金属材料的制备-2-快速凝固
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※利用固体散热
• 模冷技术：在减小熔体尺寸的前提下，利用导热良好的冷模提高散热速 度。 •表面熔化技术
※液体、气态冷却介质：雾化技术
※模冷技术
1）枪法
※模冷技术
2）双活塞法
工艺特点： 母合金可以在真空或保护气氛下 悬浮熔炼，防止石英管对金属熔体 的污染； 凝固时的冷却速度较高，可达106 K/s 薄片的厚度均匀，约为530m， 直径约为2.5mm； 产品不连续，产量不大。
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
※模冷技术
3）旋转法
※模冷技术
4）平面流铸法
带材边沿
带材芯部
如果带材太宽，很容易形成枝晶。
※模冷技术
5）电子束急冷淬火法
※模冷技术
6）溢流法
※雾化技术
外力冲击
相互接触
冷却
雾化
聚并
凝固
※雾化技术
1）双流雾化
※雾化技术
1）双流雾化
• 水雾化法（Water Atomization）
以水射流代替气体射流外，
①快速凝固的特点
负温度梯度示意图
实际生产中，会不会有负温度梯度的情况？
伸入液相的晶体形成一个晶轴， 一次晶轴。
结晶潜热 侧面又产生负的温度梯度 二次晶轴 三次晶轴 树枝状生长（dendrite growth） 每个枝晶成为一个晶粒
①快速凝固的特点
正温度梯度示意图
①快速凝固的特点
常规铸态合金和快速凝固合金的冷速和平均枝晶臂间距
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
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%
※雾化技术
1）双流雾化
超声气体雾化法（Ultra-sonic Gas Atomization）
※雾化技术
3）离心雾化
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
※表面熔化法
③大过冷度技术
提供近似均匀形核的条件—大过冷技术。
•乳化法 •熔滴-基地法 •落管法 •玻璃体包覆法 •两相区法
由于快速凝固方式的不同，快速凝固材料的形态 一般如下： 薄带 一维尺寸很小； 细丝 二维尺寸很小； 粉末 三维尺寸很小。 如果不改变快速凝固材料的形态，将会严重限制 其应用，如利用快速凝固材料制作结构件时，必 须预先把快速凝固材料成型。
激光束 熔覆层 粉末 熔池 金属零件
③大过冷度技术
大过冷技术，即Large Undercooling Technology，简称LUT技术。大过冷技术 的核心是：设法在金属熔体中形成尽可能 接近均匀形核的凝固条件，从而获得大过 冷度，提高凝固速度。
③大过冷度技术
获得大过冷快速凝固技术的具体方法可以分为两 类： 弥散法：在细小熔滴中达到大过冷度，如乳化 法、熔滴 基底法、落管法； 大体积过冷法：在较大体积的熔体中获得大的 凝固过冷度，如玻璃体包裹法、嵌入熔体法（或 二相区法）、电磁悬浮熔化法。
气雾化和水雾化的区别
粉末形状：气雾化容易获得球形粉末。水雾化获得粉末表
面张力较小的呈土豆状或不规则形状，只有那些表面张力
较大的合金，例如镍基合金，才能得到球形合金粉末。 化学成分：不论是采用水雾化还是采用气雾化，制作出的 合金粉末的化学成份不会因为制作方法的不同而产生差异。 金相组织：采用气雾化制作的合金粉末，合金的过冷度要
金属材料的制备
1、金属材料简介 2、镁合金的制备
①镁合金简介 ②镁合金冶炼
3、快速凝固
①快速凝固的特点 ②快速凝固的工艺途径 ③大过冷技术 ④快速凝固的应用
4、粉末冶金 5、喷射成形技术 6、非晶合金
①快速凝固的特点
常规铸造工艺存在的主要问题
（1）树枝晶粒、成分偏析
（2）晶粒粗大，大小不一，析出相 颗粒粗大
成分过冷
共晶合金会不会发生成分过冷？为什么？
加快冷却速度，会不会从一定程度上规避成分 过冷？也就是减少枝晶？
①快速凝固的特点
常规铸造工艺存在的主要问题
（1）树枝晶粒、成分偏析
（2）晶粒粗大，大小不一，析出相 颗粒粗大
实际生产过程中，如何得到弥散分布的细小第二相？
①快速凝固的特点
（1）细化凝固组织，使晶粒细化。
比采用水雾化制作的小许多，所以相同的化学成份，采用
不同的雾化方法制出的合金粉末的金相组织会不一样。
※雾化技术
2）真空法
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
呈 球形，表面洁净，纯度高，但 冷速低，～１０２Ｋ／ｓ
④快速凝固技术的应用
力学性能的改善
细化晶粒
对于普通低碳钢，晶粒尺寸约为30m，其对应 的屈服强度约为290MPa；如果通过RS技术将 晶粒细化到1 m，其对应的屈服强度约为 700MPa
④快速凝固技术的应用
均匀化学成分 在快速凝固中，由于溶质原子的扩散时间 很短，因此快速凝固合金中的元素偏析程度很 小，即化学成分很均匀。 化学成分均匀的快速凝固合金具有更好的 抗腐蚀和抗氧化能力，具有更好的热加工响应 性，具有更好的热处理响应性。 快速凝固的高速钢，其初始熔点较高，适 于热加工的成分较宽，在较宽的奥氏体条件下 也可淬火，而不用过分担心过烧或奥氏体晶粒 粗大。
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 80100Hz的频率振动。) 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、 Ti-Al粉
（2）减小偏析。
（3）扩大固溶极限。 （4）快速凝固可导致非平衡相结构产生，包括新相和扩大 已有的亚稳相范围。 （5）形成非晶态。
（6）高的点缺陷密度。
②快速的工艺途径
提高冷却速度的两种思路：
A、减少熔体的尺寸
•液滴 •液线 •液面
B、加快传热速度
•固体辅助散热
•液体辅助散热
•气体辅助散热
②快速的工艺途径
④快速凝固技术的应用
快速凝固合金的磁性能及应用
非晶合金的磁性能 非晶合金软磁材料具有高电阻，因而铁芯 的涡电流小、铁损小。 非晶合金软磁材料具有高的居里温度。 传统的软磁材料具有优良的软磁磁性能， 但比较软，而非晶合金软磁材料比较硬，又具 有优良的软磁磁性能，如下图所示。
• 模冷技术：在减小熔体尺寸的前提下，利用导热良好的冷模提高散热速 度。 •表面熔化技术
※液体、气态冷却介质：雾化技术
※模冷技术
1）枪法
※模冷技术
2）双活塞法
工艺特点： 母合金可以在真空或保护气氛下 悬浮熔炼，防止石英管对金属熔体 的污染； 凝固时的冷却速度较高，可达106 K/s 薄片的厚度均匀，约为530m， 直径约为2.5mm； 产品不连续，产量不大。
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
※模冷技术
3）旋转法
※模冷技术
4）平面流铸法
带材边沿
带材芯部
如果带材太宽，很容易形成枝晶。
※模冷技术
5）电子束急冷淬火法
※模冷技术
6）溢流法
※雾化技术
外力冲击
相互接触
冷却
雾化
聚并
凝固
※雾化技术
1）双流雾化
※雾化技术
1）双流雾化
• 水雾化法（Water Atomization）
以水射流代替气体射流外，
①快速凝固的特点
负温度梯度示意图
实际生产中，会不会有负温度梯度的情况？
伸入液相的晶体形成一个晶轴， 一次晶轴。
结晶潜热 侧面又产生负的温度梯度 二次晶轴 三次晶轴 树枝状生长（dendrite growth） 每个枝晶成为一个晶粒
①快速凝固的特点
正温度梯度示意图
①快速凝固的特点
常规铸态合金和快速凝固合金的冷速和平均枝晶臂间距
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
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%
※雾化技术
1）双流雾化
超声气体雾化法（Ultra-sonic Gas Atomization）
※雾化技术
3）离心雾化
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
※表面熔化法
③大过冷度技术
提供近似均匀形核的条件—大过冷技术。
•乳化法 •熔滴-基地法 •落管法 •玻璃体包覆法 •两相区法
由于快速凝固方式的不同，快速凝固材料的形态 一般如下： 薄带 一维尺寸很小； 细丝 二维尺寸很小； 粉末 三维尺寸很小。 如果不改变快速凝固材料的形态，将会严重限制 其应用，如利用快速凝固材料制作结构件时，必 须预先把快速凝固材料成型。
激光束 熔覆层 粉末 熔池 金属零件
③大过冷度技术
大过冷技术，即Large Undercooling Technology，简称LUT技术。大过冷技术 的核心是：设法在金属熔体中形成尽可能 接近均匀形核的凝固条件，从而获得大过 冷度，提高凝固速度。
③大过冷度技术
获得大过冷快速凝固技术的具体方法可以分为两 类： 弥散法：在细小熔滴中达到大过冷度，如乳化 法、熔滴 基底法、落管法； 大体积过冷法：在较大体积的熔体中获得大的 凝固过冷度，如玻璃体包裹法、嵌入熔体法（或 二相区法）、电磁悬浮熔化法。
气雾化和水雾化的区别
粉末形状：气雾化容易获得球形粉末。水雾化获得粉末表
面张力较小的呈土豆状或不规则形状，只有那些表面张力
较大的合金，例如镍基合金，才能得到球形合金粉末。 化学成分：不论是采用水雾化还是采用气雾化，制作出的 合金粉末的化学成份不会因为制作方法的不同而产生差异。 金相组织：采用气雾化制作的合金粉末，合金的过冷度要
金属材料的制备
1、金属材料简介 2、镁合金的制备
①镁合金简介 ②镁合金冶炼
3、快速凝固
①快速凝固的特点 ②快速凝固的工艺途径 ③大过冷技术 ④快速凝固的应用
4、粉末冶金 5、喷射成形技术 6、非晶合金
①快速凝固的特点
常规铸造工艺存在的主要问题
（1）树枝晶粒、成分偏析
（2）晶粒粗大，大小不一，析出相 颗粒粗大
成分过冷
共晶合金会不会发生成分过冷？为什么？
加快冷却速度，会不会从一定程度上规避成分 过冷？也就是减少枝晶？
①快速凝固的特点
常规铸造工艺存在的主要问题
（1）树枝晶粒、成分偏析
（2）晶粒粗大，大小不一，析出相 颗粒粗大
实际生产过程中，如何得到弥散分布的细小第二相？
①快速凝固的特点
（1）细化凝固组织，使晶粒细化。
比采用水雾化制作的小许多，所以相同的化学成份，采用
不同的雾化方法制出的合金粉末的金相组织会不一样。
※雾化技术
2）真空法
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
呈 球形，表面洁净，纯度高，但 冷速低，～１０２Ｋ／ｓ
④快速凝固技术的应用
力学性能的改善
细化晶粒
对于普通低碳钢，晶粒尺寸约为30m，其对应 的屈服强度约为290MPa；如果通过RS技术将 晶粒细化到1 m，其对应的屈服强度约为 700MPa
④快速凝固技术的应用
均匀化学成分 在快速凝固中，由于溶质原子的扩散时间 很短，因此快速凝固合金中的元素偏析程度很 小，即化学成分很均匀。 化学成分均匀的快速凝固合金具有更好的 抗腐蚀和抗氧化能力，具有更好的热加工响应 性，具有更好的热处理响应性。 快速凝固的高速钢，其初始熔点较高，适 于热加工的成分较宽，在较宽的奥氏体条件下 也可淬火，而不用过分担心过烧或奥氏体晶粒 粗大。
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 80100Hz的频率振动。) 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、 Ti-Al粉
（2）减小偏析。
（3）扩大固溶极限。 （4）快速凝固可导致非平衡相结构产生，包括新相和扩大 已有的亚稳相范围。 （5）形成非晶态。
（6）高的点缺陷密度。
②快速的工艺途径
提高冷却速度的两种思路：
A、减少熔体的尺寸
•液滴 •液线 •液面
B、加快传热速度
•固体辅助散热
•液体辅助散热
•气体辅助散热
②快速的工艺途径
④快速凝固技术的应用
快速凝固合金的磁性能及应用
非晶合金的磁性能 非晶合金软磁材料具有高电阻，因而铁芯 的涡电流小、铁损小。 非晶合金软磁材料具有高的居里温度。 传统的软磁材料具有优良的软磁磁性能， 但比较软，而非晶合金软磁材料比较硬，又具 有优良的软磁磁性能，如下图所示。