材料制备新技术(许春香) 第一章 快速凝固技术
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6-循环分离器
第1章 快速凝固技术
图1-20 大块非晶形成临界冷却速度Vcc、最大厚度tmax 和 比玻璃化温度Trg之间的关系
第1章 快速凝固技术
图1-21 单向熔化法示意图
第1章 快速凝固技术
图1-22 连续铸轧示意图
第1章 快速凝固技术
图1-23 分步冷却连续铸造法示意图
表1-1 不同雾化工艺的凝固速率和粉末质量比较
vS S (Tk Ti ) / S h
（1-11）
对凝固层内的温度分布作线性相似得
（1-12）
式中， 为凝固层厚度；TK 为液固界面温 度；Ti为铸件与铸型界面温度。
过冷度为△hs的熔体在凝固过程中导出的实际 潜热△h’可表示为
h ' h hS
(1-13)
θ 为角度 ，ω 为双辊旋转角速度 ， 为 合金熔液在双辊之间快速凝固的时间 。
3 A 1 4 5 6
3 4 1 5 6
H
φu 2
φd
I
c
2
(ａ) 自由喷射熔液自旋工艺
(ｂ) 平面流铸工艺
图1-4 自由喷射熔液自旋工艺和平面流铸工艺形成的熔潭示意图
第1章 快速凝固技术
图1-5 玻璃包覆纺线法快速凝固原理图
第1章 快速凝固技术
图1-6 Kavesh法线材快速凝固原理图 1，7-导流管；2-喷嘴；3-合金液；4-感应加热器； 5-稳流罩；6-分散器；8-泵
（1-14）
第1章 快速凝固技术
图1-18 喷射沉积法原理图 1-沉积室；2-基板；3-喷射粒子流；4-气体雾化室；5-合金液； 6-坩埚；7-雾化气体；8-沉积体；9-运动机构；10-排气及取料室
第1章 快速凝固技术
图1-19 喷射沉积法制备坯材 1-感应加热坩埚；2-喷嘴；3-圆柱沉积坯；4-沉积室； 5-排气管；
S 、 L
近似取 , C C C ,并且已 知 + 1 ，则由式（1-6）至式 （1-9）可 得出:
S L
S
L
Swk.baidu.com
L
q (vSV h c vC ) M
(1-10)
式中，M V / A 为铸件模数。
vS S GTS / S h
有 无 无 无 无
球形,有卫星 球形，卫星 很少 球形，有卫 星 球形，卫星 很少 不规则，有 卫星
表1-2回转水纺线法制备的非晶丝及其力学性能。 （细丝直径100～160µ m）
成分（原子数分数）/% Pd77.5Cu6Si16.5 (Co0.95Ta0.05)72.5Si12.5B15 (Ni0.6Pd0.4) 82Si18 Fe77.5P12.5C10 抗拉强度бb /MPa 1570 4000 1710 2800 2.0 2.8 800 0.98×105 伸长率δ /% 2.5
涂层 涂覆管材 包层棒材 涂覆带材及板材
锅炉管 不锈钢及工具钢 耐磨板及轴承合金
第1章 快速凝固技术
热流密度q1和q2与结晶潜热释放率之间满足 热平衡方程:
q2 q1 q3
（1-1）
根据傅里叶导热定律知
q1 L GTL
q2 S GTS
而
（1-2） （1-3） （1-4）
q3 h s vs
维氏硬度 HV /DPM
380
弹性模量E /MPa 0.9×105
Cu60Zr40
Co72.5Si12.5B15 (Cu0.6Zr0.4) 95Nb5 (Ni0.4Pd0.6) 80P20
1810
3400 2100 1440
2.7
3.0 2.4 2.2
440
1100 460 1.2×105
表1-3 非晶、纳米晶软磁合金带材的主要性能及 应用领域
第1章 快速凝固技术
1
氩气
3
氩气 2 3 4 5 6
4
8 7 6
7
(ａ) 自由喷射熔液自旋工艺 (ｂ) 平面流铸工艺 图1-3 自由喷射熔液自旋工艺和平面流铸工艺原理示意图 1-压力计； 2-排气阀； 3-坩埚； 4-感应加热线圈； 5-合金液； 6-金属薄带； 7-淬冷辊轮； 8-喷嘴
第1章 快速凝固技术
表1-4 采用喷射沉积法制备的近终形制件
产品 管状制件 圆管 轧辊 衬套 汽轮机套 轴承套 棒、坯件 挤压坯 锻坯 圆棒 合金系统 不锈钢及高温合金 铸铁及高合金钢 铝合金 高温合金 高速钢 铝合金及复合材料 高温材料 高合金钢 产品 合金系统
平板键 带钢 有色合金带 盔甲板材 涂层 涂覆管材 包层棒材 涂覆带材及板材
式中,λ L,λ S分别为液相和固相的导热 率﹔GTL,GTS分别为凝固界面附近液和固相 中的温度梯度；△h为结晶潜热，也称为 凝固潜热；VS为凝固速度；ρ S为固密度。
将式（1-2）至式（1-4）带入式（1-1） 则可求得凝固速度为：
S GTS L GTL vS S h
（1-5）
非晶、纳米晶软磁合金带材 性能 铁基 Βs/T 1.6 铁镍基 0.7~1.4 钴基 0.55~0.8 铁基纳米晶 1.25
λS
TC/K HC/(A.m-1) μm Br/Bs
(20~30)×10-6
>673 <8 (1~20)×104 0.05~0.90 配电变压器，中频 变压器
(10~20)×10-6
材料制备新技术
材料成型及控制工程－铸造工程方向专业课
许春香
第1章 快速凝固技术
（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；
Q-铸件向铸型散热热量
第1章 快速凝固技术
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
工艺
粉末粒度 /μm
平均粒 度 /μm 50~70 20 200 70~80 40~70
冷却速率/ （K/s）
包裹气体
粉末质量
亚音速雾化 超音速雾化 旋转电机雾化 离心雾化 气体溶解雾化
1~500 1~250 100~600 1~500 1~500
100~102 104~105 10 105 102
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)
(1-8)
Q2 vCV ( S CSS LCLL )
Q3 vSV V h
(1-9) 式中，A为铸型与铸件的界面面积； q为界面热流 v 密度；VC为冷却速度，C dT / d 为负值；VSV为体积凝 固速度， ；V为铸件体积； △h为结晶 vSV d S / d 潜 热；ρ S、ρ L、ρ 分别为固相密度、液相密度及平 均密度；CS、CL分别为固相、液相的质量热容； 分别为固相体积分数和液相体积分数。
第1章 快速凝固技术
图1-9 单辊法制备快速凝固薄带原理图 1-激冷辊；2-感应加热器；3-排气阀；4-压力表；5-带材
第1章 快速凝固技术
图1-10 单辊法制备复合带材 1-单辊；2、5-合金液；3、4-坩埚；6-感应加热器；7-复合薄带
第1章 快速凝固技术
图1-11 非晶合金带材生产线示意图 1-熔化、保温炉; 2-中间包; 3-喷嘴; 4-单辊,直径约2000mm; 5-厚度测量装置
523~703 <4.5 (1~80)×104 0.1~0.85 漏电保护开关，电 流互感器
约0
>583 <1.2 (1~100)×104 0.05~0.95
(1~2)×10-6
>773 <2 (1~50)×104 0.1~0.90
应用
磁放大器，高频变 压器，扼流圈，脉 冲变压器，饱和电 抗器
磁放大器，高频变 压器，扼流圈，脉 冲变压器，饱和电 抗器
θ
固相
图1-14 双辊法制备带材快速凝固模型
第1章 快速凝固技术
图1-15 双辊法制备复合薄带 1、2-冷却辊；3-基带； 4-喷嘴；5-合金熔液
第1章 快速凝固技术
图1-16 溢流法快速凝固原理图
第1章 快速凝固技术
图1-17 溢流法制备复合带材 1-复合层；2-基带；3-激冷辊；4-合金液；l，5-合金液；2，6-冷却长度
第1章 快速凝固技术
5 4 3 2
6
1
图1-12 双辊法快速凝固原理图 l-带材；2-合金液流；3-加热器；4-坩埚；5-喷嘴；6-双辊
第1章 快速凝固技术
（a）平行
(b) 倾斜
(c) 凸面
(d) 凹面
图1-13 两辊的平行度对带材质量的影响
第1章 快速凝固技术
合金溶液 第一种情况 第二种情况 第三种情况 a
第1章 快速凝固技术
图1-7 回转水纺线法线材快速凝固原理图
1-旋转鼓；2-冷却水；3-喷嘴；4-喷射液柱；5-加热器
第1章 快速凝固技术
图1-8 传送带法线材快速凝固原理图 1-冷却水喷嘴；2-带沟槽传送带；3-导引带；4-加热器；5-导引鼓；6-坩埚； 7-合金液；8-喷嘴；9-驱动滑轮；10-液流稳定器；11-线材；12-绕线机； 13-集水箱；14-喷射合金熔液柱；15-输送泵；16-流量计；17-压缩机
第1章 快速凝固技术
图1-20 大块非晶形成临界冷却速度Vcc、最大厚度tmax 和 比玻璃化温度Trg之间的关系
第1章 快速凝固技术
图1-21 单向熔化法示意图
第1章 快速凝固技术
图1-22 连续铸轧示意图
第1章 快速凝固技术
图1-23 分步冷却连续铸造法示意图
表1-1 不同雾化工艺的凝固速率和粉末质量比较
vS S (Tk Ti ) / S h
（1-11）
对凝固层内的温度分布作线性相似得
（1-12）
式中， 为凝固层厚度；TK 为液固界面温 度；Ti为铸件与铸型界面温度。
过冷度为△hs的熔体在凝固过程中导出的实际 潜热△h’可表示为
h ' h hS
(1-13)
θ 为角度 ，ω 为双辊旋转角速度 ， 为 合金熔液在双辊之间快速凝固的时间 。
3 A 1 4 5 6
3 4 1 5 6
H
φu 2
φd
I
c
2
(ａ) 自由喷射熔液自旋工艺
(ｂ) 平面流铸工艺
图1-4 自由喷射熔液自旋工艺和平面流铸工艺形成的熔潭示意图
第1章 快速凝固技术
图1-5 玻璃包覆纺线法快速凝固原理图
第1章 快速凝固技术
图1-6 Kavesh法线材快速凝固原理图 1，7-导流管；2-喷嘴；3-合金液；4-感应加热器； 5-稳流罩；6-分散器；8-泵
（1-14）
第1章 快速凝固技术
图1-18 喷射沉积法原理图 1-沉积室；2-基板；3-喷射粒子流；4-气体雾化室；5-合金液； 6-坩埚；7-雾化气体；8-沉积体；9-运动机构；10-排气及取料室
第1章 快速凝固技术
图1-19 喷射沉积法制备坯材 1-感应加热坩埚；2-喷嘴；3-圆柱沉积坯；4-沉积室； 5-排气管；
S 、 L
近似取 , C C C ,并且已 知 + 1 ，则由式（1-6）至式 （1-9）可 得出:
S L
S
L
Swk.baidu.com
L
q (vSV h c vC ) M
(1-10)
式中，M V / A 为铸件模数。
vS S GTS / S h
有 无 无 无 无
球形,有卫星 球形，卫星 很少 球形，有卫 星 球形，卫星 很少 不规则，有 卫星
表1-2回转水纺线法制备的非晶丝及其力学性能。 （细丝直径100～160µ m）
成分（原子数分数）/% Pd77.5Cu6Si16.5 (Co0.95Ta0.05)72.5Si12.5B15 (Ni0.6Pd0.4) 82Si18 Fe77.5P12.5C10 抗拉强度бb /MPa 1570 4000 1710 2800 2.0 2.8 800 0.98×105 伸长率δ /% 2.5
涂层 涂覆管材 包层棒材 涂覆带材及板材
锅炉管 不锈钢及工具钢 耐磨板及轴承合金
第1章 快速凝固技术
热流密度q1和q2与结晶潜热释放率之间满足 热平衡方程:
q2 q1 q3
（1-1）
根据傅里叶导热定律知
q1 L GTL
q2 S GTS
而
（1-2） （1-3） （1-4）
q3 h s vs
维氏硬度 HV /DPM
380
弹性模量E /MPa 0.9×105
Cu60Zr40
Co72.5Si12.5B15 (Cu0.6Zr0.4) 95Nb5 (Ni0.4Pd0.6) 80P20
1810
3400 2100 1440
2.7
3.0 2.4 2.2
440
1100 460 1.2×105
表1-3 非晶、纳米晶软磁合金带材的主要性能及 应用领域
第1章 快速凝固技术
1
氩气
3
氩气 2 3 4 5 6
4
8 7 6
7
(ａ) 自由喷射熔液自旋工艺 (ｂ) 平面流铸工艺 图1-3 自由喷射熔液自旋工艺和平面流铸工艺原理示意图 1-压力计； 2-排气阀； 3-坩埚； 4-感应加热线圈； 5-合金液； 6-金属薄带； 7-淬冷辊轮； 8-喷嘴
第1章 快速凝固技术
表1-4 采用喷射沉积法制备的近终形制件
产品 管状制件 圆管 轧辊 衬套 汽轮机套 轴承套 棒、坯件 挤压坯 锻坯 圆棒 合金系统 不锈钢及高温合金 铸铁及高合金钢 铝合金 高温合金 高速钢 铝合金及复合材料 高温材料 高合金钢 产品 合金系统
平板键 带钢 有色合金带 盔甲板材 涂层 涂覆管材 包层棒材 涂覆带材及板材
式中,λ L,λ S分别为液相和固相的导热 率﹔GTL,GTS分别为凝固界面附近液和固相 中的温度梯度；△h为结晶潜热，也称为 凝固潜热；VS为凝固速度；ρ S为固密度。
将式（1-2）至式（1-4）带入式（1-1） 则可求得凝固速度为：
S GTS L GTL vS S h
（1-5）
非晶、纳米晶软磁合金带材 性能 铁基 Βs/T 1.6 铁镍基 0.7~1.4 钴基 0.55~0.8 铁基纳米晶 1.25
λS
TC/K HC/(A.m-1) μm Br/Bs
(20~30)×10-6
>673 <8 (1~20)×104 0.05~0.90 配电变压器，中频 变压器
(10~20)×10-6
材料制备新技术
材料成型及控制工程－铸造工程方向专业课
许春香
第1章 快速凝固技术
（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；
Q-铸件向铸型散热热量
第1章 快速凝固技术
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
工艺
粉末粒度 /μm
平均粒 度 /μm 50~70 20 200 70~80 40~70
冷却速率/ （K/s）
包裹气体
粉末质量
亚音速雾化 超音速雾化 旋转电机雾化 离心雾化 气体溶解雾化
1~500 1~250 100~600 1~500 1~500
100~102 104~105 10 105 102
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)
(1-8)
Q2 vCV ( S CSS LCLL )
Q3 vSV V h
(1-9) 式中，A为铸型与铸件的界面面积； q为界面热流 v 密度；VC为冷却速度，C dT / d 为负值；VSV为体积凝 固速度， ；V为铸件体积； △h为结晶 vSV d S / d 潜 热；ρ S、ρ L、ρ 分别为固相密度、液相密度及平 均密度；CS、CL分别为固相、液相的质量热容； 分别为固相体积分数和液相体积分数。
第1章 快速凝固技术
图1-9 单辊法制备快速凝固薄带原理图 1-激冷辊；2-感应加热器；3-排气阀；4-压力表；5-带材
第1章 快速凝固技术
图1-10 单辊法制备复合带材 1-单辊；2、5-合金液；3、4-坩埚；6-感应加热器；7-复合薄带
第1章 快速凝固技术
图1-11 非晶合金带材生产线示意图 1-熔化、保温炉; 2-中间包; 3-喷嘴; 4-单辊,直径约2000mm; 5-厚度测量装置
523~703 <4.5 (1~80)×104 0.1~0.85 漏电保护开关，电 流互感器
约0
>583 <1.2 (1~100)×104 0.05~0.95
(1~2)×10-6
>773 <2 (1~50)×104 0.1~0.90
应用
磁放大器，高频变 压器，扼流圈，脉 冲变压器，饱和电 抗器
磁放大器，高频变 压器，扼流圈，脉 冲变压器，饱和电 抗器
θ
固相
图1-14 双辊法制备带材快速凝固模型
第1章 快速凝固技术
图1-15 双辊法制备复合薄带 1、2-冷却辊；3-基带； 4-喷嘴；5-合金熔液
第1章 快速凝固技术
图1-16 溢流法快速凝固原理图
第1章 快速凝固技术
图1-17 溢流法制备复合带材 1-复合层；2-基带；3-激冷辊；4-合金液；l，5-合金液；2，6-冷却长度
第1章 快速凝固技术
5 4 3 2
6
1
图1-12 双辊法快速凝固原理图 l-带材；2-合金液流；3-加热器；4-坩埚；5-喷嘴；6-双辊
第1章 快速凝固技术
（a）平行
(b) 倾斜
(c) 凸面
(d) 凹面
图1-13 两辊的平行度对带材质量的影响
第1章 快速凝固技术
合金溶液 第一种情况 第二种情况 第三种情况 a
第1章 快速凝固技术
图1-7 回转水纺线法线材快速凝固原理图
1-旋转鼓；2-冷却水；3-喷嘴；4-喷射液柱；5-加热器
第1章 快速凝固技术
图1-8 传送带法线材快速凝固原理图 1-冷却水喷嘴；2-带沟槽传送带；3-导引带；4-加热器；5-导引鼓；6-坩埚； 7-合金液；8-喷嘴；9-驱动滑轮；10-液流稳定器；11-线材；12-绕线机； 13-集水箱；14-喷射合金熔液柱；15-输送泵；16-流量计；17-压缩机