第3章 快速凝固技术
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
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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
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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
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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
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（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
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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
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
快速凝固技术的应用研究
快速凝固技术的应用研究快速凝固是现代工业中一种重要的加工技术，它能够在短时间内获得稳定的材料和物质凝固状态，进而提高产品的品质和性能、提升生产效率，从而在未来发挥着重要的作用。
本文将从快速凝固技术的基本原理与特点、方法与技术、应用及改进、结构控制等方面展开介绍，以期深入探讨有关快速凝固技术的应用研究。
一、快速凝固技术的基本原理及特点快速凝固技术是一种加工技术，它是在短时间内把材料、物质处于凝固状态，从而达到改变材料的物质组成、结构、形状、性能和外观形状的加工技术。
快速凝固的基本原理是利用快速冷却将液态材料或者物质冷却到某一临界温度，使其处于固态，然后再经过结构控制和形状控制，以获得结构合理、表面光滑、性能优越的液态材料或物质。
速凝固技术具有以下优点：1.效率。
快速凝固技术可以在很短的时间内达到理想的应用效果；2.定性强。
速凝固材料和物质的凝固速度较快，稳定性较强，不易受外界条件的影响；3.能环保。
速凝固技术的过程一般不需要外部能源，从而节约能源和减少污染；4.本低廉。
快速凝固技术可以在短时间内完成，大大减少了加工成本。
二、快速凝固技术的方法与技术快速凝固技术的方法主要是利用冷却加工、超高压冷却加工和磁控温加工三种方法。
1.却加工法。
是利用冷冻剂快速地冷却材料，使其迅速凝固的加工方法。
种方法可以有效地控制材料的冷却速率和凝固速率，并且可以根据不同的冷却介质选择适宜的温度梯度，以达到最佳的凝固效果。
2.高压冷却加工法。
是一种有可靠性的冷却技术，通过高压冷却材料达到快速凝固的效果，使材料组织得到特殊的凝固状态，确保凝固的稳定性和性能。
3.控温加工法。
是一种控制材料冷却过程的技术，通过场效应管和磁控电路等手段，精确控制材料的冷却过程，并可以在一定的温度范围内调节材料的表面形貌。
三、快速凝固技术的应用及改进快速凝固技术主要用于金属材料的加工和处理，如铝合金、钛合金、铁合金等金属材料，广泛应用于航空航天、汽车制造、电子制造、机械加工等领域。
《快速凝固与新材料》课件
02
新材料的种类与特性
新材料的分类
按功能分类
01
如导电材料、磁性材料、Байду номын сангаас学材料等。
按应用领域分类
02
如建筑用材料、航空航天材料、生物医用材料等。
按制备方法分类
03
如金属材料、复合材料、陶瓷材料等。
新材料的特性
高强度
具有较高的抗拉强度和抗压强度，能够承受 较大的压力和负荷。
耐高温
04
快速凝固制备新材料的 应用实例
快速凝固制备新材料在航空航天领域的应用
总结词
提高材料性能，降低成本
详细描述
快速凝固技术制备的新材料在航空航天领域具有广泛的应用，如钛合金、铝合金等。这些新材料具有 优异的力学性能、耐腐蚀性和高温性能，能够提高航空航天器的结构强度和寿命，同时降低制造成本 。
快速凝固制备新材料在汽车工业领域的应用
挑战
快速凝固技术需要高效率的冷却系统和精确的控制技术，设 备成本较高。此外，快速凝固材料的加工和连接技术也是一 大挑战。
解决方案
加强科研投入，提高快速凝固技术的成熟度和稳定性。同时 ，研究新型的快速凝固设备和方法，降低设备成本。针对加 工和连接问题，开展相关研究，开发适用于快速凝固材料的 加工和连接技术。
具有较好的耐热性能，能够在高温环境下保 持稳定的性能。
轻质化
具有较低的密度，能够减轻产品的重量，提 高产品的便携性和机动性。
良好的加工性能
易于加工和制造，能够满足各种复杂形状和 尺寸的要求。
新材料的开发与应用
新材料的开发
通过实验和理论研究，不断探索和发 现新的材料，并对其性能进行优化和 改进。
新材料的应用
快速凝固技术
快速凝固技术快速凝固技术是目前材料科学与工程领域最活跃的课题之一。
它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匀形核，使合金在大的过冷度下发生高生长速率（耳~100cm/s）的凝固。
冷却速率是决定合金凝固组织的关键因素，它不仅决定着凝固组织形态，而且对组织中各相的析出次序、种类及数量都有重要的影响。
所以较好地理解冷却速率对合金凝固组织和性能的影响，在解释同一成分合金铸造出不同形状铸件时微观组织的差异是相当有益的。
传统的铸造工艺，由于凝固速度较低，合金在冷却过程中的过冷度和凝固速度较小，因此常规铸造合金有着晶粒粗大、偏析严重等严重缺陷。
快速过冷技术无论对合金的成分设计还是还是对合金围观组织以及宏观特性都有很大的影响。
一、快速凝固技术快速凝固即由液相到固相的相变过程进行的非常快，从而得到普通铸件和铸锭无法获得的成分、相结构和显微组织结构的过程。
目前快速凝固技术已经在许多方面显示出其优越性，与常规铸锭材料相比，快速凝固材料的偏析程度大幅度降低，而且快速凝固材料的化学成分多比较均匀。
应用快速凝固技术可以制备具有超高强度、高耐蚀性和磁性的材料，非晶、准晶、微晶和纳米晶合金等。
目前，快速凝固技术已成为一种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。
快速凝固技术已开始应用于研究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。
二、快速凝固的基本原理和分类从技术原理上讲，快速冷却主要有两种原理：急冷凝固技术和大过冷凝固技术。
1、急冷凝固技术急冷凝固技术又称熔体淬火技术，即提高熔体凝固时的传热速度从而提高凝固时的冷却速度，使熔体的形核时间短、效率高，来不及在平衡熔点附近凝固，只能在远离平衡熔点的较低温度下凝固。
急冷凝固技术的核心是要提高凝固过程中熔体的冷却速度。
一个相对于环境放热的系统的冷却速度取决于该系统在单位时间内产生的热量和传出系统的热量。
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• 尺寸大，凝固时间长，凝固冷速、凝固速度以及凝固过冷度则很小，不可避 免地会产生一系列铸造缺陷
• •
容易形成粗大而发达的树枝晶 容易产生严重的晶内偏析与晶界偏析
•
容易出现缩孔、疏松、气泡、热应力等铸造缺陷
快速凝固技术的产生与发展
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，在实际凝固过程中达到这一目的的办法 主要有两种 • “动力学”的方 法 设法提高熔体凝固时的传热速度从而提高凝固时的冷速，使熔体形按时间 极短，来不及在乎衡始点附近凝固而只能在远离平衡熔点的较低温度凝固， 因而具有很大的凝固过冷度和凝固速度 具体实现这一方法的技术称为急拎凝固技术(Rapidly Quenching Technology或RQT)或溶体淬火技术(Melt Quenching Technology或MQT) • “静力学”的方 法 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的条件。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一般称为大过冷技术(Large Undercooling Technology或LUT)
快速凝固技术与设备
• • • • •
快速凝固技术的基本原理和分类 模冷技术 雾化技术 表面熔化与沉积技术 大过冷快速凝固技术
快速凝固技术的பைடு நூலகம்本原理和分类
• 基本原理 急冷凝固技术 核心是要提高凝固过程中熔体的冷速。 第一，减少单位时间内金属凝固时产生的熔化潜热； 第二，提高凝固过程中的传热速度。 急冷凝固技术的基本原理是设法减小同一时刻凝固的熔 体体积并减小熔体体积与其散热表面积之比，并设法减 小熔体与热传导性能很好的冷却介质的界面热阻以及主 要通过传导的方式散热。
图2-3 熔体旋转法示意图 1.石英管 2.惰性气体 3.薄带 4.喷嘴 5.熔体 6.熔池 7.辊轮 8.感应线圈
急冷凝固技术的分类与主要特点 分类 名 称 产品形状 箔片 薄片 典型尺寸 厚.01~1.0 典型冷速 主要应用 109 中等活性或不易氧化的 金属 高活性或极易氧化的金 属 中等活性或易氧化的金 属 同上，特别是Fe、Ni、 Al及其合金 同上 “枪”法 双活塞法 熔体旋转法 (CBM或MS) 平面流铸造法 (PFC) 溶体拖拉法MD
直径2.5mm 104~106 厚5~300 105~108 105~106 103~106
模 冷 技 术
连续薄带或 厚10~100 宽<10 线、薄片 宽连续薄带 厚20~100 宽150 连续薄带 厚25~1000
电子束急冷淬 火法(CBSQ)
溶体提取法 CME或PDME
拉长的薄片 厚40~100
与双活塞法类似的还有活塞砧法和 锤砧法
图3-2 双活塞法示意图 1.感应线圈 2.熔滴 3.活塞
•
熔体旋转法(Melt Spining)
操作时,首先把母合金切成约 30mm 长的小段或小块，在砂轮 上磨去氧化皮后装入石英管内。 合金经感应加热熔化后从石英管 上端通入氮气或其它惰性气体， 熔体在气体压力下克服表面张力 从石英管下端的喷嘴中喷到下方 高速旋转的辊轮表面，熔体在与 辊轮表面接触的瞬间迅速凝固并 在辊轮转动的离心力作用下以薄 带的形式向前抛射出来。 在熔体旋转法中可以控制和 调节的主要工艺参数有：石英管 喷嘴尺寸，石英管喷嘴离辊面距 离，石英管内通入的气体压力、 辊面线速度和辊轮合金的成分等。
电-流体力学雾化法 真空雾化法 火花电蚀雾化法
雾化技术
• 双流雾化法(Twin F1uid Atomization) (1)水雾化法与气体雾化法 熔体流在高压高速水流的冲击下， 经过片状、线状、熔滴状三个阶段逐 步分离雾化并在水流冷却下冷凝成粉 末。雾化时所用的水流压力高达 8~20MPa ，制得的粉末直径为 75~ 200m。如果雾化熔体的流体不用水 而用空气或惰性气体 ( 如氖气 ) ，则成 为气体雾化法或惰性气体雾化法，所 用的雾化压力一般为2~8MPa，制得 的粉末直径为 50~100 m，多为表面 光滑的球形，而水雾化法制得的粉末 形状不规则。但是水雾化法由于采用 了密度较高的水做雾化工作介质，所 以达到的凝固冷速要比一般气体雾化 法高一个数量级。
薄片或纤维 厚20~100
104~107
105~106
高活性或极易氧化的金 属
高等活性或极易氧化的 金属(PDME)中等活性或 易氧化的金属(CME)
水雾化法与气体雾化法 超声气体雾化法
双流雾化法
高速旋转筒雾化法 滚筒急冷雾化法
•
雾化技术
离心雾化法
快速凝固雾化法 旋转电极雾化法 双辊雾化法
机械雾化和 其它雾化法
•
大过冷凝固技术 核心是在熔体中形成尽可能接近均匀形核的凝固条件， 从而获得大的凝固过冷度 快速凝固枝术的分类 模冷技术 急冷凝固技术 雾化技术 表面熔化与沉积技术 大过冷凝固技术
• • • • 模冷技术 • • •
“枪”法 双活塞法 熔体旋转法 平面流铸造法 溶体拖拉法 溶体提取法
模冷技术
• “枪”法(Gun Method) 分离成的熔滴很小(直 径约1m)、冲击到铜 模上的速度很高，所以 箔片的凝固冷速可以高 达109 K/s，其中薄的 箔片可以直接用作透射 电子显微镜(TEM)观察 的样品。这种方法可以 应用于许多合金，但是 由于箔片厚度不均匀， 形状不规则，每次熔化 的母合金数量很少，因 此主要限于在实验室中 应用
“枪”法示意图 1．高压室 2．聚脂薄膜 3．感应线圈 4．低压空 5．铜模
•
双活塞法(Twin Piston Method)
熔滴在受挤压时可以从与两个活塞 接触的表面同时均匀地迅速散热凝 固，因此冷速较高，薄片的厚度也 比较均匀。此外，母合金是在真空 气氛中或保护性气氛中悬浮加热熔 化的，因此可以防止石英管对熔体 的污染，可以适用于化学活性高、 易氧化的金属及其合金，如Ti、Zr 等。在经过改进后的双活塞法中， 活塞的冲击速度更高，冲击时活塞 间的间距保持一定，可以防止样品 凝固时变形并有更高的凝固冷速。