材料成形原理第6章

1、第六章特殊条件下的凝固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

2、殊领域。 1 1 快速快速凝固凝固快速凝固快速凝固的目的的目的超细组织超细组织过饱和固溶体过饱和固溶体亚稳相或新的结晶相亚稳相或新的结晶相微晶、纳米晶或金属玻璃微晶、纳米晶或金属玻璃形成形成获得优异的获得优异的 强度、塑性、强度、塑性、耐磨性、耐腐蚀性耐磨性、耐腐蚀性 等。等。一、快速凝固基本原理一、快速凝固基本原理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。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

3、却速率只有103K/s，可见冷却，可见冷却速度不高；速度不高；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. 形成尽可能接近均质形核的凝固条件，抑制非均质形核，从

4、形成尽可能接近均质形核的凝固条件，抑制非均质形核，从而获得尽可能大的过冷度。而获得尽可能大的过冷度。（1）将熔体弥散成液滴；）将熔体弥散成液滴；（2）把熔体与容器壁隔开）把熔体与容器壁隔开（1 1）模冷技术：使熔体与冷）模冷技术：使熔体与冷模接触并以传导的方式模接触并以传导的方式散热。散热。 二、二、急冷凝固技术及特点急冷凝固技术及特点双活塞法、熔体旋转法、平面流铸造法、电子束急冷淬火法、熔体提取法及急冷模法。 加热线圈 旋转辊 坩埚及金属 急冷条带 熔体旋转法熔体旋转法图图 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、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。一步破碎、凝固，最后在收集室中收集。雾化气体进人排气

6、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，特别是氩气进合金的氧化污染，通常采用保护性气氛，特别是氩气进行气体雾化。行气体雾化。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

7、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产。工业化生产。 该技术是由英国该技术是由英国Swansee大学大学singer于于70年代发明年代发明的，并很快在的，并很快在Osprey金属有限公司实现工业化生产，目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。前已经在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

8、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

9、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 104 100 108 102 106 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

10、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0.10 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

11、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) 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。 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。LmLSSLLRGG 2. 定向凝固的方法定向凝固的方法 1） 发热剂法发热

12、剂法 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。 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。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。 3） 快速凝固法

13、快速凝固法（H. R. S法）法） 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。 与与P. D法相比可以大法相比可以大大缩小凝固前沿两相大缩小凝固前沿两相区，局部冷却速度增区，局部冷却速度增大，有利于细化组织，大，有利于细化组织，提高机械性能。提高机械性能。 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）定向凝固典型应用定向凝固典型应用单晶制备单晶制备 由一个晶核长大而成的一大块晶体叫由一个晶核长大而成的一大块晶体叫单晶体单

14、晶体。 1 1、意义：、意义：由于完全消除了晶界，单晶体在高由于完全消除了晶界，单晶体在高温力学、抗热疲劳、抗热腐蚀以及服役温度等方温力学、抗热疲劳、抗热腐蚀以及服役温度等方面都具有更为优异的性能，因而获得了广泛的应面都具有更为优异的性能，因而获得了广泛的应用。用。 单晶是电子元件和激光元件的重要原料。金属单晶是电子元件和激光元件的重要原料。金属单晶也开始应用于某些特殊场合如喷气发动机叶单晶也开始应用于某些特殊场合如喷气发动机叶片等。片等。 2 2、基本原理：根据结晶理论，制备单晶的基本要求是液、基本原理：根据结晶理论，制备单晶的基本要求是液体结晶时只存在一个晶核，要严格防止另外形核。体结晶时

15、只存在一个晶核，要严格防止另外形核。为此为此，材料必须高度纯净以，材料必须高度纯净以限制形核限制形核；结晶速度必须非常缓；结晶速度必须非常缓慢以保证慢以保证定向生长定向生长。 3 3、制备方法：、制备方法：尖端形核法尖端形核法和和垂直提拉法垂直提拉法。 制备单晶体有两种方法制备单晶体有两种方法 1 1）尖端形核法）尖端形核法 模子尖端首先移出炉外缓慢冷却，于尖端处产模子尖端首先移出炉外缓慢冷却，于尖端处产生一个晶核。随着模子向右缓慢移动，晶核向左生一个晶核。随着模子向右缓慢移动，晶核向左定向生长成单晶体。定向生长成单晶体。 晶体内容易产生晶体内容易产生应力或寄生形核，应力或寄生形核，很少用于制备质量很少用于制备质量要求高的单晶。要求高的单晶。 将籽晶接触熔体表面，在将籽晶接触熔体表面，在籽晶籽晶与熔体间