快速凝固副本剖析.ppt

* * * * * 1896 1920 1987 2006 快速凝固技术 提纲 1.快速凝固的定义 快速凝固是指在比常规工艺过程快得多的冷却速度（如10^4~10^9K/s）或大的多的过冷度（几十或几百K 以下）下，合金以极快的凝固速率（常大于10cm/s,甚至高达100m/s）从液态转变为固态的过程。 快速凝固与快速冷却的区别 快速冷却是实现快速凝固的方法之一 快速凝固指凝固的速率大，其他方法也可以实现 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——气枪法，在Au-25.wt%Si成分获得非晶态结构 快速凝固起源 2.快速凝固的基本原理 2.1.急冷法 单向凝固速率与导热条件的关系δ－ 凝固层厚度 Ti－铸件/铸型界面温度 TK－ 凝固界面温度 凝固速率： 式中：λS — 固相热导率 Δh — 凝固潜热； ρs — 固相密度； GS — 温度梯度，由凝固层的厚度δ和铸件/铸型的界面温度Ti决定的。 对凝固层内的温度分布作线性近似，则得出 2.1.急冷法 单向凝固速率与导热条件的关系δ－ 凝固层厚度 Ti－铸件/铸型界面温度 TK－ 凝固界面温度 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； 局限性： 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 2.1.急冷法 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 急冷法获得高冷速的原则 2.2.深过冷 通过抑制凝固过程的形核，使合金获得很大的过冷度，使凝固过程释放的潜热△h被过冷熔体吸收，可以获得很大的凝固速率 过冷度为ΔTS的熔体凝固时需要导出的实际潜热Δh′ 可表示为 ： 当Δh′=0，即 时，凝固潜热完全被过冷熔体所吸收，试件可在无热流导出的条件下完成凝固过程。 深过冷是大尺寸铸件快速凝固的唯一方法 3.快速凝固技术 3.1 雾化技术 将连续的金属熔体在离心力、机械力或高速流体(气体或液体)冲击力等外力作用下分散破碎成尺寸极细小的雾化熔滴，并使熔滴在与流体或冷模接触中迅速冷却凝固，凝固后成呈粉末。 基本原理： 气体雾化、水雾化、机械雾化、其他雾化 主要工艺方法： 粉末、碎片、箔片 产品形式： 3.1 气体雾化 过程：两束或多束气体射流介质传递动能，将金属液流破碎，细小的液滴在飞行中通过对流或辐射散热凝固成粉 工艺参数：射流距离、射流压力、喷嘴结构、气体和金属流速和质量流率、金属过热度、气液交汇角、金属表面张力和金属融化温度范围 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 3.2 液态急冷法 (ａ) 自由喷射熔液自旋工艺　　 　(ｂ) 平面流铸工艺 1-压力计； 2-排气阀； 3-坩埚； 4-感应加热线圈； 5-合金液； 6-金属薄带； 7-淬冷辊轮； 8-喷嘴 3.3 束流表面急冷法 使用高能量密度的激光束、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。表面的冷却速度可达10^8K/s。可用于在大尺寸工件表面得到快速凝固的显微结构特征与性能特点。 3.4 无容器电磁悬浮熔炼法 熔体悬浮，避免与坩埚壁接触，从而排除器壁导致的异制形核，利于获得较大过冷度 3.5 溶剂包覆法 合金熔体被有净化作用的溶剂包覆，能够去除熔体中促进异质形核的杂质，从而利于获得较大过冷度 4 快速凝固对材料开发的作用 （1）细化凝固组织，使晶粒细化。 （2）减小偏析或无偏析。 （3）扩大固溶极限。 （4）快速凝固可导致非平衡相结构产生，包括新相和扩大 已有的亚稳相范围。 （5）高的点缺陷密度。 （6）形成非晶态。 5 局限性和解决方案 受冷却速度限制，并不能完全实现较大的冷却速度，从而使材料尺寸受限制。 如非晶态合金一直不能得到应用，最大的原因就是难以制备出大尺寸的非晶态合金。 2. 工艺复杂，难以控制，成本高，市场竞争力低。 如：平面流铸工艺，喷嘴与滚轮距离，喷射压力，滚轮转速都影响合金带的质量，难以协调。 非晶合金含有较多贵重元素，价格高。非晶带工业生产中