凝固技术的发展与未来

凝固技术的发展与未来

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摘要：凝固是一种极为普遍的物理现象。物质凡由液态到固态的转变一般都经历凝固过程，它广泛存在于自然界和工程技术领域。介绍几种新型的凝固技术，展望新型凝固技术的未来发展趋势。

关键词：凝固、定向凝固、快速凝固、半固态凝固

凝固是一种极为普遍的物理现象。物质凡由液态到固态的转变一般都经历凝固过程，它广泛存在于自然界和工程技术领域。从雪花凝结到火山熔岩固化，从铸锭的制造到工农业用铸件及历史文物中各类艺术铸品的生产，以及超细晶、非晶、微晶材料的快速凝固，半导体及各种功能晶体从液相的生长，均属凝固过程。可以说几乎一切金属制品在其生产流程中都要经历一次或多次的凝固过程。

快速凝固

快速凝固技术的原理：快速凝固指的是在比常规工艺过程中快得多的冷却速度下，金属或合金以极快的速度从液态转变为固态的过程。要求金属与合金凝固时具有极大的过冷度。

快速凝固的特点：1、凝固速度快，从而可以使金属在液态中的溶解度得到扩大，这样是其材料的密度有所改变，材料各部位的组织更加的紧密，改变金属中各元素的所含比例，从而可以改变该材料的性质，使其达到某种用途的需求。2、由于凝固的速度比一般铸造的快，这样得到的凝固结晶会更加的细小，晶粒的分布更加的均匀，一定程度减少了杂质的混入，提高材料的质量，由于晶粒组织的优化，该材料的力学，化学性质会得到提高，从而使其得到更广的运用。3、由于快速凝固给材料带来的溶解度的扩大，更加精细的晶粒的析出，从而赋予了材料的高强度，高韧度，以及高耐腐蚀性。这是快速凝固技术能在工业领域得到广泛运用的硬道理。4、除了金属的快速凝固，还有一种快速凝固非晶态合金。其特点和上类似，可以使材料具有极高的强度，硬度。又因为其实处于非晶态，它在具有高强度的同时也具有较好的韧性。同时，因为非晶态这种特殊形态，可以使材料具有良好的半导体性能，这是传统铸造方法所不能达到的。

快速凝固的方法及利用：

急冷凝固技术

急冷凝固技术的核心是提高凝固过程中熔体的冷速，从热传输的基本原理可以知道一个相对环境放热的冷速取决于该系统在单位时间内产生的热量和传出系统的热量，因此对金属凝固而言，提高系统的冷速必须要求：第一，减少单位时间内金属凝固时产生的熔化潜热;第二，提高凝固过程中的传热速度。这里国外常采用的三种方法：急冷的模冷技术、雾化技术、表面熔化与沉积技术。

大过冷凝技术

大过冷快速凝固技术的核心是在熔体中设法消除可以作为非均匀形核媒质的杂质或容器的影响，创造尽可能均匀形核的条件，从而在形核前获得很大的过冷度。通常在熔体凝固过程中促进非均匀形核的形核媒质主要来自熔体内部和容器壁，因此大过冷技术就是主要从这二个方面设法消除形核媒质。采用大过冷快速凝固技术的具体方法大致分为两类。一类是熔滴弥散法，即在细小熔滴中达到大凝固过冷度的方法，包括乳化法、熔滴水成冰(基底法和落管法等。另一类是在较大体积熔体中获得大的凝固过冷度的方法，包括玻璃体包裹法、二相区法和电磁悬浮熔化法等。

定向凝固

定向凝固技术的原理：定向凝固的目的是为了使铸件获得按一定方向生长的柱状晶或单晶组织。定向凝固铸件的组织分为柱状、单晶和定向共晶3种。要得到定向凝固组织需要满足的条件，首先要在开始凝固的部位形成稳定的凝固壳，凝固壳的形成阻止了该部位的型壁晶粒游离，并为柱状晶提供了生长基础。该条件可通过各种激冷措施达到，其次，要确保凝固壳中的晶粒按既定方向通过择优生长而发展成平行排列的柱状晶组织。同时，为使柱状晶的纵向生长不受限制，并且在其组织中不夹杂有异向晶粒。固/液界面前方不应存在生核和晶粒游离现象。

定向凝固的特点：定向凝固是在高温合金的研制中建立和完善起来的。该技术最初用来消除结晶过程中生成的横向晶界，从而提高材料的单向力学性能。由于定向凝固技术能得到一些具有特殊组织取向和优异性能的材料，因而自它诞生以来得到了迅速发展。定向凝固技术被广泛用于获得具有特殊取向的组织和优异性能的材料，应用定向凝固方法可以得到定向组织甚至单晶$明显地提高材料所需的性能，定向凝固过程中温度梯度和凝固速率这两个凝固参数能够独立变化成为凝固理论研究的重要手段。

定向凝固的方法及应用：目前，定向凝固技术的最主要应用是生产具有均匀柱状晶组织的铸件，特别是在航空领域生产高温合金的发动机叶片，与普通铸造方法获得的铸件相比，它使叶片的高温强度、抗蠕变和持久性能、热疲劳性能得到大幅度提高。对于磁性材料，应用定向凝固技术，可使柱状晶排列方向与磁化方向一致，大大改善了材料的磁性能。定向凝固技术也是制备单晶的有效方法。定向凝固方法得到的自生复合材料消除了其它复合材料制备过程中增强相与基体间界面的影响，使复合材料的性能大大提高。

半固态凝固技术

半固态凝固技术的原理：在液态金属凝固过程中，施以剧烈搅拌，破碎所形成的树枝晶，而形成近球形初生晶粒和残余液相共同构成的具有非枝晶组织特征的半固态合金，这种半固态合金在固相率达到60时仍具有较好的流动性，可以采用常规的成形工艺，如压力铸造、挤压铸造、连续铸造、真空铸造等实现金属的成形。

半固态凝固的特点：铸件的凝固收缩减小，铸件尺寸精度高、外观质量好，减少了机械加工量，甚至可以得到无机械加工余量铸件；消除了常规铸件中的柱状晶和粗大树枝晶，铸件组织细小、致密，分布均匀，不存在宏观偏析；金属充型平稳、无湍流、无飞溅，而且充型温度低，延长模具寿命；简化铸造工序，降低能耗，改善劳动条件，由于凝固速度快，生产率高；提高铸件力学性能。

半固态技术的方法及应用：欧洲与美国是半固态铸造技术研究与应用的主要地区，此外，日本早在1988 年就设立了金属半固态加工开发研究公司。进入20世纪90年代，半固态铸造技术的应用在国外已逐步成为各先进工业国家竞相发展的一个领域，并被专家学者称为21世纪新一代新兴的金属成形技术。经过30 多年的研究和开发，目前，铝、镁合金半固态铸造技术在西方发达国家已进入工业应用的成长期。国外的开发和生产表明，汽车工业中轿车、轻型车的转向节、泵体、转向器壳体、阀体、一些悬挂支架件和轮毂等高强度、高致密度、高可靠性要求的铸件，采用半固态铸造技术成形可以实现产品的低成本高产出及高质量。

参考文献：

1、崔建忠、路贵民。半固态浆制备技术的新进展［K］C 哈尔滨工业大学学报，2000,32（4）:110~113.