金属快速凝固理论及材料制备方法
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。
快速凝固技术概述
快速凝固技术国内外发展及其应用1.快速凝固技术国内外发展随着对金属凝固技术的重视和深入研究，形成了许多种控制凝固组织的方法，其中快速凝固已成为一种具有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，同时也成了凝固过程研究的一个特殊领域。
快速凝固的概念和技术源于20世纪60年代初Duwez等人的研究，他们发现某些共晶合金在平衡条件下本应生成双相混合物，但当液态合金以足够快的冷却速度凝固合金液滴被气体喷向冷却板时，则可能生成过饱和固溶体、非平衡晶体，更进一步生成非晶体。
上述结果稍后被许多研究结果所证实，而且由此发现一些材料具有超常的性能，如电磁、电热、强度和塑性等方面的性能，出现了用于电工、电子等方面的非晶材料。
20世纪70年代出现了用快速凝固技术处理的晶态材料，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与应用取得重大进展。
快速凝固技术是目前冶金工艺和金属材料专业的重要领域，也是研究开发新材料手段。
快速凝固一般指以大于105〜106K/S的冷却速率进行液相凝固成固相，是一种非平衡的凝固过程，通常生成亚稳相（非晶、准晶、微晶和纳米晶），使粉末和材料具有特殊的性能和用途。
由于凝固过程的快冷、起始形核过冷度大生长速率高,使固液界面偏离平衡，因而呈现出一系列与常规合金不同的组织和结构特征。
加快冷却速度和凝固速率所起的组织及结构特征可以近似地用图1来表示。
从上图我们不难看出，随着冷却速度的加快，材料的组织及结构发生着显著的变化，可以肯定地说，它也将带来性能上的显著变租1］。
快速凝固技术得到的合金具有超细的晶粒度，无偏析或少偏析的微晶组织，形成新的亚稳相和高的点缺陷密度等与常规合金不同的组织和结构特征。
实现快速凝固的三种途径包括：动力学急冷法；热力学深过冷法；快速定向凝固法。
由于凝固过程的快冷，起始形核过冷度大，生长速率高，使固液界面偏离平衡，因而呈现出一系列与常规合金不同的组织和结构特征。
金属材料的先进制备技术
1.2 材料加工技术
材料加工技术的总体发展趋势 过程综合、技术综合、学科综合； 性能设计与工艺设计的一体化（第五次革命）； 在材料设计、制备、成形、处理的全过程中对材料 的组织性能利形状尺寸进行精确控制（计算机仿真、 数据库）。
全属材料加工技术的主要发展方向
常规材料加工工艺的短流程化和高效化 发展先进的成形加工技术，实现组织与性能的精确控制 材料设计(包括成分设计性、性能设计与工艺设计)、制备与 成形加工一体化 开发新型制备与成形加工技术，发展新材料和新制品 发展计算机数值模拟与过程仿真技术，构筑完善的材料数据 库 材料的智能制各与成形加工技术
第二章 快速凝固
2.1 概述 2.2 实现快速凝固的条件 2.3 线材快速凝固成形 2.4 带材快速凝固成形 2.5 体材快速凝固成形
2.1 概述
当液态合金以足够快的冷却速度凝固时，则 可能生成过饱和固溶体、非平衡晶体、非晶 体。 大型铸件的冷却速度约0.001—0.1 K／s；特 薄压铸件的冷却速度 100 K／s,快速凝固过程 的冷却速度可高达 10^6-10^9 K／s。
全属材料加工技术的主要发展方向材料设计包括成分设计性性能设计与工艺设计制备与成形加工一体化材料的智能制各与成形加工技术第二章快速凝固21概述22实现快速凝固的条件23线材快速凝固成形24带材快速凝固成形25体材快速凝固成形21概述当液态合金以足够快的冷却速度凝固时则可能生成过饱和固溶体非平衡晶体非晶薄压铸件的冷却速度100ks快速凝固过程的冷却速度可高达106109形成非晶态
金属材料的先进制备技术 （金属材料加工新技术新工艺）
何宜柱 安徽工业大学 材料科学与工程学院
第一章： 绪论
1.1 材料与材料技术 1.2 材料加工技术
金属材料制备工艺
金属材料制备工艺一、引言金属材料是工业生产中应用广泛的材料之一，其制备工艺对材料的性能和质量具有重要影响。
本文将介绍金属材料制备的一般工艺流程及常见的制备方法。
二、金属材料制备工艺流程金属材料的制备工艺一般包括原料准备、熔炼、铸造、加热处理和成形等环节。
1. 原料准备金属材料的原料通常是金属矿石或金属化合物。
在原料准备环节，需要对原料进行选矿、破碎、粉碎等处理，以获得具备一定纯度和颗粒度的原料。
2. 熔炼熔炼是将金属原料加热至熔点并使其熔化的过程。
常用的熔炼方法包括电弧炉熔炼、电感炉熔炼、氩弧熔炼等。
通过熔炼，可以得到液态金属。
3. 铸造铸造是将熔融金属倒入预先准备好的铸型中，并使其冷却凝固，获得所需形状的金属制品。
铸造方法主要包括砂型铸造、金属型铸造、压铸等。
铸造工艺的选择与所需制品的形状、尺寸和性能要求密切相关。
4. 加热处理加热处理是指对铸件或其他金属制品进行加热和冷却处理，以改变其组织结构和性能。
常用的加热处理方法有退火、淬火、正火等。
加热处理可以提高金属制品的硬度、强度、耐磨性等性能。
5. 成形成形是通过机械加工或其他方法将金属材料加工成所需形状和尺寸的工艺。
常见的成形方法有锻造、轧制、拉伸、冲压等。
成形工艺可以进一步改善金属材料的性能，并满足不同应用的需求。
三、常见的金属材料制备方法除了一般的工艺流程外，金属材料的制备还有一些特殊的方法和技术。
1. 粉末冶金粉末冶金是指利用金属粉末作为原料，通过混合、压制和烧结等工艺制备金属制品的方法。
粉末冶金可以制备出具有特殊形状和复杂结构的金属制品，并具有较高的密度和机械性能。
2. 电化学方法电化学方法是利用电解池中的电流和电解质溶液对金属进行电解、沉积或溶解的方法。
通过电化学方法可以制备出具有高纯度、均匀性好的金属材料。
3. 薄膜制备薄膜制备是一种制备薄膜材料的方法，常用于制备金属薄膜、合金薄膜等。
常见的薄膜制备方法有物理气相沉积、化学气相沉积、溅射沉积等。
非晶态合金的一种制备方法
非晶态合金的一种制备方法非晶态合金是指具有非晶态结构的金属合金。
与晶体结构的金属合金相比，非晶态合金具有具有更高的硬度、强度和韧性，以及优异的阻尼特性和导电性。
非晶态合金制备方法主要有快速凝固法、化学合成法、机械合金化法以及溶液淬火法等。
以下将详细介绍这些制备方法。
1. 快速凝固法:快速凝固法是制备非晶态合金最常用的方法之一。
该方法在金属熔体状态下，通过快速冷却将熔体迅速凝固成非晶态结构的固体。
常用的快速凝固方法包括水淬法、微滴法以及薄带法等。
其中，水淬法是最常用的方法之一，其原理是将熔融金属注入到冷却剂中，迅速冷却凝固成非晶态合金。
这种方法可以制备出具有高度非晶态结构的合金，但是需要对冷却速度进行精确控制。
2. 化学合成法:化学合成法是通过化学反应来制备非晶态合金。
这种方法通常使用金属有机前体与其他化合物反应生成非晶态合金。
例如，通过气相沉积法，可以将金属有机前体在高温条件下分解成金属原子，然后与其他气体反应生成非晶态合金。
这种方法可以控制合金的化学组成和结构，可以制备出多种不同的非晶态合金。
3. 机械合金化法:机械合金化法是通过机械力的作用来制备非晶态合金。
这种方法通常使用高能球磨、挤压、冲击等机械力对金属粉末进行处理。
机械合金化的原理是通过机械力使金属粉末发生变形、断裂和重新结合，形成非晶态和纳米晶态结构的合金。
机械合金化法制备非晶态合金具有简单、可扩展性好的特点。
4. 溶液淬火法:溶液淬火法是将金属合金在高温状态下快速冷却至低温，制备非晶态合金。
在溶液淬火法中，液体金属合金先加热至高温状态，然后迅速浸入低温淬冷液体中，使其迅速冷却凝固为非晶态合金。
该方法需要对淬冷温度和淬冷液体进行精确控制，可以制备出高度非晶态结构的合金。
总的来说，制备非晶态合金的方法有快速凝固法、化学合成法、机械合金化法以及溶液淬火法等。
这些方法各有优缺点，选择合适的制备方法要根据具体的要求和实际情况来确定。
非晶态合金的制备方法的研究和应用将为制备高性能材料和开发新颖器件提供重要的技术支持。
非晶态金属材料的制备与应用
非晶态金属材料的制备与应用随着科技的不断发展，材料科学也得到了前所未有的重视。
其中，非晶态金属材料备受关注。
非晶态金属材料是指在快速冷却过程中，金属原子没有充分结晶，而是形成了无序、非晶态的固体材料。
这种材料具有独特的物理、化学、力学等性能，广泛应用于电子、光电、航空航天等领域。
一、非晶态金属材料制备方法1. 快速凝固方法：将高温熔体在高速冷却下凝固成为非晶态金属材料。
其中，熔滴喷射法、液滴冷却法、铸锭淬火法等是常见的快速凝固方法。
2. 离子束淀积法：将阳极金属放置在真空中，通过高能度的离子束轰击阳极金属表面，使金属原子在表面上沉积成一层薄膜。
这种方法可以制备出精细的非晶态材料薄膜。
3. 分子束外延法：将单质金属放在真空中，用分子束加热金属，使其在晶体衬底上沉积成非晶态金属薄膜，具有高结晶度和晶格匹配度。
二、非晶态金属材料的特点和性能1. 特点：非晶态金属材料具有高硬度、高强度、高韧性、高耐腐蚀性、高磁导率、高电导率等特点。
2. 应用：非晶态金属材料可以广泛应用于电子、光电、航空航天、生物医药等领域。
其中，最具有应用价值的是高强度、高韧性的非晶态金属合金。
(1) 电子领域：非晶态金属材料可以制备出高效、高速的微电子器件，应用于电容、电感、电阻等器件，并可制备出高性能的磁存储器件。
(2) 光电领域：非晶态金属材料可以制备出高效、高速的光电器件，应用于半导体太阳能电池、LED光源、光波导等领域。
(3) 航空航天领域：非晶态金属材料具有高强度、高韧性、高耐腐蚀性等特点，可以制备出高性能的航空航天用材料，如飞机发动机涡轮叶片、航天器超高温材料等。
(4) 生物医药领域：非晶态金属材料具有良好的生物相容性和生物安全性，可以应用于制备医用合金、植入物等。
三、非晶态金属材料未来的发展方向1. 优化制备技术，提高制备效率和品质：尽管现在已经可以用多种方法制备非晶态金属材料，但是制备过程中还存在一些问题，如制备效率低、制备出的样品杂质多等问题。
快速凝固技术
快速凝固技术摘要本文主要通过对快速凝固的发展及现象分析了快速凝固的一些基本原理，阐述了快速凝固的实现途径及快速凝固的一些方法，然后从快速凝固的原理出分，简单介绍了凝固技术在非晶制备过程中的应用。
关键字：快速凝固非晶合金凝固原理1.引言在金属凝固过程中，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。
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.快速凝固简述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。
非晶态金属的制备和应用
非晶态金属的制备和应用金属是一个非常重要的材料，在工业领域扮演着重要的角色。
在过去，金属通常是以晶体的形式出现，然而随着材料科学的发展，非晶态金属逐渐进入人们的视线。
本文将详细介绍非晶态金属的制备和应用。
一、非晶态金属的制备非晶态金属是指金属经过快速冷却（约1百万℃/s）而形成的非晶体。
常见的非晶态金属有Fe-Cr-Mo-C-B系、Ni-Nb-Zr系、Zr-Al-Ni-Cu系等。
这些金属由于其特殊的物理、化学性质，在很多领域都有着广阔的应用前景。
制备非晶态金属的方法有多种，下面列举几种常见的方法：1. 快速凝固法快速凝固法是制备非晶态金属最常用的方法之一，其原理是通过使金属在短时间内迅速冷却，使其在短时间内达到非晶态的状态。
常用的快速凝固方法有单滚轮快速凝固、双滚轮快速凝固、水淬等。
2. 溅射法溅射法是一种利用离子轰击固体材料表面，使其表面材料离开并附着在其他物质表面的方法，其中就包括了非晶态金属。
溅射法制备非晶态金属需要在高真空环境下进行，并在物质表面施加高强度电场或磁场，当材料表面原子被轰击后，由于其较小的表面流动能，往往会形成非晶态结构。
3. 湿化学合成法湿化学合成法是利用溶液中的金属离子，在有机分子的模板作用下通过还原和自组装形成非晶态金属。
该方法具有简便、费用低、适应范围广等优点。
二、非晶态金属的应用非晶态金属在许多领域都有广泛的应用，本文只列举几个应用领域。
1. 功能材料非晶态金属的高硬度、高强度、高韧性等性质，使其成为优秀的功能材料。
其应用领域包括磁性材料、电化学电池、导体、热障涂层等等。
2. 生物医学领域非晶态金属在生物医学领域中应用广泛。
由于其生物相容性好、耐腐蚀性强等优点，在人工骨、人工关节、牙科材料等方面有很大的应用前景。
另外非晶态金属还可以用于生物传感材料。
3. 新能源领域非晶态金属还可以在新能源领域得到广泛应用，如在太阳能电池中作为加工材料，使其具有更高的光转换效率。
此外在锂离子电池领域中，非晶态金属也有所应用。
快速凝固技术工艺方法
快速凝固技术工艺方法快速凝固技术工艺方法是一种通过控制物质的凝固速度来改变物质的微观结构和性质的方法。
下面将介绍几种常用的快速凝固技术工艺方法。
首先是激光熔凝法。
该方法利用高功率激光束将物质加热至高温，然后迅速冷却，使物质迅速凝固。
这种方法可以制备出具有细小晶粒和均匀相分布的材料，具有优异的力学性能和耐磨性。
其次是快速凝固法。
该方法利用高速冷却技术，使物质从液态迅速转变为固态。
常用的快速凝固方法包括溅射法、电顶尖消失法和单一晶体法等。
这些方法可以制备出具有均匀化学成分和非晶或纳米晶结构的材料，具有优异的导磁性和耐腐蚀性。
另外还有凝胶燃烧法。
该方法利用溶胶-凝胶反应，在胶体溶液中混合可燃物质和氧化剂，然后通过点火使反应迅速进行，并产生凝胶燃烧，最终形成固态制品。
这种方法可以制备出具有高比表面积和多孔结构的材料，具有良好的吸附性能和催化性能。
最后是高速压凝法。
该方法利用高速冲击或高压力加载材料，使其迅速凝固。
高速压凝法可以制备出具有均匀结构和高致密度的材料，具有优异的力学性能和热学性能。
以上是几种常用的快速凝固技术工艺方法，它们在材料制备和性能改善方面具有广泛的应用前景。
随着科学技术的不断进步，相信快速凝固技术工艺方法将会有更多的创新和发展。
继续上文，我们将介绍更多相关的内容，详述快速凝固技术工艺方法的应用和其对材料性能的影响。
快速凝固技术工艺方法在材料制备领域具有广泛应用。
例如，快速凝固法广泛应用于制备非晶合金和纳米晶材料。
非晶合金是由于凝固速度非常快而导致材料形成非晶状态，具有高硬度、高弹性模量和良好的韧性等优点，因此广泛用于高强度结构材料和催化剂等领域。
纳米晶材料通过快速凝固方法，可以制备出具有纳米尺寸晶粒的材料，具有较高的强度、硬度和塑性等特性，适用于高性能电子器件和高精度机械元件。
另外，快速凝固技术工艺方法在材料改性方面也发挥重要作用。
快速凝固技术可以通过调控凝固速度和固液界面特性来改变材料的晶体结构、晶粒尺寸和相分布等，从而改善材料的性能。
金属凝固原理--第八章快速凝固
13
§6.1 引言 快速凝固：在极快的冷却速率下完成由液相到固相的相变过 程，从而获得常规凝固方法所无法得到的合金成分、相组成 和显微结构。
获得独特的微观组织、结构特征
所制备材料具有优异的使用性能 （如：力学、物理、化学性能等）
14
§6.1 引言 三. 本章学习内容
（1）
（2）
（3）
（4）
快
速
快速凝固 快速凝固 快速凝固
快速凝固
凝
原理、技术 热力学与 显微结构 晶态(微/纳米晶)
固
及 传热特点
动力学
特征
准晶/非晶 材料及应用
15
§6.2 快速凝固原理、技术及其传热特点—快速凝固原理
快速凝固的内涵
定义1：从液态到固态的冷却速度大于某一临界冷却速率的 凝固过程（103 K/s）。
定义2：由液相到固相的相变过程进行得非常快，从而获得 普通铸件和铸锭无法获得的成分、相结构和显微结构的凝固 过程。
27
§6.2 快速凝固原理、技术及其传热特点—快速凝固技术
02
急冷凝固技术—雾化技术—雾化法
基本原理：以水、气作为冷却介质（水雾化 /气雾化），冲击金属流，冷却速率可达104～ 107 K/s 。
特点：（1）可以大批量生产预合金粉末； （2）粉体可以通过各种不同的固结方法（粉 末冶金方法）加工成块体坯料或成形零件。
§6.6 非晶态合金
3
§6.1 引言
普通凝固过程存在的问题：
冷却速度慢 凝固速度小
常规工艺下金属的冷却速度一般不会超过102 ℃/S
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
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。
快速凝固理论及材料制备方法
对于深过冷熔体，其凝固过程不受外部散热条件所控制，生 长速度可以达到甚至超过激冷凝固过程中的晶体生长速度。熔 体深过冷却获得，理论上不受液态金属体积限制。因此，深过冷 是实现三维大体积液态金属快速凝固最为有效的途径。
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应用技术
周书和，刘 明，孙占红，迟志艳：金属快速凝固理论及材料制备方法
（3）扩大固溶极限。过饱和固溶快速凝固可显著扩大溶质元
素的固溶极限。因此既可以通过保持高度过饱和固溶以增加固
溶强化作用，也可以使固溶元素随后析出，提高其沉淀强化作
用。
（4）快速凝固可导致非平衡相结构产生。包括新相和扩大已
坠T（x，t） 坠x
其中 τ 为弛豫时间，λ 为热导率，q 为热流密度。
1.1.2 激光加热过程中金属的非 Fourier 传热与相变的数学
考虑一有限厚度的金属平板被脉冲激光加热熔凝，采用非
Fourier 传热模型时控制方程为：
1 c2
坠2T 坠t2
+
1 α
坠T 坠t
=
坠2T 坠x2
+
1 λ
g（x，t）+
3 结论
快速凝固过程中，冷却速度大大超过一般的凝固过程，传统 的传热学模型已经不适合，需要考虑导热系数和弛豫时间等因 素的作用。快速凝固技术的主要分为是动力学急冷、热力学急冷 以及快速定向凝固法，根据相应的基本理论，发展出了许多能制 备出性能优良非平衡凝固材料的快速凝固技术。
Metal Rapid Solidification Theory and Manufacturing Technique
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。
一种新的快速凝固技术及其应用
一种新的快速凝固技术及其应用
快速凝固技术是一种新型的材料制备技术，它可以在极短的时间内将液态材料迅速凝固成固态材料。
这种技术的应用范围非常广泛，可以用于制备各种材料，如金属、陶瓷、聚合物等。
本文将介绍快速凝固技术的原理、优点以及应用。
快速凝固技术的原理是利用高速冷却的方法将液态材料迅速凝固成固态材料。
这种方法可以使材料的晶粒尺寸变小，从而提高材料的强度和硬度。
同时，快速凝固技术还可以避免材料中的缺陷和气孔的形成，从而提高材料的质量。
快速凝固技术的优点是制备速度快、成本低、材料质量高。
与传统的制备方法相比，快速凝固技术可以大大缩短制备时间，从而提高生产效率。
同时，由于快速凝固技术可以避免材料中的缺陷和气孔的形成，所以制备出的材料质量更加稳定和可靠。
快速凝固技术的应用非常广泛。
在金属材料方面，快速凝固技术可以用于制备高强度、高硬度的合金材料，如钢、铝合金等。
在陶瓷材料方面，快速凝固技术可以用于制备高性能的陶瓷材料，如氧化铝、氮化硅等。
在聚合物材料方面，快速凝固技术可以用于制备高分子材料，如聚酰亚胺、聚酰胺等。
快速凝固技术是一种非常有前途的材料制备技术，它可以大大提高
材料的性能和质量，同时也可以缩短制备时间和降低成本。
随着技术的不断发展，相信快速凝固技术将会在各个领域得到更广泛的应用。
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应用技术
（3 ） 扩大固溶极限。过饱和固溶快速凝固可显著扩大溶质元 素的固溶极限。因此既可以通过保持高度过饱和固溶以增加固 溶强化作用，也可以使固溶元素随后析出，提高其沉淀强化作 用。 （4 ） 快速凝固可导致非平衡相结构产生。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 璃态的转变温度 Tg （Tg/TM>0.5 ） ， 这样就可能失去长程有序结构， 而成为玻璃态或称非晶态。 （6 ） 高的点缺陷密度。固态金属中点缺陷密度随着温度的上 升而增大， 其关系式为： C=exp(- QF/RT) 式中， C 为点缺陷密度， QF 为摩尔缺陷形成能。金属熔化以 后， 由于原子有序程度的突然降低， 液态金属中的点缺陷密度要 比固态金属高很多， 在快速凝固过程中， 由于温度的骤然下降而 无法恢复到正常的平衡状态， 则会较多的保留在固态金属中， 造 成了高的点缺陷密度。 2.2 快速凝固技术的主要方法 2.2.1 动力学急冷快速凝固技术 模冷 根据熔体分离和冷却方式的不同， 可以分为雾化技术 、 技术和表面熔化及沉淀技术三大类。①模冷技术。主要包括： 枪 法、 双活塞法 、 熔体旋转法 、 平面流铸造法 、 电子束急冷淬火法 、 熔体提取法和急冷模法。 ②雾化技术。 具体分为： 流体雾化法、 离 ③表面熔化与沉积技术。 主要有离子体 心雾化法和机械雾化法。 喷涂沉积法和激光表面重熔法两种。 动力学急冷快速凝固技术简称熔体急冷技术，其原理可以 概括为：设法减小同一时刻凝固的熔体体积与其散热表面积之 比，并设法减小熔体与热传导性能很好的冷却介质的界面热阻 增大 以及主要通过传导的方式散热。通过提高铸型的导热能力， 热流的导出速率可以使凝固界面快速推进， 从而实现快速凝固 。 在忽略液相过热的条件下，单向凝固速率 R 取决于固相中的温 度梯度 ΔTTS， · ΔTTS 即： R= λs Ps · Δh 式中： λs:固相热导率； Δh:凝固潜热； Ps:固相密度； ΔTTS： 温度梯度， 由凝固层的厚度 δ 和铸件与铸型的 界面温度 Ti 决定。 对凝固层内的温度分布作线性近似， 可得： λ s · Δ T T -T TS R= （ k i） Ps · Δh δ 式中： TK： 凝固界面温度。 在应用熔体急冷凝固技术的各种方法时，熔体的传热过程 是： 固液界面前沿熔体的温度 TL>0， 而已凝固的固相一侧的温度 梯度 ΔTs<0，因而过热熔体的热能和熔化潜热只能通过固相向 环境释放， 这时热流方向与固 、 液界面移动的方向相反， 因而这
ωC= V + 2Dψ
， ωL= V + 2α L
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V +ω 2α ψ 姨ψ
2 L
2
，
ωS= V + 2αS
V +ω 2α ψ 姨ψ
S
2 ， ψ=1- V2 CD
2
快速凝固技术概述
快速凝固技术一般指以大于 105 K/s~106 K/s 的冷却速率进 行液相凝固成固相， 是一种非平衡的凝固过程， 通常生成亚稳相 (非晶、 准晶、 微晶和纳米晶)， 使粉末和材料具有特殊的性能和用 途。快速凝固技术得到的合金具有超细的晶粒度， 无偏析或少偏 析的微晶组织， 形成新的亚稳相和高的点缺陷密度等与常规合金 不同的组织和结构特征。实现快速凝固的 3 种途径包括： 动力学 急冷法； 热力学深过冷法； 快速定向凝固法 。由于凝固过程的快 冷， 起始形核过冷度大， 生长速率高， 使固液界面偏离平衡， 因而 呈现出一系列与常规合金不同的组织和结构特征。 2.1 快速凝固材料的主要组织特征 （1 ） 细化凝固组织， 使晶粒细化。 结晶过程是一个不断形核和 晶核不断长大的过程。随凝固速度增加和过冷度加深， 可能萌生 出更多的晶核， 而生长的时间极短， 致使某些合金的晶粒度可细 化到 0.1 μm 以下。 （2 ） 减小偏析。 很多快速凝固合金仍为树枝晶结构， 但枝晶臂 从而 间距可能有 0.25 μm。在某些合金中可能发生平面型凝固， 获得完全均匀的显微结构。
2 2
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考虑弛豫效应的快速凝固的部分理论模型
经典的过冷熔体枝晶生长模型虽然考虑界面局域非平衡， 但它们假设界面前沿液相扩散场局域平衡，并在空间分布上保 持连续。这意味着液相中的溶质扩散满足菲克扩散定律支持的 抛物线型传输方程。事实上，上述模型只有在界面生长速度 V< 溶质扩散速度 VD 条件下才绝对成立。随过冷度增加， 结晶驱动 液相中的扩散场将远 力增加， 生长速度迅速增加， 当 V≈VD 时， 离局域平衡，溶质浓度和溶质通量严重偏离局域平衡理论的预 测值， 局域平衡假设不再成立， 因而造成溶质扩散场的弛豫效应 便不可忽略。 1.1 非 Fourier 的传热传质模型 在金属快速凝固研究中，传热模型是沿用传统传热学理论 相应热传导方 及方法导出的， 其理论基础为经典的 Fourier 定律， 程为如下抛物线型(PHC)偏微分方程。然而， 在接近绝对零度和超 急速传热条件下， 热量以热波形式传递， 热传导不符合经典 Fouri考虑热传导系数和弛豫时间而提出的方程归并成一类， 称 er 定律。 作 Cattaneo- Vernotte 方程或双曲线型 （HHC ） 。金属快速凝固时冷 却速度可达到 106 K/s~109 K/s 甚至更高，已经到了超急速传热的 范畴，而金属的非 Fourier 热传导弛豫时间一般为 109 s~l011 s。因 杨院生 此， 非 Fourier 热传导模式将对快速凝固过程有一定影响。 等基于 Cattaneo- Vernotte 热传导方程和相变动力学方程， 对在溅 射激冷和激光熔凝条件下的金属快速凝固，建立起非 Fourier 的 传热传质模型并进行了数值求解。 1.1.1 金属溅射激冷过程中的非 Fourier 传热与相变数学模型 单辊激冷制备薄带是典型的溅射激冷过程 。当作以下假设 时， 热传导简化为一维非稳态热传导问题， 即 :液滴内无温度梯 度， 熔体稳态流动； 忽略与辊轮表面平行方向的传热； 固液界面 存在局部热力学平衡； 熔体与辊轮表面间无相对滑动。 采用 Cattaneo- Vernotte 方程时， 热传导方程如下： 坠 q （ x ， t ） 坠 T （ x ， t ） τ +q （x， t ） =-λ 坠t 坠x 其中 τ 为弛豫时间， λ 为热导率， q 为热流密度。 1.1.2 激光加热过程中金属的非 Fourier 传热与相变的数学
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结论
快速凝固过程中， 冷却速度大大超过一般的凝固过程， 传统 的传热学模型已经不适合，需要考虑导热系数和弛豫时间等因 素的作用。快速凝固技术的主要分为是动力学急冷、许多能制 备出性能优良非平衡凝固材料的快速凝固技术。
Metal Rapid Solidification Theory and Manufacturing Technique
科学之友
Friend of S cience Amateurs
2009 年05 月(14)
B
金属快速凝固理论及材料制备方法
周书和 1， 刘
（1.装甲兵技术学院，吉林 长春
明 1， 孙占红 1， 迟志艳 2
130117；2.海军飞行学院，辽宁 葫芦岛 125001 ）
摘 要： 快速凝固技术是近年来得到广泛发展和应用的新型材料的制备技术， 其特点是具 有较高的冷却速率和明显的非平衡效应， 文章讨论了金属非平衡凝固过程的原理与方法， 并对非平衡凝固技术在制备新材料中的应用作详细介绍。 关键词：快速凝固； 凝固技术； 弛豫效应； 非平衡模型 中图分类号： TG111.4 文献标识码： A 文章编号： 1000- 8136(2009)14- 0029- 02 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，快速 凝固非平衡材料技术及快速凝固理论研究是当今材料科学与工 程及凝聚态物理国际前沿重要热点研究领域之一。 考虑一有限厚度的金属平板被脉冲激光加热熔凝，采用非 Fourier 传热模型时控制方程为： 1 坠2T + 1 坠T = 坠2T + 1 g （x， t ） + α2 坠g c 坠t c2 坠t2 α 坠t 坠x2 λ 式中， c 为热波传递速度， α 为导热系数 1.2 非平衡凝固条件下耦合弛豫效应的 M- S 理论 M- S 理论即为线性稳定性理论，王海丰等将弛豫效应引入 M- S 理论中，结合界面处温度与浓度的耦合关系所构成的边界 条件， 证明动力学的影响是不能忽略的。通过考虑非平衡条件下 同界面移动速率相关的液相线斜率 m， 最终得到非平衡凝固条件 下平界面生长的稳定性判据。 -Γω2-K S LS ξS-K LGL ξL+m （V ） GC ξC=0， V<VD， - Γω2- K S GS ξS- K L GL ξL=0， V≥VD， 其中 ξC= ωC-V/Dψ ， ξL= ωL-V/αL ， ξS= ωL-V/αS ， ωC-V （1-k ） /Dψ K SωS+K LωL K SωS+K LωL V +ω 2Dψ ψ ψ 姨ψ