材料成型理论基础课件 成形原理60

Chapter6Solidification

andProcessingofliquidmetalsunderspecialcondition

第六章液态金属在特殊条件下的凝固及成形华中科技大学吕书林

1§6-1快速凝固2快速凝固特点：快速凝固定义为：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、相结构和显微结构的过程。液态金属以105～1010

K/s的冷速进行凝固；快速凝固过程抑制了各种传输现象，凝固偏离平衡，经典凝固理论中假设的许多平衡条件不再适应，成为材料凝固学研究的一个特殊领域。实现液态金属快速凝固的最重要条件，是要求液/固相变时有极高的热导出速度。如果依靠辐射散热，对于直径为1μm，温度为1000℃的金属液滴，获得的极限冷却速率只有103K/s，可见冷却速度不高；通过对流传热，将导热良好的氢或氦以高速流过厚度为5μm的试样，获得的极限冷速为1×104~2×104

K/s；

31、快速凝固的条件要获得高于105

K/s的冷速，只能借助于热传导。用急冷凝固方法获得高的凝固速率的条件是：(1)减少单位时间内金属凝固产生的结晶潜热。(2)提高凝固过程中的传热速度.途径?

4（1）模冷技术

2、急冷凝固技术及特点单向凝固速率与导热条件的关系

δ－凝固层厚度，Ti－铸件/铸型界面温度，TK－凝固界面温度5图双辊法快速凝固技术的基本原理

1.带材，2.合金液流，3.加热炉，4.坩埚，

5.漏出孔，6.双辊

通常生产几十微米厚的薄带6图单辊法复合层快速凝固过程原理图

1.单辊；2.合金液1；3.坩埚1；4.坩埚2；5.合金液2；

6.感应加热线圈；7.复合层带材7通常生产几十微米厚的薄带图气体雾化设备工作原理图

1.细粉，2.气体，3.气源，4.合金液，5.加热器，

6.喷嘴，7.雾化室，8.收集室，9.粉末.8（2）雾化技术

合金液浇入漏包中经过喷嘴（高速气流）雾化并在雾化室中进一步破碎、凝固，最后在收集室中收集。雾化气体可循环使用。雾化气体：空气、N2、Ar或He。9（a）气流雾化；（b）超声雾化雾化技术制备的金属粉末10（3）喷射沉积技术喷射沉积法可根据制件的需要设计基板的形状和尺寸，从而获得终形件或近终形件，更容易实现工业化生产。喷射沉积原理图11图连续生产锭材的工艺原理图1.感应加热器，2.气体雾化器（喷嘴），3.圆柱沉积锭，4.沉积室，5.排气管，6.循环分离器12（4）表面熔化与沉积技术该技术主要应用高密度能束（激光束、电子束、等离子束）使工件表层熔化，在内层金属的冷却作用下迅速凝固。图表面熔化法示意图对工件进行表面激光熔覆13图几种激光表面熔化处理方法的工作原理图a)表面硬化，b)表面熔凝，c)表面合金化，d)表面粘附1415等离子喷涂沉积技术：用高温等离子体火焰熔化合金或陶瓷粉末，然后喷射到工件表面，高温熔滴迅速冷凝沉积并与基体结合成牢固、致密的喷涂层。等离子喷涂沉积技术示意图3、快速凝固的产物及其特征快速凝固使金属材料的结构发生了前所未有的变化，可形成具有特殊性能的新材料。16（1）形成过饱和固溶体将液态合金以高速急冷快速地穿过液/固两相区，就阻止了第二相的生核和长大。使溶质原子以超常规溶解度陷在α相晶格中，形成单相固溶体。17表部分合金元素在Al中平衡固溶度和扩展固溶度（%）18（2）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寸，一般为<0.1~1.0μm在Ag-Cu（ωCu=50%）合金中，观察到细至3nm的晶粒。原因：很大过冷度下达到很高形核率19（3）极少偏析或无偏析20如果凝固速率超过了界面上溶质原子的扩散速率，即进入完全的“无偏析、无扩散凝固”时，可在铸件的全部体积内获得完全不存在任何偏析的合金（4）形成亚稳相（非平衡相）亚稳相的晶体结构可能与平衡状态图上相邻的某一中间相的结构极为相似，因此可看成是在快速冷却和大过冷度条件下中间相亚稳浓度范围扩大的结果。（5）高的点缺陷密度在快速凝固的过程中，液态金属的缺陷会较多地保存在固态金属中21（6）形成非晶态合金液态金属为短程有序排列结构，原子有极高的迁移速率。采用极快的冷却速率冷却，可能导致金属在凝固后保留液态时结构。Duwez等人用液态急冷法使接近共晶成分的Au-Si合金凝固成了非晶态材料。目前所能达到的冷却速率，只能使很少一部分合金能够抑制结晶过程而形成非晶态。原则上讲，只要有更高的冷却速率，就可以将所有合金系的合金凝固成非晶态。

22§6-2定向（单向）凝固1、必要条件：必须在固/液界面前沿建立足够大的温度梯度，其大小直接影响晶体生长速率和晶体质量。

23通过增大GS来增强固相的散热强度，这是实际应用中获得大的GL的重要途径。但R可能增大，不利于柱状晶的形成及稳定。因此，常用提高固—液界面前沿熔体的温度来达到提高GL的目的。24图坩埚下降单向凝固法生长装置和温度分布

a）装置示意图b）温度分布图

252.定向凝固的方法1）发热剂法绝热耐火材料箱中，底部水冷结晶器型壳上部盖以发热剂，金属液处于高温，建立自下而上的凝固条件。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。262）功率降低法

（P.D法）

铸型加热感应圈分两段，

铸件在凝固过程中不移动。GL随着凝固距离的增大而不断减小。GL、R值都不能人为地控制。271.保温盖，2.感应圈，3.玻璃布，4.保温层5.石墨套，6.模壳，7.结晶器3）快速凝固法（H.R.S法）铸型加热器始终加热，在凝固时，铸件与加热器之间产生相对移动。与P.D法相比，可以大大缩小凝固前沿两相区，局部冷却速度增大，有利于细化组织，提高机械性能。281.保温盖，2.感应圈，3.玻璃布，4.保温层，5.石墨套，6.模壳，7.挡板，8.冷却圈，9.结晶器2、定向凝固技术的应用

（1）柱状晶的生长（一种顺序凝固组织）29（2）单晶生长根据熔区的特点分为正常凝固法和区熔法。1）正常凝固法有坩埚移动、炉体移动及晶体提拉等单向凝固方法或将“籽晶”放在坩埚底部，当坩埚向下移动时，“籽晶”处开始结晶，随着固—液界面移动，单晶不断长大。主要缺点是晶体和坩埚壁接触，容易产生应力或寄生成核30图坩埚移动单向凝固示意图

a）垂直式b）水平式31图自生粒晶法生产单晶叶片

1-铸件2-选晶段3-起始段

32选晶段示意图通过x、y、z三个方向选晶，从而确保一个柱晶顺利进入铸件33图晶体提拉示意图34（3）区域提纯区域熔化是获得超纯材料的极有效的手段，由于区域熔化的发明，才出现了半导体工业。当正