快速凝固(2014)
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③自此，快速凝固亚稳效应被有目的地用来制备高性能材料
快速凝固技术的分类及基本原理
快速凝固技术的分类
急
不同学者对快速凝固方法作了不同的分类，
冷
➢Jones(1982)根据熔体分离与冷却方式不同而分成三类：
凝
（i） 熔体急冷前破碎成液滴的喷射方法——雾化技术；
快
固
（ii） 熔体急冷时保持其连续性的急冷方法——模冷技术；
随产品尺寸（至少一维）减小，冷速增大，产品中枝晶壁间距缩短，第二相（杂 质和孔洞）细化，分布均匀化，获得组织均匀的合金 但是从液态到固态，到底以什么样的冷速冷却，才算达到快速凝固，尚不确定
快速凝固的定义
对于急冷凝固技术（冷却速率大小是重要标志，关系到产 品的显微结构和均匀性），但是对于如何从冷却速率来界定 急冷凝固和常规凝固，尚未统一的认识
速
技
（iii）在相对很厚的材料表面熔化有限深度的金属并凝固的表面方法
术
（材料即为冷却器）——表面熔化与沉积技术。
凝
➢Savage和Froes（1984）根据熔体液流是否雾化成滴而分成两类：
固
雾化法和非雾化法
技
术
大
在细小熔滴中达到的凝固过冷度的（熔滴弥散）方法：
过
乳化法、熔滴—基底法、落管法等
冷
技
在较大体积熔体中获得大凝固过冷度的（熔滴弥散）方法：
内容
➢快速凝固概论
➢快速凝固的起源及发展 ➢快速凝固基本原理及分类 ➢快速凝固工艺、设备与产品特征 ➢快速凝固粉末致密化工艺 ➢快速凝固的亚稳效应 ➢快速凝固在晶态材料的研制开发中的应用
实现快速凝固的途径
“动力学”法
急冷凝固技术（Rapidly Quenching Technology, RQT） （或称 熔体淬火技术（Melt Quenching Technology, MQT）） 提高熔体凝固时传热速度，来增大冷速，从而提高过冷度和凝固速率，使熔体形 核时间短，来不及在熔点附近凝固，而在远离平衡点的较低温度凝固，实现快冷 和快凝
快速凝固发展的由来
追溯快速凝固发展，其原始动力源于解决铸件（锭）偏析的需 要。因此，虽然有的技术DUWEZ的“枪”以前就已发明，早 可视为快速凝固技术的前身。然而，目前大家公认的是，快速 凝固起源于DUWEZ的“枪”技术 1960年DUWEZ的“枪”技术开创了一个新纪元
①冷速可达106k/s
②首次系统报道快凝组织结构、形貌、大小的变化规律
“静力学”法
大过冷技术（Large Undercooling Technology, LUT）
针对铸造合金都是在非均匀形核条件下凝固的，过冷度小，故创造近似均匀形核 的条件，这时冷速虽小，但凝固过冷度大，亦可实现快速凝固
ቤተ መጻሕፍቲ ባይዱ
冷却速率与产品特征的关系
工业冷却速率范围10-3~10℃/s（大铸锭10-2℃/s ，中、小等的1 ℃/s） 薄型铸锭102℃/s，普通气体雾化粉末103℃/s ，水雾化粉末104℃/s 快速凝固冷速可能需更高（如基体表面淬冷法106℃/s ，甚至更高）
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
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
常规铸造工艺存在的主要问题
（1）成分偏析：存在于枝晶范围 （0.1~0.0001cm数量级）的微观偏析 和存在于整个铸件或铸锭范围 （~1cm, 乃至1m）的宏观偏析 （2）晶粒粗大，大小不一，析出相 颗粒粗大，形状各异
（3）在合金设计时，受极限平衡固 溶度制约
（4）存在铸造缺陷，集中缩孔大
提高冷却速率是细化组织，消除成分偏析的有效手段
在不同的急冷方法中，B可与A和C组合（离心雾化法、熔体旋转法），也可仅与C组合（熔体提取法）
常规 铸造
冶炼炉
在时间上有时也“分割”熔体，但 “分割”不强烈，熔化潜热多集中释 放
铸模
熔体液流与冷却介质的组合形式，以及相应的工艺过程
熔体液流与冷却介质各采用三个选择： 分离熔体选择——细小液滴、近圆断面的细流、极薄矩形断面液流 散热介质选择——气体、液体、固体
➢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
急冷凝固技术中获得高冷速的基本原则
➢设法减少同一时刻凝固的熔体体积 ➢设法增大熔体散热表面积与体积之比 ➢设法减少熔体与热传导性能好的冷却介质的界面热阻 ➢尽可能主要以传导方式散热
急冷凝固技术的基本原理
或改变熔体形状，或分散熔体，避免大量熔化潜热集中释放，并改善熔体与冷却介 质的热接触状况，实现快速热交换，并散热，达到快冷和快凝的目的
急冷凝固技术的设备组成
B是急冷设备的核心，对冷速起关键作用
急冷 凝固
熔化装置 A
熔化合金
分离装置 B
在时间或空间上 “分割”熔体
冷却装置 C
传出熔体热量
快速凝固技术
前言
快速凝固1960年开始出现 快速凝固是一项新型材料制备技术，既是一种生产手段,又 是一种探索新材料的研究方法，受到了普遍的重视 对现有牌号合金，可以显著地改善其组织结构，充分挖掘 其性能潜力，也可以研制在常规铸造条件下无法得到的、具 有优异性能的新型材料 近年来，不但开拓了一个崭新的学术领域，而且向市场提 供了具有特殊性能的新材料 快速凝固技术和快速凝固合金的研究已成为了材料科学的 一个重要分支，并在实际生产中得到了广泛的应用，具有广 阔的应用前景
➢ 选择不同的熔体液流形式与冷却介质，可组合成不同的急冷凝固方法； ➢ 不同的急冷凝固方法可得到不同形状和尺寸的产物，或球形或片状粉末、纤
快速凝固技术的分类及基本原理
快速凝固技术的分类
急
不同学者对快速凝固方法作了不同的分类，
冷
➢Jones(1982)根据熔体分离与冷却方式不同而分成三类：
凝
（i） 熔体急冷前破碎成液滴的喷射方法——雾化技术；
快
固
（ii） 熔体急冷时保持其连续性的急冷方法——模冷技术；
随产品尺寸（至少一维）减小，冷速增大，产品中枝晶壁间距缩短，第二相（杂 质和孔洞）细化，分布均匀化，获得组织均匀的合金 但是从液态到固态，到底以什么样的冷速冷却，才算达到快速凝固，尚不确定
快速凝固的定义
对于急冷凝固技术（冷却速率大小是重要标志，关系到产 品的显微结构和均匀性），但是对于如何从冷却速率来界定 急冷凝固和常规凝固，尚未统一的认识
速
技
（iii）在相对很厚的材料表面熔化有限深度的金属并凝固的表面方法
术
（材料即为冷却器）——表面熔化与沉积技术。
凝
➢Savage和Froes（1984）根据熔体液流是否雾化成滴而分成两类：
固
雾化法和非雾化法
技
术
大
在细小熔滴中达到的凝固过冷度的（熔滴弥散）方法：
过
乳化法、熔滴—基底法、落管法等
冷
技
在较大体积熔体中获得大凝固过冷度的（熔滴弥散）方法：
内容
➢快速凝固概论
➢快速凝固的起源及发展 ➢快速凝固基本原理及分类 ➢快速凝固工艺、设备与产品特征 ➢快速凝固粉末致密化工艺 ➢快速凝固的亚稳效应 ➢快速凝固在晶态材料的研制开发中的应用
实现快速凝固的途径
“动力学”法
急冷凝固技术（Rapidly Quenching Technology, RQT） （或称 熔体淬火技术（Melt Quenching Technology, MQT）） 提高熔体凝固时传热速度，来增大冷速，从而提高过冷度和凝固速率，使熔体形 核时间短，来不及在熔点附近凝固，而在远离平衡点的较低温度凝固，实现快冷 和快凝
快速凝固发展的由来
追溯快速凝固发展，其原始动力源于解决铸件（锭）偏析的需 要。因此，虽然有的技术DUWEZ的“枪”以前就已发明，早 可视为快速凝固技术的前身。然而，目前大家公认的是，快速 凝固起源于DUWEZ的“枪”技术 1960年DUWEZ的“枪”技术开创了一个新纪元
①冷速可达106k/s
②首次系统报道快凝组织结构、形貌、大小的变化规律
“静力学”法
大过冷技术（Large Undercooling Technology, LUT）
针对铸造合金都是在非均匀形核条件下凝固的，过冷度小，故创造近似均匀形核 的条件，这时冷速虽小，但凝固过冷度大，亦可实现快速凝固
ቤተ መጻሕፍቲ ባይዱ
冷却速率与产品特征的关系
工业冷却速率范围10-3~10℃/s（大铸锭10-2℃/s ，中、小等的1 ℃/s） 薄型铸锭102℃/s，普通气体雾化粉末103℃/s ，水雾化粉末104℃/s 快速凝固冷速可能需更高（如基体表面淬冷法106℃/s ，甚至更高）
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
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
常规铸造工艺存在的主要问题
（1）成分偏析：存在于枝晶范围 （0.1~0.0001cm数量级）的微观偏析 和存在于整个铸件或铸锭范围 （~1cm, 乃至1m）的宏观偏析 （2）晶粒粗大，大小不一，析出相 颗粒粗大，形状各异
（3）在合金设计时，受极限平衡固 溶度制约
（4）存在铸造缺陷，集中缩孔大
提高冷却速率是细化组织，消除成分偏析的有效手段
在不同的急冷方法中，B可与A和C组合（离心雾化法、熔体旋转法），也可仅与C组合（熔体提取法）
常规 铸造
冶炼炉
在时间上有时也“分割”熔体，但 “分割”不强烈，熔化潜热多集中释 放
铸模
熔体液流与冷却介质的组合形式，以及相应的工艺过程
熔体液流与冷却介质各采用三个选择： 分离熔体选择——细小液滴、近圆断面的细流、极薄矩形断面液流 散热介质选择——气体、液体、固体
➢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
急冷凝固技术中获得高冷速的基本原则
➢设法减少同一时刻凝固的熔体体积 ➢设法增大熔体散热表面积与体积之比 ➢设法减少熔体与热传导性能好的冷却介质的界面热阻 ➢尽可能主要以传导方式散热
急冷凝固技术的基本原理
或改变熔体形状，或分散熔体，避免大量熔化潜热集中释放，并改善熔体与冷却介 质的热接触状况，实现快速热交换，并散热，达到快冷和快凝的目的
急冷凝固技术的设备组成
B是急冷设备的核心，对冷速起关键作用
急冷 凝固
熔化装置 A
熔化合金
分离装置 B
在时间或空间上 “分割”熔体
冷却装置 C
传出熔体热量
快速凝固技术
前言
快速凝固1960年开始出现 快速凝固是一项新型材料制备技术，既是一种生产手段,又 是一种探索新材料的研究方法，受到了普遍的重视 对现有牌号合金，可以显著地改善其组织结构，充分挖掘 其性能潜力，也可以研制在常规铸造条件下无法得到的、具 有优异性能的新型材料 近年来，不但开拓了一个崭新的学术领域，而且向市场提 供了具有特殊性能的新材料 快速凝固技术和快速凝固合金的研究已成为了材料科学的 一个重要分支，并在实际生产中得到了广泛的应用，具有广 阔的应用前景
➢ 选择不同的熔体液流形式与冷却介质，可组合成不同的急冷凝固方法； ➢ 不同的急冷凝固方法可得到不同形状和尺寸的产物，或球形或片状粉末、纤