快速凝固技术优秀课件

内容
➢快速凝固概论 ➢快速凝固的物理冶金基础 ➢实现快速凝固途径 ➢快速凝固制备工艺 ➢快速凝固技术在金属材料中的应用 ➢快速凝固其他新型合金
1.1 快速凝固概述
（一）快速凝固发展的由来
铸造是冶金生产中重要的工艺手段，除了粉末冶金 等方法直接成型产品外，几乎所有的金属制品和构件的 生产都离不开铸造。
➢ 合金在快速凝固过程中受到较大的热应力，空位聚 集形成位错环，这些因素都使快速凝固合金中的位错密 度比一般铸态合金增加很多。 ➢ 此外，快速凝固合金的层错密度也很高。
这些特点对合金的溶质扩散，相变以及性能都会产 生重要影响。
快速凝固材料的主要微观组织
定义3：快速凝固是指采用急冷技术或深过冷技术获得很高 的凝固前沿推进速率的凝固过程。
快速凝固材料的主要微观组织
（1）细化凝固组织，使晶粒细化。
快速凝固合金的微观组织一般随着离冷却介质距离 的增加，依次为等轴晶、柱状晶与树枝晶。
(a)
(b)
(c)
不同冷却方式制备NdFeB铸锭的几何形貌 （a）传统冷却方式（b）单向强制水冷方式（c）双向强制水冷方式
高温镍基合金
Fe-Si软磁合金：含Si较高的Fe-6.5wt％Si合金的软磁性能
比含Si少的合金好，但采用常规铸造工艺无法将Fe-6.5wt％Si 合金热轧成0.3mm厚的芯片，只能采用铸造和加工性能较好的 Fe-3wt％Si合金制作变压器芯片，使变压器性能受到很大影响 。
铁硅软磁合金
只有突破传统工艺的限制，采用新的技术才有可能 研制出少含甚至不含这些战略元素的新型合金。
快速凝固材料的主要微观组织
（3）快速凝固使合金缺陷密度增加
与铸态合金相比，快速凝固合金中的空位、位错等缺陷密 度有较大增加。 ➢ 液态合金中空位形成能比固态合金的空位形成能小得多， 其空位浓度比固态合金高得多，快速凝固时大部分空位来不及 析出而留在固态合金中； ➢ 由于凝固速度很高，晶体长大中也容易形成空位，因而快 速凝固合金一般有很高的空位浓度。
快速凝固晶态合金的晶粒尺寸明显减小的同时，相、有 序畴等其它微观组织尺寸与常规铸态合金相比也有较大幅度 的减小。
快速凝固材料的主要微观组织
（2）快速凝固可使合金成分均匀化，偏析减小。
凝固时间极短，凝固时溶质分配很少，成分偏析也相应显 著减小，合金的成分不均匀程度或偏析程度大大减小。
百度文库
通常用树枝晶偏析的二次枝晶臂间距λ作为成分偏析范围标 志，快速凝固合金由于晶粒细化，偏析范围从铸态合金 的几毫米到几十微米减小到0.10-0.25μm。
常规铸造中的缺陷：缩孔和缩松
这些问题不仅使现有牌号合金的铸造质量和性能很难 得到保证，还限制了新型合金材料的研制。
镍基铸造高温合金：为进一步提高合金的热强度
与工作温度，必须增加合金中Al、Ti含量以增加弥散强化相 γ(Ni3A1)的含量，并提高γ的固溶温度，但常规铸造工艺下 这将产生一些无法解决的问题。
工业铸造
铸造工艺、铸件的微观组织、结构和性能都会对后续 加工的进行和最终产品的质量产生重要的甚至是决定性的影 响。
常规铸造中铸件的凝固时间一般很长，凝固过冷度很 小。
常规铸锭
合金凝固时的晶粒尺寸等微观组织与凝固冷速或过冷 度直接相关，用常规铸造工艺生产的铸件不可避免产生一
系列铸造缺陷：
➢ 容易形成粗大的树枝晶，并产生严重的晶内偏析与晶 界偏析；
在研制新型合金材料的过程中，人们不仅从单纯的 调整改变合金成分着手，也把研究生产合金的新技术提 上了议事日程。
快速凝固技术正是在这样的背景下出现并很快得
到了迅速的发展。
常规铸造合金出现晶粒粗大、偏析严重、铸造性能不好等 严重缺陷的主要原因是合金凝固时的过冷度和凝固速度很小。
要消除铸造合金存在的这些缺陷，核心是要提高形核凝固 时的过冷度，从而提高凝固速度：
(a)
(b)
(c)
不同冷却方式制备NdFeB铸锭的显微组织形貌 （a）传统冷却方式（b）单向强制水冷方式（c）双向强制水冷方式
快速凝固合金的晶粒尺寸很小，而且十分均匀，一般平 均晶粒尺寸为μm左右， ➢ 快速凝固时过冷度较大，大大提高形核率； ➢ 极短的凝固时间又使晶粒不可能充分长大； 用熔淬法制取的快速凝固样品中，晶粒直径可小至纳米量级
➢ 提高凝固传热速度—急冷凝固技术或熔体淬火技术； ➢ 提供近似均匀形核的条件—大过冷技术。
快速凝固的定义
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（105/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。
➢ 在较大的铸锭与铸件中，熔体先从相对温度较低、传 热较快、与模壁接触的外层开始凝固并相应出现溶质分配 ，最后凝固的心部富含溶质元素与低熔点杂质元素，从而 在较大尺度上出现宏观偏析。
➢采用常规铸造工艺还容易出现缩孔、疏松、气泡、热应力等 铸造缺陷，它们也会对铸锭或铸件的性能产生有害影响； ➢合金元素含量高时（特别是比重小、粘度高、扩散能力差的 合金元素）会降低熔体的流动性、充型能力和导热性，上述 问题更严重。
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 近二、三十年来，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
常规铸态合金和快速凝固合金的冷速和平均枝晶臂间距
冷速（K/s） 10-6-10-3 10-3-10 10-103 103-106 106-109
凝固工艺 大砂模铸件或铸锭
标准铸件或铸锭 常规模铸或雾化
快速凝固雾化 熔淬
产品厚度 6m
0.2-6m 6-20mm 0.2-6mm 6-200μm
λ 0.5-5mm 50-500μm 5-50μm 0.5-5μm 0.05-0.5μm