第一章快速凝固技術(shù)課件

第1章快速凝固技術(shù)

第1章快速凝固技術(shù)前言快速凝固1960年開始出現(xiàn)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)用前景近二、三十年來(lái)，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前言快速凝固1960年開始出現(xiàn)快速凝固是一項(xiàng)新型材料制備內(nèi)容快速凝固概論快速凝固的物理冶金基礎(chǔ)實(shí)現(xiàn)快速凝固途徑快速凝固制備工藝快速凝固技術(shù)在金屬材料中的應(yīng)用快速凝固其他新型合金內(nèi)容快速凝固概論快速凝固的物理冶金基礎(chǔ)實(shí)現(xiàn)快速凝固途徑（一）快速凝固發(fā)展的由來(lái)1.1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)都離不開鑄造。工業(yè)鑄造（一）快速凝固發(fā)展的由來(lái)1.1快速凝固概述鑄造是冶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)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。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。常規(guī)鑄錠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)加工的進(jìn)行和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)偏析與晶界偏析；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，從而在較大尺度上出現(xiàn)宏觀偏析。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)冷度直接相關(guān)，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）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。常規(guī)鑄造中的缺陷：縮孔和縮松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)力等鑄造缺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)度與工作溫度，必須增加合金中Al、Ti含量以增加彌散強(qiáng)化相γ(Ni3A1)的含量，并提高γ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。高溫鎳基合金8這些問(wèn)題不僅使現(xiàn)有牌號(hào)合金的鑄造質(zhì)量和性能很難得到保證，還9Fe-Si軟磁合金：含Si較高的Fe-6.5wt％Si合金的軟磁性能比含Si少的合金好，但采用常規(guī)鑄造工藝無(wú)法將Fe-6.5wt％Si合金熱軋成0.3mm厚的芯片，只能采用鑄造和加工性能較好的Fe-3wt％Si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9Fe-Si軟磁合金：含Si較高的Fe-6.5wt％Si合金10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。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)提上了議事日程。快速凝固技術(shù)正是在這樣的背景下出現(xiàn)并很快得到了迅速的發(fā)展。10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時(shí)的過(guò)冷度，從而提高凝固速度：提高凝固傳熱速度—急冷凝固技術(shù)或熔體淬火技術(shù)；提供近似均勻形核的條件—大過(guò)冷技術(shù)。11常規(guī)鑄造合金出現(xiàn)晶粒粗大、偏析嚴(yán)重、鑄造性能不好等嚴(yán)重缺定義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凝固過(guò)程（105/s）。定義2：由液相到固相的相變過(guò)程進(jìn)行得非常快，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)程。定義3：快速凝固是指采用急冷技術(shù)或深過(guò)冷技術(shù)獲得很高的凝固前沿推進(jìn)速率的凝固過(guò)程?？焖倌痰亩x定義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凝固過(guò)程13（1）細(xì)化凝固組織，使晶粒細(xì)化?？焖倌毯辖鸬奈⒂^組織一般隨著離冷卻介質(zhì)距離的增加，依次為等軸晶、柱狀晶與樹枝晶?？焖倌滩牧系闹饕⒂^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)13（1）細(xì)化凝固組織，使晶粒細(xì)化?？焖倌滩牧系闹饕⒂^組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14(c)(b)(a)不同冷卻方式制備NdFeB鑄錠的15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μm左右，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；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。15快速凝固合金的晶粒尺寸很小，而且十分均勻，一般平16（2）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16（2）快速凝固可使合金成分均勻化，偏析減小?？焖倌滩牧?7通常用樹枝晶偏析的二次枝晶臂間距λ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)合金的幾毫米到幾十微米減小到0.10-0.25μm。冷速（K/s）凝固工藝產(chǎn)品厚度λ10-6-10-3大砂模鑄件或鑄錠6m0.5-5mm10-3-10標(biāo)準(zhǔn)鑄件或鑄錠0.2-6m50-500μm10-103常規(guī)模鑄或霧化6-20mm5-50μm103-106快速凝固霧化0.2-6mm0.5-5μm106-109熔淬6-200μm0.05-0.5μm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17通常用樹枝晶偏析的二次枝晶臂間距λ作為成分偏析范圍標(biāo)志，18（3）快速凝固使合金缺陷密度增加與鑄態(tài)合金相比，快速凝固合金中的空位、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，因而快速凝固合金一般有很高的空位濃度?？焖倌滩牧系闹饕⒂^組織18（3）快速凝固使合金缺陷密度增加快速凝固材料的主要微觀組19合金在快速凝固過(guò)程中受到較大的熱應(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。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。19合金在快速凝固過(guò)程中受到較大的熱應(yīng)力，空位聚集形成位錯(cuò)環(huán)20（4）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)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20（4）快速凝固使合金中形成新的亞穩(wěn)相?？焖倌滩牧系闹饕?1利用從穩(wěn)定相Ⅰ—亞穩(wěn)相—穩(wěn)定相Ⅱ的相變過(guò)程，在不用改變合金成分的條件下可以使穩(wěn)定相I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)變的熱激活條件，就可以長(zhǎng)期使用主要由亞穩(wěn)相組成的材料。21利用從穩(wěn)定相Ⅰ—亞穩(wěn)相—穩(wěn)定相Ⅱ的相變過(guò)程，在不用改變合（1）力學(xué)性能。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，因而改善了合金的強(qiáng)度、韌性和延性。（2）物理性能?？焖倌探M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?？焖倌痰男阅芴攸c(diǎn)（1）力學(xué)性能?？焖倌痰男阅芴攸c(diǎn)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/固相變時(shí)有極高的熱導(dǎo)出速度。依靠輻射散熱，對(duì)于直徑為1μm，溫度為1000℃的金屬液滴，獲得的極限冷卻速率只有103K/s，可見冷卻速度不高；通過(guò)對(duì)流傳熱，將導(dǎo)熱良好的氫或氦以高速流過(guò)厚度為5μm的試樣，獲得的極限冷速為1×104~2×104K/s；要獲得高于106K/s的冷速，只能借助于熱傳導(dǎo)?？焖倌痰臈l件

實(shí)現(xiàn)液態(tài)金屬快速凝固的最重要條件，是要求液/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良好接觸；液體層必須很??；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。用熱傳導(dǎo)方法獲得高的凝固速率的條件是：1.2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

1.2快速凝固的物理冶金基礎(chǔ)（一）定向凝固過(guò)程的傳熱

熱流密度q1和q2與結(jié)晶潛熱釋放率之間滿足熱平衡方程:（1-1）

（一）定向凝固過(guò)程的傳熱熱流密度q1和q2

根據(jù)傅里葉導(dǎo)熱定律知（1-2）

（1-3）（1-4）

式中,λL,λS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；ρS為固相密度。根據(jù)傅里葉導(dǎo)熱定律知（1-2）（1-3）（1-4

將式（1-2）至式（1-4）帶入式（1-1）則可求得凝固速度為：（1-5）

（1-5）

將式（1-2）至式（1-4）帶入式（1-1）則可求得凝固（二）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

(1-6)

式中,Q1為鑄型吸收的熱量;Q2為鑄件降溫釋放的物理熱;Q3為凝固過(guò)程放出的結(jié)晶潛熱；（二）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

Q1，Q2，Q3可如下求出

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；ρS、ρL、ρ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)。

(1-7)

(1-8)(1-9)

Q1，Q2，Q3可如下求出

近似取,,并且已知?jiǎng)t由式（1-6）至式（1-9）可得出:

(1-10)式中，為鑄件模數(shù)。近似取,,并(11、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)出速率控制的。通過(guò)提高鑄型的導(dǎo)熱能力，增大熱流的導(dǎo)出速率可使凝固界面快速推進(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R取決于固相中的溫度梯度GS

。1.3實(shí)現(xiàn)快速凝固的途徑1.3實(shí)現(xiàn)快速凝固的途徑

（1-11）

式中λS—固相熱導(dǎo)率；

Δh—凝固潛熱；

ρs—固相密度；

GS—溫度梯度，由凝固層的厚度δ和鑄件/鑄型的界面溫度Ti決定的。單向凝固速率與導(dǎo)熱條件的關(guān)系

δ－凝固層厚度Ti－鑄件/鑄型界面溫度TK－凝固界面溫度

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：選用熱導(dǎo)率λS大的鑄型材料（如純銅）；對(duì)鑄型強(qiáng)制冷卻以降低鑄型/鑄件界面溫度Ti凝固層；內(nèi)部熱阻（δ/λS）隨凝固層厚度δ的增大而迅速提高，導(dǎo)致凝固速率下降。因此，快速凝固只能在小尺寸試件中實(shí)現(xiàn)。對(duì)凝固層內(nèi)的溫度分布作線性近似，則得出

圖1-2急冷模法示意圖

1-真空出口；2-絕熱冷卻劑容器；3-冷卻池；4-銅模；

5-模穴；6-墊圈；7-基板；8-壓緊螺帽；9-射入管；10-鋁箔 圖1-2急冷模法示意圖急冷凝固技術(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。急冷凝固技術(shù)的設(shè)備組成熔化合金傳出熔體熱量熔化裝置冷卻裝置分離裝置在時(shí)間或空間上“分割”熔體冶煉爐鑄模急冷凝固常規(guī)鑄造B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“分割”熔體，但“分割”不強(qiáng)烈，熔化潛熱多集中釋放在不同的急冷方法中，B可與A和C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）ABC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)的界面熱阻盡可能主要以傳導(dǎo)方式散熱急冷凝固技術(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2、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。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，只能在薄膜及小尺寸顆粒中實(shí)現(xiàn)。2、深過(guò)冷法大尺寸試件快速凝固?

唯一途徑-----降低凝固過(guò)程中的潛熱導(dǎo)出量通過(guò)抑制凝固過(guò)程的形核，使合金液獲得很大的過(guò)冷度，使凝固過(guò)程釋放的潛熱Δh被過(guò)冷熔體吸收，可以獲得很大的凝固速率。過(guò)冷度為ΔTS的熔體凝固時(shí)需要導(dǎo)出的實(shí)際潛熱Δh′可表示為：大尺寸試件快速凝固?

在式中用Δh′取代Δh可知，凝固速率隨過(guò)冷度ΔTS的增大而增大。當(dāng)Δh′=0，即時(shí)，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)出的條件下完成凝固過(guò)程。由上式所定義的過(guò)冷度ΔTS稱為單位過(guò)冷度。經(jīng)過(guò)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(guò)冷快速凝固技術(shù)的范例。

在式中用Δh′取代Δh可知，凝固速率隨過(guò)冷度ΔTS3、定向凝固法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的結(jié)晶取向凝固的一種鑄造工藝。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-液界面

2）晶體生長(zhǎng)前方的溶液中沒(méi)有穩(wěn)定的結(jié)晶核心措施：

1）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。3、定向凝固法定向凝固是使熔融合金沿著與熱流方向相反的方向按1.4快速凝固制備工藝1.4.1霧化技術(shù)

（一）流體霧化（二）離心霧化技術(shù)（三）機(jī)械霧化技術(shù)（四）其它霧化技術(shù)

1.4快速凝固制備工藝1.4.1霧化技術(shù)（一）流體霧基本原理：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)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，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)中最常見的快凝方法。霧化技術(shù)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—流體力學(xué)霧化法、火花電蝕霧化法主要工藝方法：（根據(jù)熔煉方法、分離方式、冷卻介質(zhì)和冷卻形式不盡相同）

產(chǎn)品形式：粉末、碎片、箔片氣體霧化法、水霧化法、超聲氣體霧化法、緊偶合氣體霧化法、高速1、氣體霧化法過(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)小的液滴在飛行中通過(guò)對(duì)流或輻射散熱凝固成粉（一）流體霧化工藝參數(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(guò)熱度、氣液交匯角、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、鈦合金等（活潑金屬粉末采用惰性氣體霧化）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，氣體愈輕，冷速愈高1、氣體霧化法過(guò)程：兩束或多束氣體射流介質(zhì)傳遞動(dòng)能，將金屬液2、水霧化法（WaterAtomization）以水射流代替氣體射流外，其余與氣體霧化相似

顆粒多呈不規(guī)則形，但冷速可達(dá)102-104K/s

已被大規(guī)模應(yīng)用于工具鋼、低合金鋼、銅、錫、鐵粉等等（水霧化鋼和超合金,活潑元素易氧化，O%≥1000ppm，而氣體霧化，O%~100ppm）有時(shí)，也可以油代水，以降O%

2、水霧化法（WaterAtomization）以水射流代3、超聲氣體霧化法（Ultra-sonicGasAtomization）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高，最高達(dá)2.5馬赫，而且聲波頻率高，達(dá)80~100kHz；(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80-100Hz的頻率振動(dòng)。)

高速高頻氣流由裝配在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20μm），粒度均勻（尺寸分布窄），平均冷速可達(dá)105K/s

可以成功地用于生產(chǎn)鋁、超合金、Ti-Al粉

3、超聲氣體霧化法（Ultra-sonicGasAtom（二）離心霧化技術(shù)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，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）在惰性氣體環(huán)境中完成（二）離心霧化技術(shù)液態(tài)金屬在高速旋轉(zhuǎn)的容器（盤、杯、坩堝、1、快速凝固霧化法Pratt&Whitney的快速凝固速率—離心霧化（RSR-CAP）工藝液流自坩堝底澆至高速旋轉(zhuǎn)的水冷水平盤，液態(tài)金屬被機(jī)械打碎、霧化，從旋轉(zhuǎn)盤邊緣甩出，液滴在飛行過(guò)程中凝固

旋轉(zhuǎn)離心霧化的一種，又稱快速凝固速率—離心霧化工藝，（RapidlySolidificationRate-CentrifugalAtomizationProcess）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

粉末多呈球形，尺寸約20-80μm，冷速104-106K/s

已用于制備鎳、鋁、鈦和超合金粉1、快速凝固霧化法Pratt&Whitney的快速凝固2、離心霧化法靜止電極和帶電旋轉(zhuǎn)坩堝之間產(chǎn)生電弧，熔化金屬

在離心力作用下，熔融金屬被甩出坩堝邊緣霧化，并噴射出金屬液態(tài)顆粒2、離心霧化法靜止電極和帶電旋轉(zhuǎn)坩堝之間產(chǎn)生電弧，熔化金屬3、激光自旋霧化與Pratt&Whitney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(guò)控制旋轉(zhuǎn)速率和氣流，可得不同直徑、冷速的粉末

液滴多凝固成球形顆粒，也會(huì)有以針狀物形式存在。１００μm粉冷速達(dá)１０５Ｋ／ｓ

已用于生產(chǎn)鈦合金粉優(yōu)點(diǎn)在于：高能激光束產(chǎn)生高過(guò)熱度，可使第二相顆粒充分溶解；區(qū)域性熔化，霧化中的污染可限制到最低水平

3、激光自旋霧化與Pratt&Whitney工藝相似，只4、旋轉(zhuǎn)電極霧化法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，融化的金屬?gòu)男羯纤Τ觯谂c惰性氣體室室壁碰撞之前凝固，成粉

粉末多呈球形，表面質(zhì)量好，尺寸大，大于200μm，冷速～10２Ｋ／ｓ

已用于霧化活潑的金屬，如高純、低氧的Ｔｉ、Ｚｒ、Ｎｂ、Ｔａ、Ｖ等金屬及其合金，以及Ｎｉ和Ｃｏ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(lái)熔化棒料

4、旋轉(zhuǎn)電極霧化法欲被霧化的棒料快速旋轉(zhuǎn)，同時(shí)棒料一端被一個(gè)5、穿孔旋轉(zhuǎn)杯法熔融金屬澆至一個(gè)旋轉(zhuǎn)深杯中，杯四周穿孔，離心力使熔融金屬穿過(guò)孔洞流出，在飛行中破碎，凝固

粉末多呈米粒形，針狀，冷速低，只有１０－１０２Ｋ／ｓ

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

5、穿孔旋轉(zhuǎn)杯法熔融金屬澆至一個(gè)旋轉(zhuǎn)深杯中，杯四周穿孔，離心1、雙軋輥霧化法

利用兩個(gè)反向高速旋轉(zhuǎn)輥輪將金屬液流霧化。經(jīng)過(guò)雙輥時(shí)需防凝固（用碳涂層包裹兩輥），液態(tài)金屬?gòu)妮佅路脚懦觯纬蓽u凹，并以液滴形式甩出，并迅速落入水浴，凝固

將熔體液流在兩個(gè)反向旋轉(zhuǎn)的導(dǎo)熱軋輥之間軋制，熔體液流垂直下落在兩輥之間，可制備１０－２００μm的薄片，冷速達(dá)１０５Ｋ／ｓ。精控工藝參數(shù)，可制備非常長(zhǎng)的薄帶（三）機(jī)械霧化技術(shù)

冷速達(dá)１０５－１０６Ｋ／ｓ，可制備金屬薄片、箔以及不規(guī)則或球形顆粒。效率低

1、雙軋輥霧化法利用兩個(gè)反向高速旋轉(zhuǎn)輥輪將金屬液流霧化。經(jīng)1、真空霧化法（VacuumAtomization）又稱可溶氣體霧化

坩堝內(nèi)液態(tài)金屬在壓力下過(guò)飽和溶解氣體（氮、氬、氫等），突然向真空開放，氣體膨脹，脫溶，金屬霧化

（四）其它霧化技術(shù)

用氫霧化Ｎｉ、Ｃｕ、Ｃo、Ｆｅ和Ａｌ基合金，粉末多呈球形，表面潔凈，純度高，但冷速低，～１０２Ｋ／ｓ1、真空霧化法（VacuumAtomization）又稱2、電子束急冷法（ＥＢＳＱ）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，急冷，折射有時(shí)也稱電子束旋轉(zhuǎn)盤法，把ＥＢＳＱ歸屬于霧化技術(shù)電子束急冷法，控制基底角度和旋轉(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棒下端，被加熱的部分熔化后在重力作用下滴到沿合金棒為軸心的高速旋轉(zhuǎn)的銅盤上冷凝成箔片，并在離心力作用下甩出。可避免合金污染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(guò)轉(zhuǎn)速來(lái)控制，典型冷速可達(dá)１０４－１０６Ｋ／ｓ，甚至達(dá)107℃/s2、電子束急冷法（ＥＢＳＱ）慢速旋轉(zhuǎn)的柱狀棒料由幾束電子束逐3、高速旋轉(zhuǎn)筒霧化法（RapidlySpinningCup,RSC）又稱快速自旋杯法熔融金屬顆粒落入裝了旋轉(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)１０４-１０６Ｋ／ｓ3、高速旋轉(zhuǎn)筒霧化法（RapidlySpinningCu1.4.2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的外表面來(lái)獲得條帶材料。●單輥法

（1）自由噴射溶液自旋法；（2）平面流鑄法。

1.4.2液態(tài)急冷法●單輥法

(ａ)自由噴射熔液自旋工藝(ｂ)平面流鑄工藝 圖1-3自由噴射熔液自旋工藝和平面流鑄工藝原理示意圖

1-壓力計(jì)；2-排氣閥；3-坩堝；4-感應(yīng)加熱線圈；

5-合金液；6-金屬薄帶；7-淬冷輥輪；8-噴嘴 (ａ)自由噴射熔液自旋工藝(ｂ)平面流鑄工(ａ)自由噴射熔液自旋工藝(ｂ)平面流鑄工藝圖1-4自由噴射熔液自旋工藝和平面流鑄工藝形成的熔潭示意圖(ａ)自由噴射熔液自旋工藝(ｂ

平面流鑄法的特點(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，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，相互影響使平面流鑄生產(chǎn)過(guò)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)行平面流鑄法的特點(diǎn)：優(yōu)點(diǎn)：1.4.3束流表層急冷法采用激光、電子束、粒子束進(jìn)行表面層快速熔凝?！裰桓淖兘M織，不改變成分

表面上釉，表面非晶化等●即改變成分，又改變組織表面合金化、表面噴涂后激光快速熔凝、離子注入后快速熔凝等●常用激光快速熔凝1.4.3束流表層急冷法1.5快速凝固技術(shù)在金屬材料中的應(yīng)用1.5.1金屬粉末的快速凝固

1）水霧化法制備的粉末形狀不太規(guī)則

2）氣霧化法制備的粉末細(xì)小、均勻，形狀相對(duì)規(guī)整，近似球形，粉末收得率高。

3）噴霧沉積法把霧化制粉過(guò)程和金屬成型結(jié)合起來(lái)，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(wèn)題，消除了原始顆粒界面對(duì)合金性能的不利影響。1.5快速凝固技術(shù)在金屬材料中的應(yīng)用1.5.1金屬粉優(yōu)點(diǎn)：容易成型連續(xù)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凝固原理圖1.5.2金屬線材的快速凝固

1）玻璃包覆熔融紡線法優(yōu)點(diǎn)：容易成型連續(xù)等徑、表面質(zhì)量好的線材。

缺點(diǎn)：生產(chǎn)效率很

圖1-6Kavesh法線材快速凝固原理圖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，流速較低且難于控制速率，不能連續(xù)生產(chǎn)2）合金溶液注入快冷法

圖1-7回轉(zhuǎn)水紡線法線材快速凝固原理圖1-旋轉(zhuǎn)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)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)水紡線法 圖1-7回轉(zhuǎn)水紡線法線材快速凝固原理圖優(yōu)點(diǎn)：原理和裝置簡(jiǎn)

圖1-8傳送帶法線材快速凝固原理圖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)：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 圖1-8傳送帶法線材快1.5.3金屬帶材的快速凝固

1）單輥法（熔體甩出法）

圖1-9單輥法制備快速凝固薄帶原理圖

1-激冷輥；2-感應(yīng)加熱器；3-排氣閥；4-壓力表；5-帶材1.5.3金屬帶材的快速凝固圖1-9

圖1-10單輥法制備復(fù)合帶材1-單輥；2、5-合金液；3、4-坩堝；6-感應(yīng)加熱器；7-復(fù)合薄帶 圖1-10單輥法制備復(fù)合帶材

圖1-11非晶合金帶材生產(chǎn)線示意圖1-熔化、保溫爐;2-中間包;3-噴嘴;4-單輥,直徑約2000mm;5-厚度測(cè)量裝置 圖1-11非晶合金帶材生產(chǎn)線示意圖2）雙輥法

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2）雙輥法圖1-1

（a）平行(b)傾斜(c)凸面(d)凹面

圖1-13兩輥的平行度對(duì)帶材質(zhì)量的影響圖1-14雙輥法制備帶材快速凝固模型（a）平行

圖1-15雙輥法制備復(fù)合薄帶

1、2-冷卻輥；3-基帶；4-噴嘴；5-合金熔液 圖1-15雙輥法制備復(fù)合薄帶3）溢流法

圖1-16溢流法快速凝固原理圖3）溢流法 圖1-16溢流法快速凝固原理圖

圖1-17溢流法制備復(fù)合帶材

1-復(fù)合層；2-基帶；3-激冷輥；4-合金液；l，5-合金液；2，6-冷卻長(zhǎng)度 圖1-17溢流法制備復(fù)合1.5.4金屬體材的快速凝固

1）噴射沉積法

圖1-18噴射沉積法原理圖1-沉積室；2-基板；3-噴射粒子流；4-氣體霧化室；5-合金液；6-坩堝；7-霧化氣體；8-沉積體；9-運(yùn)動(dòng)機(jī)構(gòu)；10-排氣及取料室1.5.4金屬體材的快速凝固 圖

圖1-19噴射沉積法制備坯材

1-感應(yīng)加熱坩堝；2-噴嘴；3-圓柱沉積坯；4-沉積室；5-排氣管；

6-循環(huán)分離器 圖1-19噴射沉積法制備坯材2）大塊非晶態(tài)合金單向熔化法圖1-21單向熔化法示意圖2）大塊非晶態(tài)合金單向熔化法圖1-21單向熔化法示意圖連續(xù)鑄軋圖1-22連續(xù)鑄軋示意圖連續(xù)鑄軋圖1-22連續(xù)鑄軋示意圖分步冷卻連續(xù)鑄造法圖1-23分步冷卻連續(xù)鑄造法示意圖分步冷卻連續(xù)鑄造法圖1-23分步冷卻連續(xù)鑄造法示意圖3）大塊納米晶合金深過(guò)冷技術(shù)制備塊狀納米材料非晶晶化法制備大塊納米晶合金聚合物化學(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3）大塊納米晶合金深過(guò)冷技術(shù)制備塊狀納米材料1.6快速凝固其他新型合金材料一、快速凝固鋁合金二、快速凝固鎂合金三、快速凝固鈦合金四、快速凝固銅合金1.6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)四十年代。首先開發(fā)的是Al-Al2O3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“直接冷卻法”，即在凝固金屬的外殼通入冷卻介質(zhì)，以加速熱傳導(dǎo),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)確知，借助于普通粉末冶金工藝,使用平均粒度100μm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)向快速凝固。一、快速凝固鋁合金研究背景高性能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。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，提高彈快速凝固鋁合金實(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。快速凝固7000系列鋁合金用于制作波音757飛機(jī)的門傳動(dòng)裝置的絞鏈，用快速凝固Cw67合金制作的鍛壓機(jī)的性能明顯優(yōu)于用常規(guī)7075合金制作的鍛壓機(jī)。波音757飛機(jī)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)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。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30％-50％，飛機(jī)的總重量可減輕15％左右。軍用戰(zhàn)斗機(jī)運(yùn)載火箭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)輸機(jī)

鋁-鋰合金延性和斷裂韌性不佳的原因主要是變形時(shí)(Al3Li)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。均勻分布的無(wú)剪切作用的(Al2CuMg)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，而且往往需要延展形式的加工，例如鍛造、擠壓等?？焖倌啼X合金實(shí)例輕合金鋁-鋰合金延性和斷裂韌性不佳的原因主要是變形時(shí)(Al

聯(lián)合公司成功地研發(fā)了鋁-鋰鍛造合金，通過(guò)添加Zr明顯改善了鋁-鋰合金的力學(xué)性能，原因：(1)Zr與Al能生成亞穩(wěn)Al3Zr，并與鋁-鋰合金的主要強(qiáng)化相（Al3Li）同型。(2)亞穩(wěn)Al3Zr能有效阻礙位錯(cuò)切變；(3)在時(shí)效熱處理過(guò)程中Al3Li顆粒環(huán)繞共格的Al3Zr，形成一種特殊的Al3（Li，Zr）復(fù)合沉淀顆粒?？焖倌啼X合金實(shí)例輕合金聯(lián)合公司成功地研發(fā)了鋁-鋰鍛造合金，通過(guò)添加Zr快速凝固耐熱鋁合金實(shí)例Al-8Fe-2Mo合金由室溫至300℃的屈服強(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。較能代表高溫抗力的性能是蠕變強(qiáng)度。

Al-Fe-V-Zr合金在暴露于鹽霧中的質(zhì)量損失是熔鑄2014-T6和普通粉末冶金7090、7091合金損失的1/4。改善的原因包括化學(xué)成分的不同和顯微結(jié)構(gòu)細(xì)化兩者的作用?？焖倌棠蜔徜X合金實(shí)例Al-8Fe-2Mo合金由室溫至300典型快速凝固耐熱鋁合金快速凝固FVS1212合金拉伸屈服強(qiáng)度與重量之比接近于Ti-6Al-4V合金的水平，斷裂韌性約11MPa?m1/2。快速凝固FVS0812合金的斷裂韌性為31MPa?m1/2。合金在698K溫度下退火100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，Al12(Fe，V)3Si彌散顆粒的粗化速率比Al-Fe金屬間化合物低2-3個(gè)數(shù)量級(jí)。因?yàn)楣杌锖扛?，Al-Fe-V-Si合金的彈性模量高于常規(guī)鋁合金。FVS1212合金的比剛度高于鈦和沉淀強(qiáng)化鋼。在溫度420K以上，F(xiàn)VS1212合金的比剛性大于含20％(體積)碳化硅增強(qiáng)6061鋁。Al-Fe-V-Si系列典型快速凝固耐熱鋁合金快速凝固FVS1212合金拉伸屈服強(qiáng)度Al-Fe-V-Si合金具有優(yōu)異的耐蝕性。FVS0812合金在鹽霧中的質(zhì)量損失很小。FVS1212耐應(yīng)力腐蝕開裂能力特別強(qiáng)，合金在3.5％氯化鈉溶液中浸40天后，橫向施加應(yīng)力到360MPa也沒(méi)有開裂，此應(yīng)力值相當(dāng)于這種合金拉伸屈服應(yīng)力的95％。FVS0812合金的高周疲勞強(qiáng)度與2014-T6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；又因?yàn)镕VS0812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FVS0812合金中的擴(kuò)展速度接近于在粗晶粒的2014-T6合金中的速度。Al-Fe-V-Si合金具有優(yōu)異的耐蝕性。FVS0812合金氣體渦輪發(fā)動(dòng)機(jī)（壓縮機(jī)翼和葉片）火箭和導(dǎo)彈（舵和火箭助推器殼體）飛機(jī)骨架飛機(jī)輪（不能用鈦合金，因?yàn)殁佉兹迹﹥?nèi)燃機(jī)（連桿、活塞零件）典型快速凝固耐熱鋁合金氣體渦輪發(fā)動(dòng)機(jī)（壓縮機(jī)翼和葉片）典型快速凝固耐熱鋁合金二、快速凝固鎂合金研究背景

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：Mg具有滑移系少，在溫度不高時(shí)不易產(chǎn)生塑性變形。Mg具有很弱的電負(fù)性，2/3的合金溶質(zhì)元素在α-Mg固溶體中的最大固溶度小于1at.％。Mg很難通過(guò)冷加工和合金化提高合金的強(qiáng)度。Mg化學(xué)活性高，不能形成表面防護(hù)膜，耐蝕性差。Mg自擴(kuò)散系數(shù)高，使Mg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。二、快速凝固鎂合金研究背景鎂及其合

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)用的金屬中是最輕的。此外，Mg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)條件下鎂和鎂合金始終沒(méi)有作為一種工程材料受到重視。快速凝固技術(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，快速凝固鎂合金的比強(qiáng)高于快速凝固鋁合金。鎂也有許多獨(dú)特的優(yōu)點(diǎn)，例如密度很小，在有可能作快速凝固鎂合金

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1/16，枝晶臂間距僅為5-8μm，彌散第二相的尺寸僅為0.01μm，晶粒的細(xì)化有可能抑制孿晶的形成.與常規(guī)工藝制備的鎂合金相比，室溫的比強(qiáng)度超過(guò)40％～60％，壓縮屈服強(qiáng)度／拉伸屈服強(qiáng)度之比由0．7增加到1．1，延伸率達(dá)到5％～15％，經(jīng)過(guò)熱處理后可達(dá)到22％；在100~C以上時(shí)，具有優(yōu)良的塑性和超塑性由于晶粒非常細(xì)，疲勞強(qiáng)度為冶金鎂合金鑄錠的2倍多。RS技術(shù)還可改善鎂合金的耐蝕性，快速凝固使很小的溶質(zhì)固溶體有較大的擴(kuò)展和形成了許多新的亞穩(wěn)中間相。這些微觀組織結(jié)構(gòu)上的這些變化使合金的性能有了較大的提高?？焖倌替V合金快速凝固細(xì)化鎂合金的晶粒，明顯減少2002年，日本和英國(guó)學(xué)者先后采用快速凝固法開發(fā)出具有極高強(qiáng)度和延展性的鎂合金，強(qiáng)度約是超級(jí)鋁合金的3倍，是目前世界上強(qiáng)度最高的鎂合金，此外，它還具有超塑性、高耐熱性和高耐蝕性，可為航空航天工業(yè)提供優(yōu)質(zhì)材料。我國(guó)從事此研究工作的單位有北京航空材料研究院、中科院金屬所、中科院物理所、中南大學(xué)、湖南大學(xué)和西安理工大學(xué)等。美國(guó)、日本、以色列等投入巨資，研究和開發(fā)超高強(qiáng)度鎂合金及其在航空航天領(lǐng)域的應(yīng)用。其原因不僅是因?yàn)槌邚?qiáng)度鎂合金可以降低飛行器的成本，更重要的是可以改善飛行器的飛行姿態(tài)，快速凝固鎂合金發(fā)展簡(jiǎn)況2002年，日本和英國(guó)學(xué)者先后采用快速凝固法開快速凝固鎂合金實(shí)例性能

與常規(guī)鎂合金相比，快速凝固鎂合金的室溫強(qiáng)度、延性、高溫力學(xué)性能和耐蝕性能都有了明顯的改善。快速凝固Mg-2mass％Si、Mg-6％Si、和Mg-4.5％Ba、Mg-8.3％B合金中，分別形成了彌散的Mg2Si和Mg2Ba沉淀相，在317℃時(shí)的強(qiáng)度比常規(guī)的ZK60合金提高了3~5倍?？焖倌蘘K60合金在60℃擠壓成型后的屈服強(qiáng)度并鑄造并鍛造后成分相同的合金提高了120MPa，抗拉強(qiáng)度提高60MPa，同時(shí)還具有很好的延性。經(jīng)過(guò)成分改進(jìn)的Mg-9mass％Li合金(加入2mass％Si或者Ce)的屈服強(qiáng)度和抗拉強(qiáng)度都比常規(guī)鍛造Mg-9mass％Li合金提高了50~60％。除了強(qiáng)度的提高外，快速凝固后晶粒的細(xì)化和在合金中加入Ni、Li、Si、Pd、Pt、Sb、Ge、Sc和In等合金元素使合金中形成了具有立方結(jié)構(gòu)的相都有效地改善了Mg合金的延性。快速凝固鎂合金實(shí)例性能快速凝固鎂合金的熱穩(wěn)定性比常規(guī)Mg合金有較大的提高，例如在Mg-Al-Zr合金中，快速凝固形成的彌散Al3Zr沉淀相釘扎了晶界，阻止了晶粒的長(zhǎng)大，所以在300~400℃保溫達(dá)300小時(shí)后仍然能保持室溫強(qiáng)度不變?？焖倌替V合金微觀組織結(jié)構(gòu)的均勻化和彌散沉淀相的形成還提高了合金的抗腐蝕能力，例如，常規(guī)鑄態(tài)Mg-5.3mass％Zn-0.6％Zr合金通常具有正電性的α-Mg枝晶和電負(fù)性的枝晶間Mg51Zn20相組成，因而很容易受電化學(xué)腐蝕，當(dāng)快速凝固冷速較高時(shí)可以完全抑制Mg51Zn20相的形成，使合金的抗電化學(xué)腐蝕性能有明顯提高?？焖倌替V合金實(shí)例組織性能快速凝固鎂合金的熱穩(wěn)定性比常規(guī)Mg合金有較大的提高，例如在M某些新型快速凝固鎂合金還同時(shí)具有很好的強(qiáng)度、延性、抗腐蝕性能和高溫穩(wěn)定性，快速凝固Mg-5~8at％Al-1~2at％Zn-0.5~2at％X（X＝Pr、Nd、Ce）就是其中的一種典型合金

。這些合金在快速凝固后在晶粒細(xì)小(尺寸為0.36~0.70微米)的基體上產(chǎn)生了彌散的Mg3X或Mg17Y3沉淀相（尺寸為0.04~0.07μm），這些沉淀相是有很高熔點(diǎn)和熱穩(wěn)定性的金屬間化合物，所以它們?cè)跀D壓固結(jié)成型和高溫條件下沒(méi)有發(fā)生明顯的粗化，并能對(duì)晶界產(chǎn)生有效的釘扎作用，因而這些合金具有十分突出的室溫和高溫綜合力學(xué)性能。

某些新型快速凝固鎂合金還同時(shí)具有很好的強(qiáng)度、延性、抗腐蝕性能快速凝固鎂合金展望

盡管通過(guò)RS技術(shù)可以改善鎂合金的性能，但目前還存在許多理論和技術(shù)問(wèn)題有待解決。例如，RS鎂合金的組織設(shè)計(jì)、合金之間的相互作用、微觀偏析、準(zhǔn)晶存在形式及其對(duì)合金的性能的作用規(guī)律等，尺寸鎂合金管、棒、板、型材及一些結(jié)構(gòu)件的沉積技術(shù)、合金的致密化和成型技術(shù)、坯料在后續(xù)加工過(guò)程中的微晶保持技術(shù)，在變形過(guò)程中的變形理論、強(qiáng)韌化機(jī)理、熔煉和如何克服沉積過(guò)程中的阻燃等問(wèn)題，都是開發(fā)高性能RS鎂合金，并將其應(yīng)用到工業(yè)規(guī)模生產(chǎn)所必須解決的關(guān)鍵問(wèn)題。

日本已經(jīng)研究出一套具有防爆裝置的粉末制備及固化成形封閉系統(tǒng)，并成功制備高強(qiáng)度鎂合金，這種方法的成功表明人們可以制備出超高強(qiáng)度鎂合金，但是該方法的復(fù)雜性和技術(shù)的難度性使得其在鎂合金批量生產(chǎn)方面的應(yīng)用還有待進(jìn)一步研究。快速凝固鎂合金展望

高溫鈦合金的開發(fā)始于二十世紀(jì)六十年代。首先在鈦中添加硅以提高高溫蠕變強(qiáng)度，進(jìn)而又將鋯和鉬加入到基體中以穩(wěn)定硅化物彌散顆粒。在500~600℃范圍內(nèi)應(yīng)用這種含硅和鋯的鈦合金，就蠕變性能和其它對(duì)結(jié)構(gòu)敏感的性能而言，已基本上達(dá)到了最佳水平。但此溫度范圍只要稍高于0.47Tm。如果用這一尺度來(lái)衡量材料的能力，那么鈦合金遠(yuǎn)不及高溫合金，高溫合金的應(yīng)用范圍已經(jīng)達(dá)到了0.9Tm。正因?yàn)閭鹘y(tǒng)鈦合金欠缺高溫能力，才促進(jìn)了對(duì)高溫鈦合金的開發(fā)。三、快速凝固鈦合金研究背景高溫鈦合金的開發(fā)始于二十世紀(jì)六十年代。首先

高溫鈦合金的發(fā)展頗為艱難，因?yàn)椋涸阝伜辖鹣抵姓也坏较蟾邷睾辖鹬心菢釉诟邷叵乱埠芊€(wěn)定并與基體共格的強(qiáng)化相；當(dāng)溫度高于α轉(zhuǎn)變溫度時(shí)，硅化物的粗化速度很快，原因是溶質(zhì)元素硅的擴(kuò)散速率很高；高于600℃時(shí)發(fā)生極快速的氧化反應(yīng)。從而妨礙了在鈦合金高溫下的應(yīng)用。對(duì)此，人們進(jìn)行了針對(duì)性的努力：如以強(qiáng)α-穩(wěn)定元素的合金化來(lái)提高同素異型化溫度；采用快速凝固工藝向基體中引入非硅化物的沉淀相或彌散相；用抗氧化涂層涂覆合金的表面等。高溫鈦合金的發(fā)展頗為艱難，因?yàn)椋阂郧霸囘^(guò)向鈦中添加大量的稀土元素（～1％原子），用傳統(tǒng)熔鑄法生產(chǎn)，結(jié)果鑄錠的合金相內(nèi)含有直徑由1到幾個(gè)微米那樣粗大的稀土顆粒。這些粗大的稀土顆粒幾乎使之用鑄錠工藝通過(guò)添加稀土元素發(fā)展高溫鈦合金步入絕境。但快速凝固工藝能避免生成粗大顆粒而代之為細(xì)小的均勻的顆粒，重新激起了人們對(duì)添加稀土元素到鈦合金中的興趣?？焖倌题伜辖鸸に嚪椒ㄒ郧霸囘^(guò)向鈦中添加大量的稀土元素（～1％原子），用傳統(tǒng)熔鑄

高溫鈦合金的發(fā)展途徑主要是通過(guò)快速凝固使基體內(nèi)產(chǎn)生很細(xì)小且穩(wěn)定的彌散顆粒。添加元素包括類金屬(硼、碳、硅)、稀土金屬和一個(gè)錒系元素(釷)。所有這些元素在室溫下幾乎不溶于鈦，但在高溫下存在以有限的溶解度。此外，這些元素能在鈦基體中形成彌散顆粒，發(fā)揮高溫彌散強(qiáng)化作用。盡管快速凝固工藝發(fā)展十分迅速，但大規(guī)模應(yīng)用到鈦合金中還有困難，因?yàn)殁伜苋菀着c坩鍋和環(huán)境發(fā)生反應(yīng)。早在二十世紀(jì)七十年代就出現(xiàn)若干制取鈦合金粉末的工藝并成形到接近最終形狀，主要途徑還是粉末冶金法。粉末的生產(chǎn)工藝有很多種，例如：溶液提取工藝、電弧熔化自旋工藝、離心霧化工藝和超聲氣體霧化工藝等。高溫鈦合金的發(fā)展途徑主要是通過(guò)快速凝固使基體內(nèi)產(chǎn)快速凝固鈦合金工藝方法實(shí)例以Ti-6Al-4V為例：用垂直滴落溶液提取工藝生產(chǎn)薄的。熱壓溫度955℃、壓力為5.5MPa、時(shí)間1小時(shí)。若采用熱等靜壓工藝，首先將薄片冷壓成形，然后用不銹鋼包套壓坯并在870℃下脫氣15小時(shí)進(jìn)行熱等靜壓。熱等靜壓溫度955℃、壓力為167MPa。兩種工藝基本上都達(dá)到了100％密度，但在高溫致密化過(guò)程中晶粒發(fā)生長(zhǎng)大。為防止顯微結(jié)構(gòu)粗化卻又能獲得全密度產(chǎn)品，采用較低的致密化溫度。例如電子束熔化濺射淬冷薄片在800~950℃下進(jìn)行熱壓，再于800℃鍛造加工成4.0mm厚的板材，最后在800℃下熱軋成1.5mm厚的薄板。所有彌散強(qiáng)化鈦合金的致密化溫度都比傳統(tǒng)溫度低約100℃，但都達(dá)到全密度和良好的冶金粘結(jié)。鈦合金致密化的突出特點(diǎn)是原粉末顆粒表面的氧化物在熱致密化過(guò)程中由于擴(kuò)散而消失?？焖倌题伜辖鸸に嚪椒▽?shí)例以Ti-6Al-4V快速凝固鈦合金粉末致密化后的室溫強(qiáng)度比同成分的傳統(tǒng)熔鑄合金提高15％~40％。快速凝固工藝使那些用熔鑄工藝不可能溶于鈦合金的溶質(zhì)成為可溶，從而能控制快速凝固鈦合金中彌散顆粒的體積分?jǐn)?shù)達(dá)到最佳水平?？焖倌坦に囃ㄟ^(guò)改變晶粒尺寸。彌散顆粒的尺寸和體積分量以及氧含量等而明顯改變合金的室溫變形行為。前兩個(gè)因素受冷卻速度和熱處理?xiàng)l件控制；而氧含量只要在熱加工過(guò)程中避免與環(huán)境發(fā)生反應(yīng)便可以保持在最低水平?？焖倌题伜辖鹦阅芸焖倌题伜辖鸱勰┲旅芑蟮氖覝貜?qiáng)度比同成分的傳統(tǒng)熔鑄合金提四、快速凝固銅合金研究背景

用常規(guī)方法生產(chǎn)的銅合金一般都具有很好的導(dǎo)電性，但是力學(xué)性能不夠好，快速凝固銅合金不僅保持了良好的導(dǎo)電性能，而且改善了合金的耐磨性能、室溫與高溫力學(xué)性能和耐腐蝕性能，為銅合金的應(yīng)用開辟了更為廣闊的天地。主要是制備高強(qiáng)高導(dǎo)的銅合金。四、快速凝固銅合金研究背景

采用快速凝固技術(shù)制備的銅合金由于凝固過(guò)程的冷快、起始形核過(guò)冷度大,生長(zhǎng)速率高,使固-液界面偏離平衡,因而呈現(xiàn)出一系列與常規(guī)銅合金不同的組織和結(jié)構(gòu)特征,如:(1)顯著擴(kuò)大合金元素在銅中的固溶量;(2)大大細(xì)化晶粒尺寸;(3)降低化學(xué)成分的顯微偏析;(4)增大了晶體缺陷密度;(5)形成新的亞穩(wěn)相結(jié)構(gòu),(6)經(jīng)時(shí)效處理后,銅基體中第二組元含量提高,彌散程度增大。采用快速凝固技術(shù)制備的銅合金由于凝固過(guò)程的冷快、起始形快速凝固銅合金基本原理

快速凝固技術(shù)開發(fā)高性能銅合金的基本原理是:采用低平衡固溶度合金元素加入銅基體中,通過(guò)快速凝固方法獲得過(guò)飽和固溶體,再經(jīng)過(guò)時(shí)效處理,使過(guò)飽和固溶體分解,合金元素以細(xì)小的彌散沉淀相均勻析出于基體中或晶界上,起到很好的強(qiáng)化作用,同時(shí)電導(dǎo)率得到大幅度恢復(fù)。由此可見,快速凝固制得過(guò)飽和固溶體是合金制備的基礎(chǔ),如表1所示為幾種合金元素在銅中的固溶度?？焖倌蹄~合金基本原理快速凝固快速凝固銅合金實(shí)例

快速凝固Cu-Ni、Cu-Fe、Cu-Cr和Cu-Pb

等合金的研究表明，快速凝固顯著提高了Fe、Cr等合金元素在Cu中的固溶度，例如Fe的固溶度可以擴(kuò)展到20at％。而Cu-Ni-Sn合金快速凝固后的偏析程度和偏析距離與鑄態(tài)合金相比都有了明顯的減小。微觀組織結(jié)構(gòu)的這些改善明顯提高了合金的室溫硬度、強(qiáng)度和耐磨性能，并使合金具有良好的延性?？焖倌蹄~合金實(shí)例

Cu-Ni、Cu-Fe合金快速凝固后室溫延伸率達(dá)到40％。具有高導(dǎo)電性能的Cu-Al、Cu-Si、Cu-Ni-Ti、Cu-Cr-Zr、Cu-Cr-Zr-Mg等合金在快速凝固后由于產(chǎn)生了大量均勻、彌散的氧化物（如TiO2等），所以一直到1000℃仍然可以保持結(jié)構(gòu)穩(wěn)定，因而在20-450℃范圍內(nèi)具有極好的室溫和高溫力學(xué)性能。

Cu-Ni、Cu-Fe合金快速凝固后室溫延伸率達(dá)到快速凝固銅合金應(yīng)用

快速凝固銅合金代替常規(guī)銅合金制作耐磨電接觸開關(guān)、冷凝管、艦艇中的管道和減弱機(jī)器噪聲的聲阻元件、軸承、螺栓、螺旋槳葉片、齒輪等構(gòu)件時(shí)，能夠有效地提高它們的綜合性能?？焖倌藽u-Cr-Zr合金可以用來(lái)制作同時(shí)要求具有較高導(dǎo)電、導(dǎo)熱性能和疲勞抗力的部件?？焖倌藽u-Pb合金由于性能好、成本低，也可以代替價(jià)格較貴的常規(guī)青銅合金（含銅量大于80％）制作軸承。快速凝固銅合金應(yīng)用作業(yè)題什么是快速凝固？請(qǐng)說(shuō)明實(shí)現(xiàn)快速凝固的基本條件、滿足快速凝固條件的途徑以及快速凝固的特點(diǎn)。作業(yè)題什么是快速凝固？請(qǐng)說(shuō)明實(shí)現(xiàn)快速凝固的基本條件、滿足快速第1章快速凝固技術(shù)

第1章快速凝固技術(shù)前言快速凝固1960年開始出現(xiàn)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)用前景近二、三十年來(lái)，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前言快速凝固1960年開始出現(xiàn)快速凝固是一項(xiàng)新型材料制備內(nèi)容快速凝固概論快速凝固的物理冶金基礎(chǔ)實(shí)現(xiàn)快速凝固途徑快速凝固制備工藝快速凝固技術(shù)在金屬材料中的應(yīng)用快速凝固其他新型合金內(nèi)容快速凝固概論快速凝固的物理冶金基礎(chǔ)實(shí)現(xiàn)快速凝固途徑（一）快速凝固發(fā)展的由來(lái)1.1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)都離不開鑄造。工業(yè)鑄造（一）快速凝固發(fā)展的由來(lái)1.1快速凝固概述鑄造是冶118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)生重要的甚至是決定性的影響。常規(guī)鑄造中鑄件的凝固時(shí)間一般很長(zhǎng)，凝固過(guò)冷度很小。常規(guī)鑄錠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)加工的進(jìn)行和119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)生一系列鑄造缺陷：容易形成粗大的樹枝晶，并產(chǎn)生嚴(yán)重的晶內(nèi)偏析與晶界偏析；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，從而在較大尺度上出現(xiàn)宏觀偏析。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)冷度直接相關(guān)，120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；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(wèn)題更嚴(yán)重。常規(guī)鑄造中的缺陷：縮孔和縮松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)力等鑄造缺121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。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，必須增加合金中Al、Ti含量以增加彌散強(qiáng)化相γ(Ni3A1)的含量，并提高γ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。高溫鎳基合金8這些問(wèn)題不僅使現(xiàn)有牌號(hào)合金的鑄造質(zhì)量和性能很難得到保證，還122Fe-Si軟磁合金：含Si較高的Fe-6.5wt％Si合金的軟磁性能比含Si少的合金好，但采用常規(guī)鑄造工藝無(wú)法將Fe-6.5wt％Si合金熱軋成0.3mm厚的芯片，只能采用鑄造和加工性能較好的Fe-3wt％Si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9Fe-Si軟磁合金：含Si較高的Fe-6.5wt％Si合金123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。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)提上了議事日程?？焖倌碳夹g(shù)正是在這樣的背景下出現(xiàn)并很快得到了迅速的發(fā)展。10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124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。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：提高凝固傳熱速度—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—大過(guò)冷技術(shù)。11常規(guī)鑄造合金出現(xiàn)晶粒粗大、偏析嚴(yán)重、鑄造性能不好等嚴(yán)重缺定義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凝固過(guò)程（105/s）。定義2：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)程。定義3：快速凝固是指采用急冷技術(shù)或深過(guò)冷技術(shù)獲得很高的凝固前沿推進(jìn)速率的凝固過(guò)程?？焖倌痰亩x定義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凝固過(guò)程126（1）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)距離的增加，依次為等軸晶、柱狀晶與樹枝晶?？焖倌滩牧系闹饕⒂^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)13（1）細(xì)化凝固組織，使晶粒細(xì)化。快速凝固材料的主要微觀組127(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14(c)(b)(a)不同冷卻方式制備NdFeB鑄錠的128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μm左右，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；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。15快速凝固合金的晶粒尺寸很小，而且十分均勻，一般平129（2）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)顯著減小，合金的成分不均勻程度或偏析程度大大減小?？焖倌滩牧系闹饕⒂^組織16（2）快速凝固可使合金成分均勻化，偏析減小?？焖倌滩牧?30通常用樹枝晶偏析的二次枝晶臂間距λ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)合金的幾毫米到幾十微米減小到0.10-0.25μm。冷速（K/s）凝固工藝產(chǎn)品厚度λ10-6-10-3大砂模鑄件或鑄錠6m0.5-5mm10-3-10標(biāo)準(zhǔn)鑄件或鑄錠0.2-6m50-500μm10-103常規(guī)模鑄或霧化6-20mm5-50μm103-106快速凝固霧化0.2-6mm0.5-5μm106-109熔淬6-200μm0.05-0.5μm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17通常用樹枝晶偏析的二次枝晶臂間距λ作為成分偏析范圍標(biāo)志，131（3）快速凝固使合金缺陷密度增加與鑄態(tài)合金相比，快速凝固合金中的空位、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18（3）快速凝固使合金缺陷密度增加快速凝固材料的主要微觀組132合金在快速凝固過(guò)程中受到較大的熱應(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。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。19合金在快速凝固過(guò)程中受到較大的熱應(yīng)力，空位聚集形成位錯(cuò)環(huán)133（4）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)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)定相并能在一定的條件下較長(zhǎng)時(shí)間保持不變?？焖倌滩牧系闹饕⒂^組織20（4）快速凝固使合金中形成新的亞穩(wěn)相?？焖倌滩牧系闹饕?34利用從穩(wěn)定相Ⅰ—亞穩(wěn)相—穩(wěn)定相Ⅱ的相變過(guò)程，在不用改變合金成分的條件下可以使穩(wěn)定相I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)變的熱激活條件，就可以長(zhǎng)期使用主要由亞穩(wěn)相組成的材料。21利用從穩(wěn)定相Ⅰ—亞穩(wěn)相—穩(wěn)定相Ⅱ的相變過(guò)程，在不用改變合（1）力學(xué)性能。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，因而改善了合金的強(qiáng)度、韌性和延性。（2）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)（1）力學(xué)性能。快速凝固的性能特點(diǎn)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/固相變時(shí)有極高的熱導(dǎo)出速度。依靠輻射散熱，對(duì)于直徑為1μm，溫度為1000℃的金屬液滴，獲得的極限冷卻速率只有103K/s，可見冷卻速度不高；通過(guò)對(duì)流傳熱，將導(dǎo)熱良好的氫或氦以高速流過(guò)厚度為5μm的試樣，獲得的極限冷速為1×104~2×104K/s；要獲得高于106K/s的冷速，只能借助于熱傳導(dǎo)。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/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良好接觸；液體層必須很??；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。用熱傳導(dǎo)方法獲得高的凝固速率的條件是：1.2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