第6章特殊条件下凝固

1、Chapter 6 Solidification and Processing of liquid metals under special condition 第六章第六章 液态金属在特殊条件下的凝固及成形液态金属在特殊条件下的凝固及成形快速凝固是指液态金属以快速凝固是指液态金属以1051010 K/s的冷速进行凝固的液的冷速进行凝固的液态急冷技术。态急冷技术。快速凝固快速凝固定义定义为：由液相到固相的相变过程非常快，从而获为：由液相到固相的相变过程非常快，从而获得普通铸件或铸锭无法获得的成分、相结构和显微结构得普通铸件或铸锭无法获得的成分、相结构和显微结构的过程。的过程。快速凝固过程快速凝

2、固过程抑制了各种传输现象，凝固偏离平衡抑制了各种传输现象，凝固偏离平衡，经典凝，经典凝固理论中假设的许多平衡条件不再适应，成为材料凝固固理论中假设的许多平衡条件不再适应，成为材料凝固学研究的一个特殊领域。学研究的一个特殊领域。 10-1 10-1 快速凝固快速凝固v1、快速凝固的条件、快速凝固的条件v实现液态金属快速凝固的最重要实现液态金属快速凝固的最重要条件条件，是要求液，是要求液/固相变固相变时有时有极高的热导出速度极高的热导出速度。v如果依靠如果依靠辐射辐射散热，对于直径为散热，对于直径为1m，温度为，温度为1000的的金属液滴，获得的极限冷却速率只有金属液滴，获得的极限冷却速率只有10

3、3K/s，可见冷却，可见冷却速度不高；速度不高；v通过通过对流对流传热，将导热良好的氢或氦以高速流过厚度为传热，将导热良好的氢或氦以高速流过厚度为5m的试样，获得的极限冷速为的试样，获得的极限冷速为11042104 K/s； 要获得高于要获得高于105 K/s的冷速，只能借助于的冷速，只能借助于热传导热传导。用急冷凝固方法获得高的凝固速率的用急冷凝固方法获得高的凝固速率的条件是条件是：(1)减少单位时间内金属凝固时的产生的结晶潜热。减少单位时间内金属凝固时的产生的结晶潜热。(2)提高凝固过程中的传热速度提高凝固过程中的传热速度.途径途径? （1 1）模冷技术）模冷技术 2、急冷凝固技术及特点、

4、急冷凝固技术及特点单向凝固速率与导热条件的关系单向凝固速率与导热条件的关系 凝固层厚度凝固层厚度 Ti铸件铸件/铸型界面温度铸型界面温度 TK 凝固界面温度凝固界面温度图图 双辊法快速凝固技术的基本原理双辊法快速凝固技术的基本原理1一带材一带材2合金液流合金液流3加热炉加热炉 4一坩埚一坩埚5一漏出孔一漏出孔6双辊双辊 通常生产几十微米通常生产几十微米厚的薄带厚的薄带图图 单辊法复合层快速凝固过程原理图单辊法复合层快速凝固过程原理图1单辊单辊 2合金液合金液1 3一坩埚一坩埚1 4坩埚坩埚2 5合金液合金液26感应加热线圈感应加热线圈 7一复合层带材一复合层带材通常生产几十微米通常生产几十微米

5、厚的薄带厚的薄带（2）雾化技术）雾化技术1）气体雾化法，工作原理如图）气体雾化法，工作原理如图 所示。所示。熔化的合金液浇入漏包中经过喷嘴雾化并在雾化室中进一步熔化的合金液浇入漏包中经过喷嘴雾化并在雾化室中进一步破碎、凝固，最后在收集室中收集。破碎、凝固，最后在收集室中收集。雾化气体进人排气管，经过滤后排出或循环使用。雾化气体进人排气管，经过滤后排出或循环使用。 高速气流的主要作用是使液态金属雾化成细小的颗粒。高速气流的主要作用是使液态金属雾化成细小的颗粒。雾化气体可采用空气、氮气、氩气或氦气等，为了避免合金雾化气体可采用空气、氮气、氩气或氦气等，为了避免合金的氧化污染，通常采用保护性气氛，特

6、别是氩气进行气的氧化污染，通常采用保护性气氛，特别是氩气进行气体雾化。体雾化。图图 气体雾化设备工作原理图气体雾化设备工作原理图1一一 细粉细粉 2一一 气体气体 3一一 气源气源 4 合金液合金液 5一真空感应加热器一真空感应加热器6一一 喷嘴喷嘴 7 雾化室雾化室 8一一 收集室收集室 9一一 粉末粉末 喷射沉积法可根据制件的需要设计基板的形状和尺寸，从而喷射沉积法可根据制件的需要设计基板的形状和尺寸，从而获得最终制件或近终形制件，因此更容易实现工业化生获得最终制件或近终形制件，因此更容易实现工业化生产。产。该技术是由英国该技术是由英国Swansee大学大学singer于于70年代发明的，

7、并很年代发明的，并很快在快在Osprey金属有限公司实现工业化生产，目前已经在金属有限公司实现工业化生产，目前已经在许多国家得到广泛应用。许多国家得到广泛应用。 （3）表面熔化与沉积技术）表面熔化与沉积技术1 沉积室沉积室2 基板基板3 喷射粒子流喷射粒子流4 气体雾化室气体雾化室5合金液合金液6一坩埚一坩埚 7 雾化气体雾化气体8 沉积体沉积体9 运动机构运动机构 10 排气及取料窒排气及取料窒图图 连续生产锭材的工艺原理图连续生产锭材的工艺原理图1感应加热坩埚感应加热坩埚2气体雾化器（喷嘴）气体雾化器（喷嘴）3圆柱沉积锭圆柱沉积锭4沉积室沉积室5排气管排气管6循环分离器循环分离器 图图 几

8、种激光表面熔化处理方法的工作原理图几种激光表面熔化处理方法的工作原理图a）表面硬化）表面硬化 b）表面熔凝）表面熔凝 c）表面合金化）表面合金化 d）表面粘附）表面粘附 3、快速凝固的产物及其特征、快速凝固的产物及其特征快速凝固使金属材料的快速凝固使金属材料的结构发生了前所未有的变化结构发生了前所未有的变化可形成具有可形成具有特殊性能的新材料特殊性能的新材料。 粗大的树枝晶、共晶及其他显微组织 细化的树枝晶、共晶及其他显微组织 扩大的固溶极限、超细晶粒、无偏析 或少偏析、亚稳相、直至非晶态 常规显微组织 改善的显微组织 新型显微组织 受化学成分及 工艺因素影响 熔体 104 100 108 1

9、02 106 组 织 及 成 分 的 均 匀 性 冷却速度/(Ks-1) （1） 形成过饱和固溶体形成过饱和固溶体将液态合金以将液态合金以高速急冷快速地穿过液高速急冷快速地穿过液/ /固两相区固两相区，就，就阻止了阻止了第二相第二相的生核和长大。使溶质原子以的生核和长大。使溶质原子以超常超常规溶解度规溶解度陷在陷在相晶格中。相晶格中。表表 部分合金元素在部分合金元素在Al中平衡固溶度和扩展固溶度（中平衡固溶度和扩展固溶度（%）（2） 超细的晶粒度超细的晶粒度随着冷却速率的增大，晶粒尺寸减小，可以获得随着冷却速率的增大，晶粒尺寸减小，可以获得微晶甚至纳米晶。微晶甚至纳米晶。快速凝固合金比常规合金

10、低几个数量级的晶粒尺快速凝固合金比常规合金低几个数量级的晶粒尺寸，一般为寸，一般为0.11.00 必须在固必须在固液界面前沿建立必要的温度梯度液界面前沿建立必要的温度梯度温度梯度大小直接影响晶体生长速率和晶体质量温度梯度大小直接影响晶体生长速率和晶体质量 000)1 (kDkmCRGLL图图 坩埚下降单向凝固法生长装置和温度分布坩埚下降单向凝固法生长装置和温度分布a）装置示意图）装置示意图 b）温度分布图）温度分布图 高温区 熔体 Tm 0 x x X X 0 晶体 低温区 隔热板 Tn T0 T a) b) v通过通过增大增大GS来增强固相的散热强度，这是实际来增强固相的散热强度，这是实际应

11、用中获得应用中获得大的大的GL的重要途径。同时，也会使的重要途径。同时，也会使凝固速率凝固速率R增大。增大。v因此，常用因此，常用提高固提高固液界面前沿熔体的温度液界面前沿熔体的温度来达来达到提高到提高GL的目的。的目的。LmLSSLLRGGv2. 定向凝固的方法定向凝固的方法v1） 发热剂法发热剂法v绝热耐火材料箱中，底部水冷结晶器型壳上部盖绝热耐火材料箱中，底部水冷结晶器型壳上部盖以发热剂，金属液处于高温，建立自下而上的凝以发热剂，金属液处于高温，建立自下而上的凝固条件。固条件。v无法调节凝固速率和温度梯度，只能制备小的柱无法调节凝固速率和温度梯度，只能制备小的柱状晶铸件，多用于磁钢生产。

12、状晶铸件，多用于磁钢生产。2 2） 功率降低法功率降低法（P. DP. D法）法）铸型加热感应圈分两段铸型加热感应圈分两段铸件在凝固过程中铸件在凝固过程中不移动不移动。GL随着凝固的距离增大而随着凝固的距离增大而不断减小。不断减小。GL、R值都不值都不能人为地控制。能人为地控制。v3） 快速凝固法快速凝固法（H. R. S法）法）v铸型加热器始终加热，铸型加热器始终加热，在凝固时，铸件与加在凝固时，铸件与加热器之间产生热器之间产生相对移相对移动动。v与与P. D法相比可以大大法相比可以大大缩小凝固前沿两相区，缩小凝固前沿两相区，局部冷却速度增大，局部冷却速度增大，有利于细化组织，提有利于细化组

13、织，提高机械性能。高机械性能。 H. R. S法示意图法示意图2、定向凝固技术的应用、定向凝固技术的应用（1）柱状晶的生长）柱状晶的生长（一种顺序凝固组织）（一种顺序凝固组织）v（2 2）单晶生长）单晶生长v根据熔区的特点分为正常凝固法和区熔法。根据熔区的特点分为正常凝固法和区熔法。v1） 正常凝固法正常凝固法v有坩埚移动、炉体移动及晶体提拉等单向凝固方法有坩埚移动、炉体移动及晶体提拉等单向凝固方法v或将或将“籽晶籽晶”放在坩埚底部，当坩埚向下移动时，放在坩埚底部，当坩埚向下移动时，“籽晶籽晶”处开始结晶，随着固处开始结晶，随着固液界面移动，单晶不断长大。液界面移动，单晶不断长大。v主要缺点是

14、主要缺点是晶体和坩埚壁接触晶体和坩埚壁接触，容易产生应力或寄生成核，容易产生应力或寄生成核图图 坩埚移动单向凝固示意图坩埚移动单向凝固示意图 a）垂直式）垂直式 b）水平式）水平式 a) b) 炉管 炉丝 坩埚 熔体 挡板 图图 自生粒晶法生产单晶叶片自生粒晶法生产单晶叶片1-铸件铸件 2-选晶段选晶段 3-起始段起始段 图2-42 选晶段示意图 0 y x z 通过通过x、y、z三个方向选晶，从而确保一个柱晶顺利进入铸件三个方向选晶，从而确保一个柱晶顺利进入铸件 图图 晶体提拉示意图晶体提拉示意图 射频感应圈 熔体 晶体 坩埚 提拉杆 籽晶 v（3） 区域提纯区域提纯v区域熔化是获得超纯材料的极有效的手段，由于区域熔化是获得超纯材料的极有效的手段，由于区域熔化区域熔化的发明，才出现了半导体工业的发明，才出现了半导体工业。v当正常凝固，固