快速凝固課件

第二節(jié)快速凝固

一、快速凝固簡介二、快速凝固方法三、快速凝固顯微組織四、金屬玻璃快速凝固的研究開始于20世紀50年代末60年代初，是在比常規(guī)工藝過程快得多的冷卻速度或大得多的過冷度下，合金以極快的凝固速率由液態(tài)轉(zhuǎn)變?yōu)楣虘B(tài)的過程。1960年美國加州理工學院的PDuwez等采用一種獨特的熔體急冷技術(shù)，第一次使液態(tài)合金在大于107K/s的冷卻速度下凝固。他們的發(fā)現(xiàn)，在世界的物理冶金和材料學工作者面前展開了一個新的廣闊的研究領(lǐng)域。在快速凝固條件下，凝固過程的一些傳輸現(xiàn)象可能被抑制，凝固偏離平衡。經(jīng)典凝固理論中的許多平衡條件的假設(shè)不再適應(yīng)，成為凝固過程研究的一個特殊領(lǐng)域。一、快速凝固簡介定義：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速率的凝固過程。

冷卻條件冷卻速率/(K·S-1)組織特征工業(yè)冷卻速率砂型鑄件和鑄錠10-3---100平衡條件的晶粒組織,如粗樹枝晶,共晶和其他結(jié)構(gòu)。中等冷卻速率薄帶，模鑄件，普通霧化粉末100---103精細顯微結(jié)構(gòu),如細樹枝晶,共晶和其他結(jié)構(gòu)。快速凝固霧化細粉、噴霧沉積、電子束或激光玻璃化處理103---106特殊顯微結(jié)構(gòu),如擴大固溶度，微晶結(jié)構(gòu)，亞穩(wěn)結(jié)晶相，非晶結(jié)構(gòu)?？焖倌痰哪康某毥M織過飽和固溶體亞穩(wěn)相或新的結(jié)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。二、快速凝固方法1.動力學急冷法2.熱力學深過冷法動力學急冷法在動力學急冷凝固技術(shù)中，根據(jù)熔體分離和冷卻方式的不同，可以分成霧化技術(shù)、模冷技術(shù)和表面熔化及沉積技術(shù)三大類。原理：通過提高熔體凝固時的傳熱速率從而提高凝固時的冷卻速率，使熔體形核時間極短，來不及在平衡熔點附近凝固而只能在遠離平衡熔點的較低溫度凝固，因而具有很大的凝固過冷度和凝固速率。模冷技術(shù)模冷技術(shù)：使金屬液接觸固體冷源并以傳導的方式散熱而實現(xiàn)快速凝固。其主要特點是首先把熔體分離成連續(xù)或不連續(xù)的、界面尺寸很小的熔體流，然后使熔體流與旋轉(zhuǎn)或固定的、導熱良好的冷模或基底迅速接觸而冷卻凝固。模冷技術(shù)槍法雙活塞法熔體旋轉(zhuǎn)法平面流鑄造法表面熔化與沉積技木熔體提取法急冷模法霧化技術(shù)霧化技術(shù)是指采用某種措施將熔體分離霧化，同時通過對流的冷卻方式凝固，其主要特點是在離心力、機械力或高速流體沖擊力等作用下分散成尺寸極小的霧狀熔滴在氣流或冷模接觸中迅速冷卻凝固。流體霧化法霧化技術(shù)離心霧化法機械霧化法熱力學深過冷快速凝固熱力學深過冷是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質(zhì)晶核的形核作用，增加臨界形核功、抑制均質(zhì)形核作用，使得液態(tài)金屬或合金獲得在常規(guī)條件下難以達到的過冷度。

采用這種技術(shù),可以在冷速不高的情況下獲得很大的凝固過冷度。因此,熱力學深過冷非平衡凝固在理論上不受熔體體積限制，是實現(xiàn)大體積熔體非平衡凝固的有效方法。熱力學深過冷方法1、微小液滴法2、乳化-熱分析法3、落管法4、電磁懸浮熔煉法5、微重力法6、固液兩相區(qū)法7、循環(huán)過熱法8、玻璃熔體凈化法9、復合凈化法乳化-熱分析法的基本思想是在惰性環(huán)境（惰性基礎(chǔ)或惰性懸浮溶液）中，隨著液體分散程度的提高，有效形核襯底逐漸被孤立于少數(shù)液滴中，大部分液滴保持分離并且不包含異質(zhì)核心，這部分液滴將會表現(xiàn)出深過冷行為，其原理見下圖。落管法：通過電磁懸浮熔煉、電子束或其他方法熔化金屬，隨后金屬熔體在真空或通入保護性氣體的管中自由下落冷卻凝固。自由下落過程中，金屬或合金液避免與器壁相接觸，同時又具有微重力凝固的特征，因而可以獲得深過冷。電磁懸浮熔煉法：通過選擇合適的線圈形狀及輸出頻率，使試樣在電磁力作用下處于懸浮裝態(tài)，再通入He、Ar、H2等保護氣氛，通過感應(yīng)加熱熔化，控制凝固從而實現(xiàn)深過冷。微重力法：利用太空中微重力場和高真空條件，使液態(tài)金屬自由懸浮于空中實現(xiàn)無坩堝凝固，從而獲得深過冷。固液兩相區(qū)法：將合金熔體過熱，然后冷卻至固液兩相區(qū)，使也想在先析出相的包裹下結(jié)晶而獲得深過冷。

循環(huán)過熱法：在非晶態(tài)坩堝或形核觸發(fā)作用較小的坩堝中對純金屬或合金進行“加熱熔化----過熱保護----冷卻凝固”循環(huán)處理，金屬中的異質(zhì)形核核心通過熔化、分解和蒸發(fā)等途徑消失或鈍化從而失去襯底作用獲得熔體的深過冷。玻璃熔體凈化法：在熔融玻璃的包覆下進行熔煉，液態(tài)金屬中的夾雜物在被玻璃熔體物理吸附的同時，還可以與玻璃中的某些組元相互作用形成低熔點化合物進入溶劑中，達到消除異質(zhì)核心的目的。復合凈化法：（1）循環(huán)過熱和玻璃凈化相結(jié)合的方法（2）循環(huán)過熱、熔融玻璃、化學氣氛凈化相結(jié)合的復合凈化法（3）循環(huán)過熱與電磁懸浮熔煉相結(jié)合的方法一、顯微結(jié)構(gòu)特征

加快冷卻速度和凝固速率所引起的組織及結(jié)構(gòu)特征可以非常近似地用圖6-19來表示。三、快速凝固顯微組織在過冷不斷加深的過程中，合金的組織及結(jié)構(gòu)主要發(fā)生的新變化為：1、擴大了固溶極限

表中匯集了快速凝固的鋁合金中所達到的溶質(zhì)固溶量數(shù)據(jù)。在諸如Al—Cu、Al—Si、Al—Mg等合金中，所達到的固溶量不僅大大超過了最大的平衡固溶極限，并且超過了平衡共晶點的成分，即在平衡共晶點成分的合金中，通過快速凝固，形成了單相的鋁固溶體組織。

表8-3是鐵基置換固溶體中，通過快速凝固后所獲得的合金元素溶解度。

由此可見：無論是鋁合金還是鋼，快速凝固均使溶質(zhì)元素的固溶量獲得了顯著的擴大。擴大的幅度，在不同的合金系中是不相同的，這決定于不同的熱力學和動力學條件。2.細化凝固組織

快速凝固合金具有比常規(guī)合金低幾個數(shù)量級的晶粒尺寸，一一般為＜0.1~1.0um，在Ag—Cu(wcu＝50％)合金中，觀察到細至30nm的晶粒。超細鑄態(tài)晶粒成為快速凝固合金在組織上的又一個重要特征，這顯然是在很大的過冷度下達到很高的形核率的結(jié)果。當在快速凝固的合金中出現(xiàn)第二相或夾雜物時，其晶粒尺寸也相應(yīng)地細化。3.極少偏析和無偏析在以高生長速率進行凝固的合金中，如處于平界面的相對穩(wěn)定或溶質(zhì)完全截留的狀態(tài)，則形成無任何顯微偏析的單相組織。在溶質(zhì)完全截留時，在整個合金的宏觀體積范圍內(nèi)，都不存在任何形式的偏析。在許多快速凝固合金中，盡管顯微組織仍由胞狀晶或胞狀樹枝晶組成，但由于溶質(zhì)固溶極限的擴大和晶粒的大大細小，因此與胞/枝晶生長相聯(lián)系的顯微偏析的分散度也大大提高，顯著地改善了顯微組織和化學均勻性。4.形成亞穩(wěn)相或新的結(jié)晶相

在快速凝固的合金中，除了出現(xiàn)亞穩(wěn)的過飽和固溶體外，還會形成其它的亞穩(wěn)相。這些亞穩(wěn)相的晶體結(jié)構(gòu)可能與平衡狀態(tài)圖上相鄰的某一中間相的結(jié)構(gòu)極為相似，因此可看作是快速冷卻和達到大的過冷條件下，中間的亞穩(wěn)濃度范圍擴大的結(jié)果。另一方面，形成某些在平衡相圖上完全不出現(xiàn)的亞穩(wěn)相。圖是Co-Nb平衡相圖；實驗中采取了不同成分的Co-Nb合金進行快速凝固。在含Nb14%即靠近第一個共晶點成分的合金中，用X射線衍射及透射電鏡分析可以確定，在厚度為30-40um的條帶中形成了單相的組織，它的結(jié)構(gòu)與相圖上右鄰的中間相NbCo2極為相似?？梢哉J為，在快速凝固的條件下，NbCo2的成分范圍已擴大到了左側(cè)平衡共晶點；通過其它成分的Co-Nb合金的快速凝固，還發(fā)現(xiàn)u相的亞穩(wěn)濃度范圍亦向左右兩側(cè)擴大了。5.高的點缺陷密度固態(tài)金屬中點缺陷的密度隨著溫度的上升而增大。

金屬熔化以后，在液態(tài)下上述關(guān)系已失去了確切的含義。由于原子有序排列程度的突然降低，液態(tài)金屬中的“缺陷密度”當然要比同溫度下的固態(tài)金屬高得多，而在快速凝固的過程中，則會較多地保存在固態(tài)金屬中。四、金屬玻璃金屬玻璃（也稱非晶態(tài)合金）是Duwez等人在1960年首先發(fā)現(xiàn)的，他們通過對熔融Au80Si20合金快速冷淬獲得了金屬玻璃。金屬玻璃保留了液態(tài)金屬的短程有序的類似原子簇的結(jié)構(gòu)，微觀組織中不存在晶界、位錯和偏析等缺陷，其結(jié)構(gòu)類似于普通玻璃

。快速凝固的Al-Fe-V-Si合金組織金屬玻璃的拉伸強度可高達3～4GPa，并具有很好的耐腐蝕性能、優(yōu)異的軟磁性能、優(yōu)良的超導性能、較高的熱穩(wěn)定性和較低的表面活性，已經(jīng)或可望應(yīng)用于機械結(jié)構(gòu)材料、磁性材料、聲學材料、仿生材料、光學材料、體育器材以及電子材料等多個方面。能否發(fā)生玻璃化轉(zhuǎn)變的影響因素主要有冷卻速率、形核密度和材料特性。對應(yīng)于一定的合金熔體，欲發(fā)生玻璃化轉(zhuǎn)變需要有足夠高的冷卻速率。金屬玻璃的