材料成形原理第6章

1、第六章特殊條件下的凝固快速凝固是指液態(tài)金屬以快速凝固是指液態(tài)金屬以1051010 K/s的冷速進(jìn)行凝固的液的冷速進(jìn)行凝固的液態(tài)急冷技術(shù)。態(tài)急冷技術(shù)?？焖倌炭焖倌潭x定義為：由液相到固相的相變過程非常快，從而獲為：由液相到固相的相變過程非常快，從而獲得普通鑄件或鑄錠無法獲得的成分、相結(jié)構(gòu)和顯微結(jié)構(gòu)得普通鑄件或鑄錠無法獲得的成分、相結(jié)構(gòu)和顯微結(jié)構(gòu)的過程。的過程?？焖倌踢^程快速凝固過程抑制了各種傳輸現(xiàn)象，凝固偏離平衡抑制了各種傳輸現(xiàn)象，凝固偏離平衡，經(jīng)典凝，經(jīng)典凝固理論中假設(shè)的許多平衡條件不再適應(yīng)，成為材料凝固固理論中假設(shè)的許多平衡條件不再適應(yīng)，成為材料凝固學(xué)研究的一個特殊領(lǐng)域。學(xué)研究的一個特

2、殊領(lǐng)域。 1 1 快速快速凝固凝固快速凝固快速凝固的目的的目的超細(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。一、快速凝固基本原理一、快速凝固基本原理實現(xiàn)液態(tài)金屬快速凝固的最重要實現(xiàn)液態(tài)金屬快速凝固的最重要條件條件，是要求液，是要求液/固相變固相變時有時有極高的熱導(dǎo)出速度極高的熱導(dǎo)出速度。如果依靠如果依靠輻射輻射散熱，對于直徑為散熱，對于直徑為1m，溫度為，溫度為1000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

3、卻速率只有103K/s，可見冷卻，可見冷卻速度不高；速度不高；通過通過對流對流傳熱，將導(dǎo)熱良好的氫或氦以高速流過厚度為傳熱，將導(dǎo)熱良好的氫或氦以高速流過厚度為5m的試樣，獲得的極限冷速為的試樣，獲得的極限冷速為11042104 K/s； 要獲得高于要獲得高于105 K/s的冷速，只能借助于的冷速，只能借助于熱傳導(dǎo)熱傳導(dǎo)。用急冷凝固方法獲得高的凝固速率的用急冷凝固方法獲得高的凝固速率的條件是條件是：(1)減少單位時間內(nèi)金屬凝固時的產(chǎn)生的結(jié)晶潛熱。減少單位時間內(nèi)金屬凝固時的產(chǎn)生的結(jié)晶潛熱。(2)提高凝固過程中的傳熱速度提高凝固過程中的傳熱速度. 形成盡可能接近均質(zhì)形核的凝固條件，抑制非均質(zhì)形核，從

4、形成盡可能接近均質(zhì)形核的凝固條件，抑制非均質(zhì)形核，從而獲得盡可能大的過冷度。而獲得盡可能大的過冷度。（1）將熔體彌散成液滴；）將熔體彌散成液滴；（2）把熔體與容器壁隔開）把熔體與容器壁隔開（1 1）模冷技術(shù)：使熔體與冷）模冷技術(shù)：使熔體與冷模接觸并以傳導(dǎo)的方式模接觸并以傳導(dǎo)的方式散熱。散熱。 二、二、急冷凝固技術(shù)及特點(diǎn)急冷凝固技術(shù)及特點(diǎn)雙活塞法、熔體旋轉(zhuǎn)法、平面流鑄造法、電子束急冷淬火法、熔體提取法及急冷模法。 加熱線圈 旋轉(zhuǎn)輥 坩堝及金屬 急冷條帶 熔體旋轉(zhuǎn)法熔體旋轉(zhuǎn)法圖圖 雙輥法快速凝固技術(shù)的基本原理雙輥法快速凝固技術(shù)的基本原理1一帶材一帶材2合金液流合金液流3加熱爐加熱爐 4一坩堝一坩堝

5、5一漏出孔一漏出孔6雙輥雙輥 通常生產(chǎn)幾十微米通常生產(chǎn)幾十微米厚的薄帶厚的薄帶圖圖 單輥法復(fù)合層快速凝固過程原理圖單輥法復(fù)合層快速凝固過程原理圖1單輥單輥 2合金液合金液1 3一坩堝一坩堝1 4坩堝坩堝2 5合金液合金液26感應(yīng)加熱線圈感應(yīng)加熱線圈 7一復(fù)合層帶材一復(fù)合層帶材通常生產(chǎn)幾十微米通常生產(chǎn)幾十微米厚的薄帶厚的薄帶（2）霧化技術(shù)）霧化技術(shù)1）氣體霧化法，工作原理如圖）氣體霧化法，工作原理如圖 所示。所示。熔化的合金液澆入漏包中經(jīng)過噴嘴霧化并在霧化室中進(jìn)熔化的合金液澆入漏包中經(jīng)過噴嘴霧化并在霧化室中進(jìn)一步破碎、凝固，最后在收集室中收集。一步破碎、凝固，最后在收集室中收集。霧化氣體進(jìn)人排氣

6、管，經(jīng)過濾后排出或循環(huán)使用。霧化氣體進(jìn)人排氣管，經(jīng)過濾后排出或循環(huán)使用。 高速氣流的主要作用是使液態(tài)金屬霧化成細(xì)小的顆粒。高速氣流的主要作用是使液態(tài)金屬霧化成細(xì)小的顆粒。霧化氣體可采用空氣、氮?dú)狻鍤饣蚝獾?，為了避免霧化氣體可采用空氣、氮?dú)?、氬氣或氦氣等，為了避免合金的氧化污染，通常采用保護(hù)性氣氛，特別是氬氣進(jìn)合金的氧化污染，通常采用保護(hù)性氣氛，特別是氬氣進(jìn)行氣體霧化。行氣體霧化。圖圖 氣體霧化設(shè)備工作原理圖氣體霧化設(shè)備工作原理圖1一一 細(xì)粉細(xì)粉 2一一 氣體氣體 3一一 氣源氣源 4 合金液合金液 5一真空感應(yīng)加熱器一真空感應(yīng)加熱器6一一 噴嘴噴嘴 7 霧化室霧化室 8一一 收集室收集室

7、9一一 粉末粉末 噴射沉積法可根據(jù)制件的需要設(shè)計基板的形狀和尺噴射沉積法可根據(jù)制件的需要設(shè)計基板的形狀和尺寸，從而獲得最終制件或近終形制件，因此更容易實現(xiàn)寸，從而獲得最終制件或近終形制件，因此更容易實現(xiàn)工業(yè)化生產(chǎn)。工業(yè)化生產(chǎn)。 該技術(shù)是由英國該技術(shù)是由英國Swansee大學(xué)大學(xué)singer于于70年代發(fā)明年代發(fā)明的，并很快在的，并很快在Osprey金屬有限公司實現(xiàn)工業(yè)化生產(chǎn)，目金屬有限公司實現(xiàn)工業(yè)化生產(chǎn)，目前已經(jīng)在許多國家得到廣泛應(yīng)用。前已經(jīng)在許多國家得到廣泛應(yīng)用。 （3）表面熔化與沉積技術(shù)）表面熔化與沉積技術(shù)1 沉積室沉積室2 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

8、合金液6一坩堝一坩堝 7 霧化氣體霧化氣體8 沉積體沉積體9 運(yùn)動機(jī)構(gòu)運(yùn)動機(jī)構(gòu) 10 排氣及取料窒排氣及取料窒圖圖 連續(xù)生產(chǎn)錠材的工藝原理圖連續(xù)生產(chǎn)錠材的工藝原理圖1感應(yīng)加熱坩堝感應(yīng)加熱坩堝2氣體霧化器（噴嘴）氣體霧化器（噴嘴）3圓柱沉積錠圓柱沉積錠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 圖圖 幾種激光表面熔化處理方法的工作原理圖幾種激光表面熔化處理方法的工作原理圖a）表面硬化）表面硬化 b）表面熔凝）表面熔凝 c）表面合金化）表面合金化 d）表面粘附）表面粘附 3、快速凝固的產(chǎn)物及其特征、快速凝固的產(chǎn)物及其特征快速凝固使金屬材料的快速凝固使金屬材料的結(jié)構(gòu)發(fā)生了前所未有的變化結(jié)構(gòu)發(fā)

9、生了前所未有的變化可形成具有可形成具有特殊性能的新材料特殊性能的新材料。 粗大的樹枝晶、共晶及其他顯微組織 細(xì)化的樹枝晶、共晶及其他顯微組織 擴(kuò)大的固溶極限、超細(xì)晶粒、無偏析 或少偏析、亞穩(wěn)相、直至非晶態(tài) 常規(guī)顯微組織 改善的顯微組織 新型顯微組織 受化學(xué)成分及 工藝因素影響 熔體 104 100 108 102 106 組 織 及 成 分 的 均 勻 性 冷卻速度/(Ks-1) （1） 形成過飽和固溶體形成過飽和固溶體將液態(tài)合金以將液態(tài)合金以高速急冷快速地穿過液高速急冷快速地穿過液/ /固兩相區(qū)固兩相區(qū)，就，就阻止了阻止了第二相第二相的生核和長大。使溶質(zhì)原子以的生核和長大。使溶質(zhì)原子以超常超

10、常規(guī)溶解度規(guī)溶解度陷在陷在相晶格中。相晶格中。表表 部分合金元素在部分合金元素在Al中平衡固溶度和擴(kuò)展固溶度（中平衡固溶度和擴(kuò)展固溶度（%）（2） 超細(xì)的晶粒度超細(xì)的晶粒度隨著冷卻速率的增大，晶粒尺寸減小，可以獲得隨著冷卻速率的增大，晶粒尺寸減小，可以獲得微晶甚至納米晶。微晶甚至納米晶?？焖倌毯辖鸨瘸Ｒ?guī)合金低幾個數(shù)量級的晶粒尺快速凝固合金比常規(guī)合金低幾個數(shù)量級的晶粒尺寸，一般為寸，一般為0.10 必須在固必須在固液界面前沿建立必要的溫度梯度液界面前沿建立必要的溫度梯度溫度梯度大小直接影響晶體生長速率和晶體質(zhì)量溫度梯度大小直接影響晶體生長速率和晶體質(zhì)量 000)1 (kDkmCRGLL圖圖 坩

11、堝下降單向凝固法生長裝置和溫度分布坩堝下降單向凝固法生長裝置和溫度分布a）裝置示意圖）裝置示意圖 b）溫度分布圖）溫度分布圖 高溫區(qū) 熔體 Tm 0 x x X X 0 晶體 低溫區(qū) 隔熱板 Tn T0 T a) b) 通過通過增大增大GS來增強(qiáng)固相的散熱強(qiáng)度，這是實際來增強(qiáng)固相的散熱強(qiáng)度，這是實際應(yīng)用中獲得應(yīng)用中獲得大的大的GL的重要途徑。同時，也會使的重要途徑。同時，也會使凝固速率凝固速率R增大。增大。 因此，常用因此，常用提高固提高固液界面前沿熔體的溫度液界面前沿熔體的溫度來達(dá)來達(dá)到提高到提高GL的目的。的目的。LmLSSLLRGG 2. 定向凝固的方法定向凝固的方法 1） 發(fā)熱劑法發(fā)熱

12、劑法 絕熱耐火材料箱中，底部水冷結(jié)晶器型殼上部蓋絕熱耐火材料箱中，底部水冷結(jié)晶器型殼上部蓋以發(fā)熱劑，金屬液處于高溫，建立自下而上的凝以發(fā)熱劑，金屬液處于高溫，建立自下而上的凝固條件。固條件。 無法調(diào)節(jié)凝固速率和溫度梯度，只能制備小的柱無法調(diào)節(jié)凝固速率和溫度梯度，只能制備小的柱狀晶鑄件，多用于磁鋼生產(chǎn)。狀晶鑄件，多用于磁鋼生產(chǎn)。2 2） 功率降低法功率降低法（P. DP. D法）法）鑄型加熱感應(yīng)圈分兩段鑄型加熱感應(yīng)圈分兩段鑄件在凝固過程中鑄件在凝固過程中不移動不移動。GL隨著凝固的距離增大而隨著凝固的距離增大而不斷減小。不斷減小。GL、R值都不值都不能人為地控制。能人為地控制。 3） 快速凝固法

13、快速凝固法（H. R. S法）法） 鑄型加熱器始終加熱，鑄型加熱器始終加熱，在凝固時，鑄件與加在凝固時，鑄件與加熱器之間產(chǎn)生熱器之間產(chǎn)生相對移相對移動動。 與與P. D法相比可以大法相比可以大大縮小凝固前沿兩相大縮小凝固前沿兩相區(qū)，局部冷卻速度增區(qū)，局部冷卻速度增大，有利于細(xì)化組織，大，有利于細(xì)化組織，提高機(jī)械性能。提高機(jī)械性能。 H. R. S法示意圖法示意圖2、定向凝固技術(shù)的應(yīng)用、定向凝固技術(shù)的應(yīng)用（1）柱狀晶的生長）柱狀晶的生長（一種順序凝固組織）（一種順序凝固組織）定向凝固典型應(yīng)用定向凝固典型應(yīng)用單晶制備單晶制備 由一個晶核長大而成的一大塊晶體叫由一個晶核長大而成的一大塊晶體叫單晶體單

14、晶體。 1 1、意義：、意義：由于完全消除了晶界，單晶體在高由于完全消除了晶界，單晶體在高溫力學(xué)、抗熱疲勞、抗熱腐蝕以及服役溫度等方溫力學(xué)、抗熱疲勞、抗熱腐蝕以及服役溫度等方面都具有更為優(yōu)異的性能，因而獲得了廣泛的應(yīng)面都具有更為優(yōu)異的性能，因而獲得了廣泛的應(yīng)用。用。 單晶是電子元件和激光元件的重要原料。金屬單晶是電子元件和激光元件的重要原料。金屬單晶也開始應(yīng)用于某些特殊場合如噴氣發(fā)動機(jī)葉單晶也開始應(yīng)用于某些特殊場合如噴氣發(fā)動機(jī)葉片等。片等。 2 2、基本原理：根據(jù)結(jié)晶理論，制備單晶的基本要求是液、基本原理：根據(jù)結(jié)晶理論，制備單晶的基本要求是液體結(jié)晶時只存在一個晶核，要嚴(yán)格防止另外形核。體結(jié)晶時

15、只存在一個晶核，要嚴(yán)格防止另外形核。為此為此，材料必須高度純凈以，材料必須高度純凈以限制形核限制形核；結(jié)晶速度必須非常緩；結(jié)晶速度必須非常緩慢以保證慢以保證定向生長定向生長。 3 3、制備方法：、制備方法：尖端形核法尖端形核法和和垂直提拉法垂直提拉法。 制備單晶體有兩種方法制備單晶體有兩種方法 1 1）尖端形核法）尖端形核法 模子尖端首先移出爐外緩慢冷卻，于尖端處產(chǎn)模子尖端首先移出爐外緩慢冷卻，于尖端處產(chǎn)生一個晶核。隨著模子向右緩慢移動，晶核向左生一個晶核。隨著模子向右緩慢移動，晶核向左定向生長成單晶體。定向生長成單晶體。 晶體內(nèi)容易產(chǎn)生晶體內(nèi)容易產(chǎn)生應(yīng)力或寄生形核，應(yīng)力或寄生形核，很少用于制備質(zhì)量很少用于制備質(zhì)量要求高的單晶。要求高的單晶。 將籽晶接觸熔體表面，在將籽晶接觸熔體表面，在籽晶籽晶與熔體間