材料成形原理第6章

第六章特殊條件下的凝固快速凝固是指液態(tài)金屬以105～1010K/s的冷速進行凝固的液態(tài)急冷技術?？焖倌潭x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、相結構和顯微結構的過程?？焖倌踢^程抑制了各種傳輸現(xiàn)象，凝固偏離平衡，經典凝固理論中假設的許多平衡條件不再適應，成為材料凝固學研究的一個特殊領域。

§６－1快速凝固快速凝固的目的超細組織過飽和固溶體亞穩(wěn)相或新的結晶相微晶、納米晶或金屬玻璃形成獲得優(yōu)異的強度、塑性、耐磨性、耐腐蝕性等。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條件，是要求液/固相變時有極高的熱導出速度。如果依靠輻射散熱，對于直徑為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；通過對流傳熱，將導熱良好的氫或氦以高速流過厚度為5μm的試樣，獲得的極限冷速為1×104~2×104K/s；

要獲得高于105K/s的冷速，只能借助于熱傳導。用急冷凝固方法獲得高的凝固速率的條件是：(1)減少單位時間內金屬凝固時的產生的結晶潛熱。(2)提高凝固過程中的傳熱速度.

形成盡可能接近均質形核的凝固條件，抑制非均質形核，從而獲得盡可能大的過冷度。（1）將熔體彌散成液滴；（2）把熔體與容器壁隔開（1）模冷技術：使熔體與冷模接觸并以傳導的方式散熱。

二、急冷凝固技術及特點雙活塞法、熔體旋轉法、平面流鑄造法、電子束急冷淬火法、熔體提取法及急冷模法。

熔體旋轉法圖雙輥法快速凝固技術的基本原理

1一帶材2－合金液流3－加熱爐4一坩堝5一漏出孔6－雙輥

通常生產幾十微米厚的薄帶圖單輥法復合層快速凝固過程原理圖

1－單輥2－合金液13一坩堝14－坩堝25－合金液2

6－感應加熱線圈7一復合層帶材通常生產幾十微米厚的薄帶（2）霧化技術1）氣體霧化法，工作原理如圖所示。熔化的合金液澆入漏包中經過噴嘴霧化并在霧化室中進一步破碎、凝固，最后在收集室中收集。霧化氣體進人排氣管，經過濾后排出或循環(huán)使用。高速氣流的主要作用是使液態(tài)金屬霧化成細小的顆粒。霧化氣體可采用空氣、氮氣、氬氣或氦氣等，為了避免合金的氧化污染，通常采用保護性氣氛，特別是氬氣進行氣體霧化。圖氣體霧化設備工作原理圖

1一細粉2一氣體3一氣源4－合金液5一真空感應加熱器

6一噴嘴7—

霧化室8一收集室9一粉末

噴射沉積法可根據制件的需要設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)工業(yè)化生產。該技術是由英國Swansee大學singer于70年代發(fā)明的，并很快在Osprey金屬有限公司實現(xiàn)工業(yè)化生產，目前已經在許多國家得到廣泛應用。

（3）表面熔化與沉積技術1—沉積室2—基板3—噴射粒子流4—氣體霧化室5－合金液6一坩堝7－霧化氣體8—沉積體9－運動機構10—排氣及取料窒圖連續(xù)生產錠材的工藝原理圖

1－感應加熱坩堝2—氣體霧化器（噴嘴）3—圓柱沉積錠

4—沉積室5—排氣管6—循環(huán)分離器

圖幾種激光表面熔化處理方法的工作原理圖

a）表面硬化b）表面熔凝c）表面合金化d）表面粘附

3、快速凝固的產物及其特征快速凝固使金屬材料的結構發(fā)生了前所未有的變化可形成具有特殊性能的新材料。（1）形成過飽和固溶體將液態(tài)合金以高速急冷快速地穿過液/固兩相區(qū)，就阻止了第二相的生核和長大。使溶質原子以超常規(guī)溶解度陷在α相晶格中。表部分合金元素在Al中平衡固溶度和擴展固溶度（%）（2）超細的晶粒度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?？焖倌毯辖鸨瘸Ｒ?guī)合金低幾個數(shù)量級的晶粒尺寸，一般為<0.1～1.0μm在Ag-Cu（wCu=50%）合金中，觀察到細至3nm的晶粒。原因：很大過冷度下達到很高形核率（3）極少偏析或無偏析如果生長速度加劇，枝晶端部的溫度開始時上升，當生長速度足夠高時，枝晶端部的溫度會重新下降到平衡的固相線溫度。此時的固相成分又回到合金的原始成分，凝固前沿亦重新成為平界面，表明合金凝固進入了“絕對穩(wěn)定界限”如果凝固速率不僅達到了“絕對穩(wěn)定”界限，而且超過了界面上溶質原子的擴散速率，即進入完全的“無偏析、無擴散凝固”時，可在鑄件的全部體積內獲得完全不存在任何偏析的合金

（4）形成亞穩(wěn)相（非平衡相）亞穩(wěn)相的晶體結構可能與平衡狀態(tài)圖上相鄰的某一中間相的結構極為相似，因此可看成是在快速冷卻和大過冷度條件下中間相亞穩(wěn)濃度范圍擴大的結果。（5）高的點缺陷密度在快速凝固的過程中，液態(tài)金屬的缺陷會較多地保存在固態(tài)金屬中

（6）形成非晶態(tài)合金液態(tài)金屬為短程有序排列結構，原子有極高的遷移速率。采用極快的冷卻速率冷卻，可能導致金屬在凝固后保留液態(tài)時結構。目前所能達到的冷卻速率，只能使很少一部分合金能夠抑制結晶過程而形成非晶態(tài)。原則上講，只要有更高的冷卻速率，就可以將所有合金系的合金凝固成非晶態(tài)。

非晶態(tài)合金性能特點：具有極高的強度及硬度，壓縮時的良好的塑性，較好的韌性具有良好的軟磁性能，具有很小的電阻溫度系數(shù)，優(yōu)良的耐蝕性。

定向凝固：鑄件按一定方向由一端開始，逐步向另一端結晶。柱狀晶組織純凈、致密，當排列方向與受力方向一致時，具有高強度，抗蠕變和抗熱疲勞特性明顯提高。關鍵是創(chuàng)造單向散熱的冷卻條件。

§６－２定向（單向）凝固單晶定向凝固柱狀晶等軸多晶體定向凝固是在凝固過程中采用強制手段，在凝固金屬和未凝固熔體中建立起特定方向的溫度梯度，從而使熔體沿著與熱流相反的方向凝固，獲得具有特定取向柱狀晶的技術。定向凝固技術是在高溫合金的研制中建立和完善起來的。該技術最初用來消除結晶過程中生成的橫向晶界，甚至消除所有晶界，從而提高材料的高溫性能和單向力學性能。在定向凝固過程中溫度梯度和凝固速率這兩個重要的凝固參數(shù)能夠獨立變化，可以分別研究它們對凝固過程的影響。這既促進了凝固理論的發(fā)展，也激發(fā)了不同定向凝固技術的出現(xiàn)。定向凝固基本原理1、必要條件：GL>0必須在固—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量

圖坩堝下降單向凝固法生長裝置和溫度分布

a）裝置示意圖b）溫度分布圖

通過增大GS來增強固相的散熱強度，這是實際應用中獲得大的GL的重要途徑。同時，也會使凝固速率R增大。因此，常用提高固—液界面前沿熔體的溫度來達到提高GL的目的。2.定向凝固的方法1）發(fā)熱劑法絕熱耐火材料箱中，底部水冷結晶器型殼上部蓋以發(fā)熱劑，金屬液處于高溫，建立自下而上的凝固條件。無法調節(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。2）功率降低法

（P.D法）

鑄型加熱感應圈分兩段

鑄件在凝固過程中不移動。GL隨著凝固的距離增大而不斷減小。GL、R值都不能人為地控制。3）快速凝固法（H.R.S法）鑄型加熱器始終加熱，在凝固時，鑄件與加熱器之間產生相對移動。與P.D法相比可以大大縮小凝固前沿兩相區(qū)，局部冷卻速度增大，有利于細化組織，提高機械性能。H.R.S法示意圖2、定向凝固技術的應用

（1）柱狀晶的生長（一種順序凝固組織）定向凝固典型應用——單晶制備

由一個晶核長大而成的一大塊晶體叫單晶體。

1、意義：由于完全消除了晶界，單晶體在高溫力學、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用。單晶是電子元件和激光元件的重要原料。金屬單晶也開始應用于某些特殊場合如噴氣發(fā)動機葉片等。

2、基本原理：根據結晶理論，制備單晶的基本要求是液體結晶時只存在一個晶核，要嚴格防止另外形核。為此，材料必須高度純凈以限制形核；結晶速度必須非常緩慢以保證定向生長。

3、制備方法：尖端形核法和垂直提拉法。制備單晶體有兩種方法

1）尖端形核法模子尖端首先移出爐外緩慢冷卻，于尖端處產生一個晶核。隨著模子向右緩慢移動，晶核向左定向生長成單晶體。晶體內容易產生應力或寄生形核，