快速凝固技术的应用
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
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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
凝固技术的发展趋势
凝固技术的发展趋势
随着技术的不断进步，凝固技术也在不断发展和改进。
以下是凝固技术的一些发展趋势：
1. 新材料的应用：凝固技术正在不断探索和应用新的材料，如纳米材料、复合材料等。
这些新材料具有更好的性能和特性，能够用于制造更高质量和更具创新性的产品。
2. 3D打印的发展：凝固技术与3D打印技术结合，可以实现更高程度的定制化制造。
通过3D打印，可以打印出复杂形状的零件和产品，提高生产效率和减少材料浪费。
3. 自动化和智能化：凝固技术的自动化程度越来越高，生产过程更加智能化。
通过使用先进的传感器和控制系统，可以实时监测和调整凝固过程，提高产品质量和一致性。
4. 环保和可持续性：凝固技术的发展也注重环保和可持续性。
新的凝固技术正在研究和应用可再生材料和绿色能源，以减少对环境的影响。
5. 快速凝固技术：以往的凝固过程可能需要较长的时间，但现在的凝固技术正朝着更快速的方向发展。
快速凝固技术可以提高生产效率，并且有助于制造复杂的零件和产品。
6. 凝固过程的仿真和优化：凝固技术的发展还包括凝固过程的仿真和优化。
借助计算机模型和仿真软件，可以预测和优化凝固过程的结果，提高产品的质量和性能。
总体来说，凝固技术的发展趋势是向着更高效、更精确、更环保和更智能的方向发展。
这些发展将推动制造业、材料科学和其他相关领域的创新和进步。
快速凝固技术在铝合金材料中的应用
快速凝固技术在铝合金材料中的应用作者：李灼华来源：《山东工业技术》2014年第14期摘要：由于航天技术以及工业化的快速发展，这就对于铝合金材料的要求更为深入，对此，本文主要针对快速凝固所具有的一些特性，结合铝合金材料的特点、成分以及工艺，就其应用展开探讨。
关键词：凝固；技术；铝合金；材料；快速快速凝固技术在当前已经得到了更为广泛的发展，从而也研发出了性能更良好的合金材料。
由于快速凝固技术具有良好的耐磨性、较高的热强性能、高强度等一些优点，而从它的综合力性能来看有着较为特殊的物理性能，并且已经作为一种新型材料得到广泛的应用，有着良好的发展前景，但是问题同时也是存在的，比如在它的工艺方面、成本方面、合金的成分以及凝固的过程、工艺参数等方面都有待解决，进一步完善合金的工艺以及它的理论研究，对其范围要更有力的拓宽发展。
1 快速凝固技术的定义所谓快速凝固技术也就是一种冷却速率，通过液相凝固变成固相，并且作为非平衡来进行的转化过程，通常情况下会生成一种亚稳相，从而促使材料和粉末带有一种的特殊性以及有着较为广泛的用途。
在这种技术当中主要有两方面的内容，一方面就是急冷凝固技术，另一方面就是大过冷的凝固技术。
在应用急冷技术过程当中，最重要的就是需要来提高它的凝固过程以及它的冷却速度，所以，必须要一定的单位时间内要控制好凝固熔化的潜热速度，此外，还应该提高它的传热速度。
同时我们也可以看出，由于急冷快速凝固有几种形式，一种是雾化技术，另外一种就是模冷技术以及沉积技术。
由于急冷技术的产品一般会具有较小的尺寸，所以这就需要进行对其固结成型处理加工。
而大过冷技术的主要特点一般通过熔体当中所达到的均匀形核，这样便可以在形核当中得到更多的过冷度。
并且在熔体当中也可以通过它的导热性介质来进行传热，达到冷却的目的。
2 材料的主要性能在快速凝固技术当中，铝合金主要具有的特点包括：它可以把凝固组织进行有效的细化，由于在增大的冷却速率当中，它可以减少晶粒的尺寸，从而得到微晶，甚至可以得到纳米晶，此外，二次的枝晶壁一般会很细小，所以这也就降低了所含成分的偏析，也就出现了非晶态。
高红外快速固化漆膜技术
高红外快速固化漆膜技术
高红外快速固化膜技术是近年来发展起来的先进技术，它可以在短时间内实现固化，大大改善工业生产过程中传统膜漆固化所需的时间。
红外快速固化技术可以在短时间内凝固水性涂料，它可以将固化过程的时间缩短至数十秒，相对于热风机发热方式的10分钟以上，来看显著提升了涂料颜色平滑度、耐候性等。
一般用红外快速固化膜技术固化涂层时，其工艺可以分为：首先，采用喷涂机将水性涂料喷涂均匀地覆盖在要固化物体表面；然后，采用红外灯来对涂料进行加热；最后，采用冷却风扇对热红外光照射过的表面进行冷却，使涂层得到快速凝固固化完成。
该技术的优点在于空气污染小、涂料用量的节约、操作的便利性和安全性，以及出色的耐候性、耐高温性和耐腐蚀性，用于汽车或化妆品等需要高质量的表面处理的工业上。
另外，它还具有温度可调，不受限于温度范围以及卓越的累计涂层和快速固化能力，以及所需時間比传统法式更短等优势。
红外快速固化膜技术能够快速而可靠地完成表面固化，使表面涂层得到凝固，形成更加稳定和耐用的表面。
但是，该技术固然有其优势，但它也存在一些缺点，比如，可能会消耗更多的电力和热量，这些浪费将随着技术的不断发展而降低。
此外，由于涂料的化学性质非常复杂，很多涂料可能会造成污染，因此，在使用该技术时，应注意涂料的污染特性，对涂料进行合理选择。
深过冷快速凝固技术
深过冷快速凝固技术本文将对深过冷快速凝固技术进行全面详细、完整且深入的介绍。
1. 概述深过冷快速凝固技术是一种在超冷条件下，将液态物质快速凝固成无序非晶态或纳米晶态的技术。
通过控制快速冷却的方法，可以得到非常高的凝固速度，从而获得具有独特性能的材料。
2. 原理深过冷快速凝固技术利用超冷条件下的快速冷却过程来凝固物质。
在超冷过程中，物质的结晶过程被抑制，使得其在凝固时形成非晶态结构或纳米晶态结构。
这种结构与常规冷却得到的晶态结构具有不同的性质和性能。
传统的冷却过程中，物质的原子或分子在有序方式下排列，形成晶格结构。
而在超冷过程中，由于冷却速度非常快，物质没有足够的时间重新排列成晶格结构，而是形成无序非晶态或纳米晶态结构。
这种结构的特点是缺乏长程有序性，具有较高的局域有序性和局限空间。
3. 技术实现深过冷快速凝固技术可使用多种方法实现，其中包括：3.1. 快速凝固法快速凝固法是最常见的深过冷快速凝固技术之一。
其基本原理是利用快速冷却的方法，使液态物质迅速凝固成非晶态或纳米晶态结构。
常用的快速冷却方法包括快速淬火、脉冲激光熔化、喷雾冷却等。
快速淬火是指将液态物质迅速冷却至超过其玻璃化转变温度的方法。
通过快速冷却，物质无法充分晶化，从而形成无序非晶态结构。
脉冲激光熔化是利用激光脉冲的高能量来迅速加热和冷却材料的方法。
通过调节激光能量和扫描速度，可以实现快速凝固，得到非晶态或纳米晶态材料。
喷雾冷却是利用高速喷雾剂将液态物质迅速冷却的方法。
喷雾剂可以在物质表面形成非常快速的冷却速率，从而实现快速凝固。
3.2. 超冷液体法超冷液体法是利用超冷液体作为冷却介质，将液态物质迅速冷却到超冷状态的方法。
常用的超冷液体包括液氮、液氩等。
超冷液体法的工作原理是将液态物质置于超冷液体中，使其快速冷却，从而实现深过冷快速凝固。
超冷液体的低温和高热导率能够提供快速冷却的条件，从而使液态物质迅速凝固。
4. 应用领域深过冷快速凝固技术在许多领域具有广泛的应用潜力，包括：•材料科学：深过冷快速凝固技术可以制备具有特殊结构和性能的材料，用于制造高强度、导热性能优良、抗腐蚀等特种材料。
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。
快速凝固技术工艺方法
快速凝固技术工艺方法快速凝固技术工艺方法是一种通过控制物质的凝固速度来改变物质的微观结构和性质的方法。
下面将介绍几种常用的快速凝固技术工艺方法。
首先是激光熔凝法。
该方法利用高功率激光束将物质加热至高温，然后迅速冷却，使物质迅速凝固。
这种方法可以制备出具有细小晶粒和均匀相分布的材料，具有优异的力学性能和耐磨性。
其次是快速凝固法。
该方法利用高速冷却技术，使物质从液态迅速转变为固态。
常用的快速凝固方法包括溅射法、电顶尖消失法和单一晶体法等。
这些方法可以制备出具有均匀化学成分和非晶或纳米晶结构的材料，具有优异的导磁性和耐腐蚀性。
另外还有凝胶燃烧法。
该方法利用溶胶-凝胶反应，在胶体溶液中混合可燃物质和氧化剂，然后通过点火使反应迅速进行，并产生凝胶燃烧，最终形成固态制品。
这种方法可以制备出具有高比表面积和多孔结构的材料，具有良好的吸附性能和催化性能。
最后是高速压凝法。
该方法利用高速冲击或高压力加载材料，使其迅速凝固。
高速压凝法可以制备出具有均匀结构和高致密度的材料，具有优异的力学性能和热学性能。
以上是几种常用的快速凝固技术工艺方法，它们在材料制备和性能改善方面具有广泛的应用前景。
随着科学技术的不断进步，相信快速凝固技术工艺方法将会有更多的创新和发展。
继续上文，我们将介绍更多相关的内容，详述快速凝固技术工艺方法的应用和其对材料性能的影响。
快速凝固技术工艺方法在材料制备领域具有广泛应用。
例如，快速凝固法广泛应用于制备非晶合金和纳米晶材料。
非晶合金是由于凝固速度非常快而导致材料形成非晶状态，具有高硬度、高弹性模量和良好的韧性等优点，因此广泛用于高强度结构材料和催化剂等领域。
纳米晶材料通过快速凝固方法，可以制备出具有纳米尺寸晶粒的材料，具有较高的强度、硬度和塑性等特性，适用于高性能电子器件和高精度机械元件。
另外，快速凝固技术工艺方法在材料改性方面也发挥重要作用。
快速凝固技术可以通过调控凝固速度和固液界面特性来改变材料的晶体结构、晶粒尺寸和相分布等，从而改善材料的性能。
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快速凝固技术的应用
机103班 田玉之 1010012084
摘要
：快速凝固指的是在比常规工艺过程中快得多的冷却速度下，金属或合金
以极快的速度从液态转变为固态的过程。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。
Rapid solidification refers to than conventional process much faster
cooling rate, metal or alloy in order to speed the transition from the
liquid state to the solid state process. Rapid solidification technology
of alloy and the conventional alloy has different organization and
structure features, materials science and other disciplines of
theoretical research and practical application of production
关键词
：快速凝固；镁合金；铝合金
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。
各种应用:
一 快速凝固技术在镁合金中的应用
镁合金是所有结构金属中最轻的一种, 具有比重小, 比强度、比刚度高，耐
冲击等一系列优点, 在汽车、电子电器、航空航天等领域具有广阔的应用前景,
但镁合金的加工成形性能及耐蚀性能较差, 大大限制了其发展. 目前, 国内在
高性能镁合金的管、棒、板、型材及一些结构件方面基本上还是空白, 而传统的
铸造冶金方法又难以满足材料的性能要求. 因此, 研究新的制备工艺和加工技
术是发展高性能型材和结构件的必然之路. 快速凝固镁合金将成为未来变形镁
合金的主要制备工艺. 70 年代初, 快速凝固实验表明, 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。
二 快速凝固技术在铝合金上的应用
以快速凝固耐热铝合金替代Ti合金在飞机和导弹上应用,可以明显地减轻飞
行器质量,降低成本,以飞机发动机为例,实现以铝代钛,可以减轻质量15%～25% ,
降低成本30%～ 50% ,提高运载量15%～20%,经济效益十分可观。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,过去的20年内,快速凝
固耐热铝合金受到广泛重视。近十几年来,科研工作者们对耐热铝合金进行了大
量的研究, 相继开发了一系列快速凝固耐热铝合金。A l—Fe—V —Si系耐热铝
合金具有良好的室温和高温强度、塑性、热稳定性和断裂韧性以及耐腐蚀性能,
近 20年来广泛应用于航空航天领域.快速凝固A l—Fe—V —Si 系耐热铝合金首
先是由美国A llied2Signal铝业公司的金属及陶瓷材料研究所采用其专利技术
——平面流铸造法研究开发的。目前该合金已成为研制最为成熟的高性能耐热铝
合金, 对它的研究也成为耐热铝合金开发研究的热点.利用传统的快速凝固ö粉
末冶金(RSöPM)工艺制备的Al—Fe—V —Si系耐热铝合金, 在组织上获得了单一
的、弥散分布的球状耐热相Al12(Fe,V )3Si,该相具有良好的热稳定性,研究表明
即使在480℃下保温100 h ,仍未发现明显的粗化现象,从而保证材料在室温和高
温条件下均有较高的强度。因此,自20世纪80年代末以来,该系列的耐热铝合金已
在航空航天等领域获得了广泛的应用。20世纪90年代国内外的研究人员开始应用
喷射成型技术制备Al—Fe—V —Si系耐热铝合金,以期达到提高性能降低生产成
本的目的。随着航空航天事业的发展,对作为结构件材料的铝合金的工作温度提
出了越来越高的要求, A l—Fe—V —Si 系合金具有良好的综合性能,而且可以
根据需要调整 Fe, V , Si含量，控制强化相体积分数,获得不同性能的组合。因
此，对Al—Fe—V —Si系耐热铝合金的研究制备和开发应用受到了国内外的普遍
关注。
三 用大过冷凝固技术制备材料
大过冷凝固技术的核心是利用金属本身的特点实现快速凝固的方法之一。其主要
有快速蒸汽冷凝技术、快速卸压淬火等。
1 蒸汽快速冷凝法(ERC法)
ERC法是借助于低温液体将蒸发的金属蒸汽快速冷凝，在其聚结之前沉积到
捕集器中或旋流收集器中。利用此法制得的金属粉末颗粒尺寸极细，而且粒度分
布非常均匀。
2 快速卸压淬火
快速卸压淬火是一种有效的新的快速凝固方法，在适当的初始温度和压力下
对熔体快速卸压达到固化，由于不受材料自身的热传导性质的限制，因而可获得
大块亚稳材料甚至非晶，实现了快速凝固的原理，并对亚稳相的产生及非晶化成
因提供了热力学上的合理解释。
大过冷凝固技术的特点是在熔体中形成尽可能接近均匀形核的凝固条件，从
而在形核前获得大的过冷度。熔体主要是通过导热性差的介质传热或以辐射传热
的方式冷却。目前，采用此技术制取的合金的尺寸、数量都很小，而且不能连续
生产。因此，要使其不仅在理论上和实验研究中得到广泛应用，而且像急冷凝固
技术那样应用于实际生产还需要做进一步的改进。
总结：
目前，关于快速凝固技术的研究着重于母合金熔融后分成微小的熔滴，然后再通过冷的
基体进行散热冷却，所解决的是传热问题。但从快速凝固各种技术现存的问题看，
解决这些问题时不目前，关于快速凝固技术的研究着重于母合金熔融后分成微小
的熔滴，然后再通过冷的能靠单一的方法，它是一个系统工程，应从合金本身、
金属液的净化、外部强制冷却手段等方面同时采取措施才行。为使快速凝固合金
的研制工作走上完善的科学设计的道路，还有一系列的理论研究及实验测试工作
有待进一步开展：计算和实测更多的二元及多元亚稳平衡相图，包括T0线的走
向；亚稳合金熔体中热物理参量及它们与温度之间的关系需要更多的实验测定工
作；关于高生长速率下的胞状晶生长及枝晶向胞晶转变的实验观察和模型化工
作；深入分析高生长速率下温度依从的扩散系数及界面附着动力学对枝晶和胞晶
生长以及对界面形貌稳定性的影响；定量表述化学成分及熔体热历史对非均质形
核的影响；相组成及显微结构与各种使用性能之间的关系。最终采用计算机辅助
工程(CAE)的手段，对快速凝固过程实现计算机模拟和定量分析，对合金化学成
分及快速凝固工艺参数实现定量设计。
参考文献
1 《材料导报：纳米与新材料专辑》 2010年 第2期 作者：王艳丽 郭学锋 黄
丹 王英 崔红保
2 《广西大学学报（自然科学版）》 ISTIC PKU -2007年z1期 梁玮 劳远侠 徐
云庆 孙仙奇
3 《有色金属与稀土应用》 2010年 第4期 作者：贾宇
4 《材料科学与工程》 2001年 张瑞丰，沈宁福