快速凝固技术概述
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
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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。
快速凝固技术的性能介绍
快速凝固技术的性能介绍概述快速凝固技术是一种用于加工材料的先进技术，其主要目的是通过快速降低材料温度，使其迅速凝固和固化。
这种技术可以应用于多种材料加工领域，包括金属、陶瓷、塑料等。
本文将重点介绍快速凝固技术的性能特点及其在不同领域中的应用。
性能特点快速凝固技术的主要性能特点包括以下几个方面：1. 快速凝固速度快速凝固技术相对于传统凝固方法来说，具有更快的凝固速度。
传统凝固方法通常需要较长的时间来使材料逐渐凝固，而快速凝固技术可以将凝固时间缩短到数秒甚至更短的时间内。
这种快速凝固速度可以提高生产效率，减少能源消耗，并且有助于改善材料的性能。
2. 细化晶粒结构快速凝固技术可以显著细化材料的晶粒结构，使其具有更均匀的成分分布和更细小的晶粒尺寸。
这种细化效果一方面能够提高材料的强度和硬度，另一方面也有助于改善材料的塑性和韧性。
细化晶粒结构还可以提高材料的热稳定性和耐腐蚀性，从而拓宽了材料的应用范围。
3. 降低残余应力在传统凝固过程中，材料会受到内部应力的作用，导致产生残余应力。
而快速凝固技术可以有效降低材料的残余应力水平。
这主要归功于快速凝固过程中的高速冷却，使得材料的晶格结构能够更快地达到平衡态，减少应力的积累。
降低残余应力有助于提高材料的稳定性和可靠性，减少因应力引起的材料疲劳和断裂。
应用领域快速凝固技术在多个领域中具有广泛的应用。
以下是其中一些重要的应用领域：1. 金属制造在金属制造领域，快速凝固技术可以用于生产高性能合金材料。
通过快速凝固，可以细化金属材料的晶粒结构，提高其强度和硬度。
此外，快速凝固技术还可以改善金属材料的耐腐蚀性能，提高其在恶劣环境中的使用寿命。
因此，快速凝固技术在航空航天、汽车制造和能源行业等领域都有着重要的应用。
2. 陶瓷工艺快速凝固技术也可以应用于陶瓷工艺中。
陶瓷材料通常具有脆性和低韧性的特点，而通过快速凝固技术可以有效改善这些性能。
快速凝固可以细化陶瓷材料的晶粒结构，增加其韧性和可塑性。
深过冷快速凝固技术
深过冷快速凝固技术深过冷快速凝固技术是一种先进的材料制备技术，它可以通过快速冷却的方式制备出高质量的材料。
这种技术的应用范围非常广泛，可以用于制备金属、合金、非晶态材料等多种材料。
下面将从技术原理、应用领域和未来发展等方面进行详细介绍。
一、技术原理深过冷快速凝固技术是一种通过快速冷却的方式制备材料的技术。
在这种技术中，材料被加热到高温状态，然后通过快速冷却的方式将其迅速冷却到室温以下。
这种快速冷却的方式可以使材料在凝固过程中形成非晶态结构，从而获得更高的强度和硬度。
二、应用领域深过冷快速凝固技术在材料制备领域有着广泛的应用。
首先，它可以用于制备金属和合金材料。
通过这种技术制备的金属和合金材料具有更高的强度和硬度，同时还具有更好的耐腐蚀性能。
其次，深过冷快速凝固技术还可以用于制备非晶态材料。
这种材料具有非常高的强度和硬度，同时还具有良好的韧性和耐磨性。
此外，深过冷快速凝固技术还可以用于制备纳米晶材料，这种材料具有非常小的晶粒尺寸，从而具有更好的力学性能和热稳定性。
三、未来发展深过冷快速凝固技术在未来的发展中有着广阔的前景。
首先，随着科技的不断进步，这种技术的制备效率和制备质量将会得到进一步提高。
其次，深过冷快速凝固技术将会被应用于更广泛的领域，例如制备高强度、高硬度的材料、制备具有特殊功能的材料等。
此外，深过冷快速凝固技术还可以与其他制备技术相结合，例如3D打印技术，从而实现更加精细化的材料制备。
总之，深过冷快速凝固技术是一种非常先进的材料制备技术，它可以用于制备金属、合金、非晶态材料等多种材料。
随着科技的不断进步，这种技术的应用范围和制备效率将会得到进一步提高，从而为人类社会的发展做出更大的贡献。
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
2. 快速凝固的条件
急冷法 深过冷法
急冷法特点
凝固速率是由凝固潜热及物理热的导出速率 控制的。 通过提高铸型的导热能力，增大热流的导出 速率可使凝固界面快速推进，实现快速凝固 忽略试样的热阻（即温度均匀） 试样内部的热阻限制，只能在薄膜及小尺寸 颗粒中实现
亚音速
水雾化法设备示意图
制备熔点在1600℃ 以上合金粉末
与气体雾化法相比特点： 1、粉末更不规则 2、冷却速率更大
优点： 优点： 粉末纯净度高 尺寸均匀 无污染
缺点： 缺点： 生产效率低 粉末尺寸大 成本高
旋转电极雾化法原理
旋转圆盘
旋转圆杯
旋转多孔杯
4.2 低维材料的快速凝固
4.2.1金属碎片的快速凝固
冷却速率：104～ 109 K/s 冷却速率： 最小厚度：0.1-10um
4.4.2金属带材的快速凝固
4.4.2.1单辊法
4.4.2.2双Biblioteka 法4.4.2.3溢流法甩出法
快速凝固晶态合金显微结构特征
常规显微组织 100 成 分 的显微组织
及
粗大的树枝晶，共晶 及其它显微组织 组 织 及 的 均 匀 性
性能 强度 弹性 塑性
韧性 温度效应 疲劳 断裂 应用
4. 不同材料的快速凝固
4.1 粉末材料快速凝固制备技术 4.2 低维材料的快速凝固 4.3 体材料的快速凝固 4.4 激光表面处理技术
4.1粉末材料快速凝固技术
将液态金属分散成液滴，使散热的比表面积 （散热面积与体积之比）增大，冷却速率提 高，实现快速凝固。 粉末特征： 细小的亚结构（枝晶或胞晶） 极大的溶质过饱和度 小的晶粒尺寸
深过冷快速凝固技术
深过冷快速凝固技术本文将对深过冷快速凝固技术进行全面详细、完整且深入的介绍。
1. 概述深过冷快速凝固技术是一种在超冷条件下，将液态物质快速凝固成无序非晶态或纳米晶态的技术。
通过控制快速冷却的方法，可以得到非常高的凝固速度，从而获得具有独特性能的材料。
2. 原理深过冷快速凝固技术利用超冷条件下的快速冷却过程来凝固物质。
在超冷过程中，物质的结晶过程被抑制，使得其在凝固时形成非晶态结构或纳米晶态结构。
这种结构与常规冷却得到的晶态结构具有不同的性质和性能。
传统的冷却过程中，物质的原子或分子在有序方式下排列，形成晶格结构。
而在超冷过程中，由于冷却速度非常快，物质没有足够的时间重新排列成晶格结构，而是形成无序非晶态或纳米晶态结构。
这种结构的特点是缺乏长程有序性，具有较高的局域有序性和局限空间。
3. 技术实现深过冷快速凝固技术可使用多种方法实现，其中包括：3.1. 快速凝固法快速凝固法是最常见的深过冷快速凝固技术之一。
其基本原理是利用快速冷却的方法，使液态物质迅速凝固成非晶态或纳米晶态结构。
常用的快速冷却方法包括快速淬火、脉冲激光熔化、喷雾冷却等。
快速淬火是指将液态物质迅速冷却至超过其玻璃化转变温度的方法。
通过快速冷却，物质无法充分晶化，从而形成无序非晶态结构。
脉冲激光熔化是利用激光脉冲的高能量来迅速加热和冷却材料的方法。
通过调节激光能量和扫描速度，可以实现快速凝固，得到非晶态或纳米晶态材料。
喷雾冷却是利用高速喷雾剂将液态物质迅速冷却的方法。
喷雾剂可以在物质表面形成非常快速的冷却速率，从而实现快速凝固。
3.2. 超冷液体法超冷液体法是利用超冷液体作为冷却介质，将液态物质迅速冷却到超冷状态的方法。
常用的超冷液体包括液氮、液氩等。
超冷液体法的工作原理是将液态物质置于超冷液体中，使其快速冷却，从而实现深过冷快速凝固。
超冷液体的低温和高热导率能够提供快速冷却的条件，从而使液态物质迅速凝固。
4. 应用领域深过冷快速凝固技术在许多领域具有广泛的应用潜力，包括：•材料科学：深过冷快速凝固技术可以制备具有特殊结构和性能的材料，用于制造高强度、导热性能优良、抗腐蚀等特种材料。
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。
快速凝固技术的应用研究
快速凝固技术的应用研究快速凝固技术，又被称为加速凝固或快凝技术，它指的是利用太阳能或其他外部热源的电热加热和加速凝固的一种工艺，它可以改变传统凝固技术的过程。
它能够迅速完成凝固过程，使金属和非金属材料快速达到期望状态。
快速凝固技术有很多优点，首先，它可以减少凝固时间和节省能源消耗，因为凝固过程中需要使用的能量比传统的凝固技术少得多。
其次，快速凝固技术可以在更短的时间内获得更好的形变行为，如强度和韧性。
而最后，快速凝固技术还可以用来制造具有更复杂结构的复合材料。
此外，快速凝固技术可以用于制造更复杂的结构和结构尺寸，这些尺寸比传统凝固技术更容易控制，可以极大地改善产品性能。
快速凝固技术还可以帮助减少材料温度梯度，可以改善部件质量和提高物理性能。
快速凝固技术的应用越来越广泛，它主要用于机械制造业，汽车制造业，航空航天业和医疗器械等行业。
例如，在机械制造业中，可以使用快速凝固技术制造强度较高，耐腐蚀性较好的零部件，这些零部件可以用于更新机械设备的组装过程。
此外，它还可以用来制造车轮，车轴，液压缸，齿轮等重要部件。
在汽车制造业中，目前已经开始使用快速凝固技术制造汽车发动机的活塞和活塞环，以及变速箱的齿轮、轴承等零部件。
此外，它还可以用来制造更轻更结实的汽车车架、车轮、车身等部件，这些材料对耐高温也有很好的耐受性。
最后，快速凝固技术还可以用于航空航天业，这里需要制造性能较高的零部件，可以适应极端的环境条件。
在医学领域，快速凝固技术也有广泛的应用，可以用来制造耐高温消毒的外科手术器械，可以有效防止细菌和病毒感染。
总之，由于快速凝固技术具有短时间内完成凝固，减少能耗，改善材料性能，提高产品质量和耐用性等优点，因此，它得到了越来越多行业的广泛使用和认可，现在广泛应用于航空航天，医疗，汽车和机械等领域。
快速凝固技术的更深入研究可以带来更多的发展，为社会的发展和技术进步做出更大贡献。
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。
深过冷快速凝固技术
深过冷快速凝固技术深过冷快速凝固技术（Deep Supercooling Rapid Solidification Technology）是一种先进的材料制备技术，可以实现液体在极短时间内迅速凝固，得到高质量的固体材料。
本文将介绍深过冷快速凝固技术的原理和应用，并探讨其在材料科学领域的潜力。
一、深过冷快速凝固技术的原理深过冷快速凝固技术是利用超过晶体熔点的温度将物质冷却到液体状态下，然后在极短的时间内迅速凝固。
该技术主要依靠两个关键因素：深过冷和快速凝固。
深过冷是指将液体冷却到低于其熔点的温度，这种状态下液体处于不稳定的过饱和状态，容易发生自发结晶。
而快速凝固则是通过外界的刺激，如机械振动、电磁场或化学反应等，使液体迅速形成固体结构。
二、深过冷快速凝固技术的应用1. 新型材料合成：深过冷快速凝固技术可以制备出具有优异性能的新型材料，如金属、合金、陶瓷等。
通过调控深过冷温度和凝固速度，可以获得细晶粒、均匀分布的相和高强度的材料。
2. 先进能源材料：深过冷快速凝固技术在能源领域有广泛应用。
例如，通过该技术可以制备出高能量密度的锂离子电池电极材料，提高电池的循环稳定性和电池储能能力。
3. 生物医学材料：深过冷快速凝固技术可以用于制备生物医学材料，如人工骨骼、人工关节等。
通过调控凝固速度和组织结构，可以获得具有良好生物相容性和力学性能的材料。
4. 纳米材料制备：深过冷快速凝固技术可以制备出纳米级别的材料。
通过控制深过冷温度和凝固速度，可以获得尺寸均一、形貌精确的纳米颗粒，具有广泛的应用前景。
三、深过冷快速凝固技术的挑战与展望尽管深过冷快速凝固技术在材料科学领域有着广泛的应用，但仍面临一些挑战。
首先，技术参数的调控和控制仍然是一个难题，需要进一步研究和改进。
其次，深过冷快速凝固技术在大规模生产上的可行性和经济性也需要进一步探索。
展望未来，深过冷快速凝固技术有望在材料科学领域发挥更大的作用。
通过不断改进技术和完善工艺，可以制备出更多新型材料，应用于能源、医学、电子等领域。
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。
2.3 快速凝固技术
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
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。
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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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510～610K/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化[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。
1.1快速凝固技术的主要方法(1)动力学急冷快速凝固技术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以及主要通过传导的方式散热。
通过提高铸型的导热能力，增大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大于零，而已凝固的固相一侧的温度梯度小于零，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，因而这类快速凝固过程的进行以及相应的凝固冷速、凝固速率和过冷度等都是由系统向环境的传热速度和熔体体积等因素控制的。
目前，主要的快速凝固技术(包括离心雾化法在内)都是通过薄层液态金属与高导热系数的冷衬底之间的紧密相贴来实现极快的导热传热。
影响温度场及冷却速度的主要因素就是金属/衬底界面的状况及金属试样的厚度。
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。
①雾化技术。
具体分为：流体雾化法，离心雾化法和机械雾化法。
①表面熔化与沉积技术。
主要有离子体喷涂沉积法和激光表面重熔法两种。
(2)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凝固条件下难以达到的过冷度。
深过冷快速凝固是指在尽可能消除异质晶核的前提下，使液态金属保持在液相线以下数百度，而后突然形核并获得快速凝固组织的一种工艺方法。
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。
熔体深过冷的获得，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热力学深过冷获得技术实验方法分类。
①大体积液态金属的深过冷，主要有熔融玻璃净化法，循环过热法和熔融玻璃净化法+循环过热法。
①微小金属液滴的深过冷，包括乳化-热分析法，落管法和无容器电磁悬浮熔炼法。
①其它形状金属液态的深过冷--熔体急冷法，可分为：气枪法，雾化沉积法，熔体旋转法，锤砧法，单辊法。
(3)快速定向凝固法定向凝固法是指在凝固过程中应用技术手段，在液-固界面处建立起特定方向的温度梯度，从而使熔体沿着与热流相反的方向凝固，最终得到定向组织、甚至单晶。
定向凝固是在高温合金的研制中建立和完善起来的。
该技术最初用来消除结晶过程中生成的横向晶界，因为晶界处原子排列不规则，杂质较多，扩散较快。
晶界在高温受力条件下是较薄弱的地方，消除横向晶界，可以提高其高温合金的力学性能。
定向凝固技术的最主要应用是生产具有均匀柱状晶组织的铸件，特别是在航空领域生产高温合金的发动机叶片，与普通铸造方法获得的铸件相比，它使叶片的高温强度、抗蠕变和持久性能、热疲劳性能得到大幅度提高。
对于磁性材料，应用定向凝固技术，可使柱状晶排列方向与磁化方向一致，大大改善了材料的磁性能。
定向凝固技术也是制备单晶的有效方法。
定向凝固技术还广泛用于自生复合材料的生产制造，用定向凝固方法得到的自生复合材料消除了其它复合材料制备过程中增强相与基体间界面的影响，使复合材料的性能大大提高。
定向凝固技术作为功能晶体的生长和材料强化的重要手段，具有重要的理论意义和实际应用价值。
纵观定向凝固技术的发展，人们在不断地提高温度梯度、生长速度和冷却速度，以得到优质的定向凝固组织。
根据成分过冷理论，温度梯度无疑是其中的关键。
提高固液界面前沿的温度梯度在理论上有以下途径：①缩短液体最高温度处到冷却剂位置的距离；①增加冷却强度和降低冷却介质的温度；①提高液态金属的最高温度。
目前新兴的凝固技术如冷坩埚定向凝固技术、软接触陶瓷壳定向凝固技术、双频电磁约束成形定向凝固技术等，这些无坩埚熔炼、无铸型、无污染的定向凝固成形技术会成为未来发展的焦点，在未来的发展中会日渐成熟。
2快速凝固技术在金属材料开发中的应用研究2.1快速凝固新型合金材料(1)快速凝固镁合金的研究镁合金是所有结构金属中最轻的一种，具有比重小，比强度、比刚度高，耐冲击等一系列优点，在汽车、电子电器、航空航天等领域具有广阔的应用前景，但镁合金的加工成形性能及耐蚀性能较差，大大限制了其发展。
目前，国内在高性能镁合金的管、棒、板、型材及一些结构件方面基本上还是空白，而传统的铸造冶金方法又难以满足材料的性能要求。
因此，研究新的制备工艺和加工技术是发展高性能型材和结构件的必然之路。
快速凝固镁合金将成为未来变形镁合金的主要制备工艺。
70年代初，快速凝固实验表明，镁基合金具有明显的非晶形成能力，非晶态镁合金主要是通过快速凝固合金熔体制备，非晶态镁合金的力学性能优异，是潜在的结构材料。
除力学性能外，非晶态镁合金的抗腐蚀性和储氢性能优良，是一种很有发展前途的新型材料。
(2)快速凝固耐热铝合金的研究研究表明，以快速凝固耐热铝合金替代Ti 合金在飞机和导弹上应用，可以明显地减轻飞行器质量，降低成本，以飞机发动机为例，实现以铝代钛，可以减轻质量15%～25%，降低成本30%～50%，提高运载量15%～20%，经济效益十分可观。
为了能在150～350①温度范围内用低密度、低价格的铝合金代替钛合金，过去的20年内，快速凝固耐热铝合金受到广泛重视。
近十几年来，科研工作者们对耐热铝合金进行了大量的研究，相继开发了一系列快速凝固耐热铝合金。
Al -Fe -V -Si 系耐热铝合金具有良好的室温和高温强度、塑性、热稳定性和断裂韧性以及耐腐蚀性能，近20年来广泛应用于航空航天领域。
快速凝固Al -Fe -V -Si 系耐热铝合金首先是由美国Allied -Signal 铝业公司的金属及陶瓷材料研究所采用其专利技术--平面流铸造法研究开发的。
目前该合金已成为研制最为成熟的高性能耐热铝合金，对它的研究也成为耐热铝合金开发研究的热点。
利用传统的快速凝固/粉末冶金(RS/PM)工艺制备的Al -Fe -V -Si 系耐热铝合金，在组织上获得了单一的、弥散分布的球状耐热相12Al 3),(V Fe Si ，该相具有良好的热稳定性，研究表明即使在480①下保温100 h ，仍未发现明显的粗化现象，从而保证材料在室温和高温条件下均有较高的强度。
因此，自20世纪80年代末以来，该系列的耐热铝合金已在航空航天等领域获得了广泛的应用。
20世纪90年代国内外的研究人员开始应用喷射成型技术制备Al -Fe -V -Si 系耐热铝合金，以期达到提高性能降低生产成本的目的。
随着航空航天事业的发展，对作为结构件材料的铝合金的工作温度提出了越来越高的要求，Al -Fe -V -Si 系合金具有良好的综合性能，而且可以根据需要调整Fe 、V 、Si 含量，控制强化相体积分数，获得不同性能的组合。
因此，对Al -Fe -V -Si 系耐热铝合金的研究制备和开发应用受到了国内外的普遍关注。
2.2快速凝固非平衡态新型金属材料的研究(1)快速凝固非晶态合金非晶态合金也称为金属玻璃，它是一种亚稳态的结构，具有短程有序，长程无序的特征，它兼有金属和玻璃的特性，具有非常优异的材料性能。
非晶态合金是通过急冷手段使合金液快速凝固的方法制备的，与晶体材料相比，非晶态合金的硬度、强度、韧性和耐磨性都具有明显的优势。
非晶态合金的无序结构使它不仅具有高强度，还具有高的塑性和冲击韧性。
由于没有晶粒和晶界，非晶态耐蚀合金不仅在一般情况下不发生局部腐蚀，而且还能抑制在特殊条件下诱发的点蚀与缝隙腐蚀的发展。
非晶态合金的表面能高，可连续改变成分，具有明显的催化性能。
非晶态合金还具有好的磁学和光学性能，而且可节能，少污染，是一种绿色的环保材料，随着研究的不断深入，非晶态合金的应用领域将会不断扩大。
(2)快速凝固准晶态合金准晶是准周期晶体的简称，它在结构上完全不同于传统固体中非晶的长程无序、短程有序结构和晶体的长程周期平移性，准周期性和非晶体对称性是准晶的两个最重要的特征。
准晶材料具有一系列独特的性能：高的硬度、高弹性模量、低热膨胀系数、低热导率、低电导率、秉征脆性、热障性能、抗磁性、储氢性能、不粘性以及吸收太阳能等。
由于准晶材料具有较高的脆性，限制了其作为结构材料的应用，目前准晶材料的应用主要是作为表面改性材料或是作为增强相弥散分布于结构材料中。
应用快速凝固技术是形成准晶的主要途径，此外采用不同的净化手段获得热力学深过冷熔体控制凝固是制备大块准晶材料的一种潜在技术。
准晶材料的研究发现为金属材料研究特别是快速凝固合金的研究开辟了一个有很大潜力的领域。