快速凝固(2014)
11.0 快速凝固技术
优良的超导性能、较高的热稳 金属玻璃保留了液态金属 定性和较低的表面活性，已经 的短程有序的类似原子簇的 或可望应用于机械结构材料、 结构 ，微观组织中不存在晶 磁性材料、声学材料、仿生材 界、位错和偏析等缺陷，其 料、光学材料、体育器材以及 结构类似于普通玻璃 。 电子材料等多个方面。
快速凝固的Al-Fe-V-Si合金组织
23
非晶材料的生产→直接铸造
优点
液态进行成形，所需能量少， 设备轻巧，生产率高 缺点
尺寸上要求至少有一维 很小
热稳定性差
24
25
作业
6.1 6.2 6.3
26
第二节 失重条件下的凝固
失重条件（也称微重力条 件）的凝固与重力条件下完 全不同，如无容器条件下的 形核以及由温度梯度（或密 度梯度）引起的对流等，使 得不同成分的液体能够长时 间共存，因此可以减少沿凝 固方向的成分偏析，还可以 利用微重力条件制备难混熔 偏晶合金。
主要途径
把熔体弥散成液滴
把熔体与容器壁隔离开
7
三、急冷快速凝固技术及特点
模冷技术
急冷凝固 技术
雾化技术
表面熔化与沉积技术
8
（一）模冷技术
模冷技术：使金属液接触固体冷源并以传导的方式散热
而实现快速凝固。
枪法 双活塞法
模冷技术 主要特点是首先把熔体分离成连续或不连续的、界面尺 平面流铸造法 熔体提取法
18
悬浮熔炼法（电磁悬浮、静电悬浮、声悬浮）
电磁悬浮熔炼法：通过选择合适的线圈形状及输出频 率，使试样在电磁力作用下处于悬浮装态，再通入He、Ar、 H2等保护气氛，通过感应加热熔化，控制凝固从而实现深 过冷。
快速凝固技术
凝固：包含形核与长大两个阶段。 一般冷速 < 102 ℃/s － 出现偏析，晶粒大 102 /s < 冷速 < 106 ℃/s － 精细显微组织 冷速 > 特殊显微组织 冷速 非晶态 快速凝固的途径： 1）减少单位时间内金属凝固时的熔化潜热，2）提高凝固过程中的传热速度 液滴 圆形液片 带状液体 气体 液体 固体
工作原理：
小于0.5g的母合金放置在石英管中， 经感应圈3加热熔化后，高压室1中突然 通入23GPa(2041030600个工业大气压) 的高压气流，使位于高压室1和低压室4 之间的聚酯薄膜2破裂，从而产生冲击 波，将金属熔体分离成细小的熔滴，并 使其加速到每秒几百米的速度，然后喷 射到导热性良好的固定铜模5上，熔滴 迅速凝固成箔片。 由于熔滴的速度很高，象子弹一样， 所以该方法称之为“枪”法。 “枪”法工艺示意图 1-高压室，2-聚酯薄膜，3-感应线圈，4-低压室，5-铜模
大过冷技术
大过冷技术，即Large Undercooling Technology， 简称LUT技术。大过冷技术的核心是：设法在金 属熔体中形成尽可能接近均匀形核的凝固条件， 从而获得大过冷度，提高凝固速度。
实现大过冷技术的途径： 消除金属熔体内部形核媒质 分离熔体为 熔滴； 消除容器壁的形核媒质 金属熔体与容器 壁分离。 当熔滴很小、数量很多时，每个熔滴中的形核 媒质数目非常少，从而产生接近均匀形核的条 件。
图2-20 哈曼管示意图 U-气体射流速度，d-共振腔直径，d0-喷管出口直径，A、B-分别为喷管和共 振腔的位置，P-气体压力，P0-平均气体压力，S1、S2-超声波波谷
图2-21 哈曼管气流路径和声波的传播示意图
图2-22 高速旋转筒雾化工艺示意图 1-感应圈，2-石英管，3-合金熔体，4-旋转筒，5-冷却液
快速凝固技术
快速凝固技术的研究进展摘要：快速凝固技术是当材料科学与工程中研究比较活跃的领域之一，目前已成为一种金属材料潜在性能与开发新材料的重要手段。
快速凝固技术得到的合金与常规合金有着不同的组织和结构特征，对材料科学和其它学科的理论研究以及开展实际生产应用起了重要的作用。
介绍了快速凝固技术的原理和特点、主要方法和在实际中的应用和存在的问题。
关键词：快速凝固技术；合金；应用；存在问题1 引言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[1]。
过去常规铸造合金之所以会出现晶粒粗大，偏析严重、铸造性能差等缺陷的主要原因是合金凝固时的过冷度和凝固速度很小，这是由于它们凝固时的冷速很小而引起的。
要消除铸造合金存在的这些缺陷，突破研制新型合金的障碍，核心是要提高熔体凝固时的过冷度，从而提高凝固速度，因此出现了快速凝固技术。
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。
2 快速凝固技术1960年美国的Duwez等用铜辊快淬法，首次使液态合金在大于107K/S的冷却速度下凝固，在Cu—Si合金中发现了无限固溶的连续固溶体；在Ag—Ge合金中出现新的亚稳相；在Au—Si合金中形成非晶结构。
在快速冷却所形成的亚稳结晶组织中，出现了一系列前所未见的重要的结构特征，表现出各种各样比常规合金优异的使用性能[2]。
此后，快速凝固技术和理论得到迅速发展，成为材料科学与工程研究的一个热点。
快速凝固是指通过对合金熔体的快速冷却(≥104～106 K/s)或非均质形核被遏制，使合金在很大过冷度下，发生高生长速率(≥1～100 cm/s)凝固[3]。
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
（1）金属熔液必须被分散成液流或液滴，而且至少在一个方向上的尺寸极小，以便散热；
（2）必须有能带走热量的冷却介质。
满足上述条件的途径各有三条：熔液可分散成细小液滴、接近圆形断面的细流或极薄的矩形断面液流；散热冷却可借助于气体、液体或固体表面。几乎所有实际的快速凝固工艺都遵循这些途径。图2给出了它们之间的组合，以构成快速凝固生产工艺。其中七种组合是切实可行的工艺。只有薄带状液流与液体和气体冷却介质的组合没有成功，因为在快速流动的流体中要使液流保持矩形断面是极其困难的。
快速凝固的金属冷却速度一般要达到104~109 ℃/S。经过快速凝固的合金，会出现一系列独特的结构与组织现象。1960年美国加州理工学院Duwez等人采用一种特殊的熔体急冷技术，首次使液态合金在大于107℃/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；而共晶成分Au-Si (XSi=25%)合金竟然凝固为非晶态的结构，因而可称为金属玻璃。这些发现，在世界物理冶金和材料科学工作者面前展现了一个新的广阔的研究领域。
快速定向凝固固液界面稳定性理论
Chalmers等在成分过冷理论中指出，定向凝固过程中固液界面形态由G1/R值决定，当G1/RФΔT0/D1时，为平面状界面;当G1/R值逐渐减小时，平界面失稳，逐渐发展为胞状至树枝状和等轴晶。上式中：G1为固液界面前沿液相中的温度梯度，R为凝固速度，ΔT0为结晶温度间隔，D1液相扩散系数。快速凝固新领域的出现，发现上述理论已不能适用。因为快速凝固时，R值很大，按成分过冷理论G1/R值愈来愈小，更应出现树枝晶，但实际情况是快速凝固后，固液界面反而稳定起来产生无特征无偏析的组织，得到成分均匀的果已知凝固过冷度ΔT，可以根据经验公式牶R=A(ΔT2求出R，式中A是与合金成分有关的常数。如果假设凝固长大动力学过程近似是线性的，则上式还可以近似为R=m(ΔT。
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。
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(2014)
术
玻璃体包裹法、嵌入熔体法（二相区法）、电磁悬浮熔体法
快速凝固技术的基本原理
急冷凝固技术（Rapidly Quenching Technology, RQT） 亚稳程度，即偏离平衡态的程度，受限于冷却速度
➢欲获高的冷速，需满足两个基本条件 ①减少单位时间内金属凝固时产生的熔化潜热 ②必须有能带走热的冷却介质，提高凝固过程中传热速率
有人认为 T 102 ~ 104 k / s 有人认为 T 105 k / s
然而，几乎所有有关冷速的数据都十分相近，原因在于：很少直接测量， 都是通过测凝固后枝晶臂间距后估算出来的
因此，有人将快速凝固定义为: 由液相到固相的冷却速率相当快，从而获得了传统铸件或铸 锭冷却条件下所不能获得的成分、相结构或显微结构
➢应用：高合金钢、铝合金、超合金、 钛合金等（活泼金属粉末采用惰性气体 雾化）
粉末多成球形。凝固冷速取决于颗粒尺 寸和雾化介质的类型，通常，尺寸愈小， 气体愈轻，冷速愈高
水雾化法（Water Atomization）
➢以 水 射 流 代 替 气 体 射 流 外 ， 其余与气体雾化相似
➢颗 粒 多 呈 不 规 则 形 ， 但 冷 速 可达102-104K/s
其它雾化技术
真空雾化法 （Vacuum Atomization）:又称可溶气体雾化
➢坩埚内液态金属在压力下过饱和溶 解气体（氮、氩、氢等），突然向真 空开放，气体膨胀，脱溶，金属雾化
➢用氢雾化Ｎｉ、Ｃｕ、Ｃo、Ｆｅ 和Ａｌ基合金，粉末多呈球形，表面 洁净，纯度高，但冷速低， ～１０２Ｋ／ｓ
➢而冷却速度取决于对流、辐射、传导等的导热速率 ➢在理想冷却过程中 ， dT/dt=104z
式中dT/dt—凝固速度，z—截面厚度 ➢故熔化金属必须被分散，至少一维方向上足够小，具有大比表面积，而且最大 程度地增加熔体与冷却介质之间的接触，以减小热阻，利于散热
- 1、下载文档前请自行甄别文档内容的完整性，平台不提供额外的编辑、内容补充、找答案等附加服务。
- 2、"仅部分预览"的文档,不可在线预览部分如存在完整性等问题,可反馈申请退款(可完整预览的文档不适用该条件!)。
- 3、如文档侵犯您的权益，请联系客服反馈,我们会尽快为您处理(人工客服工作时间：9:00-18:30)。
速
技
（iii）在相对很厚的材料表面熔化有限深度的金属并凝固的表面方法
术
（材料即为冷却器）——表面熔化与沉积技术。
凝
➢Savage和Froes（1984）根据熔体液流是否雾化成滴而分成两类：
固
雾化法和非雾化法
技
术
大
在细小熔滴中达到的凝固过冷度的（熔滴弥散）方法：
过
乳化法、熔滴—基底法、落管法等
冷
技
在较大体积熔体中获得大凝固过冷度的（熔滴弥散）方法：
快速凝固发展的由来
追溯快速凝固发展，其原始动力源于解决铸件（锭）偏析的需 要。因此，虽然有的技术DUWEZ的“枪”以前就已发明，早 可视为快速凝固技术的前身。然而，目前大家公认的是，快速 凝固起源于DUWEZ的“枪”技术 1960年DUWEZ的“枪”技术开创了一个新纪元
①冷速可达106k/s
②首次系统报道快凝组织结构、形貌、大小的变化规律
➢而冷却速度取决于对流、辐射、传导等的导热速率 ➢在理想冷却过程中 ， dT/dt=104z
式中dT/dt—凝固速度，z—截面厚度 ➢故熔化金属必须被分散，至少一维方向上足够小，具有大比表面积，而且最大 程度地增加熔体与冷却介质之间的接触，以减小热阻，利于散热
急冷凝固技术中获得高冷速的基本原则
➢设法减少同一时刻凝固的熔体体积 ➢设法增大熔体散热表面积与体积之比 ➢设法减少熔体与热传导性能好的冷却介质的界面热阻 ➢尽可能主要以传导方式散热
术
玻璃体包裹法、嵌入熔体法（二相区法）、电磁悬浮熔体法
快速凝固技术的基本原理
急冷凝固技术（Rapidly Quenching Technology, RQT） 亚稳程度，即偏离平衡态的程度，受限于冷却速度
➢欲获高的冷速，需满足两个基本条件 ①减少单位时间内金属凝固时产生的熔化潜热 ②必须有能带走热的冷却介质，提高凝固过程中传热速率
“静力学”法
大过冷技术（Large Undercooling Technology, LUT）
针对铸造合金都是在非均匀形核条件下凝固的，过冷度小，故创造近似均匀形核 的条件，这时冷速虽小，但凝固过冷度大，亦可实现快速凝固
冷却速率与产品特征的关系
工业冷却速率范围10-3~10℃/s（大铸锭10-2℃/s ，中、小等的1 ℃/s） 薄型铸锭102℃/s，普通气体雾化粉末103℃/s ，水雾化粉末104℃/s 快速凝固冷速可能需更高（如基体表面淬冷法106℃/s ，甚至更高）
➢ 选择不同的熔体液流形式与冷却介质，可组合成不同的急冷凝固方法； ➢ 不同的急冷凝固方法可得到不同形状和尺寸的产物，或球形或片状粉末、纤
内容
➢快速凝固概论
➢快速凝固的起源及发展 ➢快速凝固基本原理及分类 ➢快速凝固工艺、设备与产品特征 ➢快速凝固粉末致密化工艺 ➢快速凝固的亚稳效应 ➢快速凝固在晶态材料的研制开发中的应用
实现快速凝固的途径
“动力学”法
急冷凝固技术（Rapidly Quenching Technology, RQT） （或称 熔体淬火技术（Melt Quenching Technology, MQT）） 提高熔体凝固时传热速度，来增大冷速，从而提高过冷度和凝固速率，使熔体形 核时间短，来不及在熔点附近凝固，而在远离平衡点的较低温度凝固，实现快冷 和快凝
快速凝固技术
前言
快速凝固1960年开始出现 快速凝固是一项新型材料制备技术，既是一种生产手段,又 是一种探索新材料的研究方法，受到了普遍的重视 对现有牌号合金，可以显著地改善其组织结构，充分挖掘 其性能潜力，也可以研制在常规铸造条件下无法得到的、具 有优异性能的新型材料 近年来，不但开拓了一个崭新的学术领域，而且向市场提 供了具有特殊性能的新材料 快速凝固技术和快速凝固合金的研究已成为了材料科学的 一个重要分支，并在实际生产中得到了广泛的应用，具有广 阔的应用前景
③自此，快速凝固亚稳效应被有目的地用来制备高性能材料
快速凝固技术的分类及基本原理
快速凝固技术的分类
急
不同学者对快速凝固方法作了不同的分类，
冷
➢Jones(1982)根据熔体分离与冷却方式不同而分成三类：
凝
（i） 熔体急冷前破碎成液滴的喷射方法——雾化技术；
快
固
（ii） 熔体急冷时保持其连续性的急冷方法——模冷技术；
随产品尺寸（至少一维）减小，冷速增大，产品中枝晶壁间距缩短，第二相（杂 质和孔洞）细化，分布均匀化，获得组织均匀的合金 但是从液态到固态，到底以什么样的冷速冷却，才算达到快速凝固，尚不确定
快速凝固的定义
对于急冷凝固技术（冷却速率大小是重要标志，关系到产 品的显微结构和均匀性），但是对于如何从冷却速率来界定 急冷凝固和常规凝固，尚未统一的认识
有人认为 T 102 ~ 104 k / s 有人认为 T 105 k / s
然而，几乎所有有关冷速的数据都十分相近，原因在于：很少直接测量， 都是通过测凝固后枝晶臂间距后估算出来的
因此，有人将快速凝固定义为: 由液相到固相的冷却速率相当快，从而获得了传统铸件或铸 锭冷却条件下所不能获得的成分、相结构或显微结构
在不同的急冷方法中，B可与A和C组合（离心雾化法、熔体旋转法），也可仅与C组合（熔体提取法）
常规 铸造
冶炼炉
在时间上有时也“分割”熔体，但 “分割”不强烈，熔化潜热多集中释 放
铸模
熔体液流与冷却介质的组合形式，以及相应的工艺过程
熔体液流与冷却介质各采用三个选择： 分离熔体选择——细小液滴、近圆断面的细流、极薄矩形断面液流 散热介质选择——气体、液体、固体
急冷凝固技术的基本原理
或改变熔体形状，或分散熔体，避免大量熔化潜热集中释放，并改善熔体与冷却介 质的热接触状况，实现快速热交换，并散热，达到快冷和快凝的目的
急冷凝固技术的设备组成
B是急冷设备的核心，对冷速起关键作用
急冷 凝固
熔化装置 A
熔化合金
分离装置 B
在时间或空间上 “分割”熔体
冷却装置 C
传出熔体热量
பைடு நூலகம்
常规铸造工艺存在的主要问题
（1）成分偏析：存在于枝晶范围 （0.1~0.0001cm数量级）的微观偏析 和存在于整个铸件或铸锭范围 （~1cm, 乃至1m）的宏观偏析 （2）晶粒粗大，大小不一，析出相 颗粒粗大，形状各异
（3）在合金设计时，受极限平衡固 溶度制约
（4）存在铸造缺陷，集中缩孔大
提高冷却速率是细化组织，消除成分偏析的有效手段