快速凝固(2014)

1、快速凝固技术快速凝固技术 前前 言言u快速凝固快速凝固1960年开始出现年开始出现u快速凝固是一项新型材料制备技术，既是一种生产手段快速凝固是一项新型材料制备技术，既是一种生产手段,又又是一种探索新材料的研究方法，受到了普遍的重视是一种探索新材料的研究方法，受到了普遍的重视u对现有牌号合金，可以显著地改善其组织结构，充分挖掘对现有牌号合金，可以显著地改善其组织结构，充分挖掘其性能潜力，也可以研制在常规铸造条件下无法得到的、具其性能潜力，也可以研制在常规铸造条件下无法得到的、具有优异性能的新型材料有优异性能的新型材料u快速凝固技术和快速凝固合金的研究已成为了材料科学的快速凝固技术和快速凝固合金的

2、研究已成为了材料科学的一个重要分支，并在实际生产中得到了广泛的应用，具有广一个重要分支，并在实际生产中得到了广泛的应用，具有广阔的应用前景阔的应用前景u近年来，不但开拓了一个崭新的学术领域，而且向市场提近年来，不但开拓了一个崭新的学术领域，而且向市场提供了具有特殊性能的新材料供了具有特殊性能的新材料内容快速凝固概论快速凝固概论快速凝固的起源及发展快速凝固的起源及发展快速凝固基本原理及分类快速凝固基本原理及分类快速凝固工艺、设备与产品特征快速凝固工艺、设备与产品特征快速凝固粉末致密化工艺快速凝固粉末致密化工艺快速凝固的亚稳效应快速凝固的亚稳效应快速凝固在晶态材料的研制开发中的应用快速凝固在晶态材

3、料的研制开发中的应用l“动力学动力学”法法 实现快速凝固的途径l“静力学静力学”法法 急冷凝固技术（急冷凝固技术（Rapidly Quenching Technology, RQT） （或称（或称 熔体淬火技术（熔体淬火技术（Melt Quenching Technology, MQT）提高熔体凝固时传热速度，来增大冷速，从而提高过冷度和凝固速率，使熔体形提高熔体凝固时传热速度，来增大冷速，从而提高过冷度和凝固速率，使熔体形核时间短，来不及在熔点附近凝固，而在远离平衡点的较低温度凝固，实现快冷核时间短，来不及在熔点附近凝固，而在远离平衡点的较低温度凝固，实现快冷和快凝和快凝大过冷技术（大过冷技

4、术（Large Undercooling Technology, LUT）针对铸造合金都是在非均匀形核条件下凝固的，过冷度小，故创造近似均匀形核针对铸造合金都是在非均匀形核条件下凝固的，过冷度小，故创造近似均匀形核的条件，这时冷速虽小，但凝固过冷度大，亦可实现快速凝固的条件，这时冷速虽小，但凝固过冷度大，亦可实现快速凝固随产品尺寸（至少一维）减小，冷速增大，产品中枝晶壁间距缩短，第二相（杂质和孔洞）细化，分布均匀化，获得组织均匀的合金l工业冷却速率范围10-310/s（大铸锭10-2/s ，中、小等的1 /s） 冷却速率与产品特征的关系但是从液态到固态，到底以什么样的冷速冷却，才算达到快速凝固

5、，尚不确定l薄型铸锭102/s，普通气体雾化粉末103/s ，水雾化粉末104/s l快速凝固冷速可能需更高（如基体表面淬冷法106/s ，甚至更高） 有人认为 有人认为l对于急冷凝固技术（冷却速率大小是重要标志，关系到产对于急冷凝固技术（冷却速率大小是重要标志，关系到产品的显微结构和均匀性），但是对于如何从冷却速率来界定品的显微结构和均匀性），但是对于如何从冷却速率来界定急冷凝固和常规凝固，尚未统一的认识急冷凝固和常规凝固，尚未统一的认识skT/101042skT/105然而，几乎所有有关冷速的数据都十分相近，原因在于：很少直接测量，然而，几乎所有有关冷速的数据都十分相近，原因在于：很少直接

6、测量，都是通过测凝固后枝晶臂间距后估算出来的都是通过测凝固后枝晶臂间距后估算出来的因此，有人将快速凝固定义为因此，有人将快速凝固定义为: l由液相到固相的冷却速率相当快，从而获得了传统铸件或由液相到固相的冷却速率相当快，从而获得了传统铸件或铸锭冷却条件下所不能获得的成分、相结构或显微结构铸锭冷却条件下所不能获得的成分、相结构或显微结构 快速凝固的定义提高冷却速率是细化组织，消除成分偏析的有效手段提高冷却速率是细化组织，消除成分偏析的有效手段（1）成分偏析：存在于枝晶范围）成分偏析：存在于枝晶范围（0.10.0001cm数量级）的微观偏析数量级）的微观偏析和存在于整个铸件或铸锭范围和存在于整个铸

7、件或铸锭范围（1cm, 乃至乃至1m）的宏观偏析）的宏观偏析 常规铸造工艺存在的主要问题（2）晶粒粗大，大小不一，析出相）晶粒粗大，大小不一，析出相颗粒粗大，形状各异颗粒粗大，形状各异 （3）在合金设计时，受极限平衡固）在合金设计时，受极限平衡固溶度制约溶度制约 （4）存在铸造缺陷，集中缩孔大）存在铸造缺陷，集中缩孔大 追溯快速凝固发展，其原始动力源于解决铸件（锭）偏析的追溯快速凝固发展，其原始动力源于解决铸件（锭）偏析的需要。因此，虽然有的技术需要。因此，虽然有的技术DUWEZDUWEZ的的“枪枪”以前就已发明，早以前就已发明，早可视为快速凝固技术的前身。然而，目前大家公认的是，快可视为快速

8、凝固技术的前身。然而，目前大家公认的是，快速凝固起源于速凝固起源于DUWEZDUWEZ的的“枪枪”技术技术19601960年年DUWEZDUWEZ的的“枪枪”技术开创了一个新纪元技术开创了一个新纪元快速凝固发展的由来冷速可达冷速可达10106 6k/sk/s首次系统报道快凝组织结构、形貌、大小的变化规律首次系统报道快凝组织结构、形貌、大小的变化规律自此，快速凝固亚稳效应被有目的地用来制备高性能材料自此，快速凝固亚稳效应被有目的地用来制备高性能材料快速凝固技术的分类及基本原理快快速速凝凝固固技技术术急急冷冷凝凝固固技技术术大大过过冷冷技技术术在细小熔滴中达到的凝固过冷度的（熔滴弥散）方法：在细小

9、熔滴中达到的凝固过冷度的（熔滴弥散）方法： 乳化法、熔滴乳化法、熔滴基底法、落管法等基底法、落管法等在较大体积熔体中获得大凝固过冷度的（熔滴弥散）方法：在较大体积熔体中获得大凝固过冷度的（熔滴弥散）方法： 玻璃体包裹法、嵌入熔体法（二相区法）、电磁悬浮熔体法玻璃体包裹法、嵌入熔体法（二相区法）、电磁悬浮熔体法不同学者对快速凝固方法作了不同的分类，不同学者对快速凝固方法作了不同的分类， Jones(1982)Jones(1982)根据熔体分离与冷却方式不同而分成三类：根据熔体分离与冷却方式不同而分成三类： （i i） 熔体急冷前破碎成液滴的喷射方法熔体急冷前破碎成液滴的喷射方法雾化技术雾化技术；

10、 （iiii） 熔体急冷时保持其连续性的急冷方法熔体急冷时保持其连续性的急冷方法模冷技术模冷技术； （iiiiii）在相对很厚的材料表面熔化有限深度的金属并凝固的表面方法）在相对很厚的材料表面熔化有限深度的金属并凝固的表面方法（材料即为冷却器）（材料即为冷却器）表面熔化与沉积技术表面熔化与沉积技术。 SavageSavage和和FroesFroes（19841984）根据熔体液流是否雾化成滴而分成两类：）根据熔体液流是否雾化成滴而分成两类：雾化法和非雾化法雾化法和非雾化法快速凝固技术的分类亚稳程度，即偏离平衡态的程度，受限于冷却速度亚稳程度，即偏离平衡态的程度，受限于冷却速度 急冷凝固技术急冷

11、凝固技术（Rapidly Quenching Technology, RQT）快速凝固技术的基本原理欲获高的冷速，需满足两个基本条件欲获高的冷速，需满足两个基本条件减少单位时间内金属凝固时产生的熔化潜热减少单位时间内金属凝固时产生的熔化潜热必须有能带走热的冷却介质，提高凝固过程中传热速率必须有能带走热的冷却介质，提高凝固过程中传热速率而冷却速度取决于对流、辐射、传导等的导热速率而冷却速度取决于对流、辐射、传导等的导热速率在理想冷却过程中在理想冷却过程中 ， dT/dtdT/dt=10=104 4z z 式中式中dT/dtdT/dt凝固速度，凝固速度，z z截面厚度截面厚度故熔化金属必须被分散，

12、至少一维方向上足够小，具有大比表面积，而且最大故熔化金属必须被分散，至少一维方向上足够小，具有大比表面积，而且最大程度地增加熔体与冷却介质之间的接触，以减小热阻，利于散热程度地增加熔体与冷却介质之间的接触，以减小热阻，利于散热急冷凝固技术中获得高冷速的基本原则设法减少同一时刻凝固的熔体体积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尽可能主要以传导方式散热急冷凝固技术的基本原理急冷凝固技术的基本原理或改变熔体形状，或分散熔体，避免

13、大量熔化潜热集中释放，并改善熔体与冷却或改变熔体形状，或分散熔体，避免大量熔化潜热集中释放，并改善熔体与冷却介质的热接触状况，实现快速热交换，并散热，达到介质的热接触状况，实现快速热交换，并散热，达到快冷和快凝的目的快冷和快凝的目的 急冷凝固技术的设备组成急冷凝固技术的设备组成熔化合金熔化合金传出熔体热量传出熔体热量熔化装置熔化装置冷却装置冷却装置分离装置分离装置在时间或空间上在时间或空间上“分割分割”熔体熔体冶炼炉冶炼炉铸模铸模急冷急冷 凝固凝固常规常规 铸造铸造B是急冷设备的核心，对冷速起关键作用是急冷设备的核心，对冷速起关键作用在时间上有时也在时间上有时也“分割分割”熔体，但熔体，但“分

14、割分割”不强烈，熔化潜热多集中释不强烈，熔化潜热多集中释放放在不同的急冷方法中，在不同的急冷方法中，B可与可与A和和C组合（离心雾化法、熔体旋转法），也可仅与组合（离心雾化法、熔体旋转法），也可仅与C组合（熔体提取法）组合（熔体提取法）ABC熔体液流与冷却介质的组合形式，以及相应的工艺过程熔体液流与冷却介质的组合形式，以及相应的工艺过程选择不同的熔体液流形式与冷却介质，可组合成不同的急冷凝固方法；选择不同的熔体液流形式与冷却介质，可组合成不同的急冷凝固方法； 不同的急冷凝固方法可得到不同形状和尺寸的产物，或球形或片状粉末、纤不同的急冷凝固方法可得到不同形状和尺寸的产物，或球形或片状粉末、纤维、

15、丝线、条带、固态沉积体等等，其内部组织因冷速不同而异，主要取决维、丝线、条带、固态沉积体等等，其内部组织因冷速不同而异，主要取决于金属液流凝固前的相变于金属液流凝固前的相变 熔体液流与冷却介质各采用三个选择：熔体液流与冷却介质各采用三个选择： 分离熔体选择分离熔体选择细小液滴、近圆断面的细流、极薄矩形断面液流细小液滴、近圆断面的细流、极薄矩形断面液流 散热介质选择散热介质选择气体、液体、固体气体、液体、固体快速凝固技术与设备l雾化技术雾化技术 流体雾化流体雾化 离心雾化技术离心雾化技术 机械雾化技术机械雾化技术 其它雾化技术其它雾化技术 l模冷技术模冷技术 l激光表面处理激光表面处理 基本原理

16、：基本原理：将连续的金属熔体在离心力、机械力或高速流体将连续的金属熔体在离心力、机械力或高速流体( (气体或液体气体或液体) )冲击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，凝固后成呈粉末触中迅速冷却凝固，凝固后成呈粉末气体雾化法气体雾化法;水雾化法水雾化法;超声气体雾化法超声气体雾化法;紧偶合气体雾化法紧偶合气体雾化法;高速旋转筒雾化法高速旋转筒雾化法;滚筒雾化法滚筒雾化法;穿孔旋转杯法穿孔旋转杯法;旋转旋转离心雾化法离心雾化法;快速凝固雾化法快速凝固雾化法;真空雾化法真空

17、雾化法;旋转电极雾化法旋转电极雾化法;双轧辊雾化法双轧辊雾化法;电电流体力学雾化法流体力学雾化法;火花电蚀雾化法火花电蚀雾化法产品形式：产品形式：粉末、碎片、箔片粉末、碎片、箔片雾化法不是一个很新颖的技术，但却是工业生产中最常见的快凝方法雾化法不是一个很新颖的技术，但却是工业生产中最常见的快凝方法 不同雾化技术，雾化机制不尽相同不同雾化技术，雾化机制不尽相同,可以大致分为几类可以大致分为几类: 双流雾化、旋转离心雾化、机械雾化等双流雾化、旋转离心雾化、机械雾化等l雾化技术主要工艺方法：主要工艺方法：（根据熔炼方法、分离方式、冷却介质和冷却形式不尽相同）（根据熔炼方法、分离方式、冷却介质和冷却形

18、式不尽相同） 气体雾化法气体雾化法过程：过程：两束或多束气体射流介质传递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飞行中通过对流或辐射散热凝固成粉流体雾化流体雾化（Fluid AtomizationFluid Atomization）工艺参数：工艺参数：射流距离、射流压力、喷射流距离、射流压力、喷嘴结构、气体和金属流速和质量流率、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力和金属融化温度范围应用：应用：高合金钢、铝合金、超合金、高合

19、金钢、铝合金、超合金、钛合金等（活泼金属粉末采用惰性气体钛合金等（活泼金属粉末采用惰性气体雾化）雾化）粉末多成球形。凝固冷速取决于颗粒尺粉末多成球形。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，寸和雾化介质的类型，通常，尺寸愈小，气体愈轻，冷速愈高气体愈轻，冷速愈高水雾化法（水雾化法（Water Atomization）以水射流代替气体射流外，以水射流代替气体射流外，其余与气体雾化相似其余与气体雾化相似 颗粒多呈不规则形，但冷速颗粒多呈不规则形，但冷速可达可达10102 2-10-104 4K/sK/s 已被大规模应用于工具钢、已被大规模应用于工具钢、低合金钢、铜、锡、铁粉等等低合

20、金钢、铜、锡、铁粉等等（水雾化钢和超合金（水雾化钢和超合金, ,活泼元活泼元素易氧化，素易氧化，O%1000ppmO%1000ppm，而，而气体雾化，气体雾化，O%O%100ppm100ppm）有时，）有时，也可以油代水，以降也可以油代水，以降O%O% 超声气体雾化法（超声气体雾化法（Ultra-sonic Gas Atomization）是气体雾化法之一，方法类似于普通是气体雾化法之一，方法类似于普通气体雾化，只不过是雾化气体射流速度气体雾化，只不过是雾化气体射流速度高，最高达高，最高达2.52.5马赫，而且声波频率高，马赫，而且声波频率高，达达8080100kHz100kHz；( (常规气

21、体雾化射流以连常规气体雾化射流以连续方式流动，而超声雾化射流则以续方式流动，而超声雾化射流则以8080100Hz100Hz的频率振动。的频率振动。) ) 高速高频气流由装配在雾化喷嘴上的高速高频气流由装配在雾化喷嘴上的激波管产生激波管产生 可有效破碎液流，粉末更细（平均约可有效破碎液流，粉末更细（平均约20m20m），粒度均匀（尺寸分布窄），），粒度均匀（尺寸分布窄），平均冷速可达平均冷速可达105 K/s 105 K/s 可以成功地用于生产铝、超合金、可以成功地用于生产铝、超合金、Ti-AlTi-Al粉粉 离心雾化技术离心雾化技术液态金属在高速旋转的容器（盘、杯、坩埚、平板或凹板）的边缘上破

22、碎、雾化的液态金属在高速旋转的容器（盘、杯、坩埚、平板或凹板）的边缘上破碎、雾化的技术。液态金属从坩埚或从熔化的母合金棒端浇注到旋转器上，在离心力的作用下，技术。液态金属从坩埚或从熔化的母合金棒端浇注到旋转器上，在离心力的作用下，熔融金属被甩向容器边缘雾化，喷射出金属雾滴，雾滴在飞行过程中球化并凝固。熔融金属被甩向容器边缘雾化，喷射出金属雾滴，雾滴在飞行过程中球化并凝固。整个过程（熔化、雾化、凝固）在惰性气体环境中完成整个过程（熔化、雾化、凝固）在惰性气体环境中完成快速凝固雾化法快速凝固雾化法液流自坩埚底浇至高速旋转的水冷液流自坩埚底浇至高速旋转的水冷水平盘，液态金属被机械打碎、雾化，水平盘，

23、液态金属被机械打碎、雾化，从旋转盘边缘甩出，液滴在飞行过程从旋转盘边缘甩出，液滴在飞行过程中凝固中凝固 旋转离心雾化的一种，又称旋转离心雾化的一种，又称可加氦气流喷吹，加速冷却，（水可加氦气流喷吹，加速冷却，（水流等亦然），也防氧化。也有人已螺流等亦然），也防氧化。也有人已螺旋桨代平盘旋桨代平盘 粉末多呈球形，尺寸约粉末多呈球形，尺寸约20-80m20-80m，冷速冷速10104 4-10-106 6K/sK/s 已用于制备镍、铝、钛和超合金粉已用于制备镍、铝、钛和超合金粉 离心雾化法离心雾化法静止电极和带电旋转坩埚静止电极和带电旋转坩埚之间产生电弧，熔化金属之间产生电弧，熔化金属 在离心力作

24、用下，熔融在离心力作用下，熔融金属被甩出坩埚边缘雾化，金属被甩出坩埚边缘雾化，并喷射出金属液态颗粒并喷射出金属液态颗粒 激光自旋雾化激光自旋雾化与与Pratt & Whitney工艺相似，只是采用高能激光束熔化快工艺相似，只是采用高能激光束熔化快速转动的料棒，靠离心力甩出的在碰到容器壁之前被氦气流速转动的料棒，靠离心力甩出的在碰到容器壁之前被氦气流冷却。通过控制旋转速率和气流，可得不同直径、冷速的粉冷却。通过控制旋转速率和气流，可得不同直径、冷速的粉末末 液滴多凝固成球形颗粒，也会有以针状物形式存在。液滴多凝固成球形颗粒，也会有以针状物形式存在。m粉冷速达粉冷速达 已用于生产钛合金粉已用于生产

25、钛合金粉 优点在于：高能激光束产生高过热度，可使第二相颗粒充分优点在于：高能激光束产生高过热度，可使第二相颗粒充分溶解；区域性熔化，雾化中的污染可限制到最低水平溶解；区域性熔化，雾化中的污染可限制到最低水平 旋转电极雾化法旋转电极雾化法欲被雾化的棒料快速旋转，同时棒料一欲被雾化的棒料快速旋转，同时棒料一端被一个非自耗钨电极产生的电弧熔化，端被一个非自耗钨电极产生的电弧熔化，融化的金属从旋棒上甩出，在与惰性气融化的金属从旋棒上甩出，在与惰性气体室室壁碰撞之前凝固，成粉体室室壁碰撞之前凝固，成粉 粉末多呈球形，表面质量好，尺寸大，粉末多呈球形，表面质量好，尺寸大，大于大于200m200m，冷速，冷

26、速1010 已用于雾化活泼的金属，如高纯、低氧已用于雾化活泼的金属，如高纯、低氧的、等金属的、等金属及其合金，以及和的超合金。及其合金，以及和的超合金。易出现钨污染，可用钛阴极或等离子体易出现钨污染，可用钛阴极或等离子体弧、激光、电子束来熔化棒料弧、激光、电子束来熔化棒料 穿孔旋转杯法穿孔旋转杯法熔融金属浇至一个旋转深熔融金属浇至一个旋转深杯中，杯四周穿孔，离心力杯中，杯四周穿孔，离心力使熔融金属穿过孔洞流出，使熔融金属穿过孔洞流出，在飞行中破碎，凝固在飞行中破碎，凝固 粉末多呈米粒形，针状，粉末多呈米粒形，针状，冷速低，只有冷速低，只有 已可连续生产板材，多用已可连续生产板材，多用于生产低熔

27、点合金板，如铝、于生产低熔点合金板，如铝、铅、锌等铅、锌等 双轧辊雾化法双轧辊雾化法 利用两个反向高速旋转辊轮将利用两个反向高速旋转辊轮将金属液流雾化。经过双辊时需金属液流雾化。经过双辊时需防凝固（用碳涂层包裹两辊），防凝固（用碳涂层包裹两辊），液态金属从辊下方排出，形成液态金属从辊下方排出，形成涡凹，并以液滴形式甩出，并涡凹，并以液滴形式甩出，并迅速落入水浴，凝固迅速落入水浴，凝固 将熔体液流在两个反向旋转的导热轧辊之间轧制，熔体液流垂直下落在两辊之间，将熔体液流在两个反向旋转的导热轧辊之间轧制，熔体液流垂直下落在两辊之间，可制备可制备mm的薄片，冷速达的薄片，冷速达。精控工艺参数，可制备非

28、。精控工艺参数，可制备非常长的薄带常长的薄带机械雾化技术机械雾化技术 冷速达冷速达，可制备金属薄片、箔以及不规可制备金属薄片、箔以及不规则或球形颗粒。效率低则或球形颗粒。效率低 真空雾化法真空雾化法 （Vacuum Atomization）:又称可溶气体雾化又称可溶气体雾化坩埚内液态金属在压力下过饱和溶坩埚内液态金属在压力下过饱和溶解气体（氮、氩、氢等），突然向真解气体（氮、氩、氢等），突然向真空开放，气体膨胀，脱溶，金属雾化空开放，气体膨胀，脱溶，金属雾化 其它雾化技术其它雾化技术 用氢雾化、用氢雾化、o o、和基合金，粉末多呈球形，表面和基合金，粉末多呈球形，表面洁净，纯度高，但冷速低，洁

29、净，纯度高，但冷速低， 电子束急冷法（）电子束急冷法（）慢速旋转的柱状棒料由几束电子束逐滴熔化，液滴滴慢速旋转的柱状棒料由几束电子束逐滴熔化，液滴滴入旋转盘中央，甩出，撞水冷铜模，急冷，折射入旋转盘中央，甩出，撞水冷铜模，急冷，折射有时也称电子束旋转盘法，把归属于雾化技术有时也称电子束旋转盘法，把归属于雾化技术电子束急冷法，控制基底角度和旋转速度，使液滴落入电子束急冷法，控制基底角度和旋转速度，使液滴落入旋转盘后，在高角速度和离心力的作用下，拉长成薄片旋转盘后，在高角速度和离心力的作用下，拉长成薄片电子束急冷法不需要任何形式的坩埚，是在真空条件下用电子束急冷法不需要任何形式的坩埚，是在真空条件

30、下用电子束聚焦后加热垂直悬挂的合金棒下端，被加热的部分熔电子束聚焦后加热垂直悬挂的合金棒下端，被加热的部分熔化后在重力作用下滴到沿合金棒为轴心的高速旋转的铜盘上化后在重力作用下滴到沿合金棒为轴心的高速旋转的铜盘上冷凝成箔片，并在离心力作用下甩出。可避免合金污染冷凝成箔片，并在离心力作用下甩出。可避免合金污染箔片厚度与冷速主要由铜盘旋转速率决定。片厚和冷速可通过转速来控制，典型冷速可达箔片厚度与冷速主要由铜盘旋转速率决定。片厚和冷速可通过转速来控制，典型冷速可达，甚至达，甚至达10107 7 /s /s 对于某些活性金属，如钛、锆等及其合金，熔化后，高温下，易与石英管或陶瓷管发生对于某些活性金属

31、，如钛、锆等及其合金，熔化后，高温下，易与石英管或陶瓷管发生发生反应，而受到污染，另外石英管喷嘴小，易堵塞。可制高活性金属粉末。颗粒多呈发生反应，而受到污染，另外石英管喷嘴小，易堵塞。可制高活性金属粉末。颗粒多呈球形或碎片，表面干净，尺寸约球形或碎片，表面干净，尺寸约303050m50m高速旋转筒雾化法（高速旋转筒雾化法（Rapidly Spinning Cup, RSC）又称快速自旋杯法又称快速自旋杯法熔融金属颗粒落入装了旋转液体（水）的杯中，液体在内壁成液体层，熔融金属颗粒落入装了旋转液体（水）的杯中，液体在内壁成液体层，提高冷速，兼雾化器作用提高冷速，兼雾化器作用粉末尺寸分布范围窄，细粉

32、多，呈球形，表面质量好。冷速可达粉末尺寸分布范围窄，细粉多，呈球形，表面质量好。冷速可达-高速旋转筒雾化法高速旋转筒雾化法已用来制备了钢、超合金、已用来制备了钢、超合金、铝、铜等粉末铝、铜等粉末 熔融金属也可靠熔化棒料熔融金属也可靠熔化棒料端部以液滴形式滴入，而端部以液滴形式滴入，而形成悬滴快速自旋杯法形成悬滴快速自旋杯法（）（） FeCrPBAl-18SiFeNiBFe-3.7C-2.0Sil模冷技术模冷技术将熔体分离成连续或半连续的、截面尺寸很小的熔体流，然而使熔体流与将熔体分离成连续或半连续的、截面尺寸很小的熔体流，然而使熔体流与旋转或固定的、导热良好的冷模（或称基底，旋转或固定的、导热

33、良好的冷模（或称基底，SubstrateSubstrate）迅速接触，而）迅速接触，而冷却凝固冷却凝固产品形式：产品形式：箔片、纤维、薄带、细丝（线）箔片、纤维、薄带、细丝（线）主要工艺方法：主要工艺方法：（根据熔炼方法、分离方式和冷却形式不尽相同）（根据熔炼方法、分离方式和冷却形式不尽相同）快速凝固是通过熔体与急冷基体之间的接触传热获得的。或将熔体射入模快速凝固是通过熔体与急冷基体之间的接触传热获得的。或将熔体射入模具空腔内；或将熔体在锤砧或活塞砧之间锻造成薄片；或将熔体挤压在一具空腔内；或将熔体在锤砧或活塞砧之间锻造成薄片；或将熔体挤压在一个急冷面上，或用旋转盘提取熔体。个急冷面上，或用旋

34、转盘提取熔体。Duwetz “枪枪”法法;双活塞法双活塞法;熔体旋转法熔体旋转法;平面流铸造法平面流铸造法;熔体拖拉法熔体拖拉法;熔体提取法熔体提取法;熔体溢出法熔体溢出法;电子束急冷法电子束急冷法;急冷模法急冷模法“枪枪”法（法（Gun Method）是一个简单、精密和多用途的制备是一个简单、精密和多用途的制备微量（）快速凝固金属和合金的微量（）快速凝固金属和合金的实验技术实验技术微量（微量（）金属或合金）金属或合金在石墨坩埚用感应或电阻加热熔化，在石墨坩埚用感应或电阻加热熔化，坩埚底有一个的漏嘴，熔融金坩埚底有一个的漏嘴，熔融金属靠冲击波从漏嘴射出，雾化，并通属靠冲击波从漏嘴射出，雾化，并

35、通过与铜基底接触，迅速冷却，凝固成过与铜基底接触，迅速冷却，凝固成极薄的箔材（最大厚度极薄的箔材（最大厚度mm）急冷箔片的冷速可高达急冷箔片的冷速可高达，厚度不均匀，且有孔洞，厚度不均匀，且有孔洞，最大尺寸不过几个厘米，适合于最大尺寸不过几个厘米，适合于或分析，而无法测定和评价或分析，而无法测定和评价其物理和力学性能其物理和力学性能双活塞法（双活塞法（Twin Piston Method）过程如图所示，冷速可达过程如图所示，冷速可达104106 /s广泛用于科研工作广泛用于科研工作其它形式其它形式活塞活塞-砧法砧法:在固定砧和运动活塞之间将熔滴在固定砧和运动活塞之间将熔滴挤压成箔片挤压成箔片

36、相比之下，双活塞法更好，熔滴与两活相比之下，双活塞法更好，熔滴与两活塞表面同时接触，散热均匀、迅速，冷塞表面同时接触，散热均匀、迅速，冷却快，且厚度均匀却快，且厚度均匀锤砧法锤砧法:粒状合金置于砧中心，用电弧或电子粒状合金置于砧中心，用电弧或电子束熔化后，砧上方落锤快速落下，击扁熔滴束熔化后，砧上方落锤快速落下，击扁熔滴 ，使之快凝成箔片使之快凝成箔片熔体自旋法熔体自旋法是制备连续长带最常见的方法是制备连续长带最常见的方法 类似与生产合成纺织纤维。通过挤压熔体制备细小纤维类似与生产合成纺织纤维。通过挤压熔体制备细小纤维 分为两类：自由飞行熔体自旋法；急冷块熔体自旋法分为两类：自由飞行熔体自旋法

37、；急冷块熔体自旋法可生产连续微晶丝，可生产连续微晶丝，非晶丝等，直接使用非晶丝等，直接使用 可生产薄带，可生产薄带，亦可产丝线亦可产丝线熔体自旋法熔体自旋法 从喷嘴喷射形成稳定液态射流和在穿过气体或液体急冷介质时凝固。防止射从喷嘴喷射形成稳定液态射流和在穿过气体或液体急冷介质时凝固。防止射流在凝固前破碎成液滴流在凝固前破碎成液滴急冷块熔体自旋法（急冷块熔体自旋法（CBMS）将熔融金属射流喷射到低温运动的散热器上，射流发生变形，并凝固。射流将熔融金属射流喷射到低温运动的散热器上，射流发生变形，并凝固。射流与旋转盘撞击形成熔池，凝固开始，从转轮表面甩出薄带。射流距离可减小与旋转盘撞击形成熔池，凝固

38、开始，从转轮表面甩出薄带。射流距离可减小到最小，使射流稳定性变得不如到最小，使射流稳定性变得不如FFMS那样关键那样关键熔体旋转法（熔体旋转法（Melt SpinningMelt Spinning）在实验室广泛应用，也已在实验室广泛应用，也已实际应用于急冷合金的生实际应用于急冷合金的生产产包括单辊包括单辊 可生产薄带，亦可产丝可生产薄带，亦可产丝线线熔体旋转法熔体旋转法熔体旋转法的其它形式熔体旋转法的其它形式又称双辊急冷法又称双辊急冷法将熔体液流在两个反向旋转的导热轧辊之间轧将熔体液流在两个反向旋转的导热轧辊之间轧制，熔体液流垂直下落在两辊之间，可制备制，熔体液流垂直下落在两辊之间，可制备mm

39、的薄片，冷速达的薄片，冷速达。精控工艺参数，可制备非常长的薄带精控工艺参数，可制备非常长的薄带薄带容易变形薄带容易变形熔体旋转法的其它形式熔体旋转法的其它形式熔体在离心力作用下喷射到高速相熔体在离心力作用下喷射到高速相对旋转的筒形辊轮内侧，快速凝固对旋转的筒形辊轮内侧，快速凝固成薄带。这样，可提高熔体流触辊成薄带。这样，可提高熔体流触辊时的相对速率或从熔体中拖拉熔体时的相对速率或从熔体中拖拉熔体的速率，提高冷速。的速率，提高冷速。冷速可达冷速可达108 /s 108 /s 在置于真空或保护性气体氛围的高在置于真空或保护性气体氛围的高速旋转的转子上安装两个铜合金翼速旋转的转子上安装两个铜合金翼片

40、，熔体细小液滴喷射到翼片上迅片，熔体细小液滴喷射到翼片上迅速凝固成箔片，冷速可达速凝固成箔片，冷速可达108 /s 108 /s 离心式熔体旋转法离心式熔体旋转法平面流铸造法（平面流铸造法（Planar Flow Casting）急冷块熔体自旋法的一急冷块熔体自旋法的一种，但将圆嘴改成矩形嘴，种，但将圆嘴改成矩形嘴，可制备更宽且均匀横截面可制备更宽且均匀横截面的薄带的薄带 熔融金属从一个非常接熔融金属从一个非常接近旋转急冷基底的槽形喷近旋转急冷基底的槽形喷嘴中流出。熔体熔池被喷嘴中流出。熔体熔池被喷嘴和基底约束成稳定的矩嘴和基底约束成稳定的矩形。流体基本上靠压力控形。流体基本上靠压力控制，它也

41、取决于基底表面制，它也取决于基底表面速度、喷嘴宽度（平行于速度、喷嘴宽度（平行于薄带运动方向）和喷嘴与薄带运动方向）和喷嘴与基底之间的缝隙基底之间的缝隙 可测量性可测量性 优于优于CBMSCBMS 熔体拖拉法（熔体拖拉法（Melt drag）又称熔体拉曳法又称熔体拉曳法熔体提取法（熔体提取法（Melt Extraction）熔体溢出法（熔体溢出法（Melt Overflow）急冷模法（急冷模法（Die Method）一个好的实验技术一个好的实验技术靠真空、重力或压力加重力的综合靠真空、重力或压力加重力的综合作用，将金属挤压进入急冷铜模中作用，将金属挤压进入急冷铜模中的小截面空腔内的小截面空腔内

42、可获预定截面的线材，采用圆锥形可获预定截面的线材，采用圆锥形或楔形可控制截面变化，即冷速变或楔形可控制截面变化，即冷速变化化冷速可达冷速可达104107泰勒拉丝法泰勒拉丝法原理如图所示，金属在玻璃管内逐步熔化，熔化端玻璃受热变软，熔体与玻璃原理如图所示，金属在玻璃管内逐步熔化，熔化端玻璃受热变软，熔体与玻璃管拉长变细，冷却，形成包壳金属丝管拉长变细，冷却，形成包壳金属丝选择玻璃材料是关键，（选择玻璃材料是关键，（1）不与金属反应，（）不与金属反应，（2）软化点与金属熔点相当）软化点与金属熔点相当可生产直径可生产直径250m，冷速可达，冷速可达104106 K/sl激光表面处理激光表面处理又称自

43、淬火、激光玻璃化，是一种用快速凝固原理取得表面处理效果的方法又称自淬火、激光玻璃化，是一种用快速凝固原理取得表面处理效果的方法激光表面处理方法的基本原理如图激光表面处理方法的基本原理如图 除了用激光外，还可以用电子束、离子束等除了用激光外，还可以用电子束、离子束等主要用途包括表面重熔、表面合金化、喷粉引入强化相、表面涂层、激光层焊主要用途包括表面重熔、表面合金化、喷粉引入强化相、表面涂层、激光层焊表面层可小于表面层可小于1m，冷速可达，冷速可达10101013 K/s。激光束将高密度能量施于金属表面有限激光束将高密度能量施于金属表面有限的区域上，该区表面快速熔化（根据处理的区域上，该区表面快速

44、熔化（根据处理工艺要求，熔化层厚度可从几十微米到上工艺要求，熔化层厚度可从几十微米到上千微米不等），然后熔化微区快速凝固，千微米不等），然后熔化微区快速凝固，（固态）冷却（固态）冷却 过程是一个快速熔化过程是一个快速熔化快速凝固的程序快速凝固的程序 l偏析倾向减小，成分均匀化偏析倾向减小，成分均匀化快速凝固合金在凝固过程中的微观组织结构特征快速凝固合金在凝固过程中的微观组织结构特征在快速凝固合金中成分均匀化或偏析减少表现在两个方面在快速凝固合金中成分均匀化或偏析减少表现在两个方面 溶质原子不均匀分布或偏析的范围减小溶质原子不均匀分布或偏析的范围减小出现非平衡溶质分配或溶质捕获现象，溶质原子不均

45、匀分布或偏析程度减小出现非平衡溶质分配或溶质捕获现象，溶质原子不均匀分布或偏析程度减小快速凝固合金在凝固过程中的微观组织结构特征快速凝固合金在凝固过程中的微观组织结构特征通常，用树枝状晶偏析的二次枝晶臂间距来表征成分偏析的范围或距离通常，用树枝状晶偏析的二次枝晶臂间距来表征成分偏析的范围或距离显然显然 ，快速凝固合金晶粒细化，枝晶间距减小，偏析范围呈数量级减小，快速凝固合金晶粒细化，枝晶间距减小，偏析范围呈数量级减小l超过饱和固溶体形成超过饱和固溶体形成固溶区亚稳扩展是对有限固溶体而言，若平衡固溶极限固溶区亚稳扩展是对有限固溶体而言，若平衡固溶极限CSmax，高温淬火，合金，高温淬火，合金固溶

46、度可保持固溶度可保持CSmax的水平，而液相快凝的，则可超过的水平，而液相快凝的，则可超过CSmax，出现固溶亚稳，出现固溶亚稳 扩展扩展产生的原因在于大多数液态合金是无限互溶的（产生的原因在于大多数液态合金是无限互溶的（ CLmax 1 ），而在快速凝固过），而在快速凝固过程中，发生了非平衡或无溶质分配凝固。程中，发生了非平衡或无溶质分配凝固。快速凝固合金在凝固过程中的微观组织结构特征快速凝固合金在凝固过程中的微观组织结构特征快速凝固合金在凝固过程中的微观组织结构特征快速凝固合金在凝固过程中的微观组织结构特征快速凝固合金中的代位式固溶体和间隙式固溶体的溶质固溶度快速凝固合金中的代位式固溶体和

47、间隙式固溶体的溶质固溶度都会有较大的亚稳扩展，而且一般冷速高、扩展大都会有较大的亚稳扩展，而且一般冷速高、扩展大固溶亚稳扩展为合金设计提供了更大的才固溶亚稳扩展为合金设计提供了更大的才“设计空间设计空间”l组织超细化、尺寸均匀化组织超细化、尺寸均匀化晶粒形态与大小晶粒形态与大小快速凝固合金晶粒，随冷速增大，依次可能为树枝状晶、胞状或柱状晶与等轴晶快速凝固合金晶粒，随冷速增大，依次可能为树枝状晶、胞状或柱状晶与等轴晶快速凝固合金在凝固过程中的微观组织结构特征快速凝固合金在凝固过程中的微观组织结构特征快速凝固合金晶粒尺寸极小，而且大小分布均匀快速凝固合金晶粒尺寸极小，而且大小分布均匀由于凝固形核前

48、熔体过冷度可达几十甚至几百度，而结晶形核速率比长大速度更强烈地依由于凝固形核前熔体过冷度可达几十甚至几百度，而结晶形核速率比长大速度更强烈地依赖于过冷度，大大地提高了凝固形核速率，同时，在极短的凝固时间晶粒难以充分长大赖于过冷度，大大地提高了凝固形核速率，同时，在极短的凝固时间晶粒难以充分长大 通常，快速凝固晶态合金被称为微晶合金，甚至有人根据凝固速度很高的合金中通常，快速凝固晶态合金被称为微晶合金，甚至有人根据凝固速度很高的合金中晶粒可小达纳米量级，而把快速凝固晶态合金分为微（米）晶合金和纳（米）晶合晶粒可小达纳米量级，而把快速凝固晶态合金分为微（米）晶合金和纳（米）晶合金金快速凝固合金的晶

49、粒形态与大小快速凝固合金的晶粒形态与大小树枝状的生成与大小树枝状的生成与大小l组织超细化、尺寸均匀化组织超细化、尺寸均匀化快速凝固合金在凝固过程中的微观组织结构特征快速凝固合金在凝固过程中的微观组织结构特征快速凝固合金的树枝状的生成与大小快速凝固合金的树枝状的生成与大小共晶组织形成、大小与生长模式共晶组织形成、大小与生长模式快速凝固合金在凝固过程中的微观组织结构特征快速凝固合金在凝固过程中的微观组织结构特征l组织超细化、尺寸均匀化组织超细化、尺寸均匀化快速凝固快速凝固AlFeX中胞状枝晶结构和片状共晶凝固组织中胞状枝晶结构和片状共晶凝固组织l晶体缺陷增加晶体缺陷增加与铸态合金相比，快速凝固合金中的空位、位错等缺陷密度有较大增加原因与铸态合金相比，快速凝固合金中的空位、位错等缺陷密度有较大增加原因快速凝固合金在凝固过程中的微观组织结构特征快速凝固合金在凝固过程中的微观组织结构特征与铸态合金相比，快速凝固合金中的层错密度也有较大增加与铸态合金相比，快速凝固合金中的层错密度也有较大增加（1）液态合金中空位形成能（液态合金中空位形成能（0.11eV）比固态合金中的（）比固态合金中的（