材料成型理論基礎(chǔ)課件 成形原理60

Chapter6Solidification

andProcessingofliquidmetalsunderspecialcondition

第六章液態(tài)金屬在特殊條件下的凝固及成形華中科技大學呂書林

1§6-1快速凝固2快速凝固特點：快速凝固定義為：由液相到固相的相變過程非?？?，從而獲得普通鑄件或鑄錠無法獲得的成分、相結(jié)構(gòu)和顯微結(jié)構(gòu)的過程。液態(tài)金屬以105～1010

K/s的冷速進行凝固；快速凝固過程抑制了各種傳輸現(xiàn)象，凝固偏離平衡，經(jīng)典凝固理論中假設(shè)的許多平衡條件不再適應(yīng)，成為材料凝固學研究的一個特殊領(lǐng)域。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1×104~2×104

K/s；

31、快速凝固的條件要獲得高于105

K/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(nèi)金屬凝固產(chǎn)生的結(jié)晶潛熱。(2)提高凝固過程中的傳熱速度.途徑?

4（1）模冷技術(shù)

2、急冷凝固技術(shù)及特點單向凝固速率與導熱條件的關(guān)系

δ－凝固層厚度，Ti－鑄件/鑄型界面溫度，TK－凝固界面溫度5圖雙輥法快速凝固技術(shù)的基本原理

1.帶材，2.合金液流，3.加熱爐，4.坩堝，

5.漏出孔，6.雙輥

通常生產(chǎn)幾十微米厚的薄帶6圖單輥法復合層快速凝固過程原理圖

1.單輥；2.合金液1；3.坩堝1；4.坩堝2；5.合金液2；

6.感應(yīng)加熱線圈；7.復合層帶材7通常生產(chǎn)幾十微米厚的薄帶圖氣體霧化設(shè)備工作原理圖

1.細粉，2.氣體，3.氣源，4.合金液，5.加熱器，

6.噴嘴，7.霧化室，8.收集室，9.粉末.8（2）霧化技術(shù)

合金液澆入漏包中經(jīng)過噴嘴（高速氣流）霧化并在霧化室中進一步破碎、凝固，最后在收集室中收集。霧化氣體可循環(huán)使用。霧化氣體：空氣、N2、Ar或He。9（a）氣流霧化；（b）超聲霧化霧化技術(shù)制備的金屬粉末10（3）噴射沉積技術(shù)噴射沉積法可根據(jù)制件的需要設(shè)計基板的形狀和尺寸，從而獲得終形件或近終形件，更容易實現(xiàn)工業(yè)化生產(chǎn)。噴射沉積原理圖11圖連續(xù)生產(chǎn)錠材的工藝原理圖1.感應(yīng)加熱器，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12（4）表面熔化與沉積技術(shù)該技術(shù)主要應(yīng)用高密度能束（激光束、電子束、等離子束）使工件表層熔化，在內(nèi)層金屬的冷卻作用下迅速凝固。圖表面熔化法示意圖對工件進行表面激光熔覆13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1415等離子噴涂沉積技術(shù)：用高溫等離子體火焰熔化合金或陶瓷粉末，然后噴射到工件表面，高溫熔滴迅速冷凝沉積并與基體結(jié)合成牢固、致密的噴涂層。等離子噴涂沉積技術(shù)示意圖3、快速凝固的產(chǎn)物及其特征快速凝固使金屬材料的結(jié)構(gòu)發(fā)生了前所未有的變化，可形成具有特殊性能的新材料。16（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(zhì)原子以超常規(guī)溶解度陷在α相晶格中，形成單相固溶體。17表部分合金元素在Al中平衡固溶度和擴展固溶度（%）18（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。快速凝固合金比常規(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（ωCu=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19（3）極少偏析或無偏析20如果凝固速率超過了界面上溶質(zhì)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(nèi)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(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(jié)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21（6）形成非晶態(tài)合金液態(tài)金屬為短程有序排列結(jié)構(gòu)，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(jié)構(gòu)。Duwez等人用液態(tài)急冷法使接近共晶成分的Au-Si合金凝固成了非晶態(tài)材料。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(jié)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)。

22§6-2定向（單向）凝固1、必要條件：必須在固/液界面前沿建立足夠大的溫度梯度，其大小直接影響晶體生長速率和晶體質(zhì)量。

23通過增大GS來增強固相的散熱強度，這是實際應(yīng)用中獲得大的GL的重要途徑。但R可能增大，不利于柱狀晶的形成及穩(wěn)定。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。24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

252.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(jié)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(diào)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(chǎn)。262）功率降低法

（P.D法）

鑄型加熱感應(yīng)圈分兩段，

鑄件在凝固過程中不移動。GL隨著凝固距離的增大而不斷減小。GL、R值都不能人為地控制。271.保溫蓋，2.感應(yīng)圈，3.玻璃布，4.保溫層5.石墨套，6.模殼，7.結(jié)晶器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(chǎn)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。281.保溫蓋，2.感應(yīng)圈，3.玻璃布，4.保溫層，5.石墨套，6.模殼，7.擋板，8.冷卻圈，9.結(jié)晶器2、定向凝固技術(shù)的應(yīng)用

（1）柱狀晶的生長（一種順序凝固組織）29（2）單晶生長根據(jù)熔區(qū)的特點分為正常凝固法和區(qū)熔法。1）正常凝固法有坩堝移動、爐體移動及晶體提拉等單向凝固方法或?qū)ⅰ白丫А狈旁谯釄宓撞?，當坩堝向下移動時，“籽晶”處開始結(jié)晶，隨著固—液界面移動，單晶不斷長大。主要缺點是晶體和坩堝壁接觸，容易產(chǎn)生應(yīng)力或寄生成核30圖坩堝移動單向凝固示意圖

a）垂直式b）水平式31圖自生粒晶法生產(chǎn)單晶葉片

1-鑄件2-選晶段3-起始段

32選晶段示意圖通過x、y、z三個方向選晶，從而確保一個柱晶順利進入鑄件33圖晶體提拉示意圖34（3）區(qū)域提純區(qū)域熔化是獲得超純材料的極有效的手段，由于區(qū)域熔化的發(fā)明，才出現(xiàn)了半導體工業(yè)。當正