2.3 快速凝固技术
快速凝固技术的性能介绍
快速凝固技术的性能介绍概述快速凝固技术是一种用于加工材料的先进技术，其主要目的是通过快速降低材料温度，使其迅速凝固和固化。
这种技术可以应用于多种材料加工领域，包括金属、陶瓷、塑料等。
本文将重点介绍快速凝固技术的性能特点及其在不同领域中的应用。
性能特点快速凝固技术的主要性能特点包括以下几个方面：1. 快速凝固速度快速凝固技术相对于传统凝固方法来说，具有更快的凝固速度。
传统凝固方法通常需要较长的时间来使材料逐渐凝固，而快速凝固技术可以将凝固时间缩短到数秒甚至更短的时间内。
这种快速凝固速度可以提高生产效率，减少能源消耗，并且有助于改善材料的性能。
2. 细化晶粒结构快速凝固技术可以显著细化材料的晶粒结构，使其具有更均匀的成分分布和更细小的晶粒尺寸。
这种细化效果一方面能够提高材料的强度和硬度，另一方面也有助于改善材料的塑性和韧性。
细化晶粒结构还可以提高材料的热稳定性和耐腐蚀性，从而拓宽了材料的应用范围。
3. 降低残余应力在传统凝固过程中，材料会受到内部应力的作用，导致产生残余应力。
而快速凝固技术可以有效降低材料的残余应力水平。
这主要归功于快速凝固过程中的高速冷却，使得材料的晶格结构能够更快地达到平衡态，减少应力的积累。
降低残余应力有助于提高材料的稳定性和可靠性，减少因应力引起的材料疲劳和断裂。
应用领域快速凝固技术在多个领域中具有广泛的应用。
以下是其中一些重要的应用领域：1. 金属制造在金属制造领域，快速凝固技术可以用于生产高性能合金材料。
通过快速凝固，可以细化金属材料的晶粒结构，提高其强度和硬度。
此外，快速凝固技术还可以改善金属材料的耐腐蚀性能，提高其在恶劣环境中的使用寿命。
因此，快速凝固技术在航空航天、汽车制造和能源行业等领域都有着重要的应用。
2. 陶瓷工艺快速凝固技术也可以应用于陶瓷工艺中。
陶瓷材料通常具有脆性和低韧性的特点，而通过快速凝固技术可以有效改善这些性能。
快速凝固可以细化陶瓷材料的晶粒结构，增加其韧性和可塑性。
快速凝固技术
2. 快速凝固的条件
急冷法 深过冷法
急冷法特点
凝固速率是由凝固潜热及物理热的导出速率 控制的。 通过提高铸型的导热能力，增大热流的导出 速率可使凝固界面快速推进，实现快速凝固 忽略试样的热阻（即温度均匀） 试样内部的热阻限制，只能在薄膜及小尺寸 颗粒中实现
亚音速
水雾化法设备示意图
制备熔点在1600℃ 以上合金粉末
与气体雾化法相比特点： 1、粉末更不规则 2、冷却速率更大
优点： 优点： 粉末纯净度高 尺寸均匀 无污染
缺点： 缺点： 生产效率低 粉末尺寸大 成本高
旋转电极雾化法原理
旋转圆盘
旋转圆杯
旋转多孔杯
4.2 低维材料的快速凝固
4.2.1金属碎片的快速凝固
冷却速率：104～ 109 K/s 冷却速率： 最小厚度：0.1-10um
4.4.2金属带材的快速凝固
4.4.2.1单辊法
4.4.2.2双Biblioteka 法4.4.2.3溢流法甩出法
快速凝固晶态合金显微结构特征
常规显微组织 100 成 分 的显微组织
及
粗大的树枝晶，共晶 及其它显微组织 组 织 及 的 均 匀 性
性能 强度 弹性 塑性
韧性 温度效应 疲劳 断裂 应用
4. 不同材料的快速凝固
4.1 粉末材料快速凝固制备技术 4.2 低维材料的快速凝固 4.3 体材料的快速凝固 4.4 激光表面处理技术
4.1粉末材料快速凝固技术
将液态金属分散成液滴，使散热的比表面积 （散热面积与体积之比）增大，冷却速率提 高，实现快速凝固。 粉末特征： 细小的亚结构（枝晶或胞晶） 极大的溶质过饱和度 小的晶粒尺寸
快速凝固技术
对于快速凝固理论技术的理解学院：材料科学与工程学院专业：材料科学工程班级：材硕1210班姓名：***学号：S********指导教师：***快速凝固理论及技术班级：材硕1210班姓名：郑志凯学号：S2*******摘要：快速凝固是当前材料科学与工程领域中的活跃课题之一，由于其冷速很快故凝固速度加快，通过改变材料的组织结构，从而改变了材料的力学性能。
尤其是在金属合金的铸造方面，使得合金材料具有更好的化学、物理性能，从而使得快速凝固技术在当今得到了飞速的发展。
关键字：快速凝固力学性能铸造金属合金通过六周《金属凝固理论》课程的学习，其中很多知识使我受益匪浅，以前一些只知道结论的理论，现在也可以通过数学理论推导得出其结论，使我对其更加的熟悉和掌握。
例如成分过冷理论，之前的学习只是定性的了解，大致知道他的结论和应用，而现在对其整个理论和推导过程有了深刻的理解。
在以后的学习过程中，一定谨记小参数的作用，积少成多，由于对快速凝固问题不是十分的了解，下面对其进行了解和分析学习：1.快速凝固技术的原理快速凝固指的是通过对合金熔体进行快速冷却（冷却速率大于104~106K/s）或遏制冷却过程中的非均质形核现象，是合金再大的过冷度下发生高生长速率（＞1~100cm/s）的凝固，可制备非晶、准晶、微晶和纳米晶合金材料。
关键因素是金属与合金凝固时具有极大的过冷度。
2.快速凝固的特点2.1偏析形成倾向减小随着凝固速度的增大，溶质的分配系数将偏离平衡。
总的趋势是，不论溶质分配系数k＞1还是k＜1，实际溶质分配系数总是随着凝固速度的增大向1趋近，偏析倾向减小。
通常当凝固速度达到1m/s时实际溶质分配系数将明显偏离平衡值。
2.2非平衡相的组成在快速凝固条件下，平衡相的析出可能被抑制，析出非平衡的亚稳定相。
2.3细化凝固组织大的冷却速度不仅可以细化晶枝，而且由于形核速率的增大而使晶粒细化。
随着冷却速度的增大，晶粒尺寸减小，获得微晶，乃至最细小的纳米晶。
快速凝固
3.大块试样深过冷法 途径：一、选择某些合金及合金成分，其熔体固有特 性应能保证在不太高的冷却速度下达到大的起始形核 过冷和发生快速凝固。二、通过消除或部分消除合金 熔体中非均质形核作用，使在较缓慢的冷却过程中亦 能达到大的起始形核过冷和发生快速凝固。 4.激光或电子束表面快速熔凝 使高能量密度的激光或电子束以很高的线速度扫描工 件表面，在工件表面形成瞬间的薄层小熔池，热量由 基底材料迅速吸收，在表面造成一个快速移动的温度 场，从而实现快速凝固。 5.喷射成形：将雾化的合金液连续喷射到移动的衬底 材料上，形成连续的沉积、尺寸较大的、几何形态接 近实际情况零件坯件。
临界生长速率由溶质扩散所控制．随着生长速率的 提高，扩散距离变窄，扩散变得愈来愈局域化；另一方 面，在高生长速率下，毛细现象逐渐成为过程的决定性 特征，显微组织变得更细已还可能，在某个临界生长速 率下，显微组织对于横向扩散过程来说已变得太粗，溶 质的扩散距离已接近溶质的毛细现象长度，从而导致平 界面的绝对稳定．由此，对于给定的合金及正的或不很 大的温度梯度，只要生长速率足够高，平界面重新成分 稳定的生长界面形貌； 随着生长速率的提高，界面形貌的转变顺序时：平 界面—胞状—树枝状—胞状—平界面。 当从过冷合金熔体中晶体进行等轴生长时，热扩散 过程起着重要的作用，因此过冷熔体中出现平界面绝对 稳定的临界生长速率vα应为： （8-41） v (v ) (v )
二、快速凝固传热特点 1、薄层熔体在固态衬底上的导热传热 影响温度场及冷却速度的主要因素是：金属/衬底界 面的状况以及试样金属的厚度。
计算表明，对于高导热系数衬底(如铜、银)： 时，为理想冷却方式； 为中间冷却方式； 为牛顿冷却方式。
2.金属液滴在流体介质中的对流传热
在流体介质中以雾化法进行快速凝固时，金属
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。
1材料制备新技术-快速凝固技术20180904
注：雾化法、单辊法、双辊法、旋转圆盘法及纺线 法等非晶、微晶材料制备过程中，试件尺寸很小， 故凝固层内部热阻可以忽略（即温度均匀），界面 散热称为主要控制环节。
通过增大散热强度，使液态金属以极快的速率降温，可实现 快速凝固。
最常见的急冷法是极冷模法
1 2 3 4
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10
此法是用真空吸注、真空 压力浇注、压力浇注等方 法将熔融金属压入急冷模 穴，达到快凝。 难点：熔体有可能在急冷 模入口处凝固 优点：可得到给定直径或 厚度的线材。 急冷法只能在薄膜、细线 及小尺寸颗粒中实现。
4）快速凝固可导致非平衡的相结构产生；（包括新相和扩大已
有的亚稳相范围。）
5）形成非晶态；（适当选择合金成分，以降低熔点和提高玻璃化温度Tg，
而成为玻璃态或称非晶态）
6）高的点缺陷密度；（快速凝固中，由于温度的聚然下降而使点缺
陷密度无法恢复到正常的平衡状态，则会较多地保留在固体金属中，造成~）
1.1 快速凝固概述
q2 S GTS
（1-2） （1-3）
而 q3 hsvs
（1-4）
式中,λ L,λ S分别为液相和固相的热导率﹔ GTL,GTS分别为凝固界面附近液相和固相中的温度梯度； △h为结晶潜热，也称为凝固潜热；
VS为凝固速率； ρ S为固相密度。
将式（1-2）至式（1-4）带入式（1-1）
则可求得凝固速率为：
表1-1 不同雾化工艺的凝固速率和粉末质量比较；
工艺
粉末粒度 /μm
亚音速雾化
1~500
超音速雾化
1~250
旋转电机雾化 100~600
离心雾化
1~500
气体溶解雾化 1~500
平均粒 度 /μm
第一章 快速凝固技术
另一种方法是“热力学”的方法，即针对通常铸造合金都是 在非均匀形核条件下凝固因而使合金凝固的过冷度很小的问 题，设法提供近似均匀形核(自发形核)的条件。在这种条件 下凝固时，尽管冷速不高但也同样可以达到很大的凝固过冷 度从而提高凝固速度。具体实现这种方法的技术称为大过冷 技术。
二、典型的材料凝固加工技术
1、优质铸件凝固 优质铸件凝固加工的发展目标：是净/近净终
形—精确控形和组织结构的可测与可控—精确控构。
优质铸件凝固加工的发展趋势： ➢ 一是采用新的凝固加工工艺即挤压铸造、调压铸造、半固态
铸造、连续铸轧、精密铸造，自蔓延高温合成熔铸等。 ➢ 二是精确控制凝固过程即纯净化、均质化、细晶化、净终形。 ➢ 三是凝固加工过程的模拟仿真。
3、简化制备工序，实现近终形成形
薄板坯连铸已获得工业应用，典型产品厚度为60mm， 而常规板坯的典型厚度为200mm，带坯连铸(铸轧)也开始 了工业应用，其产品厚度为0.53mm。
六、获得快速凝固的工艺途径
在实际凝固过程中达到快速凝固的方法主要有两种， 一种是“动力学”的方法，即设法提高熔体凝固时的传热速
➢ 诸如，空间环境下的凝固过程，强电脉冲作用下 的凝固过程，超重力场作用下的凝固过程，高压 环境下的凝固过程，电磁场作用下的凝固过程以 及其他特殊条件下的凝固过程。
第二节 快速凝固技术概论
一、快速凝固技术的发展过程
快速凝固的研究始于20世纪50年代末60年代初。
1959年美国加州理工学院的P．Duwez等采用一 种独特的熔体急冷技术，首次使液态合金在大于 107K/s的冷却速度下凝固。他们发现，在这样快的 冷却速度下，本来是属于共晶系的Cu-Ag合金中， 出现了无限固溶的连续固溶体；在Ag-Ge合金系中， 出现了新的亚稳相(非平衡相)；而共晶成分的AuSi(=25％)合金竟然凝固为非晶态的结构。
快速凝固技术
➢ 合金在快速凝固过程中受到较大的热应力，空位聚 集形成位错环，这些因素都使快速凝固合金中的位错密 度比一般铸态合金增加很多。 ➢ 此外，快速凝固合金的层错密度也很高。
这些特点对合金的溶质扩散，相变以及性能都会产 生重要影响。
快速凝固材料的主要微观组织
（4）快速凝固使合金中形成新的亚稳相。
亚稳相是指在一定的温度、压力、成分等状态条件下吉布斯 自由能比稳定相或平衡相高的相，但亚稳相不会在任意小的能量 起伏作用下自发转变成稳定相或其它亚稳相，而是必须在外界环 境作用下经过热激活越过势垒才能转变成稳定相或其它亚稳相。
高温镍基合金
Fe-Si软磁合金：含Si较高的Fe-6.5wt％Si合金的软磁性能
比含Si少的合金好，但采用常规铸造工艺无法将Fe-6.5wt％Si 合金热轧成0.3mm厚的芯片，只能采用铸造和加工性能较好的 Fe-3wt％Si合金制作变压器芯片，使变压器性能受到很大影响 。
铁硅软磁合金
只有突破传统工艺的限制，采用新的技术才有可能 研制出少含甚至不含这些战略元素的新型合金。
内容
➢快速凝固概论 ➢快速凝固的物理冶金基础 ➢实现快速凝固途径 ➢快速凝固制备工艺 ➢快速凝固技术在金属材料中的应用 ➢快速凝固其他新型合金
1.1 快速凝固概述
（一）快速凝固发展的由来
铸造是冶金生产中重要的工艺手段，除了粉末冶金 等方法直接成型产品外，几乎所有的金属制品和构件的 生产都离不开铸造。
提高凝固速率：
➢ 选用热导率λS大的铸型材料（如纯铜）； 对铸型强制冷却以降低铸型/铸件界面温度Ti凝固层；
➢ 内部热阻（δ/λS）随凝固层厚度δ的增大而迅速提高，导 致凝固速率下降。
因此，快速凝固只能在小尺寸试件中实现。
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模冷技术：熔体分离成细小的熔体流在运动或固定的导 热性好的冷模上迅速冷却凝固。 雾化技术：外力作用下（离心、机械力、高速流体冲击 力）熔体分散成雾状熔滴，在流体或冷模上迅速冷却凝 固。
•
表面熔化与沉积技术：表面快速凝固技术，即待加工的
材料或半成形、已成形的工件表面处于快速凝固状态。
（1）模冷技术
③ 熔体旋转法：单辊、双辊、离心式、旋转翼急冷
④ 平面流铸造法：包括熔体拖拉法
⑤. 电子束急冷淬火
⑥ 熔体提取法：坩埚熔体提取法、悬滴熔体提取法
（2）雾化技术
双流雾化 离心雾化 机械雾化和其他雾化技术
双流雾化
离心雾化
机械雾化
（3） 表面熔化与沉积技术 1) 高能束表面熔凝（激光束、电子束、等离子束）
2.3.2
快速凝固技术
1. 急冷凝固技术 （1）模冷技术 （2）雾化技术 （3）表面熔化与沉积技术 2. 大过冷凝固技术 （1）小体积大过冷凝固法 （2）大体积大过冷凝固法
1. 急冷凝固技术 快速凝固过程中，熔体金属液流的分散形式与冷却介 质的组合分析： 分散形式 冷却介质
按熔体分离和冷却方式分为：
很大的冷却速度。
T L C
T - 过冷度（ ℃ ） L - 熔化潜热 （J/Kg） C - 比热 (J / Kg ℃ )
见于液相微粒的快凝、特殊处理的大过冷度液体块料的凝固
3. 快速凝固的特点 1. 凝固速度大，无溶质分配（产生平衡分配）。
2. S/L界面稳定性增加，凝固形成平面、无偏析等轴晶。 3. 形成组织结构特殊的晶态合金。 4. 形成非晶态合金。 5. 形成准晶合金。
2.3 快速凝固技术（rapid solidification） 2.3.1 概述
1. 快速凝固及其发展 什么是快速凝固？ 指冷却速度大于102K/S的凝固过程称为快速凝固。 在快速凝固领域中的几个主要标志 1) 1960年Duwez及其同事发明“枪”技术，开创了材料科 学领域的一个新时代。（106k/s），这年的工作发现， 凝固工艺可以改变材料的组织结构，包括： 扩大固溶极限 形成新型非平衡晶体或准晶相 生成金属玻璃
ΔT：液膜与冷却介质的温度差 (℃) ρ： 合金的密度 （Kg/m3） C： 比热 (J / Kg ℃ ) h： 液膜厚度 (m)
单辊、双辊、旋转圆盘及锤砧式制备工艺。
2) 大的生长速度R
提高铸型的导热能力，增加热流导出速度，凝固界面
快速推进，熔体与基体为一体，传热主要靠导热。
忽略液相过热条件下，单向凝固速度：
可以说60年代，快速凝固概念形成，并在多种合金体 系当中观察到了亚稳效应
2) 70年代，非晶态材料领域的研究更为活跃，因为制备连续的
等截面长薄带技术得到了发展。金属玻璃非同寻常的性能促 进了该领域的发展，同时推动了磁性材料的应用和发展。
3) 80年代关于快速凝固微晶合金的研究（尤其是航空工业领域
固过程中可不与任何介质接触，达到较大的过冷度。示Leabharlann 图(2) 大体积大过冷凝固法
1) 玻璃体包裹法：用流体玻璃体把大块熔体与容器壁分开，使凝固时 不受容器壁的影响。 2) 二相区法：合金加热到双相区，控制温度使熔体占20%，达到平衡 时淬火凝固。 3) 电磁悬浮熔化法：将直径为数毫米的合金放入电磁线圈中，依靠电 磁场的悬浮力，使样品处于悬浮状态，并在惰性气氛下感应熔化， 断电后凝固，不与任何介质接触。
（1）小体积大过冷凝固法 1) 乳化法：将熔融的金属弥散在与之不互溶的载流体中， 通过高速机械搅拌，破碎成细小的乳滴（1-10um），随
后凝固成粉末。载流体常用有机油或熔盐。该法的过冷
度0.3-0.4Tm。 2) 熔滴-基底法：与上相似，熔滴在冷模上凝固。
3) 落管法：合金熔滴熔化后，从长达100m左右、真空度 10-3 Pa，竖直的真空管上端自由下落而凝固，熔体在凝
作业题
1. 什么是快速凝固？请说明实现快速凝固的基本条件、满足
快速凝固条件的途径以及快速凝固的特点。
2. 请根据快速凝固过程中，熔体金属液流与冷却介质和冷却
方式的组合对快速凝固方法进行分类，并简要说明各自的
主要快速凝固技术。
满足RS条件的途径 1) 大的冷却速度
dT d
对于尺寸足够小的凝固试件，界面散热成为控制冷却
的主要环节。增大散热强度，使熔体以极快的速度降温， 即可实现快速凝固。
设：液膜厚度为h，与冷却介质的温差T，一维传热，
其冷却速度为
dT T d Ch
α： 界面换热系数 (W / m2 ℃ )
s . .Gs R L.
s- 导热系数(W / m ℃ ) Gs- 凝固层温度梯度（℃ /m） L – 熔化潜热（J/Kg） - 合金密度（Kg/m3）
大生长速度见于快速定向凝固、焊接过程和激光处理等
3) 大过冷度T
利用抑制凝固过程的形核，使合金液获得很大过冷度，
实现凝固过程释放的凝固潜热与过冷散失的物理热抵消。使 凝固过程处在几乎绝热状态，需导出的热流几乎很小，获得
2) 热喷涂（等离子、HVOF等）
等离子喷涂
等离子喷涂
Principle of dc plasma sprayed coating formation.
激光表面加工
Fig.1 Spectrum of laser-materials interaction
2.
大过冷凝固技术
在凝固过程，设法消除熔体中可以作为非均匀形核媒质的 杂质或容器壁的影响，尽可能形成接近均匀形核的凝固条件， 以获得大的凝固过冷度。
具有应用前景的轻金属材料）活跃，这是因为金属玻璃在高 温退火后晶化并失去其所有的优异性能。 4) 目前，已发展了很多制备快速凝固金属和合金的技术，主要 丝、带、片、线等。 5) 快速凝固产品广泛应用，航空、天工业、机械、电子。
功能：细化晶粒、产生一种或多种亚稳相，其产品主要为粉、
2. 实现快速凝固的条件 实现RS的基本条件 1) 金属液分散成液流或液滴，至少在一个方向上尺寸极小， 以便散热。 2) 具有传热的冷却介质。
熔体分离成细小的熔体流在运动或固定的导热性好的 冷模上迅速冷却凝固。 ① “枪”法： ② 双活塞法：活塞砧法、锤砧法 ③ 熔体旋转法：单辊、双辊、离心式、旋转翼急冷 ④ 平面流铸造法：包括熔体拖拉法 ⑤ 电子束急冷淬火 ⑥ 熔体提取法：坩埚熔体提取法、悬滴熔体提取法
① “枪” 法
② 双活塞法：活塞砧法、锤砧法