qiáng)度。 p Al-Fe-V-ZrAl-Fe-V-Zr合金在暴露于鹽霧中的質(zhì)量損失是熔合金在暴露于鹽霧中的質(zhì)量損失是熔 鑄鑄2014-T62014-T6和普通粉末冶金和普通粉末冶金70907090、70917091合金損失的合金損失的1/41/4。 改善的原因包括化學(xué)成分的不同和顯微結(jié)構(gòu)細(xì)化兩者改善的原因包括化學(xué)成分的不同和顯微結(jié)構(gòu)細(xì)化兩者 的作用。的作用。 90 典型快速凝固典型快速凝固耐熱鋁合金耐熱鋁合金 p快速凝固快速凝固FVS12

53、12FVS1212合金拉伸屈服強(qiáng)度與重量之比接近于合金拉伸屈服強(qiáng)度與重量之比接近于Ti-6Al-4VTi-6Al-4V合合 金的水平，斷裂韌性約金的水平，斷裂韌性約11MPa11MPa m m1/2 1/2。 。 p快速凝固快速凝固FVS0812FVS0812合金的斷裂韌性為合金的斷裂韌性為31 MPa31 MPa m m1/2 1/2。合金在 。合金在698K698K溫度溫度 下退火下退火100100小時(shí)后，室溫屈服強(qiáng)度和延性基本上不變。這種良好的熱小時(shí)后，室溫屈服強(qiáng)度和延性基本上不變。這種良好的熱 穩(wěn)定性是由于硅化物的粗化速率較低的原因，穩(wěn)定性是由于硅化物的粗化速率較低的原因，AlAl12

54、 12(Fe (Fe，V)V)3 3SiSi彌散顆彌散顆 粒的粗化速率比粒的粗化速率比Al-FeAl-Fe金屬間化合物低金屬間化合物低2-32-3個(gè)數(shù)量級(jí)。因?yàn)楣杌锖總€(gè)數(shù)量級(jí)。因?yàn)楣杌锖?高，高，Al-Fe-V-SiAl-Fe-V-Si合金的彈性模量高于常規(guī)鋁合金。合金的彈性模量高于常規(guī)鋁合金。 pFVS1212FVS1212合金的比剛度高于鈦和沉淀強(qiáng)化鋼。在溫度合金的比剛度高于鈦和沉淀強(qiáng)化鋼。在溫度420K420K以上，以上， FVS1212FVS1212合金的比剛性大于含合金的比剛性大于含2020( (體積體積) )碳化硅增強(qiáng)碳化硅增強(qiáng)60616061鋁。鋁。 Al-Fe-V-Si

55、系列 91 pAl-Fe-V-SiAl-Fe-V-Si合金具有優(yōu)異的耐蝕性。合金具有優(yōu)異的耐蝕性。FVS0812FVS0812合金在鹽霧合金在鹽霧 中的質(zhì)量損失很小。中的質(zhì)量損失很小。 pFVS1212FVS1212耐應(yīng)力腐蝕開(kāi)裂能力特別強(qiáng)，合金在耐應(yīng)力腐蝕開(kāi)裂能力特別強(qiáng)，合金在3.53.5氯化氯化 鈉溶液中浸鈉溶液中浸4040天后，橫向施加應(yīng)力到天后，橫向施加應(yīng)力到360MPa360MPa也沒(méi)有開(kāi)裂，也沒(méi)有開(kāi)裂， 此應(yīng)力值相當(dāng)于這種合金拉伸屈服應(yīng)力的此應(yīng)力值相當(dāng)于這種合金拉伸屈服應(yīng)力的9595。 pFVS0812FVS0812合金的高周疲勞強(qiáng)度與合金的高周疲勞強(qiáng)度與2014-T62014-T

56、6合金相當(dāng)，這時(shí)合金相當(dāng)，這時(shí) 因?yàn)楹辖饦O細(xì)小的微晶結(jié)構(gòu)阻止了疲勞誘導(dǎo)裂紋的萌生；因?yàn)楹辖饦O細(xì)小的微晶結(jié)構(gòu)阻止了疲勞誘導(dǎo)裂紋的萌生； 又因?yàn)橛忠驗(yàn)镕VS0812FVS0812合金含有細(xì)小球形硅化物，而不是片狀或合金含有細(xì)小球形硅化物，而不是片狀或 者針狀的金屬間化合物，所以疲勞裂紋在者針狀的金屬間化合物，所以疲勞裂紋在FVS0812FVS0812合金中合金中 的擴(kuò)展速度接近于在粗晶粒的的擴(kuò)展速度接近于在粗晶粒的2014-T62014-T6合金中的速度。合金中的速度。 92 n氣體渦輪發(fā)動(dòng)機(jī)（壓縮機(jī)翼和葉片）氣體渦輪發(fā)動(dòng)機(jī)（壓縮機(jī)翼和葉片） n火箭和導(dǎo)彈（舵和火箭助推器殼體）火箭和導(dǎo)彈（舵和火箭

57、助推器殼體） n飛機(jī)骨架飛機(jī)骨架 n飛機(jī)輪（不能用鈦合金，因?yàn)殁佉兹迹╋w機(jī)輪（不能用鈦合金，因?yàn)殁佉兹迹?n內(nèi)燃機(jī)（連桿、活塞零件）內(nèi)燃機(jī)（連桿、活塞零件） 典型快速凝固典型快速凝固耐熱鋁合金耐熱鋁合金 93 二、快速凝固鎂合金二、快速凝固鎂合金 研究背景研究背景 鎂及其合金在平衡或接近平衡的常規(guī)鑄造條件下，微觀組織和鎂及其合金在平衡或接近平衡的常規(guī)鑄造條件下，微觀組織和 結(jié)構(gòu)存在許多缺點(diǎn)，因而長(zhǎng)期以來(lái)沒(méi)有作為結(jié)構(gòu)材料得到很好的使用。結(jié)構(gòu)存在許多缺點(diǎn)，因而長(zhǎng)期以來(lái)沒(méi)有作為結(jié)構(gòu)材料得到很好的使用。 這些缺點(diǎn)包括：這些缺點(diǎn)包括： nMgMg具有滑移系少，在溫度不高時(shí)不易產(chǎn)生塑性變形。具有滑移系少，

58、在溫度不高時(shí)不易產(chǎn)生塑性變形。 nMgMg具有很弱的電負(fù)性，具有很弱的電負(fù)性，2/32/3的合金溶質(zhì)元素在的合金溶質(zhì)元素在-Mg-Mg固溶體中的最大固溶體中的最大 固溶度小于固溶度小于1at.1at.。 nMgMg很難通過(guò)冷加工和合金化提高合金的強(qiáng)度。很難通過(guò)冷加工和合金化提高合金的強(qiáng)度。 nMgMg化學(xué)活性高，不能形成表面防護(hù)膜，耐蝕性差。化學(xué)活性高，不能形成表面防護(hù)膜，耐蝕性差。 nMgMg自擴(kuò)散系數(shù)高，使自擴(kuò)散系數(shù)高，使MgMg合金中的沉淀相很容易粗化，常規(guī)方法生合金中的沉淀相很容易粗化，常規(guī)方法生 產(chǎn)的鎂合金的高溫強(qiáng)度等性能都較差。產(chǎn)的鎂合金的高溫強(qiáng)度等性能都較差。 94 鎂也有許多獨(dú)

59、特的優(yōu)點(diǎn)，例如密度很小，在有可能鎂也有許多獨(dú)特的優(yōu)點(diǎn)，例如密度很小，在有可能 作為結(jié)構(gòu)材料應(yīng)用的金屬中是作為結(jié)構(gòu)材料應(yīng)用的金屬中是最輕最輕的。的。 此外，此外，MgMg的價(jià)格的價(jià)格 也相對(duì)較低，但是長(zhǎng)期以來(lái)在常規(guī)生產(chǎn)條件下鎂和鎂合金也相對(duì)較低，但是長(zhǎng)期以來(lái)在常規(guī)生產(chǎn)條件下鎂和鎂合金 始終沒(méi)有作為一種工程材料受到重視?？焖倌碳夹g(shù)的出始終沒(méi)有作為一種工程材料受到重視?？焖倌碳夹g(shù)的出 現(xiàn)為改變鎂合金的微觀組織結(jié)構(gòu)和性能創(chuàng)造了條件，快速現(xiàn)為改變鎂合金的微觀組織結(jié)構(gòu)和性能創(chuàng)造了條件，快速 凝固鎂合金的比強(qiáng)高于快速凝固鋁合金。凝固鎂合金的比強(qiáng)高于快速凝固鋁合金。 95 快速凝固鎂合金快速凝固鎂合金 快

60、速凝固細(xì)化鎂合金的晶粒，明顯減少了成分偏快速凝固細(xì)化鎂合金的晶粒，明顯減少了成分偏 析，鎂合金快速凝固后晶粒尺寸減小到鑄態(tài)的析，鎂合金快速凝固后晶粒尺寸減小到鑄態(tài)的1/161/16，枝，枝 晶臂間距僅為晶臂間距僅為5-8m5-8m，彌散第二相的尺寸僅為，彌散第二相的尺寸僅為0.01m0.01m， 晶粒的細(xì)化有可能抑制孿晶的形成晶粒的細(xì)化有可能抑制孿晶的形成. .與常規(guī)工藝制備的與常規(guī)工藝制備的 鎂合金相比，室溫的比強(qiáng)度超過(guò)鎂合金相比，室溫的比強(qiáng)度超過(guò) 40406060，壓縮屈，壓縮屈 服強(qiáng)度拉伸屈服強(qiáng)度之比由服強(qiáng)度拉伸屈服強(qiáng)度之比由 0 07 7增加到增加到1 11 1，延伸，延伸 率達(dá)到率達(dá)