快速凝固制备技术薄膜材料

1、3）快速凝固 （1）最原始的激冷法快速凝固原理如图2-53所示，它是在液态金属下落的过程中采用高速气流加速，打在基板（激冷板）上而被快速冷却，实现快速凝固。50年代末期，美国加州理工学院Duwez教授对图2-53所示的工艺作了改进，采用高速喷枪取代气体加速，利用小型爆炸将感应熔化的少量合金液粉碎成高速飞行的液滴，撞击到导热性能很好的冷却基板上形成极薄的薄膜，获得冷却速率达到106108K/s，厚度达3080m的非晶态金属薄膜。 8/10/20221图2-53激冷法快速凝固的原理图1基板 2加热源 3试料入口 4一坩埚 5一液态金属 最小厚度为0.110m的薄膜冷却速率可高达109K/s。为了纪

2、念Duwez的这一开创性的工作，人们将非晶态金属称为Duwez合金。8/10/20222（2）锤砧式60年代初，Pietrokowsky发明了（Piston-Anvil Quenching Method）快速凝固方法，该方法的基本原理如图2-54所示。在合金液下落过程中，用具有激冷作用的快速移动的动模（锤）将其打在同样激冷的静模（砧）上，双面冷却实现快速凝固 。打击的能量为两个动模动能的叠加，因而可进一步减小液膜的厚度，获得更大的冷却速率。采用液氮对锤与砧制冷可进一步提高冷却速率。虽然可达到很大的冷却速率，甚至获得非晶态合金，但仅能制备小的金属碎片。70年代，薄膜材料快速凝固技术迅速发展，已由

3、金属碎片发展到了非晶带材的生产。8/10/20223图2-54 锤砧式快速凝固技术的原理图 1一真空密封 2一射颇加热线圈 3光电管 4静模 5动模8/10/20224（3）单辊法（single roller）又可称为熔体甩出法（Melt spinning），它是采用高速旋转的激冷圆辊将合金液流铺展成液膜并在激冷作用下实现快速凝固的方法。根据熔融合金液引入方式的不同，可分为自由喷射甩出法（Free-Jet Melt Spinning或FJMS法）和平面流动铸造法（Planar Flow Casting或PFC法），其原理如图2-55所示。两者的区别在于前者熔体的喷嘴离单辊距离较远，合金液通过喷

4、枪喷射到高速旋转的激冷单辊上，形成薄膜并发生快速凝固。 而后者合金液的出口离单辊的距离很近，在单辊与喷嘴之间形成一个熔地。该熔池对合金液流有缓冲作用从而可获得更均匀的薄膜。 8/10/20225图2-55 单辊法快速凝固技术的原理图a）自由喷射甩出法（FJMS法） b）平面流动铸造法（PFC法）1激冷辊 2感应加热炉 3一排气阀4一压力表 5一带材6喷嘴 7合金液8一激冷基底（单辊表面）8/10/20226以上两种方法均在合金液被拉成膜后，随单辊旋转一定的角度进一步冷却并凝固，最后与其分离，进入收集器或缠绕成卷，获得一定宽度的带材。单辊法快速凝固过程的原理非常简单，其传热过程也不复杂。但要保证

5、单辊以200010000r/min的转速高速均匀地旋转时，径向跳动非常小，以控制薄膜的均匀性；为了防止合金液的氧化，整个快速凝固过程要在真空或保护性气氛下进行；为了获得较宽并且均匀的非晶态合金带，液流必须在单辊上均匀成膜，液流出口的设计及流速的控制精度要求极高。 8/10/20227 （4）双辊法快速凝固技术的基本原理如图2-56所示。它是将熔融合金液喷射到两个反向高速旋转的轧辊之间，被轧制成薄带，并实现快速凝固。双辊法是一种比单辊法更直观的从熔融合金液直接铸造薄带材料的技术。其主要优点是双面冷却，因此，所获得的带材其两面的表面质量相同并且均匀。 8/10/20228图2-56 双辊法快速凝固

6、技术的基本原理1一带材2合金液流3加热炉 4一坩埚5一漏出孔6双辊 8/10/20229双辊法快速凝固过程中，合金带应在两个轧辊之间的很小范围内完成凝固过程，否则合金液将破碎并球化而不能获得带材。温度和冷却条件的控制显得更为重要。在双辊法快速凝固过程中，熔融合金液与激冷辊的接触时间通常远远小于单辊法，这可能是双辊法冷却速率减小的主要原因。 8/10/202210双辊法与单辊法的工艺基础区别a.单辊法是利用液相流动边界层的热传输和动量传输过程控制的，而双辊法则是利用两个激冷辊的轧制作用形成的。 b.双辊法也存在着类似于单辊法的各种工艺问题，其工艺过程控制的难度甚至更大。双辊法工艺过程中两个轧辊的

7、平行度对带材质量的影响很大。轧辊之间任何形状变化都将反映在最终的产品上。C.单辊法可制备10100m的非晶态带材，双辊法只能用于制备毫米级甚至更厚的带材。8/10/202211图2-57 双辊表面状态对凝固方式的影响a）平行 b）倾斜 c）凸面 d）凹面 8/10/202212(5)溢流法快速凝固过程的基本原理如图2-58所示。该方法利用特制的坩埚与激冷单辊的配合，使合金液从坩埚的特定形状的边沿溢出，并由高速旋转的单辊拉成薄膜，获得快速凝固带材，可以看出，该方法实际上是单辊法快速凝固技术的一种改进。 采用坩埚边沿溢出的方式取代喷嘴的喷射，不存在喷射产生的紊流，使合金液的流动更加平稳，利于获得均匀的带材。同时，可采用溶剂对合金液进行表面保护，可在非真空并无保护气氛的条件下进行易氧化材料薄带的快速凝固。 8/10/202213图2-58 溢流法快速凝固过程原理图 8/10/202214由于上述特点，已被成功地用于钛合金薄带的快速凝固制备过程，并已开发出工程化的生产设备，其合金的熔化分别采用了感应加热和电渣熔化技术。单辊法复合层在单辊法基础上发展起来的快速凝固技术，它是将熔融的合金1喷在单辊表面发生快速凝固形成非晶态或结晶态的带材，在该带材与单辊分