快速凝固(2014)
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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
18
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
快速凝固技术的研究进展摘要：快速凝固技术是当材料科学与工程中研究比较活跃的领域之一，目前已成为一种金属材料潜在性能与开发新材料的重要手段。
快速凝固技术得到的合金与常规合金有着不同的组织和结构特征，对材料科学和其它学科的理论研究以及开展实际生产应用起了重要的作用。
介绍了快速凝固技术的原理和特点、主要方法和在实际中的应用和存在的问题。
关键词：快速凝固技术；合金；应用；存在问题1 引言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[1]。
过去常规铸造合金之所以会出现晶粒粗大，偏析严重、铸造性能差等缺陷的主要原因是合金凝固时的过冷度和凝固速度很小，这是由于它们凝固时的冷速很小而引起的。
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，因此出现了快速凝固技术。
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。
2 快速凝固技术1960年美国的Duwez等用铜辊快淬法，首次使液态合金在大于107K/S的冷却速度下凝固，在Cu—Si合金中发现了无限固溶的连续固溶体；在Ag—Ge合金中出现新的亚稳相；在Au—Si合金中形成非晶结构。
在快速冷却所形成的亚稳结晶组织中，出现了一系列前所未见的重要的结构特征，表现出各种各样比常规合金优异的使用性能[2]。
此后，快速凝固技术和理论得到迅速发展，成为材料科学与工程研究的一个热点。
快速凝固是指通过对合金熔体的快速冷却(≥104～106 K/s)或非均质形核被遏制，使合金在很大过冷度下，发生高生长速率(≥1～100 cm/s)凝固[3]。
快速凝固
1、“枪”法
是一个简单、 是一个简单 、 精密和多用途的制备 微量（ｍｇ） 微量 （ ｍｇ ） 快速凝固金属和合金 的实验技术 • 微量（≤１００ｍｇ）金属或合金 微量（ １００ｍｇ） ｍｇ）金属或合金 在石墨坩埚用感应或电阻加热熔化， 在石墨坩埚用感应或电阻加热熔化， 坩埚底有一个１ｍｍ的漏嘴 的漏嘴， 坩埚底有一个１ｍｍ的漏嘴，熔融 金属靠冲击波从漏嘴射出，雾化， 金属靠冲击波从漏嘴射出，雾化， 并通过与铜基底接触，迅速冷却， 并通过与铜基底接触，迅速冷却， 凝固成极薄的箔材（最大厚度～ 凝固成极薄的箔材（最大厚度～１ μm） ５μm） 急冷箔片的冷速可高达１０ 急冷箔片的冷速可高达 １０ ６ － １ Ｋ／ｓ， 厚度不均匀， ０ ８ Ｋ／ｓ ， 厚度不均匀 ， 且有孔 最大尺寸不过几个厘米， 洞 ， 最大尺寸不过几个厘米 ， 适合 ＴＥＭ或ＸＲＤ分析 分析， 于 ＴＥＭ 或 ＸＲＤ 分析 ， 而无法测 定和评价其物理和力学性能
• 水雾化法
• 以水射流代替气体射流 外，其余与气体雾化相 似 • 颗粒多呈不规则形，但 颗粒多呈不规则形， 冷速可达10 冷速可达102-104K/s 已被大规模应用于工具 低合金钢、 钢 、 低合金钢 、 铜 、 锡 、 铁粉等等（ 铁粉等等 （ 水雾化钢和 超合金,活泼元素易氧化， 超合金,活泼元素易氧化， 1000ppm ppm， O%≥1000ppm，而气体雾 100ppm 有时， ppm） 化，O%~100ppm）有时， 也可以油代水，以降O 也可以油代水，以降O%
• 落管法：通过电磁悬浮熔炼、电子束或其他方法熔化金属， 落管法：通过电磁悬浮熔炼、电子束或其他方法熔化金属， 随后金属熔体在真空或通入保护性气体的管中自由下落冷 却凝固。自由下落过程中， 却凝固。自由下落过程中，金属或合金液避免与器壁相接 同时又具有微重力凝固的特征，因而可以获得深过冷。 触，同时又具有微重力凝固的特征，因而可以获得深过冷。
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
实现快速凝固的两个基本条件是：
（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。
（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
Q1 Q2 Q3
(1-6)
式中,Q1为铸型吸收的热量;Q2为铸件降温释 放的物理热;Q3为凝固过程放出的结晶潜热；
Q1，Q2，Q3可如下求出 Q1 qA
(1-7)
Q2 vCV (SCSS LCLL )
(1-8)
Q3 vSVVh
(1-9)
式中，A为铸型与铸件的界面面积； q为界面热流
密度；VC为冷却速度，vC dT / d 为负值；VSV为体积凝 固速度，vSV dS / d ；V为铸件体积； △h为结晶潜
• 要获得高于106 K/s的冷速，只能借助于热传导。
用热传导方法获得高的凝固速率的条件是：
➢ 液体金属与铸型表面必须良好接触； ➢ 液体层必须很薄； ➢ 液体与铸型表面从开始接触至凝固完了时间要尽
可能短。
1.2 快速凝固的物理冶金基础
（a）定向凝固
(b)体积凝固
图1-1 两种典型的凝固方式
q1-自液相导人凝固界面的热流密度；q2-自凝固界面导人固相的热流密；
➢ 内部热阻（δ/λS）随凝固层厚度δ的增大而迅速提高，导 致凝固速率下降。
因此，快速凝固只能在小尺寸试件中实现。
1 2 3 4
5
6 7 8 9
10
图1-2急冷模法示意图 1-真空出口；2-绝热冷却剂容器；3-冷却池；4-铜模； 5-模穴；6-垫圈；7-基板；8-压紧螺帽；9-射入管；10-铝箔
急冷凝固技术的基本原理
定向凝固的必备条件： 1）热流向单一方向流动并垂直于生长中的固-液界面 2）晶体生长前方的溶液中没有稳定的结晶核心
措施： 1）避免侧向散热； 2）靠近固液界面的溶液中有较大的温度梯度。
1.4 快速凝固制备工艺
一、雾化技术 • （一）流体雾化 • （二）离心雾化技术 • （三）机械雾化技术 • （四）其它雾化技术
2.3 快速凝固技术
T = L C
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
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
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
15
§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。
第一章 快速凝固技术
例如， 采用快速凝固粉末制备工具钢，可细化碳化物并消 除其宏观偏析，并可提高合金含量，因而可提高其工艺性 能和使用性能。
2、制备难加工材料薄带、细小线材和块体材料
例如，超合金和Cu-10%Sn青铜等热加工性能差(易产 生龟裂)的材料。通过快速冷却减少偏析、细化组织，就可 提高变形性能，实现热加工；又如温度保险丝用Pb-Bi共晶 合金等细线强度低，拔丝困难，可采用旋转水纺线法制备。
➢ 也就是说，如果这些亚稳相的晶体结构与平衡相图上相邻 的某一中间相的结构极为相似，则可看成是大过冷下中间 相的亚稳浓度扩大的结果。另一方面，也可能形成某些在 平衡相图上完全不出现的亚稳相。对自然决定于 冷却速度与过冷度。
5、形成非晶态 液态合金经过快速凝固而形成非晶态合金是非
度从而提高凝固时的冷速，使熔体凝固时间极短，并只能在 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冷凝固技术。
另一种方法是“热力学”的方法，即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(自发形核)的条件。在这种条件 下凝固时，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称为大过冷 技术。
5、深过冷凝固（大过冷凝固）
材料在大过冷度下的凝固是一种极端非平衡凝固。 一般它是借助于快速凝固和熔体净化的复合作用 而得到的。
快速凝固通过改变溶质分凝(溶质捕获)，液、固 相线温度及熔体扩散速度等使合金达到深过冷状 态。
熔体净化则通过消除异质核心，使熔体达到过冷 状态。
6、超常凝固
超常条件下的凝固指在某些特殊条件或特殊环境 下，区别于一般公认常规条件下的凝固过程。
2、制备难加工材料薄带、细小线材和块体材料
例如，超合金和Cu-10%Sn青铜等热加工性能差(易产 生龟裂)的材料。通过快速冷却减少偏析、细化组织，就可 提高变形性能，实现热加工；又如温度保险丝用Pb-Bi共晶 合金等细线强度低，拔丝困难，可采用旋转水纺线法制备。
➢ 也就是说，如果这些亚稳相的晶体结构与平衡相图上相邻 的某一中间相的结构极为相似，则可看成是大过冷下中间 相的亚稳浓度扩大的结果。另一方面，也可能形成某些在 平衡相图上完全不出现的亚稳相。对自然决定于 冷却速度与过冷度。
5、形成非晶态 液态合金经过快速凝固而形成非晶态合金是非
度从而提高凝固时的冷速，使熔体凝固时间极短，并只能在 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冷凝固技术。
另一种方法是“热力学”的方法，即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(自发形核)的条件。在这种条件 下凝固时，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称为大过冷 技术。
5、深过冷凝固（大过冷凝固）
材料在大过冷度下的凝固是一种极端非平衡凝固。 一般它是借助于快速凝固和熔体净化的复合作用 而得到的。
快速凝固通过改变溶质分凝(溶质捕获)，液、固 相线温度及熔体扩散速度等使合金达到深过冷状 态。
熔体净化则通过消除异质核心，使熔体达到过冷 状态。
6、超常凝固
超常条件下的凝固指在某些特殊条件或特殊环境 下，区别于一般公认常规条件下的凝固过程。
第一节快速凝固第二节失重条件下的凝固第三节定向凝固-资料
其核心是: 熔融金玻液璃中的净异化质法形核核心。
消除合
通过熔融玻璃对合金液的净化作用，消除合金液
中的异质形核核心。
悬浮熔炼法（电磁悬浮、静电悬浮、声悬浮）
通过无容器熔炼消除合金熔体与容器接触对形核 的促进作用。
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T1
三、快速凝固显微组织
T1 ＜ T2
凝固在很大的过冷度和很 高的冷却速率下进行，凝固 组织中会出现非平衡相 。
定向凝固的单晶叶片是通过对多 晶的螺旋选择生长凝固而成的。
等轴晶、柱状晶和单晶的发动机叶片比较
柱状晶、螺旋选择器及生长的单晶
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13
失重条件下材料的凝固实验在地面富上Co可相以在通富过Cu
悬浮熔炼 和 落管技术 得到 。
基体上均匀分 布
不同过冷度（ΔT）下Cu84Co16合金电磁悬浮试样的背散射组织
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第三节 定向凝固
• 定向凝固技术在共晶凝固、定向柱状晶生 长和单晶铸造等方面都有重要的意义。
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10
四、金属玻璃
• 金金属属玻玻璃璃的拉（伸也强称度可非高晶态合金）是Duwez等人在
达139～604年GP首a，先并发具有现很的好，的 他们通过对熔融
耐A腐u蚀80性S能i2、0优合异金的快软磁速性冷能淬、获得了金属玻璃。
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。
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③自此，快速凝固亚稳效应被有目的地用来制备高性能材料
快速凝固技术的分类及基本原理
快速凝固技术的分类
急
不同学者对快速凝固方法作了不同的分类，
冷
➢Jones(1982)根据熔体分离与冷却方式不同而分成三类：
凝
（i） 熔体急冷前破碎成液滴的喷射方法——雾化技术；
快
固
（ii） 熔体急冷时保持其连续性的急冷方法——模冷技术；
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
在不同的急冷方法中，B可与A和C组合（离心雾化法、熔体旋转法），也可仅与C组合（熔体提取法）
常规 铸造
冶炼炉
在时间上有时也“分割”熔体，但 “分割”不强烈，熔化潜热多集中释 放
铸模
熔体液流与冷却介质的组合形式，以及相应的工艺过程
熔体液流与冷却介质各采用三个选择： 分离熔体选择——细小液滴、近圆断面的细流、极薄矩形断面液流 散热介质选择——气体、液体、固体
➢高速高频气流由装配在雾化喷嘴上的 激波管产生
➢可有效破碎液流，粉末更细（平均约 20μm），粒度均匀（尺寸分布窄）， 平均冷速可达105 K/s
➢可以成功地用于生产铝、超合金、TiAl粉
离心雾化技术
液态金属在高速旋转的容器（盘、杯、坩埚、平板或凹板）的边缘上破碎、雾化的 技术。液态金属从坩埚或从熔化的母合金棒端浇注到旋转器上，在离心力的作用下， 熔融金属被甩向容器边缘雾化，喷射出金属雾滴，雾滴在飞行过程中球化并凝固。 整个过程（熔化、雾化、凝固）在惰性气体环境中完成
快速凝固发展的由来
追溯快速凝固发展，其原始动力源于解决铸件（锭）偏析的需 要。因此，虽然有的技术DUWEZ的“枪”以前就已发明，早 可视为快速凝固技术的前身。然而，目前大家公认的是，快速 凝固起源于DUWEZ的“枪”技术 1960年DUWEZ的“枪”技术开创了一个新纪元
①冷速可达106k/s
②首次系统报道快凝组织结构、形貌、大小的变化规律
急冷凝固技术的基本原理
或改变熔体形状，或分散熔体，避免大量熔化潜热集中释放，并改善熔体与冷却介 质的热接触状况，实现快速热交换，并散热，达到快冷和快凝的目的
急冷凝固技术的设备组成
B是急冷设备的核心，对冷速起关键作用
急冷 凝固
熔化装置 A
熔化合金
分离装置 B
在时间或空间上 “分割”熔体
冷却装置 C
传出熔体热量
➢利用两个反向高速旋转辊轮将 金属液流雾化。经过双辊时需防 凝固（用碳涂层包裹两辊），液 态金属从辊下方排出，形成涡凹， 并以液滴形式甩出，并迅速落入 水浴，凝固
➢冷速达１０５－１０６Ｋ／ｓ， 可制备金属薄片、箔以及不规则 或球形颗粒。效率低
➢将熔体液流在两个反向旋转的导热轧辊之间轧制，熔体液流垂直下落在两辊之间， 可制备１０－２００μm的薄片，冷速达１０５Ｋ／ｓ。精控工艺参数，可制备非 常长的薄带
旋桨代平盘
➢粉末多呈球形，尺寸约20-80μm， 冷速104-106K/s
➢已用于制备镍、铝、钛和超合金粉
Pratt & Whitney 的快速凝固速率— 离心雾化（RSR-CAP）工艺
离心雾化法
➢静止电极和带电旋转坩埚 之间产生电弧，熔化金属
➢在离心力作用下，熔融 金属被甩出坩埚边缘雾化， 并喷射出金属液态颗粒
快速凝固雾化法
旋转离心雾化的一种，又称快速凝固速率—离心雾化工艺，
（Rapidly Solidification Rate-Centrifugal Atomization Process）
➢液流自坩埚底浇至高速旋转的水冷 水平盘，液态金属被机械打碎、雾化， 从旋转盘边缘甩出，液滴在飞行过程
中凝固
➢可 加 氦 气 流 喷 吹 ， 加 速 冷 却 ， （ 水 流等亦然），也防氧化。也有人已螺
➢已用于生产钛合金粉
旋转电极雾化法
➢欲被雾化的棒料快速旋转，同时棒料一 端被一个非自耗钨电极产生的电弧熔化， 融化的金属从旋棒上甩出，在与惰性气 体室室壁碰撞之前凝固，成粉
➢粉末多呈球形，表面质量好，尺寸大， 大于200μm，冷速～10２Ｋ／ｓ
➢已用于雾化活泼的金属，如高纯、低氧 的Ｔｉ、Ｚｒ、Ｎｂ、Ｔａ、Ｖ等金属 及其合金，以及Ｎｉ和Ｃｏ的超合金。 易出现钨污染，可用钛阴极或等离子体 弧、激光、电子束来熔化棒料
不同雾化技术，雾化机制不尽相同,可以大致分为几类: 双流雾化、旋转离心雾化、机械雾化等
产品形式：粉末、碎片、箔片
流体雾化（Fluid Atomization）
气体雾化法
➢过程：两束或多束气体射流介质传递 动能，将金属液流破碎，细小的液滴在 飞行中通过对流或辐射散热凝固成粉
➢工艺参数：射流距离、射流压力、喷 嘴结构、气体和金属流速和质量流率、 金属过热度、气液交汇角、金属表面张 力和金属融化温度范围
➢已 被 大 规 模 应 用 于 工 具 钢 、 低合金钢、铜、锡、铁粉等等 （水雾化钢和超合金,活泼元素 易氧化，O%≥1000ppm，而 气 体 雾 化 ， O%~100ppm ） 有时，也可以油代水，以降 O%
超声气体雾化法（Ultra-sonic Gas Atomization）
➢是气体雾化法之一，方法类似于普通 气体雾化，只不过是雾化气体射流速度 高，最高达2.5马赫，而且声波频率高， 达80~100kHz；(常规气体雾化射流以 连续方式流动，而超声雾化射流则以 80~100Hz的频率振动。)
常规铸造工艺存在的主要问题
（1）成分偏析：存在于枝晶范围 （0.1~0.0001cm数量级）的微观偏析 和存在于整个铸件或铸锭范围 （~1cm, 乃至1m）的宏观偏析 （2）晶粒粗大，大小不一，析出相 颗粒粗大，形状各异
（3）在合金设计时，受极限平衡固 溶度制约
（4）存在铸造缺陷，集中缩孔大
提高冷却速率是细化组织，消除成分偏析的有效手段
随产品尺寸（至少一维）减小，冷速增大，产品中枝晶壁间距缩短，第二相（杂 质和孔洞）细化，分布均匀化，获得组织均匀的合金 但是从液态到固态，到底以什么样的冷速冷却，才算达到快速凝固，尚不确定
快速凝固的定义
对于急冷凝固技术（冷却速率大小是重要标志，关系到产 品的显微结构和均匀性），但是对于如何从冷却速率来界定 急冷凝固和常规凝固，尚未统一的认识
其它雾化技术
真空雾化法 （Vacuum Atomization）:又称可溶气体雾化
➢坩埚内液态金属在压力下过饱和溶 解气体（氮、氩、氢等），突然向真 空开放，气体膨胀，脱溶，金属雾化
➢用氢雾化Ｎｉ、Ｃｕ、Ｃo、Ｆｅ 和Ａｌ基合金，粉末多呈球形，表面洁净，纯度高，但冷速低， ～１０２Ｋ／ｓ
内容
➢快速凝固概论
➢快速凝固的起源及发展 ➢快速凝固基本原理及分类 ➢快速凝固工艺、设备与产品特征 ➢快速凝固粉末致密化工艺 ➢快速凝固的亚稳效应 ➢快速凝固在晶态材料的研制开发中的应用
实现快速凝固的途径
“动力学”法
急冷凝固技术（Rapidly Quenching Technology, RQT） （或称 熔体淬火技术（Melt Quenching Technology, MQT）） 提高熔体凝固时传热速度，来增大冷速，从而提高过冷度和凝固速率，使熔体形 核时间短，来不及在熔点附近凝固，而在远离平衡点的较低温度凝固，实现快冷 和快凝
有人认为 T 102 ~ 104 k / s 有人认为 T 105 k / s
然而，几乎所有有关冷速的数据都十分相近，原因在于：很少直接测量， 都是通过测凝固后枝晶臂间距后估算出来的
因此，有人将快速凝固定义为: 由液相到固相的冷却速率相当快，从而获得了传统铸件或铸 锭冷却条件下所不能获得的成分、相结构或显微结构
➢应用：高合金钢、铝合金、超合金、 钛合金等（活泼金属粉末采用惰性气体 雾化）
粉末多成球形。凝固冷速取决于颗粒尺 寸和雾化介质的类型，通常，尺寸愈小， 气体愈轻，冷速愈高
水雾化法（Water Atomization）
➢以 水 射 流 代 替 气 体 射 流 外 ， 其余与气体雾化相似
➢颗 粒 多 呈 不 规 则 形 ， 但 冷 速 可达102-104K/s
➢而冷却速度取决于对流、辐射、传导等的导热速率 ➢在理想冷却过程中 ， dT/dt=104z
式中dT/dt—凝固速度，z—截面厚度 ➢故熔化金属必须被分散，至少一维方向上足够小，具有大比表面积，而且最大 程度地增加熔体与冷却介质之间的接触，以减小热阻，利于散热
急冷凝固技术中获得高冷速的基本原则
➢设法减少同一时刻凝固的熔体体积 ➢设法增大熔体散热表面积与体积之比 ➢设法减少熔体与热传导性能好的冷却介质的界面热阻 ➢尽可能主要以传导方式散热
模冷技术 激光表面处理
雾化技术
雾化法不是一个很新颖的技术，但却是工业生产中最常见的快凝方法 基本原理：将连续的金属熔体在离心力、机械力或高速流体(气体或液体)冲击力
等外力作用下分散破碎成尺寸极细小的雾化熔滴，并使熔滴在与流体或冷模接触 中迅速冷却凝固，凝固后成呈粉末
主要工艺方法：（根据熔炼方法、分离方式、冷却介质和冷却形式不尽相同） 气体雾化法;水雾化法;超声气体雾化法;紧偶合气体雾化法; 高速旋转筒雾化法;滚筒雾化法;穿孔旋转杯法;旋转离心雾化法; 快速凝固雾化法;真空雾化法;旋转电极雾化法;双轧辊雾化法; 电—流体力学雾化法;火花电蚀雾化法
“静力学”法
大过冷技术（Large Undercooling Technology, LUT）
快速凝固技术的分类及基本原理
快速凝固技术的分类
急
不同学者对快速凝固方法作了不同的分类，
冷
➢Jones(1982)根据熔体分离与冷却方式不同而分成三类：
凝
（i） 熔体急冷前破碎成液滴的喷射方法——雾化技术；
快
固
（ii） 熔体急冷时保持其连续性的急冷方法——模冷技术；
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
在不同的急冷方法中，B可与A和C组合（离心雾化法、熔体旋转法），也可仅与C组合（熔体提取法）
常规 铸造
冶炼炉
在时间上有时也“分割”熔体，但 “分割”不强烈，熔化潜热多集中释 放
铸模
熔体液流与冷却介质的组合形式，以及相应的工艺过程
熔体液流与冷却介质各采用三个选择： 分离熔体选择——细小液滴、近圆断面的细流、极薄矩形断面液流 散热介质选择——气体、液体、固体
➢高速高频气流由装配在雾化喷嘴上的 激波管产生
➢可有效破碎液流，粉末更细（平均约 20μm），粒度均匀（尺寸分布窄）， 平均冷速可达105 K/s
➢可以成功地用于生产铝、超合金、TiAl粉
离心雾化技术
液态金属在高速旋转的容器（盘、杯、坩埚、平板或凹板）的边缘上破碎、雾化的 技术。液态金属从坩埚或从熔化的母合金棒端浇注到旋转器上，在离心力的作用下， 熔融金属被甩向容器边缘雾化，喷射出金属雾滴，雾滴在飞行过程中球化并凝固。 整个过程（熔化、雾化、凝固）在惰性气体环境中完成
快速凝固发展的由来
追溯快速凝固发展，其原始动力源于解决铸件（锭）偏析的需 要。因此，虽然有的技术DUWEZ的“枪”以前就已发明，早 可视为快速凝固技术的前身。然而，目前大家公认的是，快速 凝固起源于DUWEZ的“枪”技术 1960年DUWEZ的“枪”技术开创了一个新纪元
①冷速可达106k/s
②首次系统报道快凝组织结构、形貌、大小的变化规律
急冷凝固技术的基本原理
或改变熔体形状，或分散熔体，避免大量熔化潜热集中释放，并改善熔体与冷却介 质的热接触状况，实现快速热交换，并散热，达到快冷和快凝的目的
急冷凝固技术的设备组成
B是急冷设备的核心，对冷速起关键作用
急冷 凝固
熔化装置 A
熔化合金
分离装置 B
在时间或空间上 “分割”熔体
冷却装置 C
传出熔体热量
➢利用两个反向高速旋转辊轮将 金属液流雾化。经过双辊时需防 凝固（用碳涂层包裹两辊），液 态金属从辊下方排出，形成涡凹， 并以液滴形式甩出，并迅速落入 水浴，凝固
➢冷速达１０５－１０６Ｋ／ｓ， 可制备金属薄片、箔以及不规则 或球形颗粒。效率低
➢将熔体液流在两个反向旋转的导热轧辊之间轧制，熔体液流垂直下落在两辊之间， 可制备１０－２００μm的薄片，冷速达１０５Ｋ／ｓ。精控工艺参数，可制备非 常长的薄带
旋桨代平盘
➢粉末多呈球形，尺寸约20-80μm， 冷速104-106K/s
➢已用于制备镍、铝、钛和超合金粉
Pratt & Whitney 的快速凝固速率— 离心雾化（RSR-CAP）工艺
离心雾化法
➢静止电极和带电旋转坩埚 之间产生电弧，熔化金属
➢在离心力作用下，熔融 金属被甩出坩埚边缘雾化， 并喷射出金属液态颗粒
快速凝固雾化法
旋转离心雾化的一种，又称快速凝固速率—离心雾化工艺，
（Rapidly Solidification Rate-Centrifugal Atomization Process）
➢液流自坩埚底浇至高速旋转的水冷 水平盘，液态金属被机械打碎、雾化， 从旋转盘边缘甩出，液滴在飞行过程
中凝固
➢可 加 氦 气 流 喷 吹 ， 加 速 冷 却 ， （ 水 流等亦然），也防氧化。也有人已螺
➢已用于生产钛合金粉
旋转电极雾化法
➢欲被雾化的棒料快速旋转，同时棒料一 端被一个非自耗钨电极产生的电弧熔化， 融化的金属从旋棒上甩出，在与惰性气 体室室壁碰撞之前凝固，成粉
➢粉末多呈球形，表面质量好，尺寸大， 大于200μm，冷速～10２Ｋ／ｓ
➢已用于雾化活泼的金属，如高纯、低氧 的Ｔｉ、Ｚｒ、Ｎｂ、Ｔａ、Ｖ等金属 及其合金，以及Ｎｉ和Ｃｏ的超合金。 易出现钨污染，可用钛阴极或等离子体 弧、激光、电子束来熔化棒料
不同雾化技术，雾化机制不尽相同,可以大致分为几类: 双流雾化、旋转离心雾化、机械雾化等
产品形式：粉末、碎片、箔片
流体雾化（Fluid Atomization）
气体雾化法
➢过程：两束或多束气体射流介质传递 动能，将金属液流破碎，细小的液滴在 飞行中通过对流或辐射散热凝固成粉
➢工艺参数：射流距离、射流压力、喷 嘴结构、气体和金属流速和质量流率、 金属过热度、气液交汇角、金属表面张 力和金属融化温度范围
➢已 被 大 规 模 应 用 于 工 具 钢 、 低合金钢、铜、锡、铁粉等等 （水雾化钢和超合金,活泼元素 易氧化，O%≥1000ppm，而 气 体 雾 化 ， O%~100ppm ） 有时，也可以油代水，以降 O%
超声气体雾化法（Ultra-sonic Gas Atomization）
➢是气体雾化法之一，方法类似于普通 气体雾化，只不过是雾化气体射流速度 高，最高达2.5马赫，而且声波频率高， 达80~100kHz；(常规气体雾化射流以 连续方式流动，而超声雾化射流则以 80~100Hz的频率振动。)
常规铸造工艺存在的主要问题
（1）成分偏析：存在于枝晶范围 （0.1~0.0001cm数量级）的微观偏析 和存在于整个铸件或铸锭范围 （~1cm, 乃至1m）的宏观偏析 （2）晶粒粗大，大小不一，析出相 颗粒粗大，形状各异
（3）在合金设计时，受极限平衡固 溶度制约
（4）存在铸造缺陷，集中缩孔大
提高冷却速率是细化组织，消除成分偏析的有效手段
随产品尺寸（至少一维）减小，冷速增大，产品中枝晶壁间距缩短，第二相（杂 质和孔洞）细化，分布均匀化，获得组织均匀的合金 但是从液态到固态，到底以什么样的冷速冷却，才算达到快速凝固，尚不确定
快速凝固的定义
对于急冷凝固技术（冷却速率大小是重要标志，关系到产 品的显微结构和均匀性），但是对于如何从冷却速率来界定 急冷凝固和常规凝固，尚未统一的认识
其它雾化技术
真空雾化法 （Vacuum Atomization）:又称可溶气体雾化
➢坩埚内液态金属在压力下过饱和溶 解气体（氮、氩、氢等），突然向真 空开放，气体膨胀，脱溶，金属雾化
➢用氢雾化Ｎｉ、Ｃｕ、Ｃo、Ｆｅ 和Ａｌ基合金，粉末多呈球形，表面洁净，纯度高，但冷速低， ～１０２Ｋ／ｓ
内容
➢快速凝固概论
➢快速凝固的起源及发展 ➢快速凝固基本原理及分类 ➢快速凝固工艺、设备与产品特征 ➢快速凝固粉末致密化工艺 ➢快速凝固的亚稳效应 ➢快速凝固在晶态材料的研制开发中的应用
实现快速凝固的途径
“动力学”法
急冷凝固技术（Rapidly Quenching Technology, RQT） （或称 熔体淬火技术（Melt Quenching Technology, MQT）） 提高熔体凝固时传热速度，来增大冷速，从而提高过冷度和凝固速率，使熔体形 核时间短，来不及在熔点附近凝固，而在远离平衡点的较低温度凝固，实现快冷 和快凝
有人认为 T 102 ~ 104 k / s 有人认为 T 105 k / s
然而，几乎所有有关冷速的数据都十分相近，原因在于：很少直接测量， 都是通过测凝固后枝晶臂间距后估算出来的
因此，有人将快速凝固定义为: 由液相到固相的冷却速率相当快，从而获得了传统铸件或铸 锭冷却条件下所不能获得的成分、相结构或显微结构
➢应用：高合金钢、铝合金、超合金、 钛合金等（活泼金属粉末采用惰性气体 雾化）
粉末多成球形。凝固冷速取决于颗粒尺 寸和雾化介质的类型，通常，尺寸愈小， 气体愈轻，冷速愈高
水雾化法（Water Atomization）
➢以 水 射 流 代 替 气 体 射 流 外 ， 其余与气体雾化相似
➢颗 粒 多 呈 不 规 则 形 ， 但 冷 速 可达102-104K/s
➢而冷却速度取决于对流、辐射、传导等的导热速率 ➢在理想冷却过程中 ， dT/dt=104z
式中dT/dt—凝固速度，z—截面厚度 ➢故熔化金属必须被分散，至少一维方向上足够小，具有大比表面积，而且最大 程度地增加熔体与冷却介质之间的接触，以减小热阻，利于散热
急冷凝固技术中获得高冷速的基本原则
➢设法减少同一时刻凝固的熔体体积 ➢设法增大熔体散热表面积与体积之比 ➢设法减少熔体与热传导性能好的冷却介质的界面热阻 ➢尽可能主要以传导方式散热
模冷技术 激光表面处理
雾化技术
雾化法不是一个很新颖的技术，但却是工业生产中最常见的快凝方法 基本原理：将连续的金属熔体在离心力、机械力或高速流体(气体或液体)冲击力
等外力作用下分散破碎成尺寸极细小的雾化熔滴，并使熔滴在与流体或冷模接触 中迅速冷却凝固，凝固后成呈粉末
主要工艺方法：（根据熔炼方法、分离方式、冷却介质和冷却形式不尽相同） 气体雾化法;水雾化法;超声气体雾化法;紧偶合气体雾化法; 高速旋转筒雾化法;滚筒雾化法;穿孔旋转杯法;旋转离心雾化法; 快速凝固雾化法;真空雾化法;旋转电极雾化法;双轧辊雾化法; 电—流体力学雾化法;火花电蚀雾化法
“静力学”法
大过冷技术（Large Undercooling Technology, LUT）