快速凝固(2014)

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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。

快速凝固技术

快速凝固技术
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

快速凝固技术

快速凝固技术的研究进展摘要：快速凝固技术是当材料科学与工程中研究比较活跃的领域之一，目前已成为一种金属材料潜在性能与开发新材料的重要手段。

快速凝固技术得到的合金与常规合金有着不同的组织和结构特征，对材料科学和其它学科的理论研究以及开展实际生产应用起了重要的作用。

介绍了快速凝固技术的原理和特点、主要方法和在实际中的应用和存在的问题。

关键词：快速凝固技术；合金；应用；存在问题1 引言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[1]。

过去常规铸造合金之所以会出现晶粒粗大，偏析严重、铸造性能差等缺陷的主要原因是合金凝固时的过冷度和凝固速度很小，这是由于它们凝固时的冷速很小而引起的。

要消除铸造合金存在的这些缺陷，突破研制新型合金的障碍，核心是要提高熔体凝固时的过冷度，从而提高凝固速度，因此出现了快速凝固技术。

目前，快速凝固技术作为一种研制新型合金材料的技术已开始研究了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。

着重于大的温度梯度和快的凝固速度的快速凝固技术，正在走向逐步完善的阶段。

2 快速凝固技术1960年美国的Duwez等用铜辊快淬法，首次使液态合金在大于107K/S的冷却速度下凝固，在Cu—Si合金中发现了无限固溶的连续固溶体；在Ag—Ge合金中出现新的亚稳相；在Au—Si合金中形成非晶结构。

在快速冷却所形成的亚稳结晶组织中，出现了一系列前所未见的重要的结构特征，表现出各种各样比常规合金优异的使用性能[2]。

此后，快速凝固技术和理论得到迅速发展，成为材料科学与工程研究的一个热点。

快速凝固是指通过对合金熔体的快速冷却(≥104～106 K/s)或非均质形核被遏制，使合金在很大过冷度下，发生高生长速率(≥1～100 cm/s)凝固[3]。

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

快速凝固

实现快速凝固的两个基本条件是：
（1）金属熔液必须被分散成液流或液滴，而且至少在一个方向上的尺寸极小，以便散热；
（2）必须有能带走热量的冷却介质。
满足上述条件的途径各有三条：熔液可分散成细小液滴、接近圆形断面的细流或极薄的矩形断面液流；散热冷却可借助于气体、液体或固体表面。几乎所有实际的快速凝固工艺都遵循这些途径。图2给出了它们之间的组合，以构成快速凝固生产工艺。其中七种组合是切实可行的工艺。只有薄带状液流与液体和气体冷却介质的组合没有成功，因为在快速流动的流体中要使液流保持矩形断面是极其困难的。
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 (XSi=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。
快速定向凝固固液界面稳定性理论
Chalmers等在成分过冷理论中指出，定向凝固过程中固液界面形态由G1/R值决定，当G1/RФΔT0/D1时，为平面状界面;当G1/R值逐渐减小时，平界面失稳，逐渐发展为胞状至树枝状和等轴晶。上式中：G1为固液界面前沿液相中的温度梯度，R为凝固速度，ΔT0为结晶温度间隔，D1液相扩散系数。快速凝固新领域的出现，发现上述理论已不能适用。因为快速凝固时，R值很大，按成分过冷理论G1/R值愈来愈小，更应出现树枝晶，但实际情况是快速凝固后，固液界面反而稳定起来产生无特征无偏析的组织，得到成分均匀的果已知凝固过冷度ΔT，可以根据经验公式牶R=A(ΔT2求出R，式中A是与合金成分有关的常数。如果假设凝固长大动力学过程近似是线性的，则上式还可以近似为R=m(ΔT。

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。

快速凝固技术论文

快速凝固技术摘要：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。

过去对凝固过程的模拟考虑了在熔融状态下的热传导和凝固过程潜热的释放，不考虑金属在型腔内必然存在的流动以及金属在凝固过程中存在的流动。

目前快速凝固技术作为一种研制新型合金材料的技术已开始研究了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。

着重于大的温度梯度和快的凝固速度的快速凝固技术，正在走向逐步完善的阶段。

快速凝固技术一般指以大于105K/s-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。

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。

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。

关键词：快速凝固理论研究组织特征快速凝固方法引言：随着科学技术的发展，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。

过去对凝固过程的模拟考虑了在熔融状态下的热传导和凝固过程潜热的释放, 不考虑金属在型腔内必然存在的流动以及金属在凝固过程中存在的流动。

一凝固过程理论研究凝固过程中固液界面形态稳定性理论成分过冷理论成分过冷理论起源于凝固过程中溶质原子在固液界面上的富集。

这种富集的结果是在距固液界面前沿的液相中不同的距离内具有不同的溶质浓度，可由式表示。

快速凝固(2014)

术
玻璃体包裹法、嵌入熔体法（二相区法）、电磁悬浮熔体法
快速凝固技术的基本原理
急冷凝固技术（Rapidly Quenching Technology, RQT）亚稳程度，即偏离平衡态的程度，受限于冷却速度
➢欲获高的冷速，需满足两个基本条件 ①减少单位时间内金属凝固时产生的熔化潜热 ②必须有能带走热的冷却介质，提高凝固过程中传热速率
有人认为 T 102 ~ 104 k / s 有人认为 T 105 k / s
然而，几乎所有有关冷速的数据都十分相近，原因在于：很少直接测量，都是通过测凝固后枝晶臂间距后估算出来的
因此，有人将快速凝固定义为: 由液相到固相的冷却速率相当快，从而获得了传统铸件或铸锭冷却条件下所不能获得的成分、相结构或显微结构
➢应用：高合金钢、铝合金、超合金、钛合金等（活泼金属粉末采用惰性气体雾化）
粉末多成球形。凝固冷速取决于颗粒尺寸和雾化介质的类型，通常，尺寸愈小，气体愈轻，冷速愈高
水雾化法（Water Atomization）
➢以水射流代替气体射流外，其余与气体雾化相似
➢颗粒多呈不规则形，但冷速可达102-104K/s
其它雾化技术
真空雾化法（Vacuum Atomization）:又称可溶气体雾化
➢坩埚内液态金属在压力下过饱和溶解气体（氮、氩、氢等），突然向真空开放，气体膨胀，脱溶，金属雾化
➢用氢雾化Ｎｉ、Ｃｕ、Ｃo、Ｆｅ和Ａｌ基合金，粉末多呈球形，表面洁净，纯度高，但冷速低，～１０２Ｋ／ｓ
➢而冷却速度取决于对流、辐射、传导等的导热速率 ➢在理想冷却过程中， dT/dt=104z
式中dT/dt—凝固速度，z—截面厚度 ➢故熔化金属必须被分散，至少一维方向上足够小，具有大比表面积，而且最大程度地增加熔体与冷却介质之间的接触，以减小热阻，利于散热

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（耳~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。

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。

2.3 快速凝固技术

T = L C
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

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

快速凝固课件

三、快速凝固显微组织
一、显微结构特征
加快冷却速度和凝固速率所引起的组织及结构特征可以非常近似地用图6-19来表示。
在过冷不断加深的过程中，合金的组织及结构主要发生的新变化为： 1、扩大了固溶极限
表中汇集了快速凝固的铝合金中所达到的溶质固溶量数据。在诸如Al—Cu、Al—Si、Al—Mg等合金中，所达到的固溶量不仅大大超过了最大的平衡固溶极限，并且超过了平衡共晶点的成分，即在平衡共晶点成分的合金中，通过快速凝固，形成了单相的铝固溶体组织。
快速凝固的Al-Fe-V-Si合金组织
能否发生玻璃化转变的影响因素主
要有冷却速率、形核密度和材料特性。对应于一定的合金熔体，欲发生玻璃化转变需要有足够高的冷却速率。
金属玻璃的性能特点：
（1）力学性能方面：具有极高的强度及硬度、较好的韧性；（2）由于非晶态合金中没有晶界、位错、夹杂物相等显微缺陷，因此铁、钴、镍基的金属玻璃具有十分良好的软磁性能，它们的铁芯损耗仅为晶态合金的几分之一，是优异磁性器件材料。（3）具有零电阻温度系数
雾化技术
雾化技术是指采用某种措施将熔体分离雾化，同时通过对流的冷却方式凝固，其主要特点是在离心力、机械力或高速流体冲击力等作用下分散成尺寸极小的雾状熔滴在气流或冷模接触中迅速冷却凝固。
流体雾化法
雾化技术
离心雾化法
机械雾化法
热力学深过冷快速凝固热力学深过冷是指通过各种有效的净化手段避
免或消除金属或合金液中的异质晶核的形核作用，增加临界形核功、抑制均质形核作用，使得液态金属或合金获得在常规条件下难以达到的过冷度。采用这种技术,可以在冷速不高的情况下获得很大的凝固过冷度。因此,热力学深过冷非平衡凝固在理论上不受熔体体积限制，是实现大体积熔体非平衡凝固的有效方法。

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。

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。

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。