六工程新技术研讨.ppt

六、材料工程新技术 （五）快速冷却和快速凝固的区别 以冷却速度来表征快速冷却的程度。冷却速度在整个温度域并非定值，因此要注意其温度范围。常采用凝固即将开始时的数值，或固液相共存区的平均值。 对于快速凝固过程，采用适当的假设和边界条件解热平衡方程式，可求解冷却速度。也可采用热电偶和示波器实测，或者通过测量试样的枝状晶二次枝晶间距和共晶层间距，求出凝固速度，再运用凝固速度和冷却速度的关系式求出冷却速度。 快速冷却可产生过冷，冷却速度越快，过冷度越大。从热力学角度看，过冷度越大，产生各种亚稳定相的可能性就越大。当然，过冷并非只能通过快速冷却得到，通过抑制凝固过程的形核，也可使合金熔液获得很大的过冷度。 （1）力学性能。 由于快速凝固组织具有良好的晶界强化和韧化作用，而且成分均匀、偏析减小、固溶度增大以及亚稳相产生，因而改善了合金的强度、韧性和延性。 （2）物理性能。 快速凝固组织的微观组织结构特点，使它们具有一些常规铸态组织所没有的特殊物理性能。 九 快速凝固合金材料例子 一、快速凝固铝合金 二、快速凝固镁合金 三、快速凝固钛合金 四、快速凝固铜合金 一、快速凝固铝合金 研究背景 高性能铝合金的发展可追溯到二十世纪四十年代。首先开发的是Al-Al2O3弥散强化合金。 为了细化合金的显微结构，最早采用的方法是称为“直接冷却法”，即在凝固金属的外壳通入冷却介质，以加速热传导,结果使铸件的枝晶臂间距减小了五分之一。 欲进一步细化显微结构，必须再加快凝固速率。而且已经确知，借助于普通粉末冶金工艺,使用平均粒度100μm的粉末,不可能大幅度地改善铝合金的性能，因此，注意力转向快速凝固。 快速凝固微晶铝合金卓有成效的进展是降低密度，提高弹性模量、增加强度、保持耐蚀性、改善高温性能，同时也解除了传统熔铸冶金带来的某些束缚。 Al-Fe-V-Si合金具有优异的耐蚀性。FVS0812合金在盐雾 中的质量损失很小。 FVS1212耐应力腐蚀开裂能力特别强，合金在3.5％氯化钠溶液中浸40天后，横向施加应力到360MPa也没有开裂，此应力值相当于这种合金拉伸屈服应力的95％。 FVS0812合金的高周疲劳强度与2014-T6合金相当，这时因为合金极细小的微晶结构阻止了疲劳诱导裂纹的萌生；又因为FVS0812合金含有细小球形硅化物，而不是片状或者针状的金属间化合物，所以疲劳裂纹在FVS0812合金中的扩展速度接近于在粗晶粒的2014-T6合金中的速度。 2002年，日本和英国学者先后采用快速凝固法开发出具有 极高强度和延展性的镁合金，强度约是 超级铝合金的3倍，是 目前世界上强度最高的镁合金，此外，它还具有超塑性、高耐 热性和高耐蚀性， 可为航空航天工业提供优质材料。美国、以 色列和 日本等发达国家对RS技术制备镁合金的研究开展得比 较深人，而我国在此领域的研究工作进展比较缓慢。其中从事 此研究工作的单位有北京航空材料 研究院、中科院金属所、中 科院物理所、中南大学、 湖南大学和西安理工大学等。 美国、日本、以色列等投入巨资，研究 和开发超高强度镁 合金及其在航空航天领域的应用。其原因不 仅是因为超高强度 镁合金可以降低飞行器的成本，更重要的是 可以改善飞行器的 飞行姿态， 快速凝固镁合金的热稳定性比常规Mg合金有较大的提高，例如在Mg-Al-Zr合金中，快速凝固形成的弥散Al3Zr沉淀相钉扎了晶界，阻止了晶粒的长大，所以在300~400℃保温达300小时后仍然能保持室温强度不变。 快速凝固镁合金微观组织结构的均匀化和弥散沉淀相的形成还提高了合金的抗腐蚀能力，例如，常规铸态Mg-5.3mass％Zn-0.6％Zr合金通常具有正电性的α-Mg枝晶和电负性的枝晶间Mg51Zn20相组成，因而很容易受电化学腐蚀，当快速凝固冷速较高时可以完全抑制Mg51Zn20相的形成，使合金的抗电化学腐蚀性能有明显提高。 某些新型快速凝固镁合金还同时具有很好的强度、延性、抗腐蚀性能和高温稳定性，快速凝固Mg-5~8at％Al-1~2at％Zn-0.5~2at％X（X＝Pr、Nd、Ce）就是其中的一种典型合金?。这些合金在快速凝固后在晶粒细小(尺寸为0.36~0.70微米)的基体上产生了弥散的Mg3X或Mg17Y3沉淀相（尺寸为0.04~0.07μm），这些沉淀相是有很高熔点和热稳定性的金属间化合物，所以它们在挤压固结成型和高温条件下没有发生明显的粗化， 并能对晶界产生有效的钉扎作用，因而这些合金具有十分突出的室温和高温综合力学性能。 ? 高温钛合金的开发始于二十世纪六十年代。首先在钛中添加硅以提高高温蠕变强度，进而又将锆和钼加入到基体中以稳定硅化物弥散颗粒。在500~600℃范围内应用这种含