快速凝固与新材料讲解
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快速凝固工艺还不够完善； 还没有形成系统、完整的快速凝固理论； 新型快速凝固合金的性能还需要进一步提高；
快速凝固技术和新型合金的研究发展还不平衡。
快速凝固简介
? 1.快速凝固的概念 ? 2.快速凝固常用方法和手段 ? 3.快速凝固的特征
? 快速凝固的研究开始于 20世纪50年代末60年代初， 是在比常规工艺过程快得多的冷却速度或大得多 的过冷度下，合金以极快的凝固速率由液态转变 为固态的过程。
? 1960年美国加州理工学院的 P Duwez 等采用一种 独特的熔体急冷技术，第一次使液态合金在大于 107K/s 的冷却速度下凝固。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。
（2）熔体过热处理温度 不同的研究者对过热度影响的研究在不同的合 金系中得到的结果截然相反。
（3）循环次数 循环过热净化工艺中，循环次数是一个十分敏感因素。 一般情况下，不同的合金体系中，采用给定的净化工艺总是存在一个相 对优异的循环次数。
（4）保温时间 在一定范围内保温时间越长，获得的过冷程度也就越大。
? 微重力法：利用太空中微重力场和高真空条件，使液 态金属自由悬浮于空中实现无坩埚凝固，从而获得深 过冷。
循环过热法：在非晶态坩埚或形核触发作用较小的坩埚中 对纯金属或合金进行“加热熔化 ---- 过热保护---- 冷却凝固” 循环处理，金属中的异质形核核心通过熔化、分解和蒸发 等途径消失或钝化从而失去衬底作用获得熔体的深过冷。
热力学深过冷方法
? 1、乳化法 ? 2、两相区法 ? 3、电磁悬浮熔炼法 ? 4、落管法 ? 5、微重力法 ? 6、循环过热净化法 ? 7、熔融玻璃净化法 ? 8、化学净化法 ? 9、复合净化法
? 乳化法的基本思想是在惰性环境（惰性基础或惰 性悬浮溶液）中，随着液体分散程度的提高，有 效形核衬底逐渐被孤立于少数液滴中，大部分液 滴保持分离并且不包含异质核心，这部分液滴将 会表现出深过冷行为，其原理见下图。
? 定义：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。
冷却条件
冷却速率/(K·S -1) 组织特征
工业冷却速 砂型铸件和铸
率
锭
中等冷却速 薄带，模铸件，
率
普通雾化粉末
快速凝固
雾化细粉、喷 雾沉积、电子 束或激光玻璃 化处理
10-3---100 100---103 103---106
快速凝固与新材料
报告人： 黄中月
报告内容
1 、凝固与材料 2、快速凝固简介 3、非平衡凝固基本现象、规律和理论分析 4、新型金属（合金）材料
问题提出
快速凝固（技术）和新型合金（材料）是一个既充满创造和 发展的机会又具有严峻挑战的研究领域，虽然在这一领域中 已经取得了许多令人鼓舞的成果并正在得到广泛应用。
平衡条件的晶粒组织 ,如粗 树枝晶,共晶和其他结构。
精细显微结构 ,如细树枝晶, 共晶和其他结构。
特殊显微结构 ,如扩大固溶 度，微晶结构，亚稳结晶 相，非晶结构。
快速凝固方法
? 1.动力学急冷法 ? 2.热力学深过冷法 ? 3.快速定向凝固法
动力学急冷法
? 原理：通过提高熔体凝固时的传热速率从而提 高凝固时的冷却速率，使熔体形核时间极短， 来不及在平衡熔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 冷度和凝固速率。
? 两相区法：将合金熔体过热，然后冷却至固液两相区， 使也想在先析出相的包裹下结晶而获得深过冷。
? 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、H 2等保护气氛，通过感应加热熔化，控制 凝固从而实现深过冷。
? 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，金属或合金液 避免与器壁相接触，同时又具有微重力凝固的特征， 因而可以获得深过冷。
? 在动力学急冷凝固技术中，根据熔体分离和 冷却方式的不同，可以分成雾化技术、模冷技 术和表面熔化及沉积技术三大类。
雾化技术
? 雾化技术是指采用某种措施将熔体分离雾 化，同时通过对流的冷却方式凝固，其主 要特点是在离心力、机械力或高速流体冲 击力等作用下分散成尺寸极小的雾状熔滴 在气流或冷模接触中迅速冷却凝固。
? 熔融玻璃净化法：在熔融玻璃的包覆下进行熔炼，液态金 属中的夹杂物在被玻璃熔体物理吸附的同时，还可以与玻 璃中的某些组元相互作用形成低熔点化合物进入溶剂中， 达到消除异质核心的目的。
? 化学净化法：通过界面与气体间的化学反应使部分氧化物 质点还原、抑制界面处氧化物质点的增加速率来获得深过 冷。
熔体提取法
急冷模法
表面熔化与沉积技木
热力学深过冷快速凝固
??制热约力熔学体深获过得冷最是大Hale Waihona Puke Baidu热通力过学各深种过有冷效的的实净验化因手素段：避免或消除金属或合金液 中的异质晶核的形核作用，增加临界形核功、抑制均质形核作用，使
（得1）液试态样金重属量或合试金样获所得能在达常到规的条最件大下过难冷以度达随到试的样过重冷量度增。加而减小。这 是 的 时 小采热熔因增间，用力体为加的表这学非合。条现种深平金无件为技过衡熔论下最术冷凝体采，大非 固内 用 大 过,可平 的部 何 重 冷以衡 有的 种 量 度在凝 效异 净 试 的冷质 降化 样固 方速在法核 低方 异不理心 。式 质。高的， 核论的上数在 心情不量相的况及同去受下熔质的除获体量循程得随环度体很积试次将大限样数会的重、随制凝，量过重固是的热量过增度的实冷现加以增度大会及加。相保而体因积应温减此 ,
雾化技术
流体雾化法 离心雾化法 机械雾化法
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。其主要特点是首先把熔体分离成连续
或不连续的、界面尺寸很小的熔体流，然后使熔体流与
旋转或固定的、导热良好的冷模或基底迅速接触而冷却 凝固。
枪法
双活塞法
模冷技术
熔体旋转法 平面流铸造法
快速凝固技术和新型合金的研究发展还不平衡。
快速凝固简介
? 1.快速凝固的概念 ? 2.快速凝固常用方法和手段 ? 3.快速凝固的特征
? 快速凝固的研究开始于 20世纪50年代末60年代初， 是在比常规工艺过程快得多的冷却速度或大得多 的过冷度下，合金以极快的凝固速率由液态转变 为固态的过程。
? 1960年美国加州理工学院的 P Duwez 等采用一种 独特的熔体急冷技术，第一次使液态合金在大于 107K/s 的冷却速度下凝固。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。
（2）熔体过热处理温度 不同的研究者对过热度影响的研究在不同的合 金系中得到的结果截然相反。
（3）循环次数 循环过热净化工艺中，循环次数是一个十分敏感因素。 一般情况下，不同的合金体系中，采用给定的净化工艺总是存在一个相 对优异的循环次数。
（4）保温时间 在一定范围内保温时间越长，获得的过冷程度也就越大。
? 微重力法：利用太空中微重力场和高真空条件，使液 态金属自由悬浮于空中实现无坩埚凝固，从而获得深 过冷。
循环过热法：在非晶态坩埚或形核触发作用较小的坩埚中 对纯金属或合金进行“加热熔化 ---- 过热保护---- 冷却凝固” 循环处理，金属中的异质形核核心通过熔化、分解和蒸发 等途径消失或钝化从而失去衬底作用获得熔体的深过冷。
热力学深过冷方法
? 1、乳化法 ? 2、两相区法 ? 3、电磁悬浮熔炼法 ? 4、落管法 ? 5、微重力法 ? 6、循环过热净化法 ? 7、熔融玻璃净化法 ? 8、化学净化法 ? 9、复合净化法
? 乳化法的基本思想是在惰性环境（惰性基础或惰 性悬浮溶液）中，随着液体分散程度的提高，有 效形核衬底逐渐被孤立于少数液滴中，大部分液 滴保持分离并且不包含异质核心，这部分液滴将 会表现出深过冷行为，其原理见下图。
? 定义：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。
冷却条件
冷却速率/(K·S -1) 组织特征
工业冷却速 砂型铸件和铸
率
锭
中等冷却速 薄带，模铸件，
率
普通雾化粉末
快速凝固
雾化细粉、喷 雾沉积、电子 束或激光玻璃 化处理
10-3---100 100---103 103---106
快速凝固与新材料
报告人： 黄中月
报告内容
1 、凝固与材料 2、快速凝固简介 3、非平衡凝固基本现象、规律和理论分析 4、新型金属（合金）材料
问题提出
快速凝固（技术）和新型合金（材料）是一个既充满创造和 发展的机会又具有严峻挑战的研究领域，虽然在这一领域中 已经取得了许多令人鼓舞的成果并正在得到广泛应用。
平衡条件的晶粒组织 ,如粗 树枝晶,共晶和其他结构。
精细显微结构 ,如细树枝晶, 共晶和其他结构。
特殊显微结构 ,如扩大固溶 度，微晶结构，亚稳结晶 相，非晶结构。
快速凝固方法
? 1.动力学急冷法 ? 2.热力学深过冷法 ? 3.快速定向凝固法
动力学急冷法
? 原理：通过提高熔体凝固时的传热速率从而提 高凝固时的冷却速率，使熔体形核时间极短， 来不及在平衡熔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 冷度和凝固速率。
? 两相区法：将合金熔体过热，然后冷却至固液两相区， 使也想在先析出相的包裹下结晶而获得深过冷。
? 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、H 2等保护气氛，通过感应加热熔化，控制 凝固从而实现深过冷。
? 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，金属或合金液 避免与器壁相接触，同时又具有微重力凝固的特征， 因而可以获得深过冷。
? 在动力学急冷凝固技术中，根据熔体分离和 冷却方式的不同，可以分成雾化技术、模冷技 术和表面熔化及沉积技术三大类。
雾化技术
? 雾化技术是指采用某种措施将熔体分离雾 化，同时通过对流的冷却方式凝固，其主 要特点是在离心力、机械力或高速流体冲 击力等作用下分散成尺寸极小的雾状熔滴 在气流或冷模接触中迅速冷却凝固。
? 熔融玻璃净化法：在熔融玻璃的包覆下进行熔炼，液态金 属中的夹杂物在被玻璃熔体物理吸附的同时，还可以与玻 璃中的某些组元相互作用形成低熔点化合物进入溶剂中， 达到消除异质核心的目的。
? 化学净化法：通过界面与气体间的化学反应使部分氧化物 质点还原、抑制界面处氧化物质点的增加速率来获得深过 冷。
熔体提取法
急冷模法
表面熔化与沉积技木
热力学深过冷快速凝固
??制热约力熔学体深获过得冷最是大Hale Waihona Puke Baidu热通力过学各深种过有冷效的的实净验化因手素段：避免或消除金属或合金液 中的异质晶核的形核作用，增加临界形核功、抑制均质形核作用，使
（得1）液试态样金重属量或合试金样获所得能在达常到规的条最件大下过难冷以度达随到试的样过重冷量度增。加而减小。这 是 的 时 小采热熔因增间，用力体为加的表这学非合。条现种深平金无件为技过衡熔论下最术冷凝体采，大非 固内 用 大 过,可平 的部 何 重 冷以衡 有的 种 量 度在凝 效异 净 试 的冷质 降化 样固 方速在法核 低方 异不理心 。式 质。高的， 核论的上数在 心情不量相的况及同去受下熔质的除获体量循程得随环度体很积试次将大限样数会的重、随制凝，量过重固是的热量过增度的实冷现加以增度大会及加。相保而体因积应温减此 ,
雾化技术
流体雾化法 离心雾化法 机械雾化法
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。其主要特点是首先把熔体分离成连续
或不连续的、界面尺寸很小的熔体流，然后使熔体流与
旋转或固定的、导热良好的冷模或基底迅速接触而冷却 凝固。
枪法
双活塞法
模冷技术
熔体旋转法 平面流铸造法