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。式中C 为浓度；R 为生长速度；D为溶质扩散系数；z 为距固液界面的

距离。Chalmers 等人在假设液相中无对流时，解上式得液相中溶质浓度分布为C L =

C0[1+() ]式中CL 为液相中溶质浓度；C0为原始浓度；k0为溶质平衡分配系

数。在有对流情况下，Burtou 等人得到液相中溶质浓度分布为

C L = C s[1+() ]式中Cs 为固相中溶质的浓度；δ为流动边界层厚度。

Rutler 与Chalmers认为, 出现成分过冷后，在平界面上形成小的凸起，进而发展进入到大的成分过冷区内，其凸起不断长大，平的界面被破坏。Bilonis等人则认为出现成分过冷后平界面上在位错的周围形成凹坑，凹坑发展为六角形沟槽，平界面从此被破坏。郡司好喜先生对成分过冷理论提出以下几个问题: 首先，由于没考虑界面能的影响，不能估计在平界面上出现凹凸时过冷度的变化；其次，只考虑了液体内的温度梯度，而没有考虑固相中的温度梯度；再次，用成分过冷理论无法描述失稳后的界面状态，也就是说成分过冷理论还不能十分准确地描述凝固过程中固液界面的状态。

界面稳定性动力学理论

Mullins与Sekerka(简称为M-S)认为凝固过程中的固液界面原本就不是平的界面，是存在有很小凹凸的曲面，这个凹凸的大小随温度与溶质浓度的变化而变化，M-S将其称为扰动，并假设这种扰动按正弦波的形式分布，其界面方程为z=δsin( ωx)。式中δ为扰动振幅；ω为扰动频率。这样液相中的浓度及固液两相中的温度分布可由以下三个基本方程表示：

(1)

(2)

(3)

式中T S、T L分别为固体与液体中的温度；αL、αS分别为液体与固体中的热扩散系数。考虑到界面曲率的作用，界面的温度为Ti=Tm + mCi-TmГK*。式中Ci为界面上的浓度；Γ=σ/L, σ为固液界面比表面能；L为结晶潜热; K* 为界面曲率。假设Ti=T0+αδsin( ωx) , Ci=C0 +bδsin( ωx)。式中T0、C0 分别为界面为平面时液体的温度与浓度；a、b 为常数。解方程(1)、(2)、(3)，并利用边界条件

可得扰动频率随时间的变化关系为:

式中ω；；；。式( 4) 即为凝固界面形态稳定性动力学微分方程式。

当dδ/dt>0时，扰动振幅随时间而增大，界面处于不稳定的状态；dδ/dt<0 时,扰动逐

渐消失，界面向平面发展；dδ/dt=0时界面处于一种临界的稳定状态。Kurz与Fisher对式、( 4) 进行处理后得到界面稳定的条件为

可见只用成分过冷理论不能判断固液界面的稳定性。实际上在用成分过冷理论判断出固液界面失稳时，固液界面早已处于失稳的状态。Sato[8]用铝合金均验证了M-S理论的正确性。

最近王自东等人提出了固液界面形态稳定非线性动力学理论，该理论是借助M-S理论的基本思路，对界面曲率K* 做全面的数学展开，通过相应的非线性处理，得到的扰动振幅随时间的变化规律为

当时

当时

式中，,。

在此基础上作者对这个控制单相合金凝固界面形态非线性动力学方程进行了全面的讨论, 但目前还没有大量的实验支持。

快速凝固过程中溶质分配模型研究

在快速凝固条件下，固液界面溶质分配行为不能用传统的理论来描述，必须建立新理论。在以往的研究中，人们广泛采用局域平衡假设，但Baker和Cahn对快速凝固所发现的溶质捕获现象否定了这一观点。

Aziz认为，对二元合金单向凝固行为的全面描述需要四个方程，既界面处固相和液相成分之间的关系方程；生长速率与界面局部条件的相关方程；描述溶质排放和潜热释放的方程。这四个方程的联立解可获知体系的凝固行为。根据Cahn的观点, Aziz应用化学速率理论描述溶质在0