yh第四章半固態(tài)成型

1、第四章第四章 金屬的液態(tài)成形與半固態(tài)成形金屬的液態(tài)成形與半固態(tài)成形4.1 4.1 液態(tài)成形液態(tài)成形4.2 4.2 半固態(tài)成形半固態(tài)成形4.3 4.3 快速凝固成形快速凝固成形1、定義：、定義： 半固態(tài)形成利用金屬材料在固液共存狀態(tài)下所特有的流半固態(tài)形成利用金屬材料在固液共存狀態(tài)下所特有的流變特性進(jìn)行成形的技術(shù)。首先要制造含有一定體積比例變特性進(jìn)行成形的技術(shù)。首先要制造含有一定體積比例的非枝晶固相的固液混合漿料的非枝晶固相的固液混合漿料一、概述一、概述 半固態(tài)合金是將合金熔化后，待它冷卻到液相線溫度以下，半固態(tài)合金是將合金熔化后，待它冷卻到液相線溫度以下，對(duì)合金進(jìn)行對(duì)合金進(jìn)行攪拌攪拌，在攪拌力的

2、作用下，合金析出的樹枝狀，在攪拌力的作用下，合金析出的樹枝狀晶被破壞，并在周圍金屬液的摩擦熔融作用下，晶粒和破晶被破壞，并在周圍金屬液的摩擦熔融作用下，晶粒和破碎的枝晶小塊形成碎的枝晶小塊形成卵球卵球狀的顆粒，分布在整個(gè)液態(tài)金屬中。狀的顆粒，分布在整個(gè)液態(tài)金屬中。該合金即使固態(tài)組分達(dá)該合金即使固態(tài)組分達(dá)40%-60%，仍然像糊狀懸浮液，仍然像糊狀懸浮液，具有一定的流動(dòng)性。而在剪切力較小或?yàn)榱銜r(shí)，它又具有具有一定的流動(dòng)性。而在剪切力較小或?yàn)榱銜r(shí)，它又具有固體性質(zhì)，可以搬運(yùn)儲(chǔ)藏。固體性質(zhì)，可以搬運(yùn)儲(chǔ)藏。 利用半固體合金獨(dú)特的性質(zhì)實(shí)現(xiàn)澆注或壓注成形的方法，利用半固體合金獨(dú)特的性質(zhì)實(shí)現(xiàn)澆注或壓注成形的

3、方法，稱為稱為半固態(tài)成形半固態(tài)成形。2、半固態(tài)成形的特點(diǎn)、半固態(tài)成形的特點(diǎn) 半固態(tài)金屬半固態(tài)金屬(合金合金)的內(nèi)部特征是固液相混合共存，在晶的內(nèi)部特征是固液相混合共存，在晶粒邊界存在金屬液體，根據(jù)固相分?jǐn)?shù)不同，其狀態(tài)不同，粒邊界存在金屬液體，根據(jù)固相分?jǐn)?shù)不同，其狀態(tài)不同，圖圖2為半固態(tài)金屬內(nèi)部結(jié)構(gòu)示意圖。可見，高固相分?jǐn)?shù)為半固態(tài)金屬內(nèi)部結(jié)構(gòu)示意圖?？梢姡吖滔喾?jǐn)?shù)圖圖2 半固態(tài)金屬的內(nèi)部結(jié)構(gòu)：半固態(tài)金屬的內(nèi)部結(jié)構(gòu)： (a) 高固相分?jǐn)?shù)，高固相分?jǐn)?shù)， (b) 低固相分?jǐn)?shù)低固相分?jǐn)?shù)時(shí)，液相成分僅限時(shí)，液相成分僅限于部分晶界；低固于部分晶界；低固相分?jǐn)?shù)時(shí)，固相顆相分?jǐn)?shù)時(shí)，固相顆粒游離在液相成分粒游離

4、在液相成分之中。之中。半固態(tài)金屬的金屬學(xué)和力學(xué)主半固態(tài)金屬的金屬學(xué)和力學(xué)主要有以下幾個(gè)特點(diǎn)：要有以下幾個(gè)特點(diǎn)：由于固液共存，在兩者界面不斷發(fā)由于固液共存，在兩者界面不斷發(fā)生熔化、凝固，產(chǎn)生活躍的擴(kuò)散現(xiàn)生熔化、凝固，產(chǎn)生活躍的擴(kuò)散現(xiàn)象，因此，溶質(zhì)元素的濃度不斷變象，因此，溶質(zhì)元素的濃度不斷變化；化；由于晶粒間或固相粒子間夾有液相由于晶粒間或固相粒子間夾有液相成分，固相粒子間幾乎沒有結(jié)合力，成分，固相粒子間幾乎沒有結(jié)合力，因此，其宏觀流動(dòng)變形抗力很低；因此，其宏觀流動(dòng)變形抗力很低； 隨著固相分?jǐn)?shù)的降低，呈現(xiàn)黏性流隨著固相分?jǐn)?shù)的降低，呈現(xiàn)黏性流體特性，在微小外力作用下即可很體特性，在微小外力作用下即

5、可很容易變形流動(dòng)；容易變形流動(dòng)；圖圖3 半固態(tài)金屬和半固態(tài)金屬和強(qiáng)化粒子強(qiáng)化粒子(纖維纖維)的攪拌混合的攪拌混合當(dāng)固相分?jǐn)?shù)在極限值當(dāng)固相分?jǐn)?shù)在極限值(約約75%)以下時(shí)，漿料可以進(jìn)行攪拌，并以下時(shí)，漿料可以進(jìn)行攪拌，并可很容易混入異種材料的粉末、纖維等，如圖可很容易混入異種材料的粉末、纖維等，如圖3所示；所示；由于固相粒子間幾何無結(jié)合力，在特定部位雖然容易分離；但由于固相粒子間幾何無結(jié)合力，在特定部位雖然容易分離；但由于液相成分的存在，又很容易地將分離的部位連接形成一體由于液相成分的存在，又很容易地將分離的部位連接形成一體圖圖4 半固態(tài)金屬的半固態(tài)金屬的 (a) 分離，分離， (b) 結(jié)合結(jié)合

6、化，特別是液相成分很活躍，不化，特別是液相成分很活躍，不僅半固態(tài)金屬間的結(jié)合，而且于僅半固態(tài)金屬間的結(jié)合，而且于一般固態(tài)金屬材料也容易形成很一般固態(tài)金屬材料也容易形成很好的結(jié)合，如圖好的結(jié)合，如圖4所示；所示； 含有陶瓷顆粒、纖維等難加工性材料含有陶瓷顆粒、纖維等難加工性材料也可通過半熔融狀態(tài)在低加工力下進(jìn)也可通過半熔融狀態(tài)在低加工力下進(jìn)行成形加工；行成形加工； 當(dāng)施加外力時(shí)，液相成分和固相成分當(dāng)施加外力時(shí)，液相成分和固相成分存在分別流動(dòng)的情況，如圖存在分別流動(dòng)的情況，如圖5所示，所示，一般來說，存在液相成分先行流動(dòng)的一般來說，存在液相成分先行流動(dòng)的傾向。傾向。 液相先行流動(dòng)的現(xiàn)象在固相分?jǐn)?shù)很

7、高、液相先行流動(dòng)的現(xiàn)象在固相分?jǐn)?shù)很高、很低或加工速度特別高的情況下很難很低或加工速度特別高的情況下很難發(fā)生，主要是在中間固相分?jǐn)?shù)范圍或發(fā)生，主要是在中間固相分?jǐn)?shù)范圍或低加工速度下比較顯著。低加工速度下比較顯著。圖圖5 半固態(tài)金屬變形時(shí)液相半固態(tài)金屬變形時(shí)液相成分和固相成分的流動(dòng)成分和固相成分的流動(dòng)與普通加工方法相比，半固態(tài)金屬加工的優(yōu)點(diǎn)：與普通加工方法相比，半固態(tài)金屬加工的優(yōu)點(diǎn)： 黏度比液態(tài)金屬高，容易控制黏度比液態(tài)金屬高，容易控制：模具夾帶的氣體少，減少氧化、：模具夾帶的氣體少，減少氧化、改善加工性，減少模具粘接，可進(jìn)行更高速的部件成形，改善表改善加工性，減少模具粘接，可進(jìn)行更高速的部件成形

8、，改善表面光潔度，容易實(shí)現(xiàn)自動(dòng)化和形成新加工工藝；面光潔度，容易實(shí)現(xiàn)自動(dòng)化和形成新加工工藝； 流動(dòng)應(yīng)力比固態(tài)金屬低：流動(dòng)應(yīng)力比固態(tài)金屬低：半固態(tài)漿料具有流變性和觸變性，變形半固態(tài)漿料具有流變性和觸變性，變形抗力非常小，可以更高的速度成形部件，而且可進(jìn)行復(fù)雜件成形，抗力非常小，可以更高的速度成形部件，而且可進(jìn)行復(fù)雜件成形，縮短加工周期，提高材料利用率，有利于節(jié)能節(jié)材，并可進(jìn)行連縮短加工周期，提高材料利用率，有利于節(jié)能節(jié)材，并可進(jìn)行連續(xù)形狀的高速成形續(xù)形狀的高速成形(如擠壓如擠壓)，加工成本低；，加工成本低；應(yīng)用范圍廣：應(yīng)用范圍廣：凡具有固液兩相區(qū)的合金均可實(shí)現(xiàn)半固態(tài)加工、可凡具有固液兩相區(qū)的合金

9、均可實(shí)現(xiàn)半固態(tài)加工、可適用于多種加工工藝，如鑄造、軋制、擠壓和鍛壓等，并可進(jìn)行適用于多種加工工藝，如鑄造、軋制、擠壓和鍛壓等，并可進(jìn)行材料的復(fù)合及成形。材料的復(fù)合及成形。 3、半固態(tài)成形的發(fā)展、半固態(tài)成形的發(fā)展 20世紀(jì)世紀(jì)70年代初，美國(guó)年代初，美國(guó)MIT的博士研究生的博士研究生DB Spencer在在研究研究Sn-15%wt Pb合金的高溫特性時(shí)，偶然發(fā)現(xiàn)金屬的合金的高溫特性時(shí)，偶然發(fā)現(xiàn)金屬的半固態(tài)力學(xué)行為和組織特點(diǎn)。這些發(fā)現(xiàn)引起了半固態(tài)力學(xué)行為和組織特點(diǎn)。這些發(fā)現(xiàn)引起了MIT的的M C Flemings 教授的特別重視，投入大量人力、物力，進(jìn)教授的特別重視，投入大量人力、物力，進(jìn)行了深入

10、、廣泛的研究，創(chuàng)立了金屬半固態(tài)鑄造技術(shù)。行了深入、廣泛的研究，創(chuàng)立了金屬半固態(tài)鑄造技術(shù)。 半固態(tài)半固態(tài)流變鑄造（流變鑄造（rheocasting） 金屬液金屬液 攪拌、凝固攪拌、凝固半固態(tài)漿料半固態(tài)漿料 輸送輸送 成形成形 二、半固態(tài)下合金的流動(dòng)性能二、半固態(tài)下合金的流動(dòng)性能非枝晶的形成與演化非枝晶的形成與演化圖圖7 Al-20Cu合金未攪拌和機(jī)械攪拌合金未攪拌和機(jī)械攪拌(流變鑄造流變鑄造)狀態(tài)的凝固組織狀態(tài)的凝固組織 液體金屬在凝固過程中攪拌且激冷，其結(jié)晶造成固體顆粒的液體金屬在凝固過程中攪拌且激冷，其結(jié)晶造成固體顆粒的初始形貌呈樹枝狀，然后在剪切力作用下，枝晶會(huì)破碎，形成小初始形貌呈樹枝狀

11、，然后在剪切力作用下，枝晶會(huì)破碎，形成小的球形晶，圖的球形晶，圖7 7未常規(guī)鑄造和半固態(tài)鑄造的組織對(duì)比，可見利用未常規(guī)鑄造和半固態(tài)鑄造的組織對(duì)比，可見利用流變鑄造方法生產(chǎn)的半固態(tài)金屬具有獨(dú)特的非枝晶、近似球形的流變鑄造方法生產(chǎn)的半固態(tài)金屬具有獨(dú)特的非枝晶、近似球形的顯微結(jié)構(gòu)。顯微結(jié)構(gòu)。球形結(jié)構(gòu)的演化過程：球形結(jié)構(gòu)的演化過程： 結(jié)晶開始時(shí)，攪拌促進(jìn)了晶核的產(chǎn)生，此時(shí)晶核是以枝晶生長(zhǎng)結(jié)晶開始時(shí)，攪拌促進(jìn)了晶核的產(chǎn)生，此時(shí)晶核是以枝晶生長(zhǎng)方式進(jìn)行的；方式進(jìn)行的； 隨著溫度的下降，雖然晶粒仍然是以枝晶生長(zhǎng)方式進(jìn)行，但由隨著溫度的下降，雖然晶粒仍然是以枝晶生長(zhǎng)方式進(jìn)行，但由于攪拌的作用，造成晶粒之間互相

12、磨損、剪切以及液體對(duì)晶粒于攪拌的作用，造成晶粒之間互相磨損、剪切以及液體對(duì)晶粒劇烈沖刷，這樣，枝晶臂被打斷，形成了更多細(xì)小晶粒，其自劇烈沖刷，這樣，枝晶臂被打斷，形成了更多細(xì)小晶粒，其自身結(jié)構(gòu)也逐漸向薔薇形演化；身結(jié)構(gòu)也逐漸向薔薇形演化；隨著溫度的繼續(xù)下降，最終使得這種薔薇形結(jié)構(gòu)演化成更簡(jiǎn)單隨著溫度的繼續(xù)下降，最終使得這種薔薇形結(jié)構(gòu)演化成更簡(jiǎn)單的球形結(jié)構(gòu)，演化過程如圖的球形結(jié)構(gòu)，演化過程如圖8所示。所示。圖圖8 球形微粒固態(tài)金屬加工兩種方法球形微粒固態(tài)金屬加工兩種方法(流變成形和觸變成形流變成形和觸變成形)的工藝流程圖的工藝流程圖 球形結(jié)構(gòu)的最終形成要靠足夠的冷卻速度和足球形結(jié)構(gòu)的最終形成要靠

13、足夠的冷卻速度和足夠高的剪切速率，同時(shí)這是一個(gè)不可逆的結(jié)構(gòu)演夠高的剪切速率，同時(shí)這是一個(gè)不可逆的結(jié)構(gòu)演化過程，即一旦球形的結(jié)構(gòu)生成了，只要在液固化過程，即一旦球形的結(jié)構(gòu)生成了，只要在液固區(qū)，無論怎樣升降合金的溫度區(qū)，無論怎樣升降合金的溫度(不能讓合金完全熔不能讓合金完全熔化化)，它也不會(huì)變成枝晶。，它也不會(huì)變成枝晶。半固態(tài)合金的制備方法半固態(tài)合金的制備方法 半固態(tài)合金的制備常用半固態(tài)合金的制備常用機(jī)械攪拌法機(jī)械攪拌法、電磁攪拌電磁攪拌法法和和應(yīng)變激活工藝應(yīng)變激活工藝。間歇式機(jī)械攪拌間歇式機(jī)械攪拌連續(xù)式機(jī)械攪拌連續(xù)式機(jī)械攪拌(1) 電磁攪拌法電磁攪拌法 電磁攪拌法是利用感應(yīng)線圈產(chǎn)生的平行于或者垂

14、直于鑄型方向電磁攪拌法是利用感應(yīng)線圈產(chǎn)生的平行于或者垂直于鑄型方向的強(qiáng)磁場(chǎng)對(duì)處于液的強(qiáng)磁場(chǎng)對(duì)處于液-固相線之間的金屬液形成強(qiáng)烈的攪拌作用，產(chǎn)固相線之間的金屬液形成強(qiáng)烈的攪拌作用，產(chǎn)生劇烈的流動(dòng)，使金屬凝固析出的枝晶充分破碎并球化，進(jìn)行半生劇烈的流動(dòng)，使金屬凝固析出的枝晶充分破碎并球化，進(jìn)行半固態(tài)漿料或坯料的制備。固態(tài)漿料或坯料的制備。 優(yōu)點(diǎn)：不污染金屬液，金屬漿料純凈，不卷入氣體，可以優(yōu)點(diǎn)：不污染金屬液，金屬漿料純凈，不卷入氣體，可以 連續(xù)生產(chǎn)流變漿料或連續(xù)鑄錠坯，產(chǎn)量可以很大。連續(xù)生產(chǎn)流變漿料或連續(xù)鑄錠坯，產(chǎn)量可以很大。 缺點(diǎn)：直徑大于缺點(diǎn)：直徑大于150mm的鑄坯不宜采用電磁攪拌法生產(chǎn)。的

15、鑄坯不宜采用電磁攪拌法生產(chǎn)。 影響因素：攪拌功率，攪拌時(shí)間，冷卻速度，影響因素：攪拌功率，攪拌時(shí)間，冷卻速度， 金屬液溫度，澆注速度金屬液溫度，澆注速度電磁攪拌示意圖(2) 機(jī)械攪拌法機(jī)械攪拌法 該方法利用機(jī)械旋轉(zhuǎn)的葉片或攪拌棒改變凝固中金屬初晶該方法利用機(jī)械旋轉(zhuǎn)的葉片或攪拌棒改變凝固中金屬初晶的生長(zhǎng)與演化，以獲得球狀或類球狀的初生固相的半固態(tài)金的生長(zhǎng)與演化，以獲得球狀或類球狀的初生固相的半固態(tài)金屬流變漿料。屬流變漿料。機(jī)械攪拌示意圖機(jī)械攪拌示意圖優(yōu)點(diǎn)：攪拌裝置結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、造價(jià)低、操作方便。優(yōu)點(diǎn)：攪拌裝置結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、造價(jià)低、操作方便。缺點(diǎn)：生產(chǎn)的半固態(tài)漿料的產(chǎn)量小，只適用于缺點(diǎn)：生產(chǎn)的半固態(tài)漿料的

16、產(chǎn)量小，只適用于 實(shí)驗(yàn)室的小規(guī)模試驗(yàn)研究工作。實(shí)驗(yàn)室的小規(guī)模試驗(yàn)研究工作。影響因素：攪拌室的溫度，攪拌葉片或棒的轉(zhuǎn)速。影響因素：攪拌室的溫度，攪拌葉片或棒的轉(zhuǎn)速。 (3) 應(yīng)變激活工藝應(yīng)變激活工藝再對(duì)熱態(tài)擠壓變形過的坯料加以少量的冷變形，在坯料的再對(duì)熱態(tài)擠壓變形過的坯料加以少量的冷變形，在坯料的組織中儲(chǔ)存部分變形能力。組織中儲(chǔ)存部分變形能力。按需要將經(jīng)過變形的金屬錠坯切成一定大小，迅速將其加按需要將經(jīng)過變形的金屬錠坯切成一定大小，迅速將其加熱到固液兩相區(qū)并適當(dāng)保溫，即可獲得具有觸變性的球狀熱到固液兩相區(qū)并適當(dāng)保溫，即可獲得具有觸變性的球狀半固態(tài)坯料。半固態(tài)坯料。將該金屬錠坯在回復(fù)再結(jié)晶的溫度范

17、圍內(nèi)進(jìn)行大變形量的將該金屬錠坯在回復(fù)再結(jié)晶的溫度范圍內(nèi)進(jìn)行大變形量的熱態(tài)擠壓變形，通過變形破碎鑄態(tài)組織。熱態(tài)擠壓變形，通過變形破碎鑄態(tài)組織。利用傳統(tǒng)連鑄方法預(yù)先連續(xù)鑄造出晶粒細(xì)小的金屬錠坯。利用傳統(tǒng)連鑄方法預(yù)先連續(xù)鑄造出晶粒細(xì)小的金屬錠坯。三、半固態(tài)成形方法三、半固態(tài)成形方法半固態(tài)半固態(tài)成形方法成形方法流變成形流變成形rheoforming觸變成形觸變成形thixoforming在在金屬凝固金屬凝固過程中，對(duì)其施以劇烈的攪拌作過程中，對(duì)其施以劇烈的攪拌作用，充分破碎樹枝狀的初生固相，得到一種用，充分破碎樹枝狀的初生固相，得到一種液態(tài)金屬母液中均勻地懸浮著一定球狀初生液態(tài)金屬母液中均勻地懸浮著一

18、定球狀初生固相的固固相的固-液混合液混合漿料漿料(固相組分一般為固相組分一般為50%左左右右)，即流變漿料，即流變漿料，利用這種流變漿料直接進(jìn)利用這種流變漿料直接進(jìn)行成形加工的方法稱之為半固態(tài)金屬的流變行成形加工的方法稱之為半固態(tài)金屬的流變成形成形。如果漿流變漿料凝固成錠，按需要將此如果漿流變漿料凝固成錠，按需要將此金屬金屬錠錠切成一定大小，然后切成一定大小，然后重新加熱重新加熱(即坯料的二即坯料的二次加熱次加熱)至金屬的至金屬的半固態(tài)溫度區(qū)半固態(tài)溫度區(qū)(金屬錠稱為半金屬錠稱為半固態(tài)金屬坯料固態(tài)金屬坯料)。利用金屬的半固態(tài)坯料進(jìn)行利用金屬的半固態(tài)坯料進(jìn)行成形加工的方法為觸變成形成形加工的方法為

19、觸變成形1、流變成形（、流變成形（Rheoforming)流變成形流變成形：利用半固態(tài)金屬制備器批量制備或：利用半固態(tài)金屬制備器批量制備或連續(xù)制備糊狀漿料，直接進(jìn)行加工成形（鑄造、連續(xù)制備糊狀漿料，直接進(jìn)行加工成形（鑄造、擠壓、軋制、模鍛等）的方法。擠壓、軋制、模鍛等）的方法。特點(diǎn)特點(diǎn)：直接獲得的半固態(tài)漿料不便于保存和輸：直接獲得的半固態(tài)漿料不便于保存和輸送，發(fā)展緩慢，成熟應(yīng)用有限；比觸變成形節(jié)送，發(fā)展緩慢，成熟應(yīng)用有限；比觸變成形節(jié)省能源、流程短、設(shè)備簡(jiǎn)單，發(fā)展前景較好。省能源、流程短、設(shè)備簡(jiǎn)單，發(fā)展前景較好。(a)連續(xù)攪拌連續(xù)攪拌制備半固態(tài)制備半固態(tài)漿料漿料(b)漿料被送漿料被送入壓室入壓

20、室(c)壓射成型壓射成型(d)壓鑄件壓鑄件鎂合金射鑄成形鎂合金射鑄成形2、觸變成形（、觸變成形（Rheoforming) 觸變成形觸變成形(Thixomolding)由美國(guó)的由美國(guó)的Dow公司開發(fā)的，公司開發(fā)的，1992年由日本引年由日本引入并完成成形機(jī)的研制開發(fā)。下圖為入并完成成形機(jī)的研制開發(fā)。下圖為Thixomolding工藝的簡(jiǎn)圖，其設(shè)備工藝的簡(jiǎn)圖，其設(shè)備由原料入料與預(yù)熱裝置、螺旋注射機(jī)、加熱裝置以及壓鑄機(jī)等部分組成。由原料入料與預(yù)熱裝置、螺旋注射機(jī)、加熱裝置以及壓鑄機(jī)等部分組成。Thixomolding工藝簡(jiǎn)圖工藝簡(jiǎn)圖設(shè)備特點(diǎn)：原料進(jìn)入料斗后邊加熱邊剪切攪拌，最后形成半固態(tài)的狀態(tài)再射入

21、模具中；半固態(tài)漿料的固相分?jǐn)?shù)可控性強(qiáng)，成形件質(zhì)量高、性能穩(wěn)定 螺旋機(jī)內(nèi)密閉性好，在成形過程中不需要嚴(yán)格的保護(hù)性氣氛進(jìn)行保護(hù)，僅在投料口處用少量的Ar氣保護(hù)即可。Thixomolding成形件的特點(diǎn)：成形件的特點(diǎn)：表面質(zhì)量和內(nèi)部質(zhì)量改善；表面質(zhì)量和內(nèi)部質(zhì)量改善；成形件尺寸精度提高；成形件尺寸精度提高；力學(xué)性能提高；力學(xué)性能提高；耐蝕性提高；耐蝕性提高； 可精密成形薄壁件可精密成形薄壁件三種鎂合金采用Thixomolding和模鑄成形件的力學(xué)性能比較材料成形方法屈服強(qiáng)度/MPa抗拉強(qiáng)度/MPa伸長(zhǎng)率/%AZ91DThixomolding18029910模 鑄1602303AM60BThixomol

22、ding14727818.8模 鑄11423911.6ZM50AThixomolding13926920模 鑄11223213一、概述一、概述4.3 快速凝固成形快速凝固成形定義：冷卻速度大于定義：冷卻速度大于102/s的凝固，稱為的凝固，稱為快速凝固快速凝固。1、快速凝固及發(fā)展、快速凝固及發(fā)展v 快速凝固的研究開始于快速凝固的研究開始于20世紀(jì)世紀(jì)50年代末年代末60年代年代初，是在比常規(guī)工藝過程快得多的冷卻速度或大初，是在比常規(guī)工藝過程快得多的冷卻速度或大得多的過冷度下，合金以極快的凝固速率由液態(tài)得多的過冷度下，合金以極快的凝固速率由液態(tài)轉(zhuǎn)變?yōu)楣虘B(tài)的過程。轉(zhuǎn)變?yōu)楣虘B(tài)的過程。 1960年美國(guó)

23、加州理工學(xué)院的年美國(guó)加州理工學(xué)院的P Duwez等采用一種等采用一種獨(dú)特的熔體急冷技術(shù)，第一次使液態(tài)合金在大于獨(dú)特的熔體急冷技術(shù)，第一次使液態(tài)合金在大于107K/s的冷卻速度下凝固。他們的發(fā)現(xiàn)，在世界的冷卻速度下凝固。他們的發(fā)現(xiàn)，在世界的物理冶金和材料學(xué)工作者面前展開了一個(gè)新的的物理冶金和材料學(xué)工作者面前展開了一個(gè)新的廣闊的研究領(lǐng)域。在快速凝固條件下，凝固過程廣闊的研究領(lǐng)域。在快速凝固條件下，凝固過程的一些傳輸現(xiàn)象可能被抑制，凝固偏離平衡。經(jīng)的一些傳輸現(xiàn)象可能被抑制，凝固偏離平衡。經(jīng)典凝固理論中的許多平衡條件的假設(shè)不再適應(yīng)，典凝固理論中的許多平衡條件的假設(shè)不再適應(yīng)，成為凝固過程研究的一個(gè)特殊領(lǐng)

24、域。成為凝固過程研究的一個(gè)特殊領(lǐng)域?？焖倌炭焖倌痰哪康牡哪康某?xì)組織超細(xì)組織過飽和固溶體過飽和固溶體亞穩(wěn)相或新的結(jié)晶相亞穩(wěn)相或新的結(jié)晶相微晶、納米晶或金屬玻璃微晶、納米晶或金屬玻璃形成形成獲得優(yōu)異的獲得優(yōu)異的 強(qiáng)度、塑性、強(qiáng)度、塑性、耐磨性、耐腐蝕性耐磨性、耐腐蝕性 等。等。2、實(shí)現(xiàn)快速凝固的條件、實(shí)現(xiàn)快速凝固的條件 金屬溶液必須被分散成液流或液滴，而且至金屬溶液必須被分散成液流或液滴，而且至少在一個(gè)方向上的尺寸極小，以便散熱；少在一個(gè)方向上的尺寸極小，以便散熱；必必須有能帶走熱量的冷卻介質(zhì)。須有能帶走熱量的冷卻介質(zhì)。3、快速凝固的特點(diǎn)、快速凝固的特點(diǎn) 快速凝固速度較大，溶質(zhì)產(chǎn)生非平衡分配

25、，快速凝固速度較大，溶質(zhì)產(chǎn)生非平衡分配，是無溶質(zhì)分配的凝固；是無溶質(zhì)分配的凝固； 在快速凝固條件下，固液界面的穩(wěn)定性將增在快速凝固條件下，固液界面的穩(wěn)定性將增加，凝固形成了平面、無偏析的等軸晶；加，凝固形成了平面、無偏析的等軸晶； 形成組織特殊的晶態(tài)合金；形成組織特殊的晶態(tài)合金； 非晶態(tài)組織的形成；非晶態(tài)組織的形成； 準(zhǔn)晶態(tài)組織的形成。準(zhǔn)晶態(tài)組織的形成。二、快速凝固技術(shù)二、快速凝固技術(shù) 1.動(dòng)力學(xué)急冷法動(dòng)力學(xué)急冷法 2.熱力學(xué)深過冷法熱力學(xué)深過冷法1、動(dòng)力學(xué)急冷法、動(dòng)力學(xué)急冷法 在動(dòng)力學(xué)急冷凝固技術(shù)中，根據(jù)熔體分離和冷卻方在動(dòng)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)、

26、模冷技術(shù)和表面熔式的不同，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?；俺练e技術(shù)三大類。 原理原理：通過提高熔體凝固時(shí)的傳熱速率從而提高凝：通過提高熔體凝固時(shí)的傳熱速率從而提高凝固時(shí)的冷卻速率，使熔體形核時(shí)間極短，來不及在固時(shí)的冷卻速率，使熔體形核時(shí)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。度凝固，因而具有很大的凝固過冷度和凝固速率。模冷技術(shù)模冷技術(shù) 模冷技術(shù)：使金屬液接觸固體冷源并以傳導(dǎo)的方式散熱而實(shí)模冷技術(shù)：使金屬液接觸固體冷源并以傳導(dǎo)的方式散熱而實(shí)現(xiàn)快速凝固。其主要特點(diǎn)是

27、首先把熔體分離成連續(xù)或不連續(xù)現(xiàn)快速凝固。其主要特點(diǎn)是首先把熔體分離成連續(xù)或不連續(xù)的、界面尺寸很小的熔體流，然后使熔體流與旋轉(zhuǎn)或固定的、的、界面尺寸很小的熔體流，然后使熔體流與旋轉(zhuǎn)或固定的、導(dǎo)熱良好的冷?；蚧籽杆俳佑|而冷卻凝固。導(dǎo)熱良好的冷?；蚧籽杆俳佑|而冷卻凝固。模冷技術(shù)模冷技術(shù)槍法槍法雙活塞法雙活塞法熔體旋轉(zhuǎn)法熔體旋轉(zhuǎn)法平面流鑄造法平面流鑄造法表面熔化與沉積技木表面熔化與沉積技木熔體提取法熔體提取法急冷模法急冷模法霧化技術(shù)霧化技術(shù)v 霧化技術(shù)是指采用某種措施將熔體分離霧化，同時(shí)霧化技術(shù)是指采用某種措施將熔體分離霧化，同時(shí)通過對(duì)流的冷卻方式凝固，其主要特點(diǎn)是在離心力通過對(duì)流的冷卻方式凝固，

28、其主要特點(diǎn)是在離心力、機(jī)械力或高速流體沖擊力等作用下分散成尺寸極、機(jī)械力或高速流體沖擊力等作用下分散成尺寸極小的霧狀熔滴在氣流或冷模接觸中迅速冷卻凝固。小的霧狀熔滴在氣流或冷模接觸中迅速冷卻凝固。流體霧化法流體霧化法霧化技術(shù)霧化技術(shù)離心霧化法離心霧化法機(jī)械霧化法機(jī)械霧化法2、熱力學(xué)深過冷快速凝固、熱力學(xué)深過冷快速凝固 熱力學(xué)深過冷熱力學(xué)深過冷是指通過各種有效的凈化手段避免或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

29、規(guī)條件下難以達(dá)到的過冷度。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)采用這種技術(shù),可以在冷速不高的情況下獲得很大可以在冷速不高的情況下獲得很大的凝固過冷度。因此的凝固過冷度。因此,熱力學(xué)深過冷非平衡凝固在理論熱力學(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。的有效方法。熱力學(xué)深過冷方法熱力學(xué)深過冷方法 1、微小液滴法、微小液滴法 2、乳化、乳化-熱分析法熱分析法 3、落管法、落管法 4、電磁懸浮熔煉法、電磁懸浮熔煉法 5、微重力法、微重力法 6、固液兩相區(qū)法、固液兩相區(qū)法 7、循環(huán)過熱法、循環(huán)過熱法 8、玻

30、璃熔體凈化法、玻璃熔體凈化法 9、復(fù)合凈化法、復(fù)合凈化法 乳化乳化- -熱分析法的基本思想是在惰性環(huán)境（惰性基礎(chǔ)或惰熱分析法的基本思想是在惰性環(huán)境（惰性基礎(chǔ)或惰性懸浮溶液）中，隨著液體分散程度的提高，有效形核襯性懸浮溶液）中，隨著液體分散程度的提高，有效形核襯底逐漸被孤立于少數(shù)液滴中，大部分液滴保持分離并且不底逐漸被孤立于少數(shù)液滴中，大部分液滴保持分離并且不包含異質(zhì)核心，這部分液滴將會(huì)表現(xiàn)出深過冷行為，其原包含異質(zhì)核心，這部分液滴將會(huì)表現(xiàn)出深過冷行為，其原理見下圖。理見下圖。 落管法：落管法：通過電磁懸浮熔煉、電子束或其他方法熔化金屬，隨通過電磁懸浮熔煉、電子束或其他方法熔化金屬，隨后金屬熔體

31、在真空或通入保護(hù)性氣體的管中自由下落冷卻凝固。后金屬熔體在真空或通入保護(hù)性氣體的管中自由下落冷卻凝固。自由下落過程中，金屬或合金液避免與器壁相接觸，同時(shí)又具自由下落過程中，金屬或合金液避免與器壁相接觸，同時(shí)又具有微重力凝固的特征，因而可以獲得深過冷。有微重力凝固的特征，因而可以獲得深過冷。 電磁懸浮熔煉法：電磁懸浮熔煉法：通過選擇合適的線圈形狀及輸出頻率，使試通過選擇合適的線圈形狀及輸出頻率，使試樣在電磁力作用下處于懸浮裝態(tài)，再通入樣在電磁力作用下處于懸浮裝態(tài)，再通入HeHe、ArAr、H H2 2等保護(hù)氣等保護(hù)氣氛，通過感應(yīng)加熱熔化，控制凝固從而實(shí)現(xiàn)深過冷。氛，通過感應(yīng)加熱熔化，控制凝固從而

32、實(shí)現(xiàn)深過冷。 微重力法：微重力法：利用太空中微重力場(chǎng)和高真空條件，使液態(tài)金屬自利用太空中微重力場(chǎng)和高真空條件，使液態(tài)金屬自由懸浮于空中實(shí)現(xiàn)無坩堝凝固，從而獲得深過冷。由懸浮于空中實(shí)現(xiàn)無坩堝凝固，從而獲得深過冷。 固液兩相區(qū)法：將合金熔體過熱，然后冷卻至固液兩相區(qū)，使固液兩相區(qū)法：將合金熔體過熱，然后冷卻至固液兩相區(qū)，使也想在先析出相的包裹下結(jié)晶而獲得深過冷。也想在先析出相的包裹下結(jié)晶而獲得深過冷。n循環(huán)過熱法：循環(huán)過熱法：在非晶態(tài)坩堝或形核觸發(fā)作用較小的坩堝中對(duì)在非晶態(tài)坩堝或形核觸發(fā)作用較小的坩堝中對(duì)純金屬或合金進(jìn)行純金屬或合金進(jìn)行“加熱熔化加熱熔化-過熱保護(hù)過熱保護(hù)-冷卻凝固冷卻凝固”循環(huán)處理，金屬中的異質(zhì)形核核心通過熔化、分解和蒸發(fā)等循環(huán)處理，金屬中的異質(zhì)形核核心通過熔化、分解和蒸發(fā)等途徑消失或鈍化從而失去襯底作用獲得熔體的深過冷。途徑消失或鈍化從而失去襯底作用獲得熔體的深過冷。 玻璃熔體凈化法：玻璃熔體凈化法：在熔融玻璃的包覆下進(jìn)行熔煉，液態(tài)金屬在熔融玻璃的包覆下進(jìn)行熔煉，液態(tài)金屬中的夾雜物在被玻璃熔體物理吸附的同時(shí)，還可以與玻璃中中的夾雜物在被玻璃熔體物理吸附的同時(shí)，還可以與玻璃中的某些組元相互作用形成低熔點(diǎn)化合物