金属快速凝固-
快速凝固
快速凝固合金的主要性能特征
快速凝固组织—— 微观组织结构尺寸细化与均匀化；成分均匀 化、偏析减少；固溶度扩展、过饱和过熔体 形成；位错、层错等密度提高；亚稳相形成 与控制 经适当的固结成型—— 基本能保持快速凝固组织的优势，甚至可以 产生更好的弥散强化作用 细晶强化与韧化、微畴强化与 韧化 提高合金元素使用效率、避免 有害相产生、消除微裂纹萌生 起到很好的固溶强化作用、也 为第二相析出和弥散强化提供 条件 产生位错强化作用，也可以改 善脱溶产物形貌 强化和韧化作用
1．形核时能量变化和临界晶核半径。 对球形晶核，由ΔG=V•ΔGV+A•σ可得
4 3 2 G r GV 4 r 3
设r*为临界晶核半径。 当r<r*，晶胚长大ΔG↑，不 能形核。 r>r*，晶胚长大使ΔG↓，形 核。 在r=r*时，ΔG极大→ΔG*
• 晶核形成后便向各方向生长，同时又有新的晶核产生。 晶核不断形成，不断长大，直到液体完全消失。每个晶 核最终长成一个晶粒，两晶粒接触后形成晶界。
快速凝固 的目的 形成 过饱和固溶体
亚稳相或新的结晶相
微晶、纳米晶或金属玻璃
获得优异的
强度、塑性、
等。
耐磨性、耐腐蚀性
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。
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
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
（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。
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。
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。
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
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§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
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。
低压铸造金属液快速凝固细化组织方法
低压铸造金属液快速凝固细化组织方法低压铸造金属液快速凝固细化组织方法低压铸造是一种常用的金属铸造工艺，其特点是在较低的压力下进行金属液填充模具，并通过快速凝固实现制品形成。
在低压铸造过程中，金属液的凝固组织往往不够细化，导致制品性能不如预期。
因此，研究和探索低压铸造金属液快速凝固细化组织方法显得尤为重要。
一、快速冷却技术快速冷却是低压铸造金属液快速凝固细化组织的核心技术之一。
通过加快金属液的冷却速度，有助于形成更为细小的凝固组织。
常用的快速冷却技术包括以下几种：1. 水冷却技术：利用冷却水对铸件进行直接冷却，提高凝固速度，从而细化凝固组织。
2. 液态冷却技术：通过喷射冷却液体（如液态氮）或浸泡在冷却液体中，使金属液快速凝固，并形成细化的组织结构。
3. 电磁搅拌技术：在低压铸造过程中，通过电磁搅拌金属液，有效地加速其凝固速度，促进组织细化。
二、合金添加剂的运用在低压铸造金属液中添加适量的合金添加剂，也是实现快速凝固细化组织的一种常见方法。
合金添加剂可以在液态金属中起到一定的细化晶粒的作用，从而促进凝固组织的细化。
常用的合金添加剂包括：1. 稀土元素：如镧、铈、镨等，可以细化铝合金等金属的凝固组织，提高材料的综合性能。
2. 氧化物：如氧化铝、氧化钇等，可以起到细化凝固组织的作用。
3. 碳化物：如碳化硅、碳化钛等，可以使凝固组织发生变化，进而细化组织。
三、超声波振动技术的应用超声波振动技术是近年来在低压铸造工艺中得到广泛应用的一种手段。
通过将超声波振动引入低压铸造过程中，可以有效地促进金属液的混合和快速凝固，实现组织的细化。
超声波振动技术的优点在于其能量均匀分布于整个金属液中，不会引起金属液的剧烈搅拌，从而实现凝固组织的细化。
四、先进模具设计在低压铸造金属液快速凝固细化组织中，模具设计也起着重要的作用。
合理的模具设计可以有效地控制金属液的凝固速度和凝固组织形貌。
常用的模具设计方法包括：1. 凸台设计：通过在模具中设置凸台，可以增加金属液的凝固速率，从而促进凝固组织的细化。
玻璃的凝固
特殊凝固方法：快速凝固：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。
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。
快速凝固技术在新材料开发中的应用及发展
快速凝固技术在新材料开发中的应用及发展随着科学技术的不断发展，新材料的研发已成为各国科技竞争的重要领域之一。
而快速凝固技术作为一种重要的材料加工方法，被广泛运用于新材料的研发与生产中。
本文将从快速凝固技术的基本原理、在新材料开发中的应用及发展前景等方面进行探讨。
一、快速凝固技术的基本原理快速凝固技术是指在短时间内将材料从高温状态迅速冷却成固态的加工技术。
它的基本原理是利用高速冷却的方式，通过迅速凝固，使材料中的原子、分子或晶粒在固化的瞬间得以定向排列，从而形成具有特殊性能的材料组织结构。
快速凝固技术的应用能够有效地调控材料的微观结构，使得材料的性能得以显著提升。
二、快速凝固技术在新材料开发中的应用1. 金属材料快速凝固技术广泛应用于金属材料的研发中。
通过快速凝固，可以制备出具有高强度、高韧性和高导热性的金属玻璃材料。
快速凝固技术还可用于粉末冶金领域，制备出纳米级金属材料，如纳米晶金属、纳米晶合金等，具有优异的力学性能和耐磨性能。
2. 非金属材料除金属材料外，快速凝固技术还被广泛应用于非金属材料的开发中。
在聚合物材料方面，快速凝固技术可用于制备出高强度、高韧性的聚合物纳米复合材料，以及具有特殊功能的聚合物微球和纳米纤维等。
3. 其他材料快速凝固技术还被应用于电子材料、光学材料、生物材料等领域。
通过快速凝固技术，可制备出高性能的电子设备用单晶材料，以及具有特殊光学性能的非晶态光学材料。
三、快速凝固技术在新材料开发中的发展前景随着新材料领域的不断发展，快速凝固技术也在不断完善和拓展。
未来在新材料开发中，快速凝固技术将有着更广泛的应用前景。
1. 稀土金属材料随着对稀土金属材料需求的增加，快速凝固技术将成为制备高性能稀土金属材料的重要手段。
通过快速凝固技术，可以有效改善稀土金属的组织结构，提高其强度和塑性，满足高性能稀土金属材料在航空、航天、电子等领域的应用需求。
2. 生物医用材料在生物医用材料领域，快速凝固技术将有望应用于制备具有特定微观结构的支架材料、植入材料等。
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晶核的长大方式主要取决于熔化熵的大小。
金属的熔化熵一般都比较小（<17J/molK）, 晶核固相界面为粗糙界面，以连续方式长大；
凝固的作用：在冶金生产、铸件生产和 金属材料制备中，凝固是基本过程之 一，具有十分重要的作用。
金属凝固定义：金属熔体在冷却过程中 由液态转变为固态晶体的过程。
晶态金属的凝固属于一级相变，即从微观 看，凝固过程不能突变，而是包含形核与 长大两个阶段的渐变过程。另外，凝固过 程中还伴随着溶质再分配、成分过冷和成 分偏析。
在一个极大值。
图2-1 金属均匀形核时能量变化规律
对（5）式的系统自由能⊿G求极大值，该极大 值及所对应的晶核半径为：
rc为临界晶核半径，⊿Gc为形核势垒或形核功， 即当晶核半径小于rc，随着晶核的增大，其系统 的自由能不断变大，最大值为⊿Gc ，而且大于 零。形核势垒无法由热力学驱动力克服，只能 由能量涨落克服，即如果临界晶核具有⊿Gc的 额外能量，这个临界晶核就可以存在下去，如 果临界晶核不具备的额外能量，这个临界晶核 就无法存在下去，将会消失。
图2-2 金属凝固中溶质分布与 成分过冷示意图
如果温度梯度G合适，固液界面附近会出现组 成过冷，即在一定的固液界面距离内，离开固液 界面越远，过冷度越大，如图2-2中的阴影部分 即为成分过冷。
组成过冷会引起发达的树枝晶，增加微观偏析。
大多数非金属晶体的熔化熵比较大，晶核固 相界面为光滑界面，以不连续方式长大。
（3）晶粒尺寸、形貌和溶质再分配
晶粒尺寸：
金属最终晶粒的尺寸主要与形核速率I和长大速率 R有关，即单位体积金属中的晶粒数目N越大， 晶粒尺寸就越小，晶粒就越细，它们之间的关 系符合下式：
晶体形貌：
金属晶体的形貌取决于固液界面前沿的温度 梯度和熔化熵⊿Sm 。
金属快速凝固技术的 应用和研究进展
北京科技大学 毛卫民
2.1概述
2.1.1 金属的一般凝固过程
凝固是自然界一种很普遍的自然现象， 如冬天河水的结冰、冬天窗户玻璃上 的冰花、较低温度下冰醋酸的结晶、 火山喷射熔岩的结晶等都是某种凝固 现象。
金属凝固也是一种很普遍的人为现象， 如钢锭的凝固、铸件的凝固、连续铸 坯的凝固、高温合金的定向凝固、金 属焊缝的凝固等都与凝固密切相关。
如果从固相向液相的温度梯度为正：
对于熔化熵⊿Sm>17J/molK的非金属，固液 界面为平滑的晶体小平面，晶体形貌为规则 的几何形状；
对于熔化熵⊿Sm <17J/molK的金属，固液 界面为平面，晶体形貌为任意形状。
如果从固相向液相的温度梯度为负:
对于熔化熵⊿Sm <17J/molK的金属，晶体 形貌为树枝晶；
对于熔化熵⊿Sm >17J/molK的非金属，只 要熔化熵不是很大，晶体形貌也易于发展 为树枝晶，
对于熔化熵⊿Sm很大的非金属，晶体形貌 仍为规则的几何形状。
溶质再分配：
以固溶体金属为例，金属在凝固时，溶质元 素在固液相中的平衡浓度是有差别的，以下式 表示：
金属凝固时大，形核势垒越小， 由能量涨落提供形核的额外能量就越小，金属
熔体形核就越容易。
如果存在外来的形核基底，即外来核心，金属 熔体形成晶核的势垒可能会进一步减小，这就 是非均匀形核。
非均匀形核时的势垒如下式：
（2）晶核长大
晶核长大就是指晶核的固液界面不断向熔体中 推进的过程。当晶核半径r>rc后，晶核的长大 将伴随系统自由能的减小，晶核将自动的不断 长大。
（1）形核
从金属液中形成结晶核心，必须满足一定 的热力学和动力学条件。
热力学条件：
以纯金属或单相合金的均匀形核为例。从金 属液中形成晶核时，单位体积的自由能变化应该 满足下式：
如果忽略H、S随金属熔体温度而发生的变化，
同时假设纯金属或单相合金的晶核表面为平面， 当T=Tm时，下式成立：
将（3）式带入（1）式，得 :
假定晶核为半径r的小球，形核时其系统的自由 能变化为：
将（5）式的各个部分与r的关系作成图2-1。由 图2-1分析，当晶核半径小于某一个值时，晶 核系统的自由能⊿G随晶核半径的增加而变大， 即晶核的成长变得越加困难；只有当晶核半径 超过某一个值时，晶核系统的自由能⊿G随晶 核半径的增加而变小，即晶核的成长变得越加 容易；晶核系统的自由能随晶核半径的变化存
晶粒越粗大，或树枝晶越发达，上述偏析越严 重；晶内偏析和晶界偏析被称为微观偏析。
组成过冷：
因为固液界面附近出现溶质再分配，引起金 属熔体平衡液相线变化，造成固液前沿出现过 冷，如图2-2所示。
合金的原始成分为C0 ，固液界面处固相中 的平衡溶质浓度为k C0 ，固液界面处液相中的 平衡溶质浓度为（C0/k），固液界面处液相中 的溶质浓度最高（k<1），此处平衡液相线温 度最低，随着远离固液界面，液相溶质浓度逐 渐接近原始溶质浓度，平衡液相线温度也逐渐 升高到原始成分的平衡液相线温度。
当金属熔体的温度低于其平衡熔点温度时，单位 体积金属的固液自由能差小于零，即形核才有驱 动力。
因为实际晶核的表面为曲面，使晶核固相的实际 熔点低于Tm ，所以，为了保证形核的进行，必须 具有足够的过冷度。
动力学条件：
从热力学条件分析，只要⊿T0，形核就有驱动 力，形核就可以进行，但实际上，有时当 ⊿T0时，热力学上的驱动力对形核仍然不够， 这时形核还必须满足一定的动力学条件。
凝固偏析：一般分为晶内偏析和晶界偏析。 晶内偏析（如果是树枝晶，则称为枝晶偏析）：
由于溶质再分配和晶内扩散的不充分，先后凝 固的固相中溶质含量不一致；对于k<1的金属 来说，先凝固的固相中溶质含量较低，后凝固 的固相中溶质含量较高。
晶界偏析：由于溶质再分配和固液相扩散的不 充分，最后凝固的晶界区域富含溶质元素 （k<1）和低熔点组元。