第四講-急冷方法-非平衡材料課件

1、1.4急冷方法在這類(lèi)方法中，快速凝固是通過(guò)熔體與急冷基底之間的接觸傳熱獲得的。包括：急冷模法、活塞砧法、雙輥急冷法、熔體自旋法、水自旋法、Taylor制線(xiàn)法、熔體提取法、熔體拖拉法、熔體溢流法。1.4.1急冷模法這種方法靠真空或壓力加真空的綜合作用將液態(tài)金屬擠入急冷銅模中的小截面空腔內(nèi)。在厚度為0.7mm處的冷卻速度為104 KS1，而0.2mm厚度處的冷卻速度為107 KS1（其獨(dú)特優(yōu)點(diǎn)可獲得預(yù)定截面的線(xiàn)材）。1.4.2 活塞砧技術(shù)：105 KS1冷速。 1.4急冷方法1.4.3 雙輥急冷法(與雙輥霧化相似，用碳涂層包覆雙輥減少熱傳導(dǎo))該工藝是將熔體液流在兩個(gè)反向旋轉(zhuǎn)的導(dǎo)熱軋輥之間軋制。熔體

2、液流垂直地下落在兩個(gè)軋輥的輥隙之間。可制備厚度約為10200m的薄片。其急冷速度接近105 KS1，通過(guò)精密地控制工藝參數(shù)(包括軋輥材料、直徑、輥隙和轉(zhuǎn)速)，可制備非常長(zhǎng)的薄帶。優(yōu)化工藝參數(shù)以獲得最佳效果。模擬結(jié)果表明：最重要的工藝參數(shù)是輥隙、軋輥角速度、原料的加速度、材料的物理性能。為了得到連續(xù)的箔片，射流速度與軋輥轉(zhuǎn)速的比值應(yīng)在0.51.0之間。1.4.3 雙輥急冷法(與雙輥霧化相似，用碳涂層包覆雙輥減少軋輥應(yīng)足夠堅(jiān)硬，表面必須按高精度公差加工，一般用淬硬鋼、鍍鉻鋼、銅或黃銅制成，兩軋輥直徑為515cm，在2090kg范圍的壓力下緊靠在一起(薄帶容易變形)，在輥芯和輪緣之間安裝一個(gè)硅橡膠減

3、震墊或施加彈簧載荷，使軋輥在互相接觸的情況下運(yùn)轉(zhuǎn)(這樣薄帶就不會(huì)受到過(guò)大的壓力，可以將變形減小到最低程度)。在連續(xù)工作時(shí)可用液氮冷卻軋輥，轉(zhuǎn)速可在1006000rpm之間變化。存在一個(gè)嚴(yán)重的問(wèn)題：熔體與軋輥的接觸長(zhǎng)度很短，不易獲得非晶相，易得到大尺寸非平衡晶體相。軋輥的使用壽命也是一個(gè)問(wèn)題。 軋輥應(yīng)足夠堅(jiān)硬，表面必須按高精度公差加工，一般用淬硬鋼、鍍鉻第四講-急冷方法-非平衡材料課件第四講-急冷方法-非平衡材料課件非晶態(tài)急冷制箔裝置非晶態(tài)急冷制箔裝置典型工藝參數(shù):工作室氣氛：真空、空氣、惰性氣體或活潑氣體。噴射壓力：熔體從坩堝噴射是通過(guò)氣體加壓來(lái)完成，一般使用570KPa的噴射壓力。輪速：增加

4、輪速可形成更薄的帶材。噴嘴端部與轉(zhuǎn)輪之間的距離：一般為3mm左右。最佳熔體射流噴射方向是在射流沖擊輪面處與法線(xiàn)成615。 但產(chǎn)品的寬度受限制，一般只有5mm左右。典型工藝參數(shù): 離心熔體自旋法：在CBMS基礎(chǔ)上發(fā)展起來(lái)的，總結(jié)了優(yōu)勢(shì)，克服了局限性，制備薄帶的冷速在108 KS1。 平面流鑄造法：在CBMS基礎(chǔ)上發(fā)展的，帶厚度在20100m內(nèi)變化，冷速為106KS1。1.4.5 水自旋法：(該方法是熔體旋轉(zhuǎn)技術(shù)的變形，它不是將液流噴射到旋轉(zhuǎn)圓筒的表面，而是將熔體液流射進(jìn)旋轉(zhuǎn)水中。)熔融金屬射流通過(guò)一石英噴嘴(直徑為80200m)射入液體層(一般為水)，該冷卻層依靠離心力的作用在直徑為400600

5、mm的旋轉(zhuǎn)滾筒的內(nèi)表面形成。冷卻介質(zhì)和熔體射流的速度分別用旋轉(zhuǎn)滾筒和噴射氣體壓力控制。(與快速自旋杯工藝相似)。(通過(guò)確保射流在受擾動(dòng)之前凝固)。可以制備線(xiàn)材，產(chǎn)品為具有圓截面的連續(xù)絲線(xiàn)，冷速在105KS1。工藝參數(shù)：噴嘴端部與冷卻介質(zhì)表面的距離、噴射角度、冷卻介質(zhì)層的深度和冷卻介質(zhì)溫度。 離心熔體自旋法：在CBMS基礎(chǔ)上發(fā)展起來(lái)的，總結(jié)了優(yōu)勢(shì)，1.4.6 Taylor制線(xiàn)法：(用于制備具有均勻橫截面的細(xì)線(xiàn))，熔化玻璃管中的金屬棒，玻璃由于與熔化金屬接觸而軟化，因而可以抽拉，在金屬凝固過(guò)程中充當(dāng)一連續(xù)的模具坩堝，可保證線(xiàn)的規(guī)則形狀和直徑。這項(xiàng)技術(shù)的一個(gè)關(guān)鍵是包套材料對(duì)熔融金屬應(yīng)具有足夠的化學(xué)穩(wěn)

6、定性，同時(shí)其軟化溫度應(yīng)與金屬熔點(diǎn)一致。直徑為502m的線(xiàn)材冷速在104KS1106KS1。存在一個(gè)問(wèn)題：合金材料被玻璃包套污染。 1.4.6 Taylor制線(xiàn)法：1.4.7 熔體提取法如前所述，熔體旋轉(zhuǎn)法可以連續(xù)生產(chǎn)纖維和薄帶，然而，材料的相容性(即熔體與坩堝、噴嘴或液流穩(wěn)定包套之間的相容性)隨著熔體溫度和活性的增加而變得更為嚴(yán)重。熔體提取法克服了其中的一些問(wèn)題。熔體提取法與熔體旋轉(zhuǎn)法的明顯區(qū)別在于它沒(méi)有噴嘴和液體射流，它是一種用具有合適形狀的旋轉(zhuǎn)熱提取盤(pán)外緣與熔融金屬接觸的工藝。金屬在接觸面上凝固并粘附在盤(pán)上停留短時(shí)間(毫秒數(shù)量級(jí))，然后自然脫離甩出，形成絲線(xiàn)或纖維。有坩堝熔體提取法(熔體裝

7、在坩堝內(nèi))和懸滴熔體提取法(去除坩堝，熔化棒料端部來(lái)制取熔融懸滴)。1.4.7 熔體提取法Clean, quiet Melt surface Wiper Rotating extracting disc Filament Induction Furnace(感應(yīng)爐) Molten metal bath Melt stock heat source Pendant drop (生產(chǎn)大截面材料) (生產(chǎn)細(xì)小的纖維)Clean, quiet Wiper Rotating ex該工藝的重要參數(shù)：熔化系統(tǒng)、轉(zhuǎn)盤(pán)驅(qū)動(dòng)機(jī)構(gòu)、轉(zhuǎn)盤(pán)幾何形狀和性能、加料系統(tǒng)、熔體的表面化學(xué)性質(zhì)。直徑約20cm的盤(pán)可控轉(zhuǎn)速為200

8、2000rpm-平穩(wěn)，可以1.515m/s的速度生產(chǎn)纖維絲。(轉(zhuǎn)盤(pán)必須用水冷卻)冷速102KS1103KS1。制作盤(pán)的材料包括鋁、Cu(常用)、黃銅、各種鋼、Ni和Mo。纖維絲的形狀可通過(guò)盤(pán)的幾何形狀和盤(pán)速、浸入深度等提取參數(shù)控制。該工藝的重要參數(shù)：熔化系統(tǒng)、轉(zhuǎn)盤(pán)驅(qū)動(dòng)機(jī)構(gòu)、轉(zhuǎn)盤(pán)幾何形狀和性能1.4.8 熔體拖拉法熔融金屬?gòu)囊粐娮熘斜煌侠揭粋€(gè)水冷的旋轉(zhuǎn)圓筒上。產(chǎn)品厚度可從25m 1000m，冷速10,6KS1103KS1。制備的線(xiàn)或帶的尺寸實(shí)質(zhì)上取決于圓筒的圓周速度、熔融金屬的粘度、熔融金屬相對(duì)于轉(zhuǎn)筒的表面張力。同時(shí)也依賴(lài)于保護(hù)性氣氛的特性和熔融金屬的過(guò)熱度。該方法用于生產(chǎn)鋁、鋼、磁鐵、焊料和

9、其它合金。(這是一項(xiàng)簡(jiǎn)單、低成本的技術(shù)，特別適合小批量生產(chǎn)。)1.4.8 熔體拖拉法1.4.9 熔體溢流法1.5快速凝固材料的特性1.5.1組織結(jié)構(gòu)特性：快速凝固技術(shù)為亞穩(wěn)態(tài)材料的制備創(chuàng)造了條件。第一種是成分亞穩(wěn)（如過(guò)飽和固溶體）；第二種是結(jié)構(gòu)亞穩(wěn)（如非晶、準(zhǔn)晶）；第三種是形態(tài)亞穩(wěn)（如微晶、納米晶和彌散相等）。具體效果如下：1、擴(kuò)大了亞穩(wěn)固溶度，快速凝固時(shí)固/液界面前進(jìn)速率大，發(fā)生溶質(zhì)原子擴(kuò)散，擴(kuò)大了亞穩(wěn)固溶度。2、形成新的亞穩(wěn)相。3、生成非晶、準(zhǔn)晶、微晶和納米晶。由于快速凝固，晶?？尚≈廖⒚准?jí)，甚至納米級(jí)。對(duì)某些材料可得到非晶、準(zhǔn)晶組織。4、消除偏析?？焖倌炭色@得組織均勻和高度彌散的第二相

10、，充分抑制了合金元素的偏聚，克服了傳統(tǒng)冶金方法的不足。1.4.9 熔體溢流法1.52性能特性 提高材料的力學(xué)性能：快速凝固技術(shù)有效地細(xì)化了晶粒、顯微組織，以及形成高度彌散的第二相，這對(duì)提高材料的室溫高溫強(qiáng)度，改善疲勞性能是有益的。 提高耐磨性：快速凝固合金的硬度大幅度提高，從而提高其耐磨性。 提高耐蝕性：快速凝固可獲得成分組織均勻和高度彌散的第二相，抑制了合金元素的偏聚，改善了耐蝕性。 提高磁性能：由于快速凝固粉末尺寸小，具有單磁疇結(jié)構(gòu)和矯頑力高的特性，用作磁記錄材料可以提高信噪比，改善圖像質(zhì)量。 提高觸媒效率：由于快速凝固獲得微細(xì)粉末，其比表面積大大增加，并且具有很大的表面積與體積比，在反應(yīng)

11、中活性增強(qiáng)，明顯地提高了催化效率。1.52性能特性1.6快速凝固粉末材料及其應(yīng)用 快速凝固粉末，如：非晶、準(zhǔn)晶和微晶粉末可用于制作防腐耐磨涂層材料；塑料、微電子領(lǐng)域?qū)щ娔さ奶砑觿桓鞣N溫、濕、氣、光、熱傳感器材料；多孔過(guò)慮材料和焊接釬料等。 快速凝固結(jié)構(gòu)材料，如高溫高強(qiáng)鋁合金Al-Li, Al-Fe-Mo, Al-Fe-V, Al-Cr-Zr等；高強(qiáng)在，耐蝕銅合金Cu-Mn-Al, Cu-Sn-Ni等；耐磨、耐蝕工具鋼Fe-Mo-Cr-B-Si, Fe-Mn-Ni 等，廣泛應(yīng)用于航空航天、汽車(chē)、冶金和化工等行業(yè)?？焖倌坦δ懿牧希纾捍判圆牧?，形狀記憶合金，耐蝕高強(qiáng)高導(dǎo)電性銅基電極材料和銀基電

12、工合金等，廣泛應(yīng)用于軍工、電器和電工等工業(yè)。 1.6快速凝固粉末材料及其應(yīng)用非晶、準(zhǔn)晶、微晶粉末及材料納米晶材料磁性材料和催化劑快速凝固粉末微電子漿料、防腐涂層材料、醫(yī)藥、生物、化工過(guò)濾、電工合金材料廣告、印刷涂料儲(chǔ)氣、智能材料非晶、準(zhǔn)晶、微晶粉末及材料納米晶材料磁性材料和催1.7存在的問(wèn)題及其發(fā)展方向存在的問(wèn)題有： 快速凝固工藝不穩(wěn)定； 快速凝固粉末固結(jié)成型工藝有待改進(jìn)； 還沒(méi)有形成系統(tǒng)、完整的快速凝固理論； 新型快速凝固粉末及材料的研究和開(kāi)發(fā)有待于進(jìn)一步加強(qiáng)。發(fā)展方向： 快速凝固技術(shù)會(huì)向著實(shí)用于工業(yè)化大批量生產(chǎn)的方向發(fā)展，即生產(chǎn)過(guò)程可控，產(chǎn)品質(zhì)量提高，生產(chǎn)成本降低等； 應(yīng)用快速凝固技術(shù)將生

13、產(chǎn)出更多的新型合金。如噴射成型（非晶、準(zhǔn)晶和微晶）材料，微電子材料用漿料，防腐涂層材料和塑料添加劑，粉末冶金電接觸材料和電極材料等方面的研究均屬于該領(lǐng)域的前沿課題； 與快速凝固和快速凝固合金有關(guān)的理論研究將會(huì)取得進(jìn)展； 在快速凝固材料發(fā)展的同時(shí)，其各種制備技術(shù)也將會(huì)不斷涌現(xiàn)。1.7存在的問(wèn)題及其發(fā)展方向總結(jié)：快速凝固技術(shù)的比較快速凝固技術(shù)和產(chǎn)品參數(shù) 總結(jié)：快速凝固技術(shù)的比較快速凝固技術(shù)和產(chǎn)品參數(shù) 技術(shù)產(chǎn)品類(lèi)型典型尺寸（m）典型冷速(KS-1)備注氣體霧化光潔、球形粉末直徑50150102103使用惰性氣體（氮?dú)?、氫氣）防氧化水霧化粗糙、不規(guī)則粉末直徑75200102104噸級(jí)生產(chǎn)規(guī)模超聲氣體霧

14、化光潔、球形粉末直徑1050高達(dá)106尺寸分布范圍窄，高效率離心霧化光潔、球形粉末直徑2580105低含氧量，粉末清潔電子束急冷法伸長(zhǎng)的薄片厚度40100104107用于活性金屬旋轉(zhuǎn)電極法光潔、球形粉末直徑125200102低冷卻速度，低污染快速自旋杯法形狀多樣，從球形到不規(guī)則直徑可能小于50104106尺寸分布范圍窄穿孔旋轉(zhuǎn)杯法針狀顆粒長(zhǎng)10005000直徑1000101非常經(jīng)濟(jì)可溶氣體霧化法球形粉末直徑20100101102非常清潔、無(wú)衛(wèi)星顆粒的粉末電流體力學(xué)霧化法粉末、片或涂層直徑0.01100107粉末尺寸控制極好雙輥霧化法形狀多樣，從球形到不規(guī)則厚200105106經(jīng)濟(jì)“槍”技術(shù)箔片厚0.110106108應(yīng)用廣泛噴射沉積厚沉積體厚度大于1mm103106制備厚截面產(chǎn)品的快捷途徑等離子體噴射沉積沉積體粘合結(jié)實(shí)厚度大于1mm小于107具有制備近終形產(chǎn)品的潛力急冷法楔形或筒狀0104應(yīng)用廣泛活塞砧技術(shù)急冷片直徑50mm，厚度5300104106廣泛應(yīng)用的實(shí)驗(yàn)室技術(shù)自由飛行熔體旋轉(zhuǎn)法圓截面細(xì)絲直徑100200絲線(xiàn)102104應(yīng)用范圍局限