第一章快速凝固技術(shù).備課講稿

1、1第第1章章 快速快速(kui s)凝固技術(shù)凝固技術(shù) 第一頁(yè)，共113頁(yè)。2前前 言言q快速凝固(nngg)1960年開始出現(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(shudun),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(ky)顯著地改善其組織結(jié)構(gòu)，充分挖掘其性能潛力，也可以(ky)研制在常規(guī)鑄造條件下無法得到的、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，不但開拓了一個(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第二頁(yè)，共113頁(yè)。

2、3內(nèi)內(nèi) 容容快速凝固快速凝固(nngg)概論概論快速凝固快速凝固(nngg)的物理冶金基礎(chǔ)的物理冶金基礎(chǔ)實(shí)現(xiàn)實(shí)現(xiàn)(shxin)快速凝固途徑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第三頁(yè)，共113頁(yè)。4（一）快速（一）快速(kui s)(kui s)凝固發(fā)展的由來凝固發(fā)展的由來1.1 1.1 快速凝固快速凝固(nngg)(nngg)概述概述 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(fngf)(fngf)直接成型產(chǎn)品外，幾乎所有的金屬

3、制品和構(gòu)件的生產(chǎn)都直接成型產(chǎn)品外，幾乎所有的金屬制品和構(gòu)件的生產(chǎn)都離不開鑄造。離不開鑄造。工業(yè)鑄造第四頁(yè)，共113頁(yè)。55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、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)生重要加工的進(jìn)行和最終產(chǎn)品的質(zhì)量產(chǎn)生重要(zhngyo)(zhngyo)的甚至是決的甚至是決定性的影響。定性的影響。常規(guī)鑄造中鑄件的凝固時(shí)間一般很長(zhǎng)，凝固過冷度很常規(guī)鑄造中鑄件的凝固時(shí)間一般很長(zhǎng)，凝固過冷度很小。小。常規(guī)(chnggu)鑄錠第五頁(yè)，共113頁(yè)。66合金凝固時(shí)的晶粒尺寸等微觀組織與凝固冷速或過冷度直合金凝固時(shí)的晶粒尺寸等微觀組織與凝固冷速或過

4、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)生一系列鑄造接相關(guān)，用常規(guī)鑄造工藝生產(chǎn)的鑄件不可避免產(chǎn)生一系列鑄造缺陷：缺陷：容易形成粗大的樹枝晶，并產(chǎn)生嚴(yán)重的晶內(nèi)偏析與晶界偏容易形成粗大的樹枝晶，并產(chǎn)生嚴(yán)重的晶內(nèi)偏析與晶界偏析；析；在較大的鑄錠與鑄件中，熔體在較大的鑄錠與鑄件中，熔體(rn t)(rn t)先從相對(duì)溫度較先從相對(duì)溫度較低、傳熱較快、與模壁接觸的外層開始凝固并相應(yīng)出現(xiàn)溶質(zhì)分低、傳熱較快、與模壁接觸的外層開始凝固并相應(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，從而在配，最后凝固的心部富含溶質(zhì)元素與低熔點(diǎn)雜質(zhì)元素，從而在較大尺度上出現(xiàn)宏觀偏析。較大尺度上出現(xiàn)宏觀偏析

5、。第六頁(yè)，共113頁(yè)。77采用常規(guī)鑄造工藝還容易出現(xiàn)縮孔、疏松、氣泡采用常規(guī)鑄造工藝還容易出現(xiàn)縮孔、疏松、氣泡(qpo)(qpo)、熱、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；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，上述問合金元素）會(huì)降低熔體的流動(dòng)性、充型能力和導(dǎo)熱性，上述問題更嚴(yán)重。題更嚴(yán)重。常規(guī)(chnggu)鑄造中的缺陷：縮孔和縮松第七頁(yè)，共113頁(yè)。88這些問題不僅使現(xiàn)有牌號(hào)合金的鑄造質(zhì)量和性能很難這些問

6、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：為進(jìn)一步提高合金的熱強(qiáng)度與工鎳基鑄造高溫合金：為進(jìn)一步提高合金的熱強(qiáng)度與工作溫度作溫度(wnd)(wnd)，必須增加合金中，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，并提高的固溶溫度的固溶溫度(wnd)(wnd)，但常規(guī)鑄造，但常規(guī)鑄造工藝下這將產(chǎn)生一些無法解決的問題。工藝下這將產(chǎn)生一些無法解決的問題。高溫(gown)鎳基合金第八頁(yè)，共113頁(yè)。99Fe-Si軟磁合金：含軟磁合金：含

7、Si較高的較高的Fe-6.5wtSi合金的軟磁性能合金的軟磁性能比含比含Si少的合金好，但采用常規(guī)鑄造工藝無法少的合金好，但采用常規(guī)鑄造工藝無法(wf)將將Fe-6.5wtSi合金熱軋成合金熱軋成0.3mm厚的芯片，只能采用鑄造厚的芯片，只能采用鑄造和加工性能較好的和加工性能較好的Fe-3wtSi合金制作變壓器芯片，使合金制作變壓器芯片，使變壓器性能受到很大影響。變壓器性能受到很大影響。 鐵硅軟磁合金第九頁(yè)，共113頁(yè)。1010只有突破傳統(tǒng)工藝的限制，采用新的技術(shù)只有突破傳統(tǒng)工藝的限制，采用新的技術(shù)(jsh)(jsh)才有可能研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。制出少含甚至不含

8、這些戰(zhàn)略元素的新型合金。在研制新型合金材料的過程中，人們不僅從單純的調(diào)整改變?cè)谘兄菩滦秃辖鸩牧系倪^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)合金成分著手，也把研究生產(chǎn)合金的新技術(shù)(jsh)(jsh)提上了議事日提上了議事日程。程?？焖倌碳夹g(shù)快速凝固技術(shù)(jsh)(jsh)正是在這樣的背景下出現(xiàn)并很快得到了正是在這樣的背景下出現(xiàn)并很快得到了迅速的發(fā)展。迅速的發(fā)展。第十頁(yè)，共113頁(yè)。1111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)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)的過冷度和凝固速度很小。重缺陷的主要原因是合金凝

9、固時(shí)的過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時(shí)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)的過冷度，從而提高凝固速度：的過冷度，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)或熔體淬火急冷凝固技術(shù)或熔體淬火(cu hu)(cu hu)技技術(shù)；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冷技術(shù)。大過冷技術(shù)。第十一頁(yè)，共113頁(yè)。12定義定義1 1：從液態(tài)：從液態(tài)(yti)(yti)到固態(tài)的冷卻速度大于某一臨界冷卻到固態(tài)的冷卻速度大于某一臨界冷卻速率的凝固過程（速率的凝固過程（105/s105/s）。）。定義定義2 2：由液相到固相

10、的相變過程進(jìn)行得非常快，從而獲得：由液相到固相的相變過程進(jìn)行得非常快，從而獲得普通鑄件和鑄錠無法獲得的成分、相結(jié)構(gòu)和顯微結(jié)構(gòu)的凝固過普通鑄件和鑄錠無法獲得的成分、相結(jié)構(gòu)和顯微結(jié)構(gòu)的凝固過程。程。 定義定義3 3：快速凝固是指采用急冷技術(shù)或深過冷技術(shù)獲得很高：快速凝固是指采用急冷技術(shù)或深過冷技術(shù)獲得很高的凝固前沿推進(jìn)速率的凝固過程。的凝固前沿推進(jìn)速率的凝固過程。 快速(kui s)凝固的定義第十二頁(yè)，共113頁(yè)。1313（1）細(xì)化凝固組織，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)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，依次距離的增加，依次(y

11、c)為等軸晶、柱狀晶與樹枝為等軸晶、柱狀晶與樹枝晶。晶。 快速凝固材料(cilio)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)第十三頁(yè)，共113頁(yè)。1414 (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)制水冷方式第十四頁(yè)，共113頁(yè)。1515 快速凝固合金的晶粒尺寸很小，而且十分均勻，一般平均快速凝固合金的晶粒尺寸很小，而且十分均勻，一般平均晶粒尺寸為晶粒尺寸為mm左右左右(zuyu)(zuyu)，快速凝固時(shí)過冷度較大，大大提高形

12、核率；快速凝固時(shí)過冷度較大，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)，相、有快速凝固晶態(tài)合金的晶粒尺寸明顯減小的同時(shí)，相、有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的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的減小。減小。第十五頁(yè)，共113頁(yè)。1616（2）快速凝固可使合金成分均勻化，偏析減小。）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)凝固時(shí)間極短，凝固時(shí)

13、溶質(zhì)(rngzh)分配很少，成分配很少，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。程度大大減小。快速凝固材料的主要微觀(wigun)組織第十六頁(yè)，共113頁(yè)。1717通常用樹枝晶偏析的二次枝晶臂間距通常用樹枝晶偏析的二次枝晶臂間距(jin j)(jin j)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)合金的幾毫米志，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到幾十微米減小到0.10-0.25m0.10-0.25m。冷速（冷速（K/s）凝固工藝凝固工藝產(chǎn)品厚度產(chǎn)品厚

14、度10-6-10-3大砂模鑄件或鑄錠大砂模鑄件或鑄錠6m0.5-5mm10-3-10標(biāo)準(zhǔn)鑄件或鑄錠標(biāo)準(zhǔn)鑄件或鑄錠0.2-6m50-500m10-103常規(guī)模鑄或霧化常規(guī)模鑄或霧化6-20mm5-50m103-106快速凝固霧化快速凝固霧化0.2-6mm0.5-5m106-109熔淬熔淬6-200m0.05-0.5m常規(guī)常規(guī)(chnggu)鑄態(tài)合金和快速凝固合金的冷速和平均枝晶臂間鑄態(tài)合金和快速凝固合金的冷速和平均枝晶臂間距距第十七頁(yè)，共113頁(yè)。1818（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)合金相比與鑄態(tài)合金相比(xin b)，快速凝固合金中的空，快速凝固合金中的空

15、位、位錯(cuò)等缺陷密度有較大增加。位、位錯(cuò)等缺陷密度有較大增加。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)小得多，其空位濃度比固態(tài)合金高得多，快速凝固時(shí)大部分空位來不及析出而留在固態(tài)合金中；大部分空位來不及析出而留在固態(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。，因而快速凝固合金一般有很高的空位濃度?？焖倌滩牧系闹饕⒂^(wigun)組織第十八頁(yè)，共113頁(yè)。1919合金在快速凝固過程中受到較大的熱應(yīng)力，空位合金在快速凝

16、固過程中受到較大的熱應(yīng)力，空位(kn (kn wi)wi)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)生重要這些特點(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。影響。 第十九頁(yè)，共113頁(yè)。2020（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

17、由下吉布斯自由(zyu)(zyu)能比穩(wěn)定相或平衡相高的相，但能比穩(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)境作用下經(jīng)過熱激相或其它亞穩(wěn)相，而是必須在外界環(huán)境作用下經(jīng)過熱激活越過勢(shì)壘才能轉(zhuǎn)變成穩(wěn)定相或其它亞穩(wěn)相?；钤竭^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?？焖倌?nngg)材料的主要微觀組織第二十頁(yè)，共113頁(yè)。2121利用從穩(wěn)定

18、相利用從穩(wěn)定相亞穩(wěn)相亞穩(wěn)相穩(wěn)定相穩(wěn)定相的相變過程，在不用改變的相變過程，在不用改變合金合金(hjn)(hjn)成分的條件下可以使穩(wěn)定相成分的條件下可以使穩(wěn)定相I I的微觀組織形態(tài)得到很大改的微觀組織形態(tài)得到很大改善，提高合金善，提高合金(hjn)(hjn)的性能，這比設(shè)計(jì)、研制一種新成分的合金的性能，這比設(shè)計(jì)、研制一種新成分的合金(hjn)(hjn)容易得多。容易得多。金屬材料中的許多亞穩(wěn)相都具有穩(wěn)定相所沒有的優(yōu)良微觀組織金屬材料中的許多亞穩(wěn)相都具有穩(wěn)定相所沒有的優(yōu)良微觀組織結(jié)構(gòu)和性能，只要在使用狀態(tài)下不存在使亞穩(wěn)相穩(wěn)定化轉(zhuǎn)變的熱激活結(jié)構(gòu)和性能，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

19、條件，就可以長(zhǎng)期使用主要由亞穩(wěn)相組成的材料。條件，就可以長(zhǎng)期使用主要由亞穩(wěn)相組成的材料。 第二十一頁(yè)，共113頁(yè)。22（1）力學(xué)性能。）力學(xué)性能。 由于快速由于快速(kui s)凝固組織具有良好的晶界強(qiáng)化和韌化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)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，因而改善了合金的強(qiáng)度、韌性和延性。生，因而改善了合金的強(qiáng)度、韌性和延性。（2）物理性能。）物理性能。 快速快速(kui s)凝固組織的微觀組織結(jié)構(gòu)特點(diǎn)，使它們具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)組織所沒有的特殊物理性能。有一些常規(guī)鑄態(tài)

20、組織所沒有的特殊物理性能。快速凝固(nngg)的性能特點(diǎn)第二十二頁(yè)，共113頁(yè)。23快速快速(kui s)凝固的條件凝固的條件實(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/ /固相變固相變時(shí)有極高的熱導(dǎo)出速度。時(shí)有極高的熱導(dǎo)出速度。依靠輻射散熱，對(duì)于直徑依靠輻射散熱，對(duì)于直徑(zhjng)(zhjng)為為1m1m，溫度為，溫度為10001000的金屬液滴，獲得的極限冷卻速率只有的金屬液滴，獲得的極限冷卻速率只有103K/s103K/s，可見冷，可見冷卻速度不高；卻速度不高；通過對(duì)流傳熱，將導(dǎo)熱良好的氫或氦以高速流過厚度為通過對(duì)流傳熱，將導(dǎo)熱良好的氫或氦

21、以高速流過厚度為5m5m的試樣，獲得的極限冷速為的試樣，獲得的極限冷速為1 110421042104 K/s104 K/s；要獲得高于要獲得高于106 K/s106 K/s的冷速，只能借助于熱傳導(dǎo)。的冷速，只能借助于熱傳導(dǎo)。第二十三頁(yè)，共113頁(yè)。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(bx)(bx)良好接觸；良好接觸；液體層必須液體層必須(bx)(bx)很?。缓鼙?；液體與鑄型表面從開始接觸至凝固完了時(shí)間要盡可能短。液體與鑄型表面從開始接觸至凝固完了時(shí)間要盡可能短。第二十四頁(yè)，共113頁(yè)。251.2 1.2

22、快速凝固的物理快速凝固的物理(wl)(wl)冶金冶金基礎(chǔ)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(zh xn)散熱熱量 第二十五頁(yè)，共113頁(yè)。26（一）定向(dn xin)凝固過程的傳熱213qqq 熱流密度q1和q2與結(jié)晶(jijng)潛熱釋放率之間滿足熱平衡方程:（1-1） 第二十六頁(yè)，共113頁(yè)。27 根據(jù)傅里葉導(dǎo)熱(dor)定律知1LTLqG（1-2） 2STSqG（1-3）3ssqhv （1-4） 式中,L,S分別為液相和固相的導(dǎo)熱率GTL,GTS分別為凝固界面附近液和固

23、相中的溫度梯度；h為結(jié)晶潛熱，也稱為凝固潛熱；VS為凝固速度(sd)；S為固相密度。第二十七頁(yè)，共113頁(yè)。28 將式（1-2）至式（1-4）帶入式（1-1）則可求得凝固(nngg)速度為：STSLTLSSGGvh（1-5） （1-5） 第二十八頁(yè)，共113頁(yè)。29（二）體積(tj)凝固過程的傳熱假定液相在凝固過程中內(nèi)部熱阻可忽略不計(jì)，溫度始終是均假定液相在凝固過程中內(nèi)部熱阻可忽略不計(jì)，溫度始終是均勻的，凝固過程釋放勻的，凝固過程釋放(shfng)的熱量通過鑄型均勻散出，其熱的熱量通過鑄型均勻散出，其熱平衡條件可表示為平衡條件可表示為123QQQ (1-6) 式中式中,Q1,Q1為鑄型吸收的熱

24、量為鑄型吸收的熱量;Q2;Q2為鑄件降溫釋放的物理熱為鑄件降溫釋放的物理熱;Q3;Q3為凝固為凝固(nngg)(nngg)過程放出的結(jié)晶潛熱；過程放出的結(jié)晶潛熱；第二十九頁(yè)，共113頁(yè)。30 Q1，Q2，Q3可如下(rxi)求出 式中，A為鑄型與鑄件的界面面積； q為界面熱流密度；VC為冷卻速度 ， 為負(fù)值；VSV為體積凝固速度， ；V為鑄件體積； h為結(jié)晶潛熱；S、L、 分別為固相密度、液相密度及平均密度；CS、CL分別為固相、液相的質(zhì)量熱容； 分別為固相體積分?jǐn)?shù)和液相體積分?jǐn)?shù)。 1QqA (1-7) 2()CSSSLL LQvVCC3SVQv Vh (1-8)(1-9) /CvdTd/SV

25、SvddSL、第三十頁(yè)，共113頁(yè)。31 近似近似(jn s)(jn s)取取 , , , ,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: :SLSLCCC1SL+()SVCqvhcvM (1-10)/MVA式中，式中， 為鑄件為鑄件(zhjin)模數(shù)。模數(shù)。第三十一頁(yè)，共113頁(yè)。321 1、急冷法（熔體急冷技術(shù)）、急冷法（熔體急冷技術(shù)） 凝固速率是由凝固潛熱及物理熱的導(dǎo)出速率控凝固速率是由凝固潛熱及物理熱的導(dǎo)出速率控制的。制的。通過提高鑄型的導(dǎo)熱能力，增大熱流的導(dǎo)出速率可通過提高鑄型的導(dǎo)熱能力，增大熱流的導(dǎo)出速率可使凝使凝固界面快速推進(jìn)，實(shí)現(xiàn)

26、固界面快速推進(jìn)，實(shí)現(xiàn)(shxin)(shxin)快速凝固?？焖倌?。在忽略液相過熱的條件下，單向凝固速率在忽略液相過熱的條件下，單向凝固速率R R取決于固取決于固相相中的溫度梯度中的溫度梯度GS GS 。1.3 1.3 實(shí)現(xiàn)快速凝固實(shí)現(xiàn)快速凝固(nngg)(nngg)的途徑的途徑第三十二頁(yè)，共113頁(yè)。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(jimin)溫溫度度Ti決定的。決定的。 hGRSSS單向凝固速率與導(dǎo)熱條件單向凝固速率與導(dǎo)熱

27、條件(tiojin)的關(guān)系的關(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第三十三頁(yè)，共113頁(yè)。34對(duì)凝固對(duì)凝固(nngg)層內(nèi)的溫度分布作線性近似，則得出層內(nèi)的溫度分布作線性近似，則得出 提高凝固提高凝固(nngg)速率：速率：選用熱導(dǎo)率選用熱導(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凝凝固固(nngg)層；層；內(nèi)部熱阻（內(nèi)部熱阻（/S）隨凝固）隨凝固(nngg)層厚度層厚度的增大而的增大而迅速提高，導(dǎo)致凝固迅速提高，導(dǎo)致凝固(nngg)速率下降。

28、速率下降。因此，快速凝固因此，快速凝固(nngg)只能在小尺寸試件中實(shí)現(xiàn)。只能在小尺寸試件中實(shí)現(xiàn)。 iKsSTThR第三十四頁(yè)，共113頁(yè)。351 12 23 34 45 56 67 78 89 91 1 0 0 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(tngm)；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-鋁箔鋁箔第三十五頁(yè)，共113頁(yè)。36急冷凝固急冷凝固(nngg)技術(shù)的基本原理技術(shù)的基本原理或改變?nèi)垠w形狀，或分散熔體，避免大量熔化潛熱或改變?nèi)?/p>

29、體形狀，或分散熔體，避免大量熔化潛熱(qinr)(qinr)集中釋放，并改善熔體與冷卻介集中釋放，并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)到快冷和快凝的目的質(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 。急冷凝固技術(shù)的設(shè)備急冷凝固技術(shù)的設(shè)備(shbi)組組成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

30、體，但熔體，但“分割分割”不不強(qiáng)烈，熔化潛熱多集中釋放強(qiáng)烈，熔化潛熱多集中釋放在不同的急冷方法中，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）ABC第三十六頁(yè)，共113頁(yè)。37急冷凝固技術(shù)(jsh)中獲得高冷速的基本原則設(shè)法減少設(shè)法減少(jinsho)同一時(shí)刻凝固的熔體體積同一時(shí)刻凝固的熔體體積設(shè)法增大熔體設(shè)法增大熔體(rn t)散熱表面積與體積之比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

31、盡可能主要以傳導(dǎo)方式散熱第三十七頁(yè)，共113頁(yè)。382 2、深過冷法、深過冷法指通過各種有效的凈化手段避免或消除金屬或合金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)金屬或合金屬或合金液獲得液獲得(hud)(hud)在常規(guī)凝固條件下難以達(dá)到的過冷在常規(guī)凝固條件下難以達(dá)到的過冷度。度。上述快速凝固是通過提高熱傳導(dǎo)速率實(shí)現(xiàn)的，由于上述快速凝固是通過提高熱傳導(dǎo)速率實(shí)現(xiàn)的，由于試樣內(nèi)部試樣內(nèi)部熱阻的限制，只能在薄膜及小尺寸顆粒中實(shí)現(xiàn)。熱阻的限制，只能在薄膜及小尺寸顆粒中實(shí)現(xiàn)。第三十八頁(yè)，共113頁(yè)。3

32、9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(tjng)-(tjng)-降低凝固過程中的潛熱導(dǎo)出降低凝固過程中的潛熱導(dǎo)出量量 通過抑制凝固過程的形核，使合金液獲得很大的過冷通過抑制凝固過程的形核，使合金液獲得很大的過冷度，使凝固過程釋放的潛熱度，使凝固過程釋放的潛熱hh被過冷熔體吸收，可以獲得被過冷熔體吸收，可以獲得很大的凝固速率。很大的凝固速率。過冷度為過冷度為TSTS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可表可表示為示為 ：STchh第三十九頁(yè)，共113頁(yè)。40 在式中用在式中用h取代取代h可知，凝固速率隨過冷度可知，凝固速率隨過冷度TS的增大的

33、增大(zn d)而增大而增大(zn d)。 當(dāng)當(dāng)h=0，即，即時(shí)，凝固潛熱完全被過冷熔體所吸收，試件可在無熱流導(dǎo)時(shí)，凝固潛熱完全被過冷熔體所吸收，試件可在無熱流導(dǎo)出的條件下完成凝固過程。出的條件下完成凝固過程。 由上式所定義的過冷度由上式所定義的過冷度TS稱為單位過冷度。稱為單位過冷度。經(jīng)過特殊凈化處理的大體積液態(tài)金屬的快速凝固等都是深經(jīng)過特殊凈化處理的大體積液態(tài)金屬的快速凝固等都是深過冷快速凝固技術(shù)的范例。過冷快速凝固技術(shù)的范例。 chTTSS*第四十頁(yè)，共113頁(yè)。413 3、定向、定向(dn(dn xin xin) )凝固法凝固法l定向凝固是使熔融合金沿著與熱流方向相反的方向按要求定向凝

34、固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。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：l 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 l 2）晶體生長(zhǎng)前方的溶液中沒有穩(wěn)定的結(jié)晶核心）晶體生長(zhǎng)前方的溶液中沒有穩(wěn)定的結(jié)晶核心l措施：措施：l 1）避免側(cè)向）避免側(cè)向(c xin)散熱；散熱；l 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。第四十一頁(yè)，共113頁(yè)。421.4 1.4 快速凝固快速凝固(nngg)(nngg)制制備工藝備工藝1.4.1 1.4

35、.1 霧化霧化(w hu)(w hu)技術(shù)技術(shù) （一）流體（一）流體(lit)(lit)霧化霧化 （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) 第四十二頁(yè)，共113頁(yè)。43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(氣體或液體氣體或液體(yt)沖擊力等外力作用下分散破碎成尺寸極細(xì)小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，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。凝固后成呈粉末。霧化霧化(

36、w hu)法不是一個(gè)很新穎的技術(shù)，但卻是工業(yè)生產(chǎn)中最常見的快法不是一個(gè)很新穎的技術(shù)，但卻是工業(yè)生產(chǎn)中最常見的快凝方法凝方法 。霧化(w hu)技術(shù)第四十三頁(yè)，共113頁(yè)。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)高速旋轉(zhuǎn)(xunzhun)筒霧化法、滾筒霧化法、穿孔旋轉(zhuǎn)筒霧化法、滾筒霧化法、穿孔旋轉(zhuǎn)(xunzhun)杯法、旋轉(zhuǎn)杯法、旋轉(zhuǎn)(xunzhun)離心霧化法、快速凝固霧化法離心霧化法、快速凝固霧化法、真空霧化法、旋轉(zhuǎn)、真空霧化法、旋轉(zhuǎn)(xunzhun)電極霧化法、雙軋輥霧化法、電電極霧化法、雙軋輥霧化法、電流

37、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：（根據(jù)熔煉主要工藝方法：（根據(jù)熔煉(rn lin)方法、分離方式、冷卻介方法、分離方式、冷卻介質(zhì)和冷卻形式不盡相同）質(zhì)和冷卻形式不盡相同） 產(chǎn)品形式：粉末、碎片產(chǎn)品形式：粉末、碎片(su pin)、箔片、箔片第四十四頁(yè)，共113頁(yè)。451、氣體、氣體(qt)霧化法霧化法過程：兩束或多束氣體射流介質(zhì)過程：兩束或多束氣體射流介質(zhì)(jizh)傳遞動(dòng)傳遞動(dòng)能，將金屬液流破碎，細(xì)小的液滴在飛行中通能，將金屬液流破碎，細(xì)小的液滴在飛行中通過對(duì)流或輻射散熱凝固成粉過對(duì)流或輻射散熱凝固成粉（一）流體（一）流體(lit)(lit)霧化霧化工

38、藝參數(shù)：射流距離、射流壓力、噴嘴結(jié)構(gòu)、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、金屬過熱度、氣氣體和金屬流速和質(zhì)量流率、金屬過熱度、氣液交匯角、金屬表面張力和金屬融化溫度范圍液交匯角、金屬表面張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尺寸和粉末多成球形。凝固冷速取決于顆粒尺寸和霧化介質(zhì)的類型，通常，尺寸愈小，氣體愈霧化介質(zhì)的類型，通常，尺寸愈小，氣體愈輕，冷速愈高輕，冷速愈高第四十五頁(yè)，共113頁(yè)。462、水霧化、水

39、霧化(w hu)法（法（Water Atomization）以水射流以水射流(shli)(shli)代替氣體代替氣體射流射流(shli)(shli)外，其余與氣外，其余與氣體霧化相似體霧化相似 顆粒顆粒(kl)(kl)多呈不規(guī)則形，但多呈不規(guī)則形，但冷速可達(dá)冷速可達(dá)102-104K/s 102-104K/s 已被大規(guī)模應(yīng)用于工具鋼、低合已被大規(guī)模應(yīng)用于工具鋼、低合金鋼、銅、錫、鐵粉等等（水霧化金鋼、銅、錫、鐵粉等等（水霧化鋼和超合金鋼和超合金, ,活潑元素易氧化，活潑元素易氧化，O%1000ppmO%1000ppm，而氣體霧化，而氣體霧化，O%100ppmO%100ppm）有時(shí)，也可以油代水）

40、有時(shí)，也可以油代水，以降，以降O%O% 第四十六頁(yè)，共113頁(yè)。473、超聲氣體、超聲氣體(qt)霧化法（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，只不過是霧化氣體射流速度氣體霧化，只不過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)氣體霧化射流以常規(guī)氣體霧化射流以連續(xù)連續(xù)(linx)(linx)方式流動(dòng)，而超聲霧化方式流動(dòng)，而超聲霧化射流則以射流則以80-100Hz80-100Hz的頻率振動(dòng)。的頻率振動(dòng)

41、。) ) 高速高頻氣流由裝配高速高頻氣流由裝配(zhungpi)(zhungpi)在在霧化噴嘴上的激波管產(chǎn)生霧化噴嘴上的激波管產(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），平均冷速），粒度均勻（尺寸分布窄），平均冷速可達(dá)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 第四十七頁(yè)，共113頁(yè)。48（二）（二） 離心離心(lxn)(lxn)霧化技術(shù)霧化技術(shù)l液態(tài)金屬在高速旋轉(zhuǎn)的容器（盤、杯、坩堝、平板或凹板）的邊緣液態(tài)金屬在高速旋轉(zhuǎn)的容器（盤、杯、坩堝、平板或凹板

42、）的邊緣(binyun)(binyun)上破碎、霧化的技術(shù)。液態(tài)金屬?gòu)嫩釄寤驈娜刍哪负辖鸢舳松掀扑?、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，在離心力的作用下，熔融金屬被甩向容器邊緣澆注到旋轉(zhuǎn)器上，在離心力的作用下，熔融金屬被甩向容器邊緣(binyun)(binyun)霧化，噴射出金屬霧滴，霧滴在飛行過程中球化并凝固。整個(gè)霧化，噴射出金屬霧滴，霧滴在飛行過程中球化并凝固。整個(gè)過程（熔化、霧化、凝固）在惰性氣體環(huán)境中完成過程（熔化、霧化、凝固）在惰性氣體環(huán)境中完成第四十八頁(yè)，共113頁(yè)。491、快速凝固、快速凝固(nngg)霧化法霧化法l液流自坩堝底澆至高速旋轉(zhuǎn)的水冷水平盤

43、液流自坩堝底澆至高速旋轉(zhuǎn)的水冷水平盤，液態(tài)金屬，液態(tài)金屬(jnsh)(jnsh)被機(jī)械打碎、霧化被機(jī)械打碎、霧化，從旋轉(zhuǎn)盤邊緣甩出，液滴在飛行過程中，從旋轉(zhuǎn)盤邊緣甩出，液滴在飛行過程中凝固凝固 旋轉(zhuǎn)離心旋轉(zhuǎn)離心(lxn)霧化的一種，又稱快速凝固速率霧化的一種，又稱快速凝固速率離心離心(lxn)霧化工藝，霧化工藝，（Rapidly Solidification Rate-Centrifugal Atomization Process）l可加氦氣流噴吹，加速冷卻，（水流等亦然可加氦氣流噴吹，加速冷卻，（水流等亦然），也防氧化。也有人已螺旋槳代平盤），也防氧化。也有人已螺旋槳代平盤 l粉末多呈球形，

44、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 第四十九頁(yè)，共113頁(yè)。502、離心、離心(lxn)霧化法霧化法l靜止電極和帶電靜止電極和帶電(di (di din)din)旋轉(zhuǎn)坩堝之間產(chǎn)生電旋轉(zhuǎn)坩堝之間產(chǎn)生電弧，熔化金屬弧，熔化金屬 l在離心力作用下，熔融金屬在離心力作用下，熔融金屬被甩出坩堝邊緣霧化，并噴射被甩出坩堝邊緣霧化，并噴射出金屬液態(tài)出金屬液態(tài)(yti)(yti)顆粒顆粒 第五十頁(yè)，共113頁(yè)。513、激光自旋、激光自旋(z xun)霧化霧化l與與Pratt

45、& Whitney工藝相似，只是采用高能激光束熔化快速轉(zhuǎn)動(dòng)的工藝相似，只是采用高能激光束熔化快速轉(zhuǎn)動(dòng)的料棒，靠離心力甩出的在碰到容器壁之前被氦氣流冷卻。通過控制料棒，靠離心力甩出的在碰到容器壁之前被氦氣流冷卻。通過控制旋轉(zhuǎn)速率旋轉(zhuǎn)速率(sl)和氣流，可得不同直徑、冷速的粉末和氣流，可得不同直徑、冷速的粉末 l液滴多凝固成球形顆粒，也會(huì)有以針狀物形式液滴多凝固成球形顆粒，也會(huì)有以針狀物形式(xngsh)存在。存在。m粉冷速達(dá)粉冷速達(dá) l已用于生產(chǎn)鈦合金粉已用于生產(chǎn)鈦合金粉 l優(yōu)點(diǎn)在于：高能激光束產(chǎn)生高過熱度，可使第二相顆粒充分溶解；區(qū)優(yōu)點(diǎn)在于：高能激光束產(chǎn)生高過熱度，可使第二相顆粒充分溶

46、解；區(qū)域性熔化，霧化中的污染可限制到最低水平域性熔化，霧化中的污染可限制到最低水平 第五十一頁(yè)，共113頁(yè)。524、旋轉(zhuǎn)、旋轉(zhuǎn)(xunzhun)電極霧化法電極霧化法l欲被霧化的棒料快速旋轉(zhuǎn)，同時(shí)棒料一端被一個(gè)欲被霧化的棒料快速旋轉(zhuǎn)，同時(shí)棒料一端被一個(gè)非自耗鎢電極產(chǎn)生的電弧熔化，融化非自耗鎢電極產(chǎn)生的電弧熔化，融化(rnghu)(rnghu)的金屬?gòu)男羯纤Τ?，在與惰性氣體室室壁碰撞的金屬?gòu)男羯纤Τ?，在與惰性氣體室室壁碰撞之前凝固，成粉之前凝固，成粉 l粉末粉末(fnm)(fnm)多呈球形，表面質(zhì)量好，多呈球形，表面質(zhì)量好，尺寸大，大于尺寸大，大于200m200m，冷速，冷速1010 l已用于

47、霧化活潑的金屬，如高純、低氧的、已用于霧化活潑的金屬，如高純、低氧的、等金屬及其合金，以及、等金屬及其合金，以及和的超合金。易出現(xiàn)鎢污染，可用鈦陰極和的超合金。易出現(xiàn)鎢污染，可用鈦陰極或等離子體弧、激光、電子束來熔化棒料或等離子體弧、激光、電子束來熔化棒料 第五十二頁(yè)，共113頁(yè)。535、穿孔、穿孔(chunkng)旋轉(zhuǎn)杯法旋轉(zhuǎn)杯法l熔融金屬澆至一個(gè)旋轉(zhuǎn)深杯中，熔融金屬澆至一個(gè)旋轉(zhuǎn)深杯中，杯四周穿孔，離心力使熔融金屬杯四周穿孔，離心力使熔融金屬穿過穿過(chun u)孔洞流出，在飛孔洞流出，在飛行中破碎，凝固行中破碎，凝固 l粉末粉末(fnm)多呈米粒形，針狀多呈米粒形，針狀，冷速低，只有，冷

48、速低，只有 l已可連續(xù)生產(chǎn)板材，多用于生產(chǎn)已可連續(xù)生產(chǎn)板材，多用于生產(chǎn)低熔點(diǎn)合金板，如鋁、鉛、鋅等低熔點(diǎn)合金板，如鋁、鉛、鋅等 第五十三頁(yè)，共113頁(yè)。541、雙軋輥、雙軋輥(zhgn)霧化法霧化法 利用兩個(gè)反向高速旋轉(zhuǎn)輥輪將金利用兩個(gè)反向高速旋轉(zhuǎn)輥輪將金屬液流霧化。經(jīng)過雙輥時(shí)需防凝固屬液流霧化。經(jīng)過雙輥時(shí)需防凝固(nngg)(nngg)（用碳涂層包裹兩輥）（用碳涂層包裹兩輥），液態(tài)金屬?gòu)妮佅路脚懦?，形成渦，液態(tài)金屬?gòu)妮佅路脚懦?，形成渦凹，并以液滴形式甩出，并迅速落凹，并以液滴形式甩出，并迅速落入水浴，凝固入水浴，凝固(nngg) (nngg) 將熔體液流在兩個(gè)將熔體液流在兩個(gè)(lin(lin

49、 )反向旋轉(zhuǎn)的導(dǎo)熱軋輥之間軋制，熔體液流垂直下落在兩輥之反向旋轉(zhuǎn)的導(dǎo)熱軋輥之間軋制，熔體液流垂直下落在兩輥之間，可制備間，可制備mm的薄片，冷速達(dá)。精控工藝參數(shù)，可制備非常長(zhǎng)的的薄片，冷速達(dá)。精控工藝參數(shù)，可制備非常長(zhǎng)的薄帶薄帶（三）機(jī)械霧化技術(shù)（三）機(jī)械霧化技術(shù) 冷速達(dá)冷速達(dá)，可，可制備金屬薄片、箔以及不規(guī)則或制備金屬薄片、箔以及不規(guī)則或球形顆粒。效率低球形顆粒。效率低 第五十四頁(yè)，共113頁(yè)。551、真空、真空(zhnkng)霧化法霧化法 （Vacuum Atomization）又稱可溶氣體又稱可溶氣體(qt)(qt)霧化霧化 l坩堝內(nèi)液態(tài)金屬在壓力下過飽坩堝內(nèi)液態(tài)金屬在壓力下過飽和溶解和

50、溶解(rngji)(rngji)氣體（氮、氣體（氮、氬、氫等），突然向真空開放，氬、氫等），突然向真空開放，氣體膨脹，脫溶，金屬霧化氣體膨脹，脫溶，金屬霧化 （四）其它霧化技術(shù)（四）其它霧化技術(shù) l用氫霧化、用氫霧化、o o、和基合金，粉末多呈球形和基合金，粉末多呈球形，表面潔凈，純度高，但冷速，表面潔凈，純度高，但冷速低，低， 第五十五頁(yè)，共113頁(yè)。562 2、電子束急冷法（）、電子束急冷法（）慢速旋轉(zhuǎn)的柱狀棒料由幾束電子束逐滴熔化，液慢速旋轉(zhuǎn)的柱狀棒料由幾束電子束逐滴熔化，液滴 滴 入 旋 轉(zhuǎn) 盤 中 央 ， 甩 出 ， 撞 水 冷 銅 模滴 滴 入 旋 轉(zhuǎn) 盤 中 央 ， 甩 出 ，

51、撞 水 冷 銅 模(tngm)(tngm)，急冷，折射，急冷，折射有時(shí)有時(shí)(yush)也稱電子束旋轉(zhuǎn)盤法，把歸屬于霧化技術(shù)也稱電子束旋轉(zhuǎn)盤法，把歸屬于霧化技術(shù)電子束急冷法，控制基底電子束急冷法，控制基底(j d)(j d)角度和角度和旋轉(zhuǎn)速度，使液滴落入旋轉(zhuǎn)盤后，在高角速旋轉(zhuǎn)速度，使液滴落入旋轉(zhuǎn)盤后，在高角速度和離心力的作用下，拉長(zhǎng)成薄片度和離心力的作用下，拉長(zhǎng)成薄片電子束急冷法不需要任何形式的坩堝，是在真電子束急冷法不需要任何形式的坩堝，是在真空條件下用電子束聚焦后加熱垂直懸掛的合金空條件下用電子束聚焦后加熱垂直懸掛的合金棒下端，被加熱的部分熔化后在重力作用下滴棒下端，被加熱的部分熔化后在重

52、力作用下滴到沿合金棒為軸心的高速旋轉(zhuǎn)的銅盤上冷凝成到沿合金棒為軸心的高速旋轉(zhuǎn)的銅盤上冷凝成箔片，并在離心力作用下甩出?？杀苊夂辖鹞鄄?，并在離心力作用下甩出?？杀苊夂辖鹞廴救静穸扰c冷速主要由銅盤旋轉(zhuǎn)速率決定。片厚和冷速可通過轉(zhuǎn)速來控制，箔片厚度與冷速主要由銅盤旋轉(zhuǎn)速率決定。片厚和冷速可通過轉(zhuǎn)速來控制，典型冷速可達(dá)典型冷速可達(dá)，甚至達(dá)，甚至達(dá)10107 7 /s /s 第五十六頁(yè)，共113頁(yè)。573 3、高速旋轉(zhuǎn)筒霧化、高速旋轉(zhuǎn)筒霧化(w hu)(w hu)法（法（Rapidly Spinning Cup, RSCRapidly Spinning Cup, RSC）又稱快速又稱快速(kui

53、s)自旋杯法自旋杯法l熔融金屬熔融金屬(jnsh)顆粒落入裝了旋轉(zhuǎn)液體（水）的杯中，液體在內(nèi)壁成液體層，提顆粒落入裝了旋轉(zhuǎn)液體（水）的杯中，液體在內(nèi)壁成液體層，提高冷速，兼霧化器作用高冷速，兼霧化器作用l粉末尺寸分布范圍窄，細(xì)粉多，呈球形，表面質(zhì)量好。冷速可達(dá)粉末尺寸分布范圍窄，細(xì)粉多，呈球形，表面質(zhì)量好。冷速可達(dá)-第五十七頁(yè)，共113頁(yè)。581.4.2 1.4.2 液態(tài)急冷法液態(tài)急冷法 將液流噴到輥輪的內(nèi)表面或輥輪的外表面或板帶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的外表面來獲得(hud)(hud)條帶材料。條帶材料。 單輥法單輥法 （1）自由噴射溶液自旋）自由噴射溶液自旋

54、(z xun)法；（法；（2）平面流鑄）平面流鑄法。法。第五十八頁(yè)，共113頁(yè)。591 12 23 34 45 56 67 7氬氬氣氣氬氣氬氣3 34 48 87 76 6 () 自由噴射熔液自旋工藝自由噴射熔液自旋工藝 () 平面平面(pngmin)流鑄工藝流鑄工藝圖圖1-3 自由噴射熔液自旋工藝和平面自由噴射熔液自旋工藝和平面(pngmin)流鑄工藝原理示意圖流鑄工藝原理示意圖1-壓力計(jì)；壓力計(jì)； 2-排氣閥；排氣閥； 3-坩堝；坩堝； 4-感應(yīng)加熱線感應(yīng)加熱線圈；圈； 5-合金液；合金液； 6-金屬薄帶；金屬薄帶； 7-淬冷輥輪；淬冷輥輪； 8-噴嘴噴嘴第五十九頁(yè)，共113頁(yè)。602 2

55、1 13 34 45 56 6I Ic cH HA Au ud d2 21 13 34 45 56 6() 自由噴射熔液自旋工藝自由噴射熔液自旋工藝(gngy) () 平面流鑄工藝平面流鑄工藝(gngy)圖圖1-4 自由噴射熔液自旋工藝自由噴射熔液自旋工藝(gngy)和平面流鑄工藝和平面流鑄工藝(gngy)形成的熔潭示意圖形成的熔潭示意圖第六十頁(yè)，共113頁(yè)。61 平面平面(pngmin)流鑄法的特點(diǎn)：流鑄法的特點(diǎn)：優(yōu)點(diǎn)：平面流鑄熔譚小于自由噴射溶液自旋工藝的熔譚，熔譚的穩(wěn)定性大大增加，又因?yàn)槠矫媪麒T制取的帶材很薄，避免了由于熔譚自由表面不穩(wěn)定而引起的湍動(dòng)噴射；熔譚和冷卻輥輪表面接觸良好、穩(wěn)定

56、，冷卻速率的波動(dòng)很小，均勻性增加，冷卻速率提高，從而有利于改善條帶的表面質(zhì)量保證尺寸均一性和組織均勻性。缺點(diǎn)： 噴嘴輥輪間隙距離太窄小，各工藝參數(shù)間相互依附(yf)，相互影響使平面流鑄生產(chǎn)過程更加難以控制，對(duì)平面流鑄熔譚的研究也更加難以進(jìn)行第六十一頁(yè)，共113頁(yè)。621.4.3 1.4.3 束流表層急冷法束流表層急冷法采用激光、電子束、粒子束進(jìn)行表面采用激光、電子束、粒子束進(jìn)行表面(biomin)(biomin)層快層快速熔凝。速熔凝。 只改變組織，不改變成分只改變組織，不改變成分 表面表面(biomin)(biomin)上釉，表面上釉，表面(biomin)(biomin)非晶化等非晶化等 即

57、改變成分，又改變組織即改變成分，又改變組織 表面表面(biomin)(biomin)合金化、表面合金化、表面(biomin)(biomin)噴涂后噴涂后激光快速熔凝、離激光快速熔凝、離 子注入后快速熔凝等子注入后快速熔凝等 常用激光快速熔凝常用激光快速熔凝第六十二頁(yè)，共113頁(yè)。631.5 快速凝固(nngg)技術(shù)在金屬材料中的應(yīng)用1.5.1 金屬粉末的快速金屬粉末的快速(kui s)凝固凝固 1）水霧化法）水霧化法 制備的粉末形狀不太規(guī)則制備的粉末形狀不太規(guī)則 2）氣霧化法）氣霧化法 制備的粉末細(xì)小、均勻，形狀相對(duì)規(guī)整，近似球制備的粉末細(xì)小、均勻，形狀相對(duì)規(guī)整，近似球形，粉末收得率高。形，粉

58、末收得率高。 3）噴霧沉積法）噴霧沉積法 把霧化制粉過程和金屬成型結(jié)合起來，簡(jiǎn)化生產(chǎn)把霧化制粉過程和金屬成型結(jié)合起來，簡(jiǎn)化生產(chǎn)工藝，降低生產(chǎn)成本，解決了粉末表面氧化的問題，工藝，降低生產(chǎn)成本，解決了粉末表面氧化的問題，消除了原始顆粒界面對(duì)合金性能的不利影響。消除了原始顆粒界面對(duì)合金性能的不利影響。第六十三頁(yè)，共113頁(yè)。64優(yōu)點(diǎn)：容易成型連續(xù)(linx)等徑、表面質(zhì)量好的線材。缺點(diǎn)：生產(chǎn)效率很低，不適于生產(chǎn)大批量工業(yè)用線材。 圖1-5 玻璃包覆紡線法快速(kui s)凝固原理圖1.5.2 金屬線材的快速金屬線材的快速(kui s)凝固凝固 1）玻璃包覆熔融紡線法）玻璃包覆熔融紡線法第六十四頁(yè)，

59、共113頁(yè)。65 圖1-6 Kavesh法線材快速(kui s)凝固原理圖1，7-導(dǎo)流管；2-噴嘴；3-合金液；4-感應(yīng)加熱器； 5-穩(wěn)流罩；6-分散器；8-泵優(yōu)點(diǎn)：裝置簡(jiǎn)單。缺點(diǎn)：液流穩(wěn)定性差，流速(li s)較低且難于控制速率，不能連續(xù)生產(chǎn)2）合金溶液）合金溶液(rngy)注入快冷法注入快冷法第六十五頁(yè)，共113頁(yè)。66圖1-7 回轉(zhuǎn)水紡線法線材快速凝固原理圖1-旋轉(zhuǎn)(xunzhun)鼓；2-冷卻水；3-噴嘴；4-噴射液柱；5-加熱器 優(yōu)點(diǎn)：原理和裝置簡(jiǎn)單，操作方便，可實(shí)現(xiàn)(shxin)連續(xù)生產(chǎn)。缺點(diǎn)：液流穩(wěn)定性對(duì)線材成型有一定影響。3）回轉(zhuǎn)）回轉(zhuǎn)(huzhun)水紡線法水紡線法第六十六頁(yè)

60、，共113頁(yè)。67 圖1-8 傳送帶法線材快速(kui s)凝固原理圖1-冷卻水噴嘴；2-帶溝槽傳送帶；3-導(dǎo)引帶；4-加熱器；5-導(dǎo)引鼓；6-坩堝；7-合金液；8-噴嘴；9-驅(qū)動(dòng)滑輪；10-液流穩(wěn)定器；11-線材；12-繞線機(jī)；13-集水箱；14-噴射合金熔液柱；15-輸送泵；16-流量計(jì)；17-壓縮機(jī)優(yōu)點(diǎn)：綜合了合金液注入冷卻法和旋轉(zhuǎn)液體法，可實(shí)現(xiàn)連續(xù)生產(chǎn)缺點(diǎn)(qudin)：裝置復(fù)雜，工藝參數(shù)調(diào)控較難，傳送速率不快。4）傳送帶法）傳送帶法第六十七頁(yè)，共113頁(yè)。681.5.3 金屬帶材的快速凝固金屬帶材的快速凝固(nngg) 1）單輥法（熔體甩出法）單輥法（熔體甩出法） 圖圖1-9 單輥法制備單輥