快速凝固技术在铝合金中的应用
随着近年来国内外这些方面研究的不断深入， 一系列快速凝固耐 热铝合金相继问世。 如：俄罗斯研究开发的 AK4-1 合金[12]，而国内的研 究很多是在 AK4-1 合金的基础上，通过严格控制杂质元素 Mn、 Si 等含 量，调整合金元素 Cu、Fe、Ni 含量，使得合金的综合性能得到了改善[13]。
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2012 年 第 25 期
速凝固技术而得到显著地提高，在 Al-Si 二元合金系的基础上 可 以 加 入其它合金元素(例如 Mn、Li 等)，材料需 要 的 某 些 性 能 可 以 获 得 相 应 的 提 高 [14]。
（2 ） 耐 磨 铝 硅 合 金 Al-Si 合金具有优异的耐磨性、优良的铸造性能、低的热膨胀系数 以及焊接性能，广泛地被应用于国内外内燃机活塞合金中。 但在常规 铸造中存在着较大硅相严重割裂基体的连续性，导致过共晶铝硅合金 的塑性、强度等力学性能不佳。 硅含量超过 14wt％的过共晶铝硅合金， 硅相的不利影响在变质处理的情况下也无法消除。 广泛地说，过共晶 铝硅合金中硅的尺寸、形态及分布状态是影响其性能的关键因素。 快速凝固技术的存在，为 Al-Si 合金熔体提供 了 较 大 的 过 冷 度 和 极高的冷却速度。 在凝固时，合金熔体中在短时间内能产生大量的晶 核且极快得生长，从而使硅相来不及长大，硅相尺寸细小并使其分布 状况明显改观，性能也得到了大幅提高。 同时，合金元素的固溶度因快
获得了一定程度的增加 ，可使 Al 基体形成高度弥散、具有热稳定性的 金属间化合物粒子。 在高温下，这些弥散相是相对稳定的，位错需要克 服更大的阻力才能摆脱这些第二相粒子继续移动，材料中位错运动被 抑制。 正是这些高度弥散、热力学稳定、与基体共格或者半共格的第二 相粒子的存在，才使得快凝耐热铝合金具有了较好的抗腐蚀、抗疲劳 性能，优秀的室温和高温力学性能和出色的热稳定性 [11]。
【参考文献】 ［1］周 尧 和 ，胡 壮 麟 ，介 万 奇 ．凝 固 技 术 [M]．北 京 ：机 械 工 业 出 版 社 ，1998：227． ［2］李 月 珠 ，编 著 ．快 速 凝 固 技 术 和 新 型 合 金 [M].北 京 ：宇 航 出 版 社 ，1990． ［3］张登伟，滕新营，李波．Al 对 Cu 基块体非晶形成及热稳定性的影响[J]．济南大 学 学 报 ，2011，25(1)：43-46．
快 速 凝 固 粉 末 冶 金 法 （RS/PM）：RS/PM 方 法 主 要 是 利 用 由
Hartmann 管产生高速、高频的 超 音 速 脉 冲 气 流 冲 击 金 属 液 ，并 把 金 属 液吹散成均匀细小的液滴， 产生的强大气体对流将液滴急速冷却，继 而凝固成细小粉末。 快速凝固粉末冶金法最常用的是超音速雾化法， 通过这种方法获得的快速凝固的金属粉末表面更为光滑，尺寸更为细 小，球化效果最佳。 而通过热挤压或热锻的方法获取快速凝固的合金 时，表面容易产生较多的缺陷，效果不理想。
4 结语
近些年来快速凝固技术日臻完善， 生产出许多有益的合金材料， 但是我们也应该看到， 快速凝固技术也存在诸多阻碍其发展的顽疾。 一是目前急需走出实验室，实现工业化生产；二是成本太高，优化工 艺，降低成本；三是加强多元系合金凝固过程理论的研究，合理控制工 艺参数。 相信随着快速凝固制备工艺和理论研究得到一步完善，快速 凝固制取高性能合金的前景一定是广阔的。 科
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快速凝固技术在铝合金中的应用
邓延波 赵荣涛 冯 骥 孔令均 韩正乾 李士海 （山东兖矿轻合金有限公司 山东 邹城 273515）
【摘 要】介绍了快速凝固技术的技术特点及性能特征，综述了快速凝固铝合金材料的制备工艺并分析了快速凝固制备耐热铝合金、耐磨 铝硅合金、低密度铝锂合金的发展历程、结构特点、制备理论及工艺，最后点明了快速凝固技术的不足之处和其发展前景。
3 快速凝固铝Leabharlann 金材料的发展（1 ） 耐 热 铝 合 金 自 20 世 纪 70 年 代 以 来 ，快 速 凝 固 技 术 取 得 了 较 快 的 发 展 ，扩 大 了元素在合金中的过饱和固溶度，并为研制新型弥散强化型耐热铝合 金起到了向导的作用。 近年来，随着航空、国防工业的快速发展，耐热 铝合金性能急需从各方面得到提高。 过渡族金属元素在铝中的过饱和固溶度由于快速凝固技术从而
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快速凝固工艺和材料的研究在国际上目前处于研究热点，在我国 上世纪 90 年代已引起人们的注意， 并且开始了这方面的研究。 经过 20 多年的不断创新与改进，已成为一种挖掘新材料、开 发 材 料 潜 能 的 重 要 手 段 之 一 [1]。
快速凝固技术是一种非平衡的凝固过程，以大于 103-105K/s 的 冷 却速率直接将液态瞬间冷凝成固态，一般生成非晶、准晶、微晶和纳米 晶等亚稳相，得到一种具有特殊的性能和用途的材料 [2,3]。 快速凝固技 术关键是使凝固过程中熔体的冷却速度得到有效提高，可以减少单位 时间内金属凝固时产生的熔化潜热，并同时增加凝固过程中介质的传 热速度。 快速凝固技术的特点是尽可能在熔体液固相前沿形成类似均 质形核的凝固条件，凝固前获得大的过冷度，以获得更细小优异的凝 固组织。 实际操作中，利用快速凝固技术得到的产品一般尺寸较小，通 常需要利用其它技术手段进行辅助加工才可以进一步使用。
快 速 凝 固 喷 射 沉 积 法 （SF）：在 雾 化 法 的 基 础 上 产 生 了 快 速 凝 固 喷 射沉积法，可以直接制备大尺寸快速凝固材料及产品的新技术，由冷 金属基底上喷射沉积去多雾化后的液滴，在底部由于急速的热传导导 致液滴快速凝固，在基底便形成了高度致密的快凝坯。 喷射沉积法最 突出的特点是把液体金属的雾化制粉过程和固结成型结合起来，直接 从液态金属制取整体致密、接近零件实际形状的大块高性能材料[4]。 这 种方法能比较有效地避免粉末受到污染，同时能够避免传统工艺制备 高性能材料时出现的成分偏析、组织粗大等缺点，工序得到了简化，降 低了生产成本。 与常规铸造方法相比，它能显著提高合金的溶解度、细 化晶粒、消除宏观偏析，从而大幅度提高材料的力学性能[5]。 喷射沉积 铝镁 合 金 的 研 究 主 要 是 对 5083 铝 镁 合 金 和 ZL301 铝 镁 合 金 的 研 究 ， 而对于镁的质量分数大于 12%的铝镁合金的研究很少有报道[6-10]。
非晶材料的制备技术探究
非晶材料的制备技术探究非晶材料是指在一定条件下，由于快速冷却、激光熔凝、气相沉积等方式获得的无序和无规网络构型的材料。
与传统材料相比，非晶材料具有高硬度、高韧性、高强度、高耐腐蚀性、低磁滞、低摩擦等优良性能，因此在航空航天、电子、光学、光电、储能等领域有着广泛的应用前景。
非晶材料的制备技术有多种不同的途径，如快速凝固、激光熔凝、溅射、化学气相沉积、溶胶凝胶法等。
下面我们将针对这几种制备方法逐一做出探究。
1. 快速凝固快速凝固是一种将熔体迅速冷却成非晶态的技术。
其最早应用于金属材料，特别是在五十年代对铝、铜等金属材料进行了大量研究，发现在快速凝固条件下，晶粒尺度将减小至纳米级别，材料的性能也将得到显著提高。
随着快速凝固技术的不断发展，今天已经可制备出来有机、无机、生物、聚合物等非晶态材料。
目前，快速凝固技术被广泛用于铝合金、马氏体不锈钢、金属玻璃等材料的制备。
2. 激光熔凝激光熔凝制备非晶材料的原理为利用激光束对材料进行瞬间熔化和迅速冷却。
激光熔凝与快速凝固技术相比具有以下优点：①熔化时间较快，加工速度可达米每秒级别；②可控性强，适用于制备复杂形态的非晶材料；③制备的非晶材料具有优异的物理化学性能。
目前，激光熔凝技术主要应用于金属、合金等材料的制备，但由于其设备成本较高，制备周期较长等因素制约了其发展。
3. 溅射溅射是一种将材料中离子或原子打散，使其沉积在靶基底上形成薄膜的技术。
与其他制备技术相比，溅射具有非常高的低温开发率和重现性，并且可以制备具有高质量、厚度均匀度良好的材料。
但是，溅射技术的制备性能容易受到与靶材相同的元素的污染而受到影响。
因此，为了制备高质量、无缺陷的非晶材料，需要对溅射工艺进行优化和改进。
4. 化学气相沉积化学气相沉积是一种将材料进行热解反应，产生等离子体并使等离子体沉积在基底上形成单晶体或非晶体的技术。
化学气相沉积可以在低温下制备材料，并具有高加工效率和良好的重现性，因此被广泛应用于半导体器件和显示技术中。
快速凝固Al-Fe-V-Si耐热铝合金研究进展
快 速 凝 固 Ａ卜 Ｆ ｅ — Ｖ － Ｓ ｉ 耐 热 铝 合 金 研 究 进 展
Ｒｅ ｓ ｅ ａ ｒ ｃ ｈ Ｐｒ ｏ ｇｒ ｅ ｓ ｓ ｉ ｎ Ａ１ 一 Ｆｅ — Ｖ— Ｓ ｉ Ｈｅ ａ ｔ Ｒｅ ｓ ｉ ｓ ｔ ａ ｎｔ
Ａｌ ｌ ｏ ｙ ｓ Ｐｒ ｅ ｐ ａ ｒ ｅ ｄ ｂ ｙ Ｒａ ｐ ｉ ｄ Ｓ ｏ ｌ ｉ ｄ ｉ ｆ ｉ ｃ ａ ｔ ｉ ｏ ｎ
刘 莹莹 ， 郑 立静 ， 张
虎
（ 北 京航 空航 天 大学 材料 科 学与工 程 学 院 ， 北京 １ ０ ０ １ ９ １ ）
ＬＩ Ｕ Ｙｉ ｊ ｉ ｎ ｇ， Ｚ ＨＡＮＧ Ｈｕ
（ Ｓ ｃ ｈ ｏ ｏ ｌ ｏ ｆ Ｍａ ｔ ｅ ｒ ｉ ａ ｌ ｓ Ｓ ｃ ｉ ｅ ｎ ｃ ｅ ａ ｎ ｄ Ｅｎ ｇ ｉ ｎ ｅ ｅ ｒ ｉ ｎ ｇ，
Ｂｅ ｉ ｈ ａ ｎ ｇ Ｕｎ ｉ ｖ ｅ ｒ ｓ ｉ ｔ ｙ， Ｂ ｅ ｉ ｊ ｉ ｎ ｇ １ ０ ０ １ ９ １ ， Ｃ ｈ ｉ ｎ ａ ）
摘要 ： 快 速 凝 固 技 术 制 备 Ａｌ — Ｆ ｅ — ｖ ＿ ｓ ｉ 系合金 ， 可 以 获 得 细 小 弥 散 且 高 温 下 扩 散 率 低 的第 二 相 粒 子 ， 从 而 获 得 良好 的耐 热
随着 科学 技术 的迅 猛 发展 ， 人 们试 图开 发 出一 种 能在 ２ ３ ０ ￣３ ５ ０ ℃ 温 度 范 围 内 与 耐 热 钢 或钛 合 金 相 媲 美 的铝合 金 材料 ｌ ＿ １ ］ 。传 统铸 造铝 合 金 和高 强 变形 铝 合金 难 以满 足先进 空 间飞 行器 对 耐 高温 、 高 比强 等 轻 质结 构材 料 的 苛 刻 要 求 ， 一 系 列 Ａｌ — Ｆ ｅ ， Ａ １ － Ｃ ｒ ， Ａｌ — Ｔｉ 基快 速凝 固耐热 铝合 金 应 运 而 生 ， 并 在 耐热 零 部 件 上
快速凝固的应用讲解
精品资料
20世纪90年代(niándài)以来，人们采用快速凝固技术开发耐热 镁合金是想利用弥散析出的纳米化合物粒子或准晶相来提高镁合 金的高温性能。目前正在研究和开发的抗蠕变镁合金主要是MgAl系、Mg-Zn系和Mg-Re系。
相比于晶态合金，快速凝固非晶态镁合金具有超高强度和超高 抗蚀性。70 年代初，快速凝固实验表明，由于镁合金具有极低的 临界冷速（Vc＜100K/s），因此，利用快速凝固工艺(gōngyì)很容 易制取块状非晶镁合金。镁基合金具有明显的非晶形成能力，非 晶态镁合金主要是通过快速凝固合金熔体制备，非晶态镁合金的 力学性能优异，是潜在的结构材料。除力学性能外，非晶态镁合 金的抗腐蚀性和储氢性能优良，是一种很有发展前途的新型材料。
精品资料
有待(yǒudài)解决的 问题
快速凝固技术经过近四十年的发展，各种制备技术已日渐成熟， 并开发出了许多具有优异性能的合金材料，有的已经得到了工业应 用。但降低成本，达到工业化生产的目的，依然是快速凝固技术需 要解决的问题。目前，不管是旋铸法、雾化(wù huà)法和气枪法， 成本都比较高，难以达到工业应用。比较有应用潜力的是雾化(wù huà)喷射沉积，但由于收得率过低，过喷粉末较多，无形之中增加 了成本。
快速凝固 (nínggù)技术得到 的合金具有超细的 晶粒度，扩大了固 溶极限，无偏析或 少偏析的微晶组织， 形成新的亚稳相和 高的点缺陷密度等 与常规合金不同的 组织和结构特征。
精品资料
快速凝固(nínggù)的方法
急冷衬底快 速凝固法
喷射成形
超声气体雾 化法
大块试样 深过冷法
激光或电子 束表面快速
近年来国内外一系列快速凝固耐热铝合金相继问世，如美国 Allied Signal铝业公司研发的Al-Fe-V-Si系耐热铝合金就具有良好 的高温强度、塑性、热稳定性和断裂韧性以及(yǐjí)耐腐蚀性，并 且可以根据需要调整Fe、V、Si含量以控制强化相来获得不同的 性能，该合金目前已成为研制最为成熟的高性能耐热铝合金。俄 罗斯研发了AK4-1铝合金，而国内的研究很多是在AK4-1铝合金 的基础上，调整合金元素Cu、Fe、Ni的含量，使合金的综合性 能得到改善。
快速凝固Al-Fe-V-Si耐热铝合金研究进展
快速凝固Al-Fe-V-Si耐热铝合金研究进展刘莹莹;郑立静;张虎【摘要】快速凝固技术制备Al-Fe-V-Si系合金,可以获得细小弥散且高温下扩散率低的第二相粒子,从而获得良好的耐热性能.本文综述了Al-Fe-V-Si系合金的发展历程,着重介绍了Al-Fe-V-Si系合金的制备工艺、微观组织控制及强化措施;分析了该合金目前发展中存在的问题,并阐述了该合金今后的发展应重点集中在工艺优化、提高热稳定等方面.【期刊名称】《材料工程》【年(卷),期】2015(043)011【总页数】7页(P91-97)【关键词】Al-Fe-V-Si系合金;制备工艺;组织控制;强化措施【作者】刘莹莹;郑立静;张虎【作者单位】北京航空航天大学材料科学与工程学院,北京100191;北京航空航天大学材料科学与工程学院,北京100191;北京航空航天大学材料科学与工程学院,北京100191【正文语种】中文【中图分类】TG146.2随着科学技术的迅猛发展，人们试图开发出一种能在230～350℃温度范围内与耐热钢或钛合金相媲美的铝合金材料[1-3]。
传统铸造铝合金和高强变形铝合金难以满足先进空间飞行器对耐高温、高比强等轻质结构材料的苛刻要求，一系列Al-Fe，Al-Cr，Al-Ti基快速凝固耐热铝合金应运而生，并在耐热零部件上得到广泛应用[4-8]。
在Al-Fe-Ce，Al-Fe-V-Si，Al-Cr-Zr等一系列高温铝合金中，美国Allied Singal 公司研发的Al-Fe-V-Si系合金最为引人注目，备受国内外研究工作者的青睐[9,10]。
Skinner等[11]研究表明当F/V比介于10∶1到5∶1之间时，弥散相粗化率最低，并由此开发出Al-5.5(质量分数/%，下同)Fe-0.6V-1.1Si(FVS0611)，Al-8.5Fe-1.3V-1.7Si(FVS0812)，Al-11.5Fe-1.4V-2.3Si(FVS1212)三种不同成分的Al-Fe-V-Si系合金，其中FVS0812是综合性能最优异的一种合金[12]。
快速凝固铝合金的应用
快速凝固技术（RS-PM）生产的铝合金主要应用于三类航空飞行器：航空器、 导弹、太空交通工具。目前航空航天用粉末冶金（PM）铝合金的主要发展 方向可以分为三类：（1）高强度、耐腐蚀合金；（2）低密度、高模量合 金；（3）高温、抗蠕变合金。每一类合金的发展方向都要依赖于航空航天 市场的特殊需求。
快速凝固铝合金的应用
上世纪40年代中期，美国铝业工业公司的研究人 员发现粉末冶金（PM）铝制品与常规工艺制造的 材料相比，其性能优势十分明显，从而开始对其 进行深入研究，并于1952年由美国Alcoa开发了第 一代烧结铝粉末冶金(SAP)材料，该材料是AlAl2O3的弥散合金，具有优异的高温强度和热稳定 性。上世纪60年代后期，Storchheim将液相烧结 技术应用于PM铝合金，从而开发出有价值的PM零 件。到70年代，由于快速凝固技术、复合技术等 先进技术的出现，导致了高性能PM铝合金的出现， 并在80年代得到迅速发展。快速凝固铝合金分为 普通快速凝固铝合金和高性能快速凝固铝合金。
高性能快速凝固铝合金
与铸锭冶金铝合金相比，一方面快速凝固铝合金的显微组织 被大大细化，偏析程度降低；另一方面其化学成分可以不同 于原铸锭冶金铝合金，成分可设计的范围大大增加。因此， 快速凝固铝合金的性能要远远优于铸锭冶金铝合金，其应用 领域也大不相同。目前的高性能快速凝固铝合金主要分为以 下几类：
普通快速凝固铝合金
与高性能快速凝固铝合金不同，这类合金的特点是：具有与 铸锭冶金铝合金相应的化学成分；利用常规的PM工艺（即冷 压、烧结）直接得到零件；在性能上主要是利用其比重低、 耐腐蚀、高导热导电性等优点；该类合金主要应用于一般工 业，如汽车工业、仪表工业等。国外常用的普通快速凝固铝 合金主要有三类：第一类合金成分相应于2014，即为Al-CuMg系合金，如美国Alcoa公司的201AB和Alcan公司的MD24及 德国的Ecka-Alumix123；第二类合金成分相应于6061，即为 Al-Mg-Cu-Si系合金；第三类合金成分相应于7075，即为AlZn-Mg系合金，如Alcan的MD76。
快速凝固技术概述
快速凝固技术国内外发展及其应用1.快速凝固技术国内外发展随着对金属凝固技术的重视和深入研究，形成了许多种控制凝固组织的方法，其中快速凝固已成为一种具有挖掘金属材料潜在性能与发展前景的开发新材料的重要手段，同时也成了凝固过程研究的一个特殊领域。
快速凝固的概念和技术源于20世纪60年代初Duwez等人的研究，他们发现某些共晶合金在平衡条件下本应生成双相混合物，但当液态合金以足够快的冷却速度凝固合金液滴被气体喷向冷却板时，则可能生成过饱和固溶体、非平衡晶体，更进一步生成非晶体。
上述结果稍后被许多研究结果所证实，而且由此发现一些材料具有超常的性能，如电磁、电热、强度和塑性等方面的性能，出现了用于电工、电子等方面的非晶材料。
20世纪70年代出现了用快速凝固技术处理的晶态材料，80年代人们逐渐把注意力转向各种常规金属材料的快速凝固制备上，90年代大块非晶合金材料的开发与应用取得重大进展。
快速凝固技术是目前冶金工艺和金属材料专业的重要领域，也是研究开发新材料手段。
快速凝固一般指以大于105〜106K/S的冷却速率进行液相凝固成固相，是一种非平衡的凝固过程，通常生成亚稳相（非晶、准晶、微晶和纳米晶），使粉末和材料具有特殊的性能和用途。
由于凝固过程的快冷、起始形核过冷度大生长速率高,使固液界面偏离平衡，因而呈现出一系列与常规合金不同的组织和结构特征。
加快冷却速度和凝固速率所起的组织及结构特征可以近似地用图1来表示。
从上图我们不难看出，随着冷却速度的加快，材料的组织及结构发生着显著的变化，可以肯定地说，它也将带来性能上的显著变租1］。
快速凝固技术得到的合金具有超细的晶粒度，无偏析或少偏析的微晶组织，形成新的亚稳相和高的点缺陷密度等与常规合金不同的组织和结构特征。
实现快速凝固的三种途径包括：动力学急冷法；热力学深过冷法；快速定向凝固法。
由于凝固过程的快冷，起始形核过冷度大，生长速率高，使固液界面偏离平衡，因而呈现出一系列与常规合金不同的组织和结构特征。
铝合金半固态浆料的剪切-振动耦合亚快速凝固高效制备技术与设备
铝合金半固态浆料的剪切-振动耦合亚快速凝固高效制备技术与设备铝合金半固态浆料的剪切/振动耦合亚快速凝固高效制备技术与设备近年来，随着工业化进程的不断推进和科技的快速发展，铝合金作为一种重要的金属材料，在航空航天、汽车制造、电子设备等领域具有广泛的应用前景。
因此，如何高效制备高质量的铝合金材料一直是研究者们关注的焦点之一。
本文将介绍一种新兴的铝合金半固态浆料制备技术，即剪切/振动耦合亚快速凝固技术，并介绍相关的设备。
铝合金半固态浆料是指铝合金在其液态温度下的部分结晶态态，具有较高的塑性和可变性。
相较于传统的铸造技术，半固态浆料制备技术可以使铝合金材料具有更好的工艺性能和力学性能。
而剪切/振动耦合亚快速凝固技术是一种将剪切力场和振动力场相结合的新型制备方法，可以快速凝固半固态浆料并控制其结晶态。
在剪切/振动耦合亚快速凝固技术中，通过加入特定的剪切或振动力场，可以促使铝合金浆料快速凝固，从而提高生产效率。
剪切力场可以通过剪切装置传递到浆料中，打破其内部的结晶并促进新的晶核形成。
振动力场则可以通过振动设备引入，产生微小的振荡效应，从而使浆料颗粒达到更细致的分散状态。
通过剪切和振动的相互作用，可以形成均匀分散的浆料，并在凝固过程中控制晶体生长速率，进而得到具有良好力学性能的铝合金材料。
剪切/振动耦合亚快速凝固技术的设备主要由剪切装置和振动设备组成。
剪切装置采用专门设计的剪切头进行剪切作用，通过调整剪切装置的参数可以控制剪切力的大小和剪切频率。
振动设备则通过电机和振动器实现，可以产生不同频率和振动幅度的振荡效应。
这两种设备可以独立使用，也可以同时使用，根据浆料的类型和要求进行合理的选择。
通过剪切/振动耦合亚快速凝固技术和相应的设备，可以实现铝合金半固态浆料的高效制备。
该技术不仅提高了生产效率，还能够获得具有优良力学性能的铝合金材料。
此外，该技术还具有简单易行、灵活可调和可重复使用等特点，使其具备较大的应用潜力。
快速凝固技术论文
快速凝固技术摘要：快速凝固已成为一种具有挖掘金属材料潜在性能与发展前景的开发新材料的重要手段, 同时也成了凝固过程研究的一个特殊领域。
过去对凝固过程的模拟考虑了在熔融状态下的热传导和凝固过程潜热的释放，不考虑金属在型腔内必然存在的流动以及金属在凝固过程中存在的流动。
目前快速凝固技术作为一种研制新型合金材料的技术已开始研究了合金在凝固时的各种组织形态的变化以及如何控制才能得到符合实际生活、生产要求的合金。
着重于大的温度梯度和快的凝固速度的快速凝固技术，正在走向逐步完善的阶段。
快速凝固技术一般指以大于105K/s-106K/s的冷却速率进行液相凝固成固相，是一种非平衡的凝固过程，通常生成亚稳相(非晶、准晶、微晶和纳米晶)，使粉末和材料具有特殊的性能和用途。
快速凝固技术得到的合金具有超细的晶粒度，无偏析或少偏析的微晶组织，形成新的亚稳相和高的点缺陷密度等与常规合金不同的组织和结构特征。
由于凝固过程的快冷，起始形核过冷度大，生长速率高，使固液界面偏离平衡，因而呈现出一系列与常规合金不同的组织和结构特征。
关键词：快速凝固理论研究组织特征快速凝固方法引言：随着科学技术的发展，对金属凝固技术的重视和深入研究, 形成了许多种控制凝固组织的方法, 其中快速凝固已成为一种具有挖掘金属材料潜在性能与发展前景的开发新材料的重要手段, 同时也成了凝固过程研究的一个特殊领域。
过去对凝固过程的模拟考虑了在熔融状态下的热传导和凝固过程潜热的释放, 不考虑金属在型腔内必然存在的流动以及金属在凝固过程中存在的流动。
目前快速凝固技术作为一种研制新型合金材料的技术已开始研究了合金在凝固时的各种组织形态的变化以及如何控制才能得到符合实际生活、生产要求的合金。
一凝固过程理论研究凝固过程中固液界面形态稳定性理论成分过冷理论成分过冷理论起源于凝固过程中溶质原子在固液界面上的富集。
这种富集的结果是在距固液界面前沿的液相中不同的距离内具有不同的溶质浓度，可由式表示。
快速凝固耐热铝合金的发展及展望_董寅生
＊董寅生,副教授,东南大学机械工程系,主要从事液态金属成形及新型金属材料的研究。
收修改稿日期:1999-11-04文献综述快速凝固耐热铝合金的发展及展望董寅生1),2)＊ 沈军1) 杨英俊1) 李庆春1)1)(哈尔滨工业大学材料科学与工程学院,哈尔滨 150001)2)(东南大学机械工程系,南京 210096)摘要: 对耐热铝合金的发展进行了回顾,综述了耐热铝合金的性能及其影响因素,分析了目前发展中存在的问题,并对其今后的发展动向提出了看法。
关键词: 快速凝固;耐热铝合金;发展1 前言为了能在150～350℃温度范围内用低密度、低价格的铝合金代替钛合金,在过去的二十年内,快速凝固耐热铝合金受到广泛重视。
该领域的研究发展很快,相继开发了以Al -Fe 、Al -Cr 为基的一系列耐热铝合金[1～13],并且得到实际应用。
2 耐热铝合金的发展传统的高强铝合金主要是亚共晶成分的合金,含有在端际固溶体中固溶度原子分数大于2%的合金元素,通过时效过程中金属间化合物的析出使合金达到强化。
但在150℃以上的环境温度下,这些析出相以很快的速度粗化,材料性能急剧下降,限制了使用范围。
七十年代后期,为了满足先进战斗机对材料的需求,美国空军把注意力集中于开发在350℃温度以下能取代钛合金的铝合金,并资助了一些研究项目[2,5,9,10],耐热铝合金的研究开始受到重视。
要提高铝合金的耐热性能,必须在合金中形成大量弥散分布且具有热稳定性的析出相。
要达到这个要求,加入的合金元素应该在液态时固溶度高,固态时几乎不固溶并有较低的扩散系数,满足这个要求的是大部分过渡族金属元素和镧系元素(表1)。
采用快速凝固技术可以提高这些元素在铝中的极限固溶度,在合金中形成足够数量的弥散粒子,耐热铝合金就是在铝合金中加入一定量这些元素的基础上发展起来的。
表1 合金元素在铝合金中的固溶度和扩散速度[1,5,6,9]合金系统平衡固溶度原子分数/%快速凝固能达到的最大扩展固溶度原子分数/%427℃时的扩散系数/cm 2·s -1Al -Ti 0.160.2～23.86×10-15Al -V 0.21.4～23.94×10-15Al -Cr 0.425～72.3×10-14Al -Mn 0.924～62.12×10-10Al -Fe 0.0260.5～51.12×10-15Al -Co 0.450.5～52.15×10-11Al -Ni 0.0231.2～7.78.4×10-15Al -Ce 0.011.98.4×10-16Al -Zr 0.071.2～1.56.6×10-17Al -Mo0.071.0～1.56.03×10-1535粉末冶金技术 2000年第18卷 第1期2.1 Al-Fe-Ce合金美国铝公司(Alcoa)根据合金元素的作用和资源、价格等方面的因素,选择铝和Cr、Mn、Fe、Ni、Co及Ce六种元素组成的六个二元系和十五个三元系进行了系统研究[5],每种合金中溶质元素加入总量为5%原子分数。
快速凝固技术在铝合金中的应用
铝硅合金 、 密度铝锂合金 的发展历程、 低 结构特点、 制备理论及 工艺， 最后点明 了快速凝 固技术 的不足之处和其发展前景。
【 关键 词】 快速凝 固； 铝合金 ； 性能 【 ｂｔ ｃ］ｈ ｃｎｃ ｈｒ ｔ ｓｃ ａｄｐｒ ｒａｃ ｈｒ ｔ ｉｉ ｐ ｌ ｉ ａｏ ｃｎｌ ｙｗｓｎ ｏｕｅ．ｎｏｒ ｉ Ａ ｓ ａｔＴｅｅｈｉ ｌ ａ ｃ ｒｔｓ ｎ ｅｏ ｎｅ ａａ ｅｓｃ ｏｒ ｉ ｓ ｉｆ ｔｎｔ ｈｏ ｇ ａ ｉｒ ｃｄ ａ ｐｄ ｒ ｔ ａｃ ａ ｅ ｉ ｉ ｆｍ ｃ ｃ ｒｔｓ ｆａ ｄ ｏｄ ｃ ｉ ｅ ｉ ｏ ｔｄ ｆａ
【 ｅ ｏｄ】 ａｉ ｓ ｉｆａｏ ；ｌ ｉ ｍａｏ；ｒ ｅｙ Ｋ ｙ ｒｓＲｐ ｌ ｉｃｔｎＡｕ ｎ ｌ Ｐｏ ｒ ｗ ｄ ｏｄ ｉ ｉ ｍ ｕ ｌｙ ｐ ｔ
快速凝固工 艺和材料 的研究在 国际上 目前处于研究热点 ． 在我 国 上世纪 ９ 年代已引起人们 的注意 ． Ｏ 并且开始 了这方 面的研究 经 过 ２ 多年 的不断创新 与改进 ， Ｏ 已成为一种挖掘新材料 、 开发材料潜 能的 重要手段之一【 ｌ １ 。 快速凝 固技术是一种非平 衡的凝 固过程 ． 以大于 １ ｓ１ｓ／ 的冷 ０一 ０Ｉ ｓ ＜ 却速率直接将液态瞬间冷凝 成固态 ， 生成非 晶 、 一般 准晶 、 微晶和纳米 晶等亚稳相 ． 得到一种具有特殊 的性能 和用途 的材料 ［１ ２。快速凝 固技 ， ３ 术关键是使凝 固过程 中熔体的冷却 速度得 到有效提高 ， 可以减少单位 时间内金属凝 固时产生的熔化潜热 ． 同时增加 凝固过程中介质的传 并 热速度 快速凝 固技术 的特点是尽可能在熔体 液固相前沿形成类似均 质形核 的凝 固条件 ． 固前获得大 的过冷度 ． 凝 以获得更 细小优 异的凝 固组织 实际操作 中， 利用快速凝 固技术得到的产品一般尺寸较小 ． 通 常需要利用其它技术手段进行辅助加工才 可以进一步使用 Ｈ ｒ ａ ｎ管产生高速 、 ａｔ ｎ ｍ 高频 的超音 速脉 冲气流 冲击 金属液 ． 并把金 属 液吹散成均匀 细小的液滴 ．产生的强大气体对流将液滴 急速冷却 ． 继 而凝固成细小粉末 快速凝 固粉末冶金法最常用 的是超音 速雾 化法 ． 通过这种方法获得的快 速凝 固的金属粉末表 面更 为光滑 ． 尺寸更为细 小． 球化效果最佳 而通过热挤压或热锻 的方法 获取 快速凝 固的合金 时． 表面容易产生较多的缺陷， 效果不理想 快速凝固喷射沉积法（Ｆ）在雾化法的基础上产生了快速凝 固喷 ｓ ： 射沉积法 ， 可以直接制备 大尺寸快速凝 固材 料及产品 的新技术 ， 由冷 金属基底上喷射沉积去多雾 化后 的液滴 ． 在底 部由于急速的热传导导 致液滴快速凝固 ． 在基底便形成 了高度致密 的快 凝坯 喷射沉积法最 突 出的特点是把液体金属的雾化制粉过程 和固结 成型结合起来 ． 直接 从液态金属制取整体致密 、 接近零件实 际形状 的大块高性能材料 这 。 种方法能 比较有效地避免粉末 受到污 染 ． 同时能够避免传统工艺制备 高性能材料时 出现的成分偏析 、 组织粗 大等缺点 ． 工序得到 了简化 ， 降 １ 快 速 凝 固材 料 的 组 织 和 性 能特 征 低 了生产成本 与常规铸造方法相 比． 它能显著提高合金的溶解度 、 细 消 从而大幅度提高材料的力学性能 。喷射沉 积 般通过快速凝 固所获得的材料组织特征如下 ： 二次枝 晶壁变得 化晶粒 、 除宏观偏析 ． ０３ Ｌ ０ 铝镁 合金的研究 ， 相当细小 ． 成分偏 析有了 明显 的改观或者被消除 ： 固组织得到较好 铝镁合金的研究 主要 是对 ５ ８ 铝镁合金 和 Ｚ ３ １ 凝 ２ ６ｌ －。 的细化 ． 却速率进一步提高 ． 冷 晶粒尺寸会得到更好的细化 ， 减小越发 而对 于镁 的质量分数大于 １ ％的铝镁合金的研究很少有报道［Ｏ 明显 ． 结果得 到微纳米 晶： 当冷却速率更高 ． 合金 的常规结晶过程将被 ３ 快 速 凝 固铝 合 金 材 料 的发 展 完全抑制． 液态 时的混乱无序状态被保留下来 ， 获得非 晶态 固体 ； 得益 于快的冷却速率 ， 大大 减少了合金 中空位 、 位错等缺 陷 ； 同时 ， 固溶度 （） １ 耐热铝合金 得到了提高 ． 细小 亚稳相 的形成 ． 使合金获得 了一定 程度的弥散强化 自２ ０世纪 ７ Ｏ年代 以来 ． 快速凝 固技术 取得了较快 的发展 ． 大 扩 了元素在合金 中的过饱 和固溶度 ． 并为研制新型弥散强化 型耐 热铝合 作用。 随着航空 、 国防工业 的快速 发展 ， 耐热 非 晶态是 指物 质从液态或气态 急速冷却时来不及 结晶而在常 温 金起到了向导的作用 。近年来 ， 下保 留原子无序排列的凝 聚状态 ．在热力学上属 于非平衡 的亚稳 态。 铝合金性能急需从各方 面得到提高 。 过渡族金属元 素在铝 中的过饱 和固溶度 由于快 速凝 固技术从 而 非 晶态合金具 有金属性质 ． 又兼有和玻璃一样 的特征 ． 以在 学术 界 所 中又称为 “ 金属玻璃 ” 能否形成非晶态主要决定于合金本 身的 Ｇ Ａ 获得 了一定程度 的增加 ． Ｆ 可使 Ａ 基体形成 高度弥散 、 有热稳 定性的 ｌ 具 这些 弥散相是相对稳定 的。 位错需要克 （ 晶形成能力） 非 和合金本身的冷却速度 。 当某种合金成分既定时 ， 此时 金属间化合物粒 子 在高温下 ． 材料 冷却速度便成为了形成非 晶态 的主要条件 冷速必须大于其形成非晶 服更大的阻力才能摆脱 这些第二相粒子继续移动 ， 中位 错运动被 正是这些高度弥散 、 热力学稳 定 、 与基体共格或者半共格的第二 时的临界冷度时 ． 才会有非 晶态形成 ． 临界冷度 因合 金成 分变化 很大。 抑制 冷却时液态金 属的冷却速 度 由铜辊ｆ 或钼辊１ 的转速来决定 ， 而影响 相粒子 的存在 ． 从 才使得快凝耐 热铝合金具有 了较好的抗腐蚀 、 抗疲劳 优秀 的室温和高温力学性 能和出色 的热稳定性 …。 １ 冷却后材料 的形态 与结构 ． 继而对 晶化后 的磁 粉磁性能和微结构产生 性能 ． 随着近年来 国内外这些方面研究 的不断深入 ．一系列快速凝 固耐 定 的影响 冷却速度与冷却辊轮转 速成 正比 ， 转速越快 ， 冷速越高 ， 晶粒越小 ． 形态则会形成微纳米晶或者非 晶结构 热铝合金相继 问世 如 ： 俄罗斯研究开发的 Ａ ４ １ Ｋ — 合金＿ 而国内的研 】 ２ １ ， 究很多是在 Ａ ＿ 合金的基础上 ， Ｋ４ １ 通过严格控制杂质元 素 Ｍｎ Ｓ 等含 、ｉ ２ 快 速 凝 固铝 合 金 材 料 的 制 备 工艺 量， 调整合金元素 Ｃ 、＇ Ｍ 含量 ， ｕｆ、 ｅ 使得合金的综合性能得到 了改善ｌ ｌ ３ １ 。 （ ） 磨 铝 硅 合 金 ２耐 目前世界上最常见的快速凝固的方法 主要为粉末冶金 、 快速凝 固 Ａ一ｉ １ｓ 合金具有优异的耐磨性 、 良的铸造性能 、 优 低的热膨胀 系数 熔铸 和雾化沉积这三种方式 以及焊接性能 ． 广泛地被应用于国内外内燃机活塞合金 中。但在 常规 单辊旋淬快速凝 固技术 ： 快速凝固熔铸技术 目前应用最��