2.3 快速凝固技术

作业题 什么是快速凝固？请说明实现快速凝固的基本条件、 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。 快速凝固条件的途径以及快速凝固的特点。 请根据快速凝固过程中， 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， 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。 主要快速凝固技术。
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表面熔化与沉积技术：表面快速凝固技术， 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。 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 ） 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。 冷模上迅速冷却凝固。 ① “枪”法： 枪 ② 双活塞法：活塞砧法、锤砧法 双活塞法：活塞砧法、 ③ 熔体旋转法：单辊、双辊、离心式、旋转翼急冷 熔体旋转法：单辊、双辊、离心式、 ④ 平面流铸造法：包括熔体拖拉法 平面流铸造法： 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 熔体提取法：坩埚熔体提取法、
dT dτ
对于尺寸足够小的凝固试件， 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， 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。 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， 液膜厚度为h 与冷却介质的温差∆ 一维传热， 其冷却速度为
2. 实现快速凝固的条件 实现RS的基本条件 实现RS的基本条件 RS 金属液分散成液流或液滴，至少在一个方向上尺寸极小， 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。 以便散热。 具有传热的冷却介质。 2) 具有传热的冷却介质。
满足RS条件的途径： 满足RS条件的途径： RS条件的途径 1) 大的冷却速度
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模冷技术： 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。 冷模上迅速冷却凝固 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、 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，在流体或冷漠上迅速冷却凝 熔体分散成雾状熔滴， 固。
2.3 快速凝固技术（rapid solidification） 快速凝固技术（ ） 2.3.1 概述
1. 快速凝固及其发展 什么是快速凝固？ 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。 指冷却速度大于10 K/S的凝固过程称为快速凝固。 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 1960年Duwez及其同事发明 及其同事发明“ 技术， 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。（ k/s），这年的工作发现， 。（10 ），这年的工作发现 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： 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 可以说60年代，快速凝固概念形成， 可以说60年代，快速凝固概念形成，并在多种合金体 60年代 系当中观察到了亚稳效应
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 在凝固过程，设法消除熔体中可以作为非均匀形核媒质的 非均匀形核 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， 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， 形成接近均匀形核的凝固条件 以获得大的凝固过冷度。 以获得大的凝固过冷度。
（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） 高能束表面熔凝（激光束、电子束、等离子束） 热喷涂（等离子、HVOF等 2) 热喷涂（等离子、HVOF等）
等离子喷涂
等离子喷涂
（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， 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（ ），随 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。 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。 熔滴 基底法：与上相似，熔滴在冷模上凝固。 基底法
dT dτ
α∆T = ρ Ch
α： 界面换热系数 (W / m2 ⋅℃ ) ΔT： 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。 单辊、双辊、旋转圆盘及锤砧式制备工艺。
2) 大的生长速度 大的生长速度R 提高铸型的导热能力，增加热流导出速度， 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。 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： 忽略液相过热条件下，单向凝固速度：
3) 落管法：合金熔滴熔化后，从长达 10-3 Pa，竖直的真空管上端自由下落而凝固，熔体在凝 ，竖直的真空管上端自由下落而凝固， 固过程中可不与任何介质接触，达到较大的过冷度。 固过程中可不与任何介质接触，达到较大的过冷度。
示意图
70年代 非晶态材料领域的研究更为活跃， 年代， 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。 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。 进了该领域的发展，同时推动了磁性材料的应用和发展。 80年代关于快速凝固微晶合金的研究 年代关于快速凝固微晶合金的研究（ 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 具有应用前景的轻金属材料）活跃， 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。 温退火后晶化并失去其所有的优异性能。 目前，已发展了很多制备快速凝固金属和合金的技术， 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 功能：细化晶粒、产生一种或多种亚稳相，其产品主要为粉、 功能：细化晶粒、产生一种或多种亚稳相，其产品主要为粉、 丝、带、片、线等。 线等。 快速凝固产品广泛应用，航空、天工业、机械、电子。 5) 快速凝固产品广泛应用，航空、天工业、机械、电子。
∆ T = L C
过冷度（ ∆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、 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 凝固速度大，无溶质分配（产生平衡分配） 1. 凝固速度大，无溶质分配（产生平衡分配）。 S/L界面稳定性增加 凝固形成平面、无偏析等轴晶。 界面稳定性增加， 2. S/L界面稳定性增加，凝固形成平面、无偏析等轴晶。 形成组织结构特殊的晶态合金。 3. 形成组织结构特殊的晶态合金。 形成非晶态合金。 4. 形成非晶态合金。 形成准晶合金。 5. 形成准晶合金。
① “枪” 法 枪
② 双活塞法：活塞砧法、锤砧法 双活塞法：活塞砧法、
③ 熔体旋转法：单辊、双辊、离心式、旋转翼急冷 熔体旋转法：单辊、双辊、离心式、
④ 平面流铸造法：包括熔体拖拉法 平面流铸造法：
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 熔体提取法：坩埚熔体提取法、
3) 大过冷度∆T 大过冷度∆ 利用抑制凝固过程的形核， 合金液获得很大过冷度， 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。 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 凝固潜热与过冷散失的物理热抵消 凝固过程处在几乎绝热状态，需导出的热流几乎很小， 凝固过程处在几乎绝热状态，需导出的热流几乎很小，获得 绝热状态 很大的冷却速度。 很大的冷却速度。
(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 玻璃体包裹法：用流体玻璃体把大块熔体与容器壁分开， 不受容器壁的影响。 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 二相区法：合金加热到双相区，控制温度使熔体占 ， 时淬火凝固。 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 电磁悬浮熔化法：将直径为数毫米的合金放入电磁线圈中， 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， 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。 断电后凝固，不与任何介质接触。
λ s . .G s R = L .ρ
导热系数(W / m ⋅℃ ) λs- 导热系数 凝固层温度梯度（ Gs- 凝固层温度梯度（℃ /m） ） L – 熔化潜热（J/Kg） 熔化潜热（ ） ρ - 合金密度（Kg/m3） 合金密度（
大生长速度见于快速定向凝固、 大生长速度见于快速定向凝固、焊接过程和激光处理等
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， 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： 质的组合分析：