快速凝固习题

1、试比较快速凝固技术和雾化制粉技术的异同

答：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。

雾化制粉是以快速运动的流体(雾化介质)冲击或以其他方式将金属或合金液体破碎为细小液滴，继之冷凝为固体粉末的粉末制取方法。雾化法是生产完全合金化粉末的最好方法，其产品称为预合金粉。

快速凝固具有凝固速度快，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。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。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。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。

而雾化技术这种粉的每个颗粒不仅具有与既定熔融合金完全相同的均匀化学成分，而且由于快速凝固作用而细化了结晶结构；消除了第二相的宏观偏析。雾化制粉法分“双流法”(以雾化介质流破碎合金液流)和“单流法”(以其他方式破碎合金液流)两大类。前者的雾化介质又分气体(氦、氲、氮、空气)和液体(水、油)；后者如离心雾化和溶气真空雾化。

2、试论金属热处理在快速凝固材料制备工艺中的应用

答：金属热处理是将金属工件放在一定的介质中加热到适宜的温度，并在此温度中保持一定时间后，又以不同速度冷却的一种工艺方法。快速凝固时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。其从液态到固态的冷却速度大于某一临界冷却速率。通过金属热处理可以控制金属相变的过程和速率，金属热处理在快速凝固材料制备

工艺中应用广泛，如快速凝固材料制备采用激光或电子束表面熔凝、大过冷凝固技术等。

激光熔凝技术中采用近于聚焦的激光束照射材料表面层，使其熔化，依靠向基材散热而自身冷却、快速凝固. 在熔凝层中形成的铸态组织非常细密，能使材料性能得到改善，增强材料表层的耐磨性和耐蚀性。激光超高温度梯度快速凝固中利用激光能量高度集中的特性，使它具备了在作为定向凝固热源时可能获得比现有定向凝固方法高得多的温度梯度的可能性。利用激光表面熔凝技术实现超高温度梯度快速定向凝固的关键是在激光熔池内获得与激光扫描速度方向一致的温度梯度，根据合金凝固特性选择适当的激光工艺参数，以获得胞晶组织。

电火花表面沉积技术是金属瞬间由高温冷却过程，金属表面不仅会因迅速淬火而形成马氏体，而且在狭窄的沉积过渡区还会得到超细奥氏体组织。该工艺具有沉积层与基体结合非常牢固、不会使工件退火或变形、设备简单及造价低等优点。大过冷快速凝固采用快速卸压淬火技术，快速卸压淬火是一种有效的新的快速凝固方法，在适当的初始温度和压力下对熔体快速卸压达到固化，由于不受材料自身的热传导性质的限制，因而可获得大块亚稳材料甚至非晶，实现了快速凝固的原理，并对亚稳相的产生及非晶化成因提供了热力学上的合理解释。大过冷凝固技术的特点是在熔体中形成尽可能接近均匀形核的凝固条件，从而在形核前获得大的过冷度。

3、分别阐述快速凝固技术中急速冷却和大过冷技术两种工艺的原理和实际应用

答：（1）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。因此对金属凝固而言，提高系统的冷却速度必须要求：第一，减少单位时间内金属凝固时所释放的热量；第二，提高凝固过程中的散热速度。又因常规铸造凝固是熔体在体积很大的铸模中同时凝固、热量不易迅速传出以及固态淬火主要是通过对流传热因而冷速不高，急冷凝固技术的基本原则是设法把熔体分成尺寸很小的部分，增大熔体与冷却介质接触的面积，并设法减小熔体与冷却介质的界面热阻。

急过冷凝固技术中根据熔体分离和冷却方式的不同，可以分为雾化技术、模冷技术和表面处理技术三大类。

(1)模冷技术是通过高热导率材料衬底上薄层熔体的快速冷却开始，使合金熔体中形成大的起始形核过冷度，从而实现高凝固速率。主要包括：枪法、活塞砧法、熔体旋转法、平面流铸造法、熔体拉拽法、电子束急冷淬火法、熔体提取法和急冷模法。

(2)雾化技术是使熔体在离心力、机械力或高速流体的冲击力等外力作用下，分散成尺寸极小的雾状熔滴，并使其在与流体或冷却模接触后迅速冷却凝固。具体分为：流体雾化法，离心雾化法和机械雾化法。

(3)表面处理技术是使待加工的材料或半成形、已成形的工件表面层实现快速凝固的技术。它适用于对表面性能有特殊要求的材料或工件。主要有表面熔化和表面喷涂沉积两类。

急冷凝固技术中获得高冷速的基本原则:（1）设法减少同一时刻凝固的熔体体积（2）设法增大熔体散热表面积与体积之比（3）设法减少熔体与热传导性能好的冷却介质的界面热阻（4）尽可能主要以传导方式散热

应用：急冷技术本是应用于高温裂解制乙烯等工艺，目的是快速终止反应，减少生焦等副反应的发生。随着原料重质化和催化裂化反应温度的不断升高，急冷技术也逐渐应用到催化裂化中，并且根据急冷剂注入位置的不同和对提升管反应器内反应苛刻度调节的不同，一般可分为两类。一类是急冷剂在提升管上部或末端注入，作为反应终止剂，减少干气等生成；一类是在提升管的中下部注入，作为调整反应程度和调节产品分布的一种手段。

（2）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。

应用：在悬浮熔炼装置上采用玻璃包熔及反复热循环处理工艺,可使Ni-25.3wt％sn亚共晶合金以较慢的冷却速度获得凝固前的大过冷熔体,其最高无量纲过冷度(θ=△AT/T_L)达到0.29。结果表明:随着过冷度的增加,枝晶间距大大细化,并且枝晶形态由树枝晶向非枝晶转变;随着离开试样表面的距离增加,其剖面组织中枝晶间距呈现明显的粗化,用X射线衍射分析表明:在大过冷熔体的凝固组织中存在着亚稳相Ni_4Sn。

4、试论快速凝固在制备高强铝合金方面的优势和不足之处

答：快速凝固工艺使材料的微观组织结构发生变化，与传统熔铸合金相比，其显微结构由细化的晶粒和极细小的一次沉淀颗粒组成，但是很多研究表明，在传统时效强化合金系中，采用快速凝固工艺经标准化的热处理之后并没有获得最佳的结果，从而减小了时效的作用，其原因主要是在晶界和亚晶界上发生了优先沉淀，使材料中存在大量的一次沉淀颗粒。由于快速凝固（RS）合金具有细小晶粒尺寸，