快速凝固技术
11.0 快速凝固技术
优良的超导性能、较高的热稳 金属玻璃保留了液态金属 定性和较低的表面活性，已经 的短程有序的类似原子簇的 或可望应用于机械结构材料、 结构 ，微观组织中不存在晶 磁性材料、声学材料、仿生材 界、位错和偏析等缺陷，其 料、光学材料、体育器材以及 结构类似于普通玻璃 。 电子材料等多个方面。
快速凝固的Al-Fe-V-Si合金组织
23
非晶材料的生产→直接铸造
优点
液态进行成形，所需能量少， 设备轻巧，生产率高 缺点
尺寸上要求至少有一维 很小
热稳定性差
24
25
作业
6.1 6.2 6.3
26
第二节 失重条件下的凝固
失重条件（也称微重力条 件）的凝固与重力条件下完 全不同，如无容器条件下的 形核以及由温度梯度（或密 度梯度）引起的对流等，使 得不同成分的液体能够长时 间共存，因此可以减少沿凝 固方向的成分偏析，还可以 利用微重力条件制备难混熔 偏晶合金。
主要途径
把熔体弥散成液滴
把熔体与容器壁隔离开
7
三、急冷快速凝固技术及特点
模冷技术
急冷凝固 技术
雾化技术
表面熔化与沉积技术
8
（一）模冷技术
模冷技术：使金属液接触固体冷源并以传导的方式散热
而实现快速凝固。
枪法 双活塞法
模冷技术 主要特点是首先把熔体分离成连续或不连续的、界面尺 平面流铸造法 熔体提取法
18
悬浮熔炼法（电磁悬浮、静电悬浮、声悬浮）
电磁悬浮熔炼法：通过选择合适的线圈形状及输出频 率，使试样在电磁力作用下处于悬浮装态，再通入He、Ar、 H2等保护气氛，通过感应加热熔化，控制凝固从而实现深 过冷。
材料快速凝固技术
材料快速凝固技术材料快速凝固技术是一种在材料制备中广泛应用的技术，它能够在短时间内将液态材料迅速凝固成固态材料，广泛应用于金属、陶瓷、塑料等材料的生产中。
本文将着重介绍材料快速凝固技术的原理、分类、应用及未来发展方向。
一、原理材料快速凝固技术的原理基本上是通过控制材料的温度，使得其在短时间内迅速凝固，从而形成固态材料。
在材料制备中，通过急冷或者急速加热的方法，可以使得原本需要较长时间才能固化的材料，在较短的时间内固化成形。
这种技术的应用使得生产周期大大缩短，提高了生产效率和产品质量。
二、分类根据快速凝固材料的不同性质和应用，快速凝固技术可以分为几种主要类型。
其中包括：凝固剂辅助技术、电磁场快速凝固技术、激光快速凝固技术、等离子体喷涂技术等。
这些技术在实际应用中有着不同的特点和适用范围。
凝固剂辅助技术通过添加特定的凝固剂来加速材料的固化过程，而电磁场快速凝固技术则是利用电磁场对材料进行加热和冷却，从而使其迅速凝固。
三、应用材料快速凝固技术在金属、陶瓷、塑料等材料的制备中有着广泛的应用。
在金属领域，通过快速凝固技术可以制备出具有优异性能的非晶态合金，提高了材料的硬度和强度，同时降低了材料的成本。
在陶瓷领域，快速凝固技术可以制备出致密的陶瓷材料，改善了材料的力学性能和耐磨性能。
在塑料领域，通过快速凝固技术可以制备出高分子量的聚合物材料，提高了材料的稳定性和耐热性能。
四、未来发展方向随着材料科学和工程技术的发展，材料快速凝固技术也将不断得到完善和拓展。
未来，随着新型材料的不断涌现，材料快速凝固技术将在材料制备和加工中发挥更为重要的作用。
随着新能源、新材料等领域的不断发展，对材料快速凝固技术的需求也将不断增加，预计其在未来会有更广泛的应用和发展空间。
材料快速凝固技术作为一种在材料制备中广泛应用的技术，具有重要的意义。
通过其快速凝固的原理和多样化的应用，不仅提高了材料制备的效率和质量，还为材料领域的发展带来了新的机遇和挑战。
快速凝固技术
快速凝固技术一、金属快速凝固的概念在金属凝固过程中，凝固系统的传热强度及凝固速率对凝固过程及合金组织有着直接而重要的影响。
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。
常规工艺下金属的冷却速度一般不会超过102 ℃/S。
例如：大型砂型铸件及铸锭凝固时的冷却速度约为：10-6~10-3 ℃/S；中等铸件及铸锭约为10-3~100 ℃/S；薄壁铸件、压铸件、普通雾化约为100~102 ℃/S。
快速凝固的金属冷却速度一般要达到104~109 ℃/S。
经过快速凝固的合金，会出现一系列独特的结构与组织现象。
1960年美国加州理工学院Duwez等人采用一种特殊的熔体急冷技术，首次使液态合金在大于107℃/S的冷却速度下凝固。
他们发现，在这样快的冷却速度下，本来是属于共晶系的Cu-Ag合金中，出现了无限固溶的连续固溶体；在Ag-Ge合金系中，出现了新的亚稳相；而共晶成分Au-Si (X Si=25%)合金竟然凝固为非晶态的结构，因而可称为金属玻璃。
这些发现，在世界物理冶金和材料科学工作者面前展现了一个新的广阔的研究领域。
二、快速凝固方法及传热特点1、快速凝固方法(1)气枪法(gun technique)。
如图5-22所示，这种方法的基本原理是将熔解的合金液滴，在高压( >50 atm)惰性气体流(如Ar 或He)的突发冲击作用下，射向用高导热率材料(经常为纯铜)制成的急冷衬底上，由于极薄的液态合金与衬底紧密相贴，因而获得极高的冷却速度( >109℃/S) 。
这样得到的是一块多孔的合金薄膜，其最薄的厚度小于0.5~1.0 μm (冷速达109℃/S)。
Duwez等人首次获得熔体急冷合金时，使用的就是这种方法。
目前在某些实验室研究工作中，这种方法仍被使用。
(2)旋铸法(chill block melt-spinning)。
如图5-23所示，旋铸法是将熔融的合金液自钳锅底孔射向一高速旋转的、以高导热系数材料制成的辊子表面。
快速凝固
3.大块试样深过冷法 途径：一、选择某些合金及合金成分，其熔体固有特 性应能保证在不太高的冷却速度下达到大的起始形核 过冷和发生快速凝固。二、通过消除或部分消除合金 熔体中非均质形核作用，使在较缓慢的冷却过程中亦 能达到大的起始形核过冷和发生快速凝固。 4.激光或电子束表面快速熔凝 使高能量密度的激光或电子束以很高的线速度扫描工 件表面，在工件表面形成瞬间的薄层小熔池，热量由 基底材料迅速吸收，在表面造成一个快速移动的温度 场，从而实现快速凝固。 5.喷射成形：将雾化的合金液连续喷射到移动的衬底 材料上，形成连续的沉积、尺寸较大的、几何形态接 近实际情况零件坯件。
临界生长速率由溶质扩散所控制．随着生长速率的 提高，扩散距离变窄，扩散变得愈来愈局域化；另一方 面，在高生长速率下，毛细现象逐渐成为过程的决定性 特征，显微组织变得更细已还可能，在某个临界生长速 率下，显微组织对于横向扩散过程来说已变得太粗，溶 质的扩散距离已接近溶质的毛细现象长度，从而导致平 界面的绝对稳定．由此，对于给定的合金及正的或不很 大的温度梯度，只要生长速率足够高，平界面重新成分 稳定的生长界面形貌； 随着生长速率的提高，界面形貌的转变顺序时：平 界面—胞状—树枝状—胞状—平界面。 当从过冷合金熔体中晶体进行等轴生长时，热扩散 过程起着重要的作用，因此过冷熔体中出现平界面绝对 稳定的临界生长速率vα应为： （8-41） v (v ) (v )
二、快速凝固传热特点 1、薄层熔体在固态衬底上的导热传热 影响温度场及冷却速度的主要因素是：金属/衬底界 面的状况以及试样金属的厚度。
计算表明，对于高导热系数衬底(如铜、银)： 时，为理想冷却方式； 为中间冷却方式； 为牛顿冷却方式。
2.金属液滴在流体介质中的对流传热
在流体介质中以雾化法进行快速凝固时，金属
1材料制备新技术-快速凝固技术20180904
注：雾化法、单辊法、双辊法、旋转圆盘法及纺线 法等非晶、微晶材料制备过程中，试件尺寸很小， 故凝固层内部热阻可以忽略（即温度均匀），界面 散热称为主要控制环节。
通过增大散热强度，使液态金属以极快的速率降温，可实现 快速凝固。
最常见的急冷法是极冷模法
1 2 3 4
5 6 7 8 9
10
此法是用真空吸注、真空 压力浇注、压力浇注等方 法将熔融金属压入急冷模 穴，达到快凝。 难点：熔体有可能在急冷 模入口处凝固 优点：可得到给定直径或 厚度的线材。 急冷法只能在薄膜、细线 及小尺寸颗粒中实现。
4）快速凝固可导致非平衡的相结构产生；（包括新相和扩大已
有的亚稳相范围。）
5）形成非晶态；（适当选择合金成分，以降低熔点和提高玻璃化温度Tg，
而成为玻璃态或称非晶态）
6）高的点缺陷密度；（快速凝固中，由于温度的聚然下降而使点缺
陷密度无法恢复到正常的平衡状态，则会较多地保留在固体金属中，造成~）
1.1 快速凝固概述
q2 S GTS
（1-2） （1-3）
而 q3 hsvs
（1-4）
式中,λ L,λ S分别为液相和固相的热导率﹔ GTL,GTS分别为凝固界面附近液相和固相中的温度梯度； △h为结晶潜热，也称为凝固潜热；
VS为凝固速率； ρ S为固相密度。
将式（1-2）至式（1-4）带入式（1-1）
则可求得凝固速率为：
表1-1 不同雾化工艺的凝固速率和粉末质量比较；
工艺
粉末粒度 /μm
亚音速雾化
1~500
超音速雾化
1~250
旋转电机雾化 100~600
离心雾化
1~500
气体溶解雾化 1~500
平均粒 度 /μm
材料快速凝固技术
材料快速凝固技术快速凝固技术，也被称为快速凝固加工技术（RSP），是一种能够迅速冷却液体材料并将其凝固成固态形式的先进加工技术。
这种技术的应用范围非常广泛，涵盖了材料科学、催化、纳米科技、生物科技等多个领域。
快速凝固技术的发展极大地促进了材料的研究和应用创新，下面将对快速凝固技术的原理、方法和应用进行介绍。
快速凝固技术的原理主要是利用高速冷却来迅速降低材料的温度，使其在非平衡状态下凝固。
这种快速凝固过程中，原子、分子或离子的运动受到限制，使得凝固过程中产生的晶体或非晶体结构具有独特的性质。
凝固速度的快慢会对材料的微观结构和性能产生重要影响，因此快速凝固技术被广泛应用于制备具有特殊结构和性能的新材料。
快速凝固技术的方法主要包括磁控溅射法（Magnetron Sputtering）、激光熔凝法（Laser Melting）、电子束熔凝法（Electron Beam Melting）和惰性气体快速凝固法（Inert Gas Rapid Solidification）等。
这些方法都通过快速冷却将液态材料迅速凝固，并控制凝固速度和凝固形貌，以获得理想的材料结构和性能。
其中，惰性气体快速凝固法是一种常用的方法，通过高速气体喷射将液态材料迅速冷却，实现材料快速凝固。
快速凝固技术在材料科学领域具有广泛的应用。
首先，快速凝固技术可以制备非晶态材料，这种材料具有优异的力学性能、导电性能、韧性和耐腐蚀性能，被广泛应用于导线、磁盘等领域。
其次，快速凝固技术可以制备纳米晶材料，这种材料具有高强度、高硬度、高韧性和高塑性等优良性能，被广泛应用于制备新型材料、高效催化剂和高性能表面涂层。
再次，快速凝固技术可以制备多元合金材料，这种材料具有优异的热稳定性、耐腐蚀性和抗疲劳性能，广泛应用于航空航天、汽车制造和高速列车等领域。
总之，快速凝固技术是一项非常重要的先进加工技术，它能够通过迅速冷却将液态材料迅速凝固成固态形式，从而制备出具有特殊结构和性能的新材料。
快速凝固技术
快速凝固技术
嘿，你问快速凝固技术啊？这可挺厉害呢。
快速凝固技术呢，就是让东西很快地从液态变成固态。
就好像你把热巧克力倒在冰盘子上，一下子就凝固了。
这技术能让材料变得特别不一样哦。
首先呢，它能让材料的结构变得很细。
就像你把沙子堆得很密很密，这样材料就更结实，性能也更好。
比如说一些金属材料，用快速凝固技术处理后，强度会大大提高，不容易坏。
还有啊，能做出一些特殊的合金。
平常的方法做不出来的合金，用快速凝固技术说不定就能行。
就像你玩拼图，有些很难拼的图案，用特殊的方法就能拼出来。
这些特殊合金可能有各种神奇的性能，比如耐高温、耐腐蚀啥的。
快速凝固技术的方法也有不少呢。
有一种是雾化法，把液态的材料变成小雾滴，这样冷却得特别快。
就像你把水喷成雾，一会儿就干了。
还有一种是甩带法，把液态材料甩在一个快速转动的轮子上，也是瞬间就凝固了。
我给你讲个事儿吧。
我有个叔叔在一家工厂上班，他们工厂就用快速凝固技术做一些特殊的零件。
以前那些零件很难做，质量也不太好。
用了快速凝固技术后，零件又轻又结实，性能特别棒。
他们工厂的产品也更受欢迎了。
你看，快速凝固技术多厉害啊。
所以啊，快速凝固技术能让材料结构变细、做出特殊合金，方法有雾化法、甩带法等。
这技术在很多领域都有大用处呢。
加油！。
2.3 快速凝固技术
过冷度（ T - 过冷度（ ℃ ） L - 熔化潜热 （J/Kg） ） C - 比热 (J / Kg ℃ )
见于液相微粒的快凝、 见于液相微粒的快凝、特殊处理的大过冷度液体块料的凝固
3. 快速凝固的特点 凝固速度大，无溶质分配（产生平衡分配） 1. 凝固速度大，无溶质分配（产生平衡分配）。 S/L界面稳定性增加 凝固形成平面、无偏析等轴晶。 界面稳定性增加， 2. S/L界面稳定性增加，凝固形成平面、无偏析等轴晶。 形成组织结构特殊的晶态合金。 3. 形成组织结构特殊的晶态合金。 形成非晶态合金。 4. 形成非晶态合金。 形成准晶合金。 5. 形成准晶合金。
2.3.2
快速凝固技术
1. 急冷凝固技术 （1）模冷技术 （2）雾化技术 （3）表面熔化与沉积技术 2. 大过冷凝固技术 （1）小体积大过冷凝固法 （2）大体积大过冷凝固法
ቤተ መጻሕፍቲ ባይዱ
1. 急冷凝固技术 快速凝固过程中， 快速凝固过程中，熔体金属液流的分散形式与冷却介 质的组合分析： 质的组合分析： 分散形式 冷却介质
dT dτ
对于尺寸足够小的凝固试件， 对于尺寸足够小的凝固试件，界面散热成为控制冷却 的主要环节。增大散热强度，使熔体以极快的速度降温， 的主要环节。增大散热强度，使熔体以极快的速度降温， 即可实现快速凝固。 即可实现快速凝固。
设：液膜厚度为h，与冷却介质的温差T，一维传热， 液膜厚度为h 与冷却介质的温差 一维传热， 其冷却速度为
2.3 快速凝固技术（rapid solidification） 快速凝固技术（ ） 2.3.1 概述
1. 快速凝固及其发展 什么是快速凝固？ 什么是快速凝固？ 指冷却速度大于102K/S的凝固过程称为快速凝固。 指冷却速度大于10 K/S的凝固过程称为快速凝固。 的凝固过程称为快速凝固 在快速凝固领域中的几个主要标志 1960年Duwez及其同事发明 及其同事发明“ 技术， 1) 1960年Duwez及其同事发明“枪”技术，开创了材料科 学领域的一个新时代。（ k/s），这年的工作发现， 。（10 ），这年的工作发现 学领域的一个新时代。（106k/s），这年的工作发现， 凝固工艺可以改变材料的组织结构，包括： 凝固工艺可以改变材料的组织结构，包括： 扩大固溶极限 形成新型非平衡晶体或准晶相 生成金属玻璃 可以说60年代，快速凝固概念形成， 可以说60年代，快速凝固概念形成，并在多种合金体 60年代 系当中观察到了亚稳效应
第二章快速凝固
第二章快速凝固技术2.1快速凝固技术概论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。
由于由液相到固相的相变过程进行的非常快，快速凝固材料可以获得普通铸件和铸锭无法获得的成分、相结构和显微结构。
目前，快速凝固技术是冶金领域和金属材料专业研究的重要领域。
在金属凝固过程中，凝固系统的传热强度及凝固速率对凝固过程及合金组织有着直接而重要的影响。
常规工艺下金属凝固的冷却速度一般不会超过102 K/s，通常大型砂型铸件及铸锭凝固时的冷却速度约为：10-6-10-3 K/s,中等铸件及铸锭约为10-3-100 K/s；薄壁铸件、压铸件、普通雾化约为100-102 K/s。
快速凝固的金属冷却速度一般要达到106-109 K/s。
经过快速凝固的合金，会出现一系列独特的结构与组织现象。
上世纪60年代美国加州理工学院Duwez等人采用一种特殊的熔体急冷技术，首次使液态合金在大于107 K/s的冷却速度下凝固。
他们发现，在这样快的冷却速度下，本来是属于共晶系的Cu-Ag合金中，出现了无限固溶的连续固溶体；在Ag-Ge 合金系中，出现了新的亚稳相；而共晶成分Au-Si (XSi=25%)合金竟然凝固为非晶态的结构，获得了金属玻璃。
这些发现，在世界物理冶金和材料科学工作者面前展现了一个新的广阔的研究领域。
70年代出现了利用快速凝固技术制备的晶态材料，80年代人们逐渐把注意力转向各种常规金属材料的快速凝固制备上，90年代大块非晶合金材料的开发应用取得了重大进展。
目前，快速凝固技术已成为冶金工艺学和金属材料学的一个重要分支。
快速凝固技术既是研究开发新材料的手段，也是新材料生产提高产品质量、降低生产成本的基础。
2.2 快速凝固的组织特征合金的组织结构与合金的凝固模式密切相关。
在过冷不断加深的过程中，合金的组织及结构将发生变化，图2-1 示出了冷却速度加快引起的凝固组织的变化框图。
快速凝固
快速凝固技术概论1．引言快速凝固是通过合金熔体的快速冷却（≥104~106KS-）或非均匀形核被遏制，是合金在大的过冷度下发生高生长速率的凝固。
采用快速凝固技术制备快速凝固微晶，准晶，非晶等非平衡亚稳新型结构及功能材料，是提高传统金属材料性能，挖掘现存材料性能潜力和研究开发高性能新材料的重要手段之一。
利用快速冷却的技术不仅可以显著改善合金的微观组织，提高其性能，而且可以言之在常规铸造条件下无法获得的具有优异性能的新型合金。
2.快速凝固技术的概括快速冷却技术起源于1960年Duwez教授采用独特的急冷急速使金属凝固速度道道106K/s 而制备出的Au75Si25非晶合金薄带。
他们的发现，在世界的物理冶金和材料学工作者面前展开了一个新的广阔的研究领域。
在快速凝固条件下，凝固过程的一些传输现象可能被抑制，凝固偏离平衡。
经典凝固理论中的许多平衡条件的假设不再适应，成为凝固过程研究的一个特殊领域。
进入70年代，非晶态材料领域的研究更为活跃，可制备出连续的等截面长薄带技术得到了发展，金属玻璃（Metagla）非同寻常的软磁性（高饱和磁化强度、非常低的矫顽磁性、零磁颈缩和高电阻率），促进了该领域的研究，同时也推动了这些新型磁性材料（尤其是变压器磁芯材料）的应用和发展； 80年代，可制备Φ300、Φ200管； 90年代，可制备Φ600，长1M的管、坯。
在凝固过程中获得足够高的冷却速度需满足两个重要条件，首先，在理想冷却过程中，凝固冷速T与截面厚度Z（mm）有以下关系：T＝104Z－2表明凝固冷速与截面Z的二次方成反比。
因此，熔化金属必须以至少在一维方向上足够小的流速形式输送，使之具有高比表面积，以利于热量迅速散失。
其次，通过增大液态合金表面积，以最大程度地增加熔体与冷却介质的接触来迅速散热，这可以在加工过程中通过改变熔体形状（如将熔体铺展在基底上形成薄膜），或将熔体分散成小液滴（如雾化）来实现。
目前实现快速凝固的途径主要有2条：（1）急冷快速凝固技术。
快速凝固技术及其应用
快速凝固技术及其应用随着人类技术水平的不断提高，快速凝固技术已经成为现代材料研究领域的重要技术。
快速凝固是将金属、合金等原材料在极短的时间内迅速冷却成形的一种加工方式。
它可以制备出具有良好力学性能和物理性质的材料，具有广泛的应用领域。
本文将介绍快速凝固技术的基本原理、分类及其应用。
一、快速凝固技术的原理所谓快速凝固，就是指在极短的时间内将高温物质迅速冷却成形的一种方法。
实现快速凝固的方法有很多种，例如水冷法、气冷法、离子束淬火法等。
其中最流行和最经济实用的方式是利用气体喷雾技术，将高温熔体喷射到高温惰性气体的流中，使其迅速冷却并凝固。
快速凝固技术主要是基于快速冷却对晶体结构和形态的影响，其原理主要包括以下几点：1. 快速冷却能够抑制晶体长大和减缓金属固溶体的扩散速度。
2. 快速冷却能够使金属的组织产生大量的失序现象和高密度位错结构，从而形成细小的晶粒和均匀的组织。
3. 快速冷却可以制备高浓度固溶体、非平衡物相和异质结构，提高材料的强度和硬度。
二、快速凝固技术的分类根据快速冷却的方式和熔体状态的不同，快速凝固技术可以分为多个类别。
其中，主要有以下五大类：1. 溅射法。
溅射法是一种常用的快速凝固技术，它利用高速离子、电子或激光束轰击阴极材料，在抛散的原子和离子中形成薄膜或粉末。
2. 喷雾凝固法。
喷雾凝固法是利用气体喷雾冷却法制备快速凝固材料的一种技术，主要包括气雾冷却、旋转散雾冷却和旋转碟形喷嘴冷却等多种方式。
3. 液滴冷却法。
液滴冷却法采用高温金属薄膜或毛细管的形式将溶液液滴扔入低温惰性气体中，通过快速散热将其快速冷却。
4. 气体淬火法。
气体淬火法类似于液态氮淬火，只是使用的气体不同。
这种方法主要使用惰性气体或氧化氮等工作气体，将金属材料迅速冷却，达到快速凝固的目的。
5. 等离子体技术。
等离子体技术利用等离子体的能量在熔体表面形成薄膜或涂层，形成快速凝固材料。
三、快速凝固技术的应用快速凝固技术具有较宽的应用范围和广泛的应用前景。
快速凝固技术
快速凝固技术快速凝固技术是目前材料科学与工程领域最活跃的课题之一。
它是通过对合金熔体进行快速冷却(冷却速率大于104~106K/s)或遏制冷却过程中的非均匀形核，使合金在大的过冷度下发生高生长速率(≥1~100cm/s)的凝固。
冷却速率是决定合金凝固组织的关键因素，它不仅决定着凝固组织形态，而且对组织中各相的析出次序、种类及数量都有重要的影响。
所以较好地理解冷却速率对合金凝固组织和性能的影响，在解释同一成分合金铸造出不同形状铸件时微观组织的差异是相当有益的。
传统的铸造工艺，由于凝固速度较低，合金在冷却过程中的过冷度和凝固速度较小，因此常规铸造合金有着晶粒粗大、偏析严重等严重缺陷。
快速过冷技术无论对合金的成分设计还是还是对合金围观组织以及宏观特性都有很大的影响。
一、快速凝固技术快速凝固即由液相到固相的相变过程进行的非常快，从而得到普通铸件和铸锭无法获得的成分、相结构和显微组织结构的过程。
目前快速凝固技术已经在许多方面显示出其优越性，与常规铸锭材料相比，快速凝固材料的偏析程度大幅度降低，而且快速凝固材料的化学成分多比较均匀。
应用快速凝固技术可以制备具有超高强度、高耐蚀性和磁性的材料，非晶、准晶、微晶和纳米晶合金等。
目前，快速凝固技术已成为一种挖掘金属材料潜在性能与发展前景的开发新材料的重要手段。
快速凝固技术已开始应用于研究合金在凝固时的各种组织形态的变化以及如何控制才能得到符合实际生活、生产要求的合金。
二、快速凝固的基本原理和分类从技术原理上讲，快速冷却主要有两种原理：急冷凝固技术和大过冷凝固技术。
1、急冷凝固技术急冷凝固技术又称熔体淬火技术，即提高熔体凝固时的传热速度从而提高凝固时的冷却速度，使熔体的形核时间短、效率高，来不及在平衡熔点附近凝固，只能在远离平衡熔点的较低温度下凝固。
急冷凝固技术的核心是要提高凝固过程中熔体的冷却速度。
一个相对于环境放热的系统的冷却速度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。
水泥快干凝固的方法
水泥快干凝固的方法
水泥凝固是指水泥浆体在一定条件下发生化学反应，形成坚硬的固体结构。
以下是常见的水泥快速凝固的方法：
1.控制水泥与水的比例：水泥与适量的水混合后会产生化学反应，
形成胶凝体。
在混凝土施工中，控制好水泥与水的比例可以加
快凝固时间。
2.加入加速剂：加速剂是一种能够促进水泥凝固反应的添加剂。
常见的加速剂包括氯化钙、硫酸钠等，可以在一定程度上缩短
凝固时间。
3.提高温度：温度是水泥凝固的重要因素之一。
较高的温度可以
促进水泥中化学反应的进行，从而加快凝固速度。
但需要注意
控制温度，避免过高导致质量问题。
4.使用快硬水泥：市场上有一些专门用于需要快速凝固的施工工
程的快硬水泥，这种水泥中添加了特殊的成分，使其具有较快
的凝固速度。
第一章 快速凝固技术
2、制备难加工材料薄带、细小线材和块体材料
例如，超合金和Cu-10%Sn青铜等热加工性能差(易产 生龟裂)的材料。通过快速冷却减少偏析、细化组织，就可 提高变形性能，实现热加工；又如温度保险丝用Pb-Bi共晶 合金等细线强度低，拔丝困难，可采用旋转水纺线法制备。
➢ 也就是说，如果这些亚稳相的晶体结构与平衡相图上相邻 的某一中间相的结构极为相似，则可看成是大过冷下中间 相的亚稳浓度扩大的结果。另一方面，也可能形成某些在 平衡相图上完全不出现的亚稳相。对自然决定于 冷却速度与过冷度。
5、形成非晶态 液态合金经过快速凝固而形成非晶态合金是非
度从而提高凝固时的冷速，使熔体凝固时间极短，并只能在 远离平衡熔点的较低温度凝固，因而具有很大的凝固过冷度 和凝固速度。具体实现这一方法的技术称为急冷凝固技术。
另一种方法是“热力学”的方法，即针对通常铸造合金都是 在非均匀形核条件下凝固因而使合金凝固的过冷度很小的问 题，设法提供近似均匀形核(自发形核)的条件。在这种条件 下凝固时，尽管冷速不高但也同样可以达到很大的凝固过冷 度从而提高凝固速度。具体实现这种方法的技术称为大过冷 技术。
5、深过冷凝固（大过冷凝固）
材料在大过冷度下的凝固是一种极端非平衡凝固。 一般它是借助于快速凝固和熔体净化的复合作用 而得到的。
快速凝固通过改变溶质分凝(溶质捕获)，液、固 相线温度及熔体扩散速度等使合金达到深过冷状 态。
熔体净化则通过消除异质核心，使熔体达到过冷 状态。
6、超常凝固
超常条件下的凝固指在某些特殊条件或特殊环境 下，区别于一般公认常规条件下的凝固过程。
混凝土快速凝固的方法
混凝土快速凝固的方法
有几种方法可以帮助混凝土快速凝固。
以下是一些常见的方法：
1. 使用混凝土凝固剂：混凝土凝固剂是一种化学物质，可以加速混凝土的凝固过程。
这些凝固剂可以提供额外的化学反应，促进混凝土中的水和水泥颗粒结合，从而加速凝固过程。
2. 使用石英砂：石英砂是一种细颗粒的矿物质，可以在混凝土中提供额外的核心形成点。
这些核心点可以加速水泥水化反应，从而加快混凝土的凝固速度。
3. 提高环境温度：水泥水化反应是一个温度敏感的过程，通常在较高的温度下进行更快。
因此，如果需要加快混凝土的凝固速度，可以提高环境温度，例如使用加热管线或加热器。
4. 通风：通过通风可以加快混凝土表面的水分蒸发，从而促进混凝土的凝固和干燥。
这可以通过使用风扇或提供适当的通风设备来实现。
5. 增加水泥含量：水泥是混凝土凝固的关键组分。
通过增加混凝土中的水泥含量，可以加快混凝土的凝固速度。
然而，需要注意的是，过高的水泥含量可能会导致混凝土强度下降。
需要注意的是，在加快混凝土的凝固速度时，需要谨慎处理。
过快的凝固速度可
能会导致混凝土表面产生裂缝或变得不均匀。
因此，在使用任何加快凝固方法之前，应根据具体情况进行评估和咨询专业人员的意见。
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凝固：包含形核与长大两个阶段。 一般冷速 < 102 ℃/s － 出现偏析，晶粒大 102 /s < 冷速 < 106 ℃/s － 精细显微组织 冷速 > 特殊显微组织 冷速 非晶态 快速凝固的途径： 1）减少单位时间内金属凝固时的熔化潜热，2）提高凝固过程中的传热速度 液滴 圆形液片 带状液体 气体 液体 固体
工作原理：
小于0.5g的母合金放置在石英管中， 经感应圈3加热熔化后，高压室1中突然 通入23GPa(2041030600个工业大气压) 的高压气流，使位于高压室1和低压室4 之间的聚酯薄膜2破裂，从而产生冲击 波，将金属熔体分离成细小的熔滴，并 使其加速到每秒几百米的速度，然后喷 射到导热性良好的固定铜模5上，熔滴 迅速凝固成箔片。 由于熔滴的速度很高，象子弹一样， 所以该方法称之为“枪”法。 “枪”法工艺示意图 1-高压室，2-聚酯薄膜，3-感应线圈，4-低压室，5-铜模
大过冷技术
大过冷技术，即Large Undercooling Technology， 简称LUT技术。大过冷技术的核心是：设法在金 属熔体中形成尽可能接近均匀形核的凝固条件， 从而获得大过冷度，提高凝固速度。
实现大过冷技术的途径： 消除金属熔体内部形核媒质 分离熔体为 熔滴； 消除容器壁的形核媒质 金属熔体与容器 壁分离。 当熔滴很小、数量很多时，每个熔滴中的形核 媒质数目非常少，从而产生接近均匀形核的条 件。
图2-20 哈曼管示意图 U-气体射流速度，d-共振腔直径，d0-喷管出口直径，A、B-分别为喷管和共 振腔的位置，P-气体压力，P0-平均气体压力，S1、S2-超声波波谷
图2-21 哈曼管气流路径和声波的传播示意图
图2-22 高速旋转筒雾化工艺示意图 1-感应圈，2-石英管，3-合金熔体，4-旋转筒，5-冷却液
图2-31 大过冷技术示意图 (a)熔滴乳化法,(b)熔滴-基底法,(c)嵌入熔体法,(d)玻璃体包裹法
2.4 快速凝固金属的成型工艺
由于快速凝固方式的不同，快速凝固材料的形态 一般如下： 薄带 一维尺寸很小； 细丝 二维尺寸很小； 粉末 三维尺寸很小。
如果不改变快速凝固材料的形态，将会严重限制 其应用，如利用快速凝固材料制作结构件时，必 须预先把快速凝固材料成型。
工艺改进： 提高热等静压的压力，如在310MPa下，可 以达到相同固结成型效果而降低加热温度，可 获得良好的显微结构； 提高加热和随后的冷却速度； 增大压力罐的直径，如在20世纪60年代，压 力罐的直径为100200mm，但现在压力罐的 直径可达1524mm； 提高加热温度，以便可以用于高熔点的金属 间化合物的成型，如加热到16002200℃。
图2-23 滚筒急冷雾化工艺示意图 1-气体雾化装置，2-合金熔滴，3-滚筒，4-薄片
图2-24 离心快速凝固雾化工艺示意图 1-冷却气体，2-旋转雾化器，3-粉末，4-合金熔体
图2-25 旋转电极雾化工艺示意图 1-惰性气体，2-抽真空，3-母合金，4-电机，5-钨电极，6-粉末收集器
图2-27 电-流体力学雾化工艺示意图 1-合金熔体，2-发射器，3-熔滴
悬滴熔体提取法的工作原 理如图2-10所示。 与电子束急冷淬火相似， 旋转提取铜盘的轴线与母 合金棒垂直而非平行；母 合金1在电弧或电子束加热 下熔化，熔体靠重力下滴， 与旋转铜盘的棱边接触， 并被拖拉快凝成纤维或薄 片，在离心力作用下被甩 出。
1-母合金棒，2-热源，3-旋转提取盘，4-弧刷，5-纤维
高压冷烧结成型
当冷加工粉末颗粒的流动应力低于 压制压力时，在较高压力梯度下的 室温塑性流动可以使粉末压件达 到高密度，粉末颗粒之间形成粘接 和具有良好的力学性能， 高压冷烧结工艺具有明显的优点， 它能够保持快速凝固产品的均匀结 构，甚至可以达到亚稳相结构。因 为烧结温度低，所以热处理之后的 坯件具有优异的性能。
热挤压
移动压头3，向粉末施加压力，同时将其加热到0.50.7 Tm温度；在压实的同 时消除粉末中的气体，提高挤压后坯件的致密度，加热也是获得高致密度不 可缺少的条件之一；热挤压控制的主要参数为：挤压比、加热温度、变形速 度、压力。 热挤压已经广泛应用于快速凝固的铝合金、铜合金和高温合金的成型。
1-包套，2-粉末，3-压头， 4-挤压坯件
快速凝固技术的历史
1960年，杜韦兹（Duwez）首先创立了一种新型合金的冶金技术 “枪” 式急冷凝固技术。该技术特点：设法将金属熔体分割成尺寸很小的熔滴， 减小熔滴体积和熔滴散热面积之比，从而使熔滴被冷却介质迅速冷却而凝 固。如杜韦兹制取Au-Si非晶态合金时，凝固的冷却速度高达106109K/s， 过冷度高达102K数量级，相应的凝固速度可达10102cm/s，这种冷却速 度、过冷度和凝固速度是常规凝固技术所无法达到的。 自从杜韦兹1960年创立快速凝固技术以来，这一技术已经不断完善和系统 化，并逐步由实验室研究转向商业生产。 快速凝固技术研究已经经历了三个发展阶段：1960年代的非晶态急冷合金 研究、1970年代的快速凝固晶态合金研究和1980年代以后的准晶态合金 研究。 自1973年以后，全世界每年与快速凝固技术或合金有关的论文数量呈指数上 升；到1985年，每年发表的有关论文已达1000余篇。 已经召开了6次急冷金属国际会议和3次快速凝固国际会议；1985年，快速 凝固学术期刊“Int. J Rapid Solidification”创刊
图2-28 激光表面熔化工艺示意图 1-激光束，2-聚焦点，3-保护气体，4-聚焦镜，5-工件，6-电机，7-旋转 盘
图2-29 电子束表面熔化工艺示意图 1-电子束，2-偏转线圈，3-工件，4-熔化区
图2-30 等离子体喷涂沉积工艺示意图 1-等离子态喷枪，2-粉末，3-惰性气体，4-熔滴，5-喷涂沉积层，6-工件 基体
1-石英管，2-惰性气体，3-薄带，4-喷嘴，5-熔体，6-熔池，7-辊轮，8-感应线圈
平面流铸法（PFC）
平面流铸工艺原理与熔体旋转 法基本相同，只是石英管喷 嘴的宽度与制成薄带的宽度 相同，喷嘴与辊面的间距更 小，约20100m（熔体旋 转法中喷嘴与辊面的间距约 为200m）。
1-石英管，2-辊轮，3-薄带
发生运动，从而固结成型。冲头的速度可达502000m/s。
1-压缩气体容器，2-阀门，3-冲头，4-发射管道，5-真空室，6-粉末坯件， 7-支架
热等静压（HIP）
热等静压需要一个模子 或包套，预先包住金 属粉末；热等静压分 三个阶段：第一阶段 为屈服，在0.4Tm下 进行，伴有普通的固 体流动；第二阶段为 幂函数规律的蠕变阶 段，在0.6Tm下进行； 第三阶段为扩散阶段， 在0.75Tm下进行。
双活塞法（Twin Piston Method）
小于1g的母合金在感应器1中 加热熔化，熔滴2下落；当 熔滴2挡住光电管的光束时， 光点线路启动纯铜双活塞 相对运动的驱动装置，使 活塞迅速收合，挤压熔滴， 使之凝固成薄片。
1-感应线圈，2-熔滴，3-活塞
熔体旋转法（Melt Spinning）
将母合金切成30mm的小 段或小块，再磨去氧化 皮，装入石英管1中；通 过感应器8迅速加热熔化 母合金；从石英管上端 通入氮气或惰性气体2， 金属熔体在压力下克服 表面张力，从石英管下 端的喷嘴4中喷到下方高 速旋转的辊轮7的表面； 当金属熔体与辊轮表面 接触时，迅速凝固，并 在离心力的作用下以薄 带的形式抛出。
电子束急冷淬火法（EBSO）
聚焦电子束2加热悬挂的 母合金棒的下端，熔化后 的母合金熔滴3在重力作 用下向下滴落，熔滴3滴 落在以母合金棒为轴心的 高速旋转的铜盘上，冷凝 成箔片，并在离心力的作 用下甩出。
1-母合金棒，2-电子束，3-熔滴，4-铜盘
熔体提取法（Melt Extraction）
图2-16 气体雾化Al-Li-Cu-Mg-Zr粉末颗粒的扫描电镜照片
图2-17 双流水雾化工艺示意图 1-合金熔体，2-水流，3-石英管
(a)
(b)
图2-18 双流水雾化金属粉末颗粒的扫描电镜照片 (a)Fe-1.9Ni-0.5Mo,(b)Cu
图2-19 超声气体雾化工作原理示意图 1-集粉罐，2-手动真空阀，3-旋风分离器，4-磁阀，5-雾化筒，6-窥测孔，7-高 频电源接线，8-坩埚，9-雾化喷嘴，10-抽真空和输气管道，11-热电偶，12塞杆
炸药
1-顶塞，2-底 塞，3-未压实 的粉末，4-炸 药，5-盖板， 6-冲模，7-冲 头，8-飞行盖 板
未压实的粉末
动压成型
采用压缩空气驱动压块（或冲头）高速冲击粉末，强大的冲击波使金属粉末 颗粒发生运动，从而固结成型。从真空室一侧通入迅速膨胀的高压气流时， 冲头在压力差下高速冲向粉末坯件，并产生脉冲冲击波，使金属粉末颗粒
熔体拖拉法（MD）
平面流铸法的不同之处 在于石英管位于辊轮的侧 面，近似与辊轮面相切； 母合金1在石英管2中快 速感应加热熔化；金属熔 体不靠气体压力流出，而 是靠重力作用自动流出， 并被紧靠喷嘴的旋转辊面 向上拖带，迅速冷却凝固， 从辊轮的另一面落下。
1-熔体，2-石英管，3-感应线圈，4-辊轮，5-薄带
图2-11 坩埚熔体提取工艺示意图 1-弧刷，2-旋转提取盘，3-母合金熔体，4-感应加热炉，5-纤维
图2-12 坩埚熔体提取工艺的熔体和提取轮交界区示意图
2.3.1.9 模冷技术的优缺点
雾化技术
金属熔体在上室的坩 埚中感应熔化，从坩 埚底部的小孔中流出， 在高压、高速雾化气 流的冲击下，金属熔 体经过线状、片状、 熔滴状三个阶段被逐 步分离雾化，并在气 流的冷却下凝固成粉 末；
通常采用粉末冶金的方法进行快速凝固材料的 预成型，常用的成型方法如下： 高能高压成型 冷变形固结 热变形固结 粉末直接成型 高压冷烧结
高能高压成型
爆炸成型的原理如图2-32所示。(a)图所示为径向爆炸法；引爆后膨胀的气 体对管壁产生很高的冲击压力，该冲击波继续沿管径方向传播，在粉末 柱体中心迭加后进一步增加了对粉末的压力，使粉末固结；(b)为盖板式 爆炸法；引爆产生的冲击波通过盖板传递给粉末；(c)为飞行盖板式爆炸 法；引爆产生的冲击波使飞行盖板突然下落，并冲击粉末坯件上方的冲 头，然后压实粉末。