第3章 快速凝固技术
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薄片或纤维 厚20~100
104~107
105~106
高活性或极易氧化的金 属
高等活Βιβλιοθήκη Baidu或极易氧化的 金属(PDME)中等活性或 易氧化的金属(CME)
水雾化法与气体雾化法 超声气体雾化法
双流雾化法
高速旋转筒雾化法 滚筒急冷雾化法
•
雾化技术
离心雾化法
快速凝固雾化法 旋转电极雾化法 双辊雾化法
机械雾化和 其它雾化法
直径2.5mm 104~106 厚5~300 105~108 105~106 103~106
模 冷 技 术
连续薄带或 厚10~100 宽<10 线、薄片 宽连续薄带 厚20~100 宽150 连续薄带 厚25~1000
电子束急冷淬 火法(CBSQ)
溶体提取法 CME或PDME
拉长的薄片 厚40~100
•
大过冷凝固技术 核心是在熔体中形成尽可能接近均匀形核的凝固条件， 从而获得大的凝固过冷度 快速凝固枝术的分类 模冷技术 急冷凝固技术 雾化技术 表面熔化与沉积技术 大过冷凝固技术
• • • • 模冷技术 • • •
“枪”法 双活塞法 熔体旋转法 平面流铸造法 溶体拖拉法 溶体提取法
模冷技术
• “枪”法(Gun Method) 分离成的熔滴很小(直 径约1m)、冲击到铜 模上的速度很高，所以 箔片的凝固冷速可以高 达109 K/s，其中薄的 箔片可以直接用作透射 电子显微镜(TEM)观察 的样品。这种方法可以 应用于许多合金，但是 由于箔片厚度不均匀， 形状不规则，每次熔化 的母合金数量很少，因 此主要限于在实验室中 应用
图2-3 熔体旋转法示意图 1.石英管 2.惰性气体 3.薄带 4.喷嘴 5.熔体 6.熔池 7.辊轮 8.感应线圈
急冷凝固技术的分类与主要特点 分类 名 称 产品形状 箔片 薄片 典型尺寸 厚.01~1.0 典型冷速 主要应用 109 中等活性或不易氧化的 金属 高活性或极易氧化的金 属 中等活性或易氧化的金 属 同上，特别是Fe、Ni、 Al及其合金 同上 “枪”法 双活塞法 熔体旋转法 (CBM或MS) 平面流铸造法 (PFC) 溶体拖拉法MD
常规铸造工艺及其存在的问题
• 尺寸大，凝固时间长，凝固冷速、凝固速度以及凝固过冷度则很小，不可避 免地会产生一系列铸造缺陷
• •
容易形成粗大而发达的树枝晶 容易产生严重的晶内偏析与晶界偏析
•
容易出现缩孔、疏松、气泡、热应力等铸造缺陷
快速凝固技术的产生与发展
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，在实际凝固过程中达到这一目的的办法 主要有两种 • “动力学”的方 法 设法提高熔体凝固时的传热速度从而提高凝固时的冷速，使熔体形按时间 极短，来不及在乎衡始点附近凝固而只能在远离平衡熔点的较低温度凝固， 因而具有很大的凝固过冷度和凝固速度 具体实现这一方法的技术称为急拎凝固技术(Rapidly Quenching Technology或RQT)或溶体淬火技术(Melt Quenching Technology或MQT) • “静力学”的方 法 针对通常铸造合金都是在非均匀形核条件下凝固，因而使合金凝固的过冷 度很小的问题，设法提供近似均匀形核的条件。尽管冷速不高但也同样可 以达到很大的凝固过冷度，从而提高凝固速度 具体实现这种方法的技术一般称为大过冷技术(Large Undercooling Technology或LUT)
与双活塞法类似的还有活塞砧法和 锤砧法
图3-2 双活塞法示意图 1.感应线圈 2.熔滴 3.活塞
•
熔体旋转法(Melt Spining)
操作时,首先把母合金切成约 30mm 长的小段或小块，在砂轮 上磨去氧化皮后装入石英管内。 合金经感应加热熔化后从石英管 上端通入氮气或其它惰性气体， 熔体在气体压力下克服表面张力 从石英管下端的喷嘴中喷到下方 高速旋转的辊轮表面，熔体在与 辊轮表面接触的瞬间迅速凝固并 在辊轮转动的离心力作用下以薄 带的形式向前抛射出来。 在熔体旋转法中可以控制和 调节的主要工艺参数有：石英管 喷嘴尺寸，石英管喷嘴离辊面距 离，石英管内通入的气体压力、 辊面线速度和辊轮合金的成分等。
快速凝固技术与设备
• • • • •
快速凝固技术的基本原理和分类 模冷技术 雾化技术 表面熔化与沉积技术 大过冷快速凝固技术
快速凝固技术的基本原理和分类
• 基本原理 急冷凝固技术 核心是要提高凝固过程中熔体的冷速。 第一，减少单位时间内金属凝固时产生的熔化潜热； 第二，提高凝固过程中的传热速度。 急冷凝固技术的基本原理是设法减小同一时刻凝固的熔 体体积并减小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。
电-流体力学雾化法 真空雾化法 火花电蚀雾化法
雾化技术
• 双流雾化法(Twin F1uid Atomization) (1)水雾化法与气体雾化法 熔体流在高压高速水流的冲击下， 经过片状、线状、熔滴状三个阶段逐 步分离雾化并在水流冷却下冷凝成粉 末。雾化时所用的水流压力高达 8~20MPa ，制得的粉末直径为 75~ 200m。如果雾化熔体的流体不用水 而用空气或惰性气体 ( 如氖气 ) ，则成 为气体雾化法或惰性气体雾化法，所 用的雾化压力一般为2~8MPa，制得 的粉末直径为 50~100 m，多为表面 光滑的球形，而水雾化法制得的粉末 形状不规则。但是水雾化法由于采用 了密度较高的水做雾化工作介质，所 以达到的凝固冷速要比一般气体雾化 法高一个数量级。
“枪”法示意图 1．高压室 2．聚脂薄膜 3．感应线圈 4．低压空 5．铜模
•
双活塞法(Twin Piston Method)
熔滴在受挤压时可以从与两个活塞 接触的表面同时均匀地迅速散热凝 固，因此冷速较高，薄片的厚度也 比较均匀。此外，母合金是在真空 气氛中或保护性气氛中悬浮加热熔 化的，因此可以防止石英管对熔体 的污染，可以适用于化学活性高、 易氧化的金属及其合金，如Ti、Zr 等。在经过改进后的双活塞法中， 活塞的冲击速度更高，冲击时活塞 间的间距保持一定，可以防止样品 凝固时变形并有更高的凝固冷速。
104~107
105~106
高活性或极易氧化的金 属
高等活Βιβλιοθήκη Baidu或极易氧化的 金属(PDME)中等活性或 易氧化的金属(CME)
水雾化法与气体雾化法 超声气体雾化法
双流雾化法
高速旋转筒雾化法 滚筒急冷雾化法
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雾化技术
离心雾化法
快速凝固雾化法 旋转电极雾化法 双辊雾化法
机械雾化和 其它雾化法
直径2.5mm 104~106 厚5~300 105~108 105~106 103~106
模 冷 技 术
连续薄带或 厚10~100 宽<10 线、薄片 宽连续薄带 厚20~100 宽150 连续薄带 厚25~1000
电子束急冷淬 火法(CBSQ)
溶体提取法 CME或PDME
拉长的薄片 厚40~100
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大过冷凝固技术 核心是在熔体中形成尽可能接近均匀形核的凝固条件， 从而获得大的凝固过冷度 快速凝固枝术的分类 模冷技术 急冷凝固技术 雾化技术 表面熔化与沉积技术 大过冷凝固技术
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“枪”法 双活塞法 熔体旋转法 平面流铸造法 溶体拖拉法 溶体提取法
模冷技术
• “枪”法(Gun Method) 分离成的熔滴很小(直 径约1m)、冲击到铜 模上的速度很高，所以 箔片的凝固冷速可以高 达109 K/s，其中薄的 箔片可以直接用作透射 电子显微镜(TEM)观察 的样品。这种方法可以 应用于许多合金，但是 由于箔片厚度不均匀， 形状不规则，每次熔化 的母合金数量很少，因 此主要限于在实验室中 应用
图2-3 熔体旋转法示意图 1.石英管 2.惰性气体 3.薄带 4.喷嘴 5.熔体 6.熔池 7.辊轮 8.感应线圈
急冷凝固技术的分类与主要特点 分类 名 称 产品形状 箔片 薄片 典型尺寸 厚.01~1.0 典型冷速 主要应用 109 中等活性或不易氧化的 金属 高活性或极易氧化的金 属 中等活性或易氧化的金 属 同上，特别是Fe、Ni、 Al及其合金 同上 “枪”法 双活塞法 熔体旋转法 (CBM或MS) 平面流铸造法 (PFC) 溶体拖拉法MD
常规铸造工艺及其存在的问题
• 尺寸大，凝固时间长，凝固冷速、凝固速度以及凝固过冷度则很小，不可避 免地会产生一系列铸造缺陷
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容易形成粗大而发达的树枝晶 容易产生严重的晶内偏析与晶界偏析
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容易出现缩孔、疏松、气泡、热应力等铸造缺陷
快速凝固技术的产生与发展
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，在实际凝固过程中达到这一目的的办法 主要有两种 • “动力学”的方 法 设法提高熔体凝固时的传热速度从而提高凝固时的冷速，使熔体形按时间 极短，来不及在乎衡始点附近凝固而只能在远离平衡熔点的较低温度凝固， 因而具有很大的凝固过冷度和凝固速度 具体实现这一方法的技术称为急拎凝固技术(Rapidly Quenching Technology或RQT)或溶体淬火技术(Melt Quenching Technology或MQT) • “静力学”的方 法 针对通常铸造合金都是在非均匀形核条件下凝固，因而使合金凝固的过冷 度很小的问题，设法提供近似均匀形核的条件。尽管冷速不高但也同样可 以达到很大的凝固过冷度，从而提高凝固速度 具体实现这种方法的技术一般称为大过冷技术(Large Undercooling Technology或LUT)
与双活塞法类似的还有活塞砧法和 锤砧法
图3-2 双活塞法示意图 1.感应线圈 2.熔滴 3.活塞
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熔体旋转法(Melt Spining)
操作时,首先把母合金切成约 30mm 长的小段或小块，在砂轮 上磨去氧化皮后装入石英管内。 合金经感应加热熔化后从石英管 上端通入氮气或其它惰性气体， 熔体在气体压力下克服表面张力 从石英管下端的喷嘴中喷到下方 高速旋转的辊轮表面，熔体在与 辊轮表面接触的瞬间迅速凝固并 在辊轮转动的离心力作用下以薄 带的形式向前抛射出来。 在熔体旋转法中可以控制和 调节的主要工艺参数有：石英管 喷嘴尺寸，石英管喷嘴离辊面距 离，石英管内通入的气体压力、 辊面线速度和辊轮合金的成分等。
快速凝固技术与设备
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快速凝固技术的基本原理和分类 模冷技术 雾化技术 表面熔化与沉积技术 大过冷快速凝固技术
快速凝固技术的基本原理和分类
• 基本原理 急冷凝固技术 核心是要提高凝固过程中熔体的冷速。 第一，减少单位时间内金属凝固时产生的熔化潜热； 第二，提高凝固过程中的传热速度。 急冷凝固技术的基本原理是设法减小同一时刻凝固的熔 体体积并减小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。
电-流体力学雾化法 真空雾化法 火花电蚀雾化法
雾化技术
• 双流雾化法(Twin F1uid Atomization) (1)水雾化法与气体雾化法 熔体流在高压高速水流的冲击下， 经过片状、线状、熔滴状三个阶段逐 步分离雾化并在水流冷却下冷凝成粉 末。雾化时所用的水流压力高达 8~20MPa ，制得的粉末直径为 75~ 200m。如果雾化熔体的流体不用水 而用空气或惰性气体 ( 如氖气 ) ，则成 为气体雾化法或惰性气体雾化法，所 用的雾化压力一般为2~8MPa，制得 的粉末直径为 50~100 m，多为表面 光滑的球形，而水雾化法制得的粉末 形状不规则。但是水雾化法由于采用 了密度较高的水做雾化工作介质，所 以达到的凝固冷速要比一般气体雾化 法高一个数量级。
“枪”法示意图 1．高压室 2．聚脂薄膜 3．感应线圈 4．低压空 5．铜模
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双活塞法(Twin Piston Method)
熔滴在受挤压时可以从与两个活塞 接触的表面同时均匀地迅速散热凝 固，因此冷速较高，薄片的厚度也 比较均匀。此外，母合金是在真空 气氛中或保护性气氛中悬浮加热熔 化的，因此可以防止石英管对熔体 的污染，可以适用于化学活性高、 易氧化的金属及其合金，如Ti、Zr 等。在经过改进后的双活塞法中， 活塞的冲击速度更高，冲击时活塞 间的间距保持一定，可以防止样品 凝固时变形并有更高的凝固冷速。