华科材料成型原理考研ppt第6章

亚稳相的晶体结构可能与平衡状态图上相邻的某一中间相的 结构极为相似， 结构极为相似，因此可看成是在快速冷却和大过冷度条 件下中间相亚稳浓度范围扩大的结果。 件下中间相亚稳浓度范围扩大的结果。
（5）高的点缺陷密度
• 在快速凝固的过程中，液态金属的缺陷会较多地保存 在快速凝固的过程中， 在固态金属中
（6）形成非晶态合金
图
几种激光表面熔化处理方法的工作原理图
a）表面硬化 b）表面熔凝 c）表面合金化 d）表面粘附 ） ） ） ）
3、快速凝固的产物及其特征 、
快速凝固使金属材料的结构发生了前所未有的变化 快速凝固使金属材料的结构发生了前所未有的变化 可形成具有特殊性能的新材料。 可形成具有特殊性能的新材料。 特殊性能的新材料
快速凝固过程抑制了各种传输现象，凝固偏离平衡， 快速凝固过程抑制了各种传输现象，凝固偏离平衡，经典凝 抑制了各种传输现象 固理论中假设的许多平衡条件不再适应， 固理论中假设的许多平衡条件不再适应，成为材料凝固 学研究的一个特殊领域。 学研究的一个特殊领域。
•
•
1、快速凝固的条件 、
实现液态金属快速凝固的最重要条件，是要求液 固相变 实现液态金属快速凝固的最重要条件，是要求液/固相变 条件 极高的热导出速度。 时有极高的热导出速度 时有极高的热导出速度。
要获得高于10 的冷速， 热传导。 要获得高于 5 K/s的冷速，只能借助于热传导。 的冷速 只能借助于热传导 用急冷凝固方法获得高的凝固速率的条件是： 用急冷凝固方法获得高的凝固速率的条件是： 条件是 (1)减少单位时间内金属凝固时的产生的结晶潜热。 减少单位时间内金属凝固时的产生的结晶潜热。 减少单位时间内金属凝固时的产生的结晶潜热 (2)提高凝固过程中的传热速度 提高凝固过程中的传热速度. 提高凝固过程中的传热速度
定向（单向） §６－２ 定向（单向）凝 固
• 1、必要条件： 、必要条件：
GL>0
GL mC0 (1− k0 ) ≥ R DLk0
必须在固—液界面前沿建立必要的温度梯度 必须在固 液界面前沿建立必要的温度梯度 温度梯度大小直接影响晶体生长速率和晶体质量
x
x
熔体 高温区
X
隔热板 X 晶体 低温区
0 a)
第六章 特殊条件下的凝固
快速凝固 §６－1 快速凝固
快速凝固是指液态金属以10 快速凝固是指液态金属以 5～1010 K/s的冷速进行凝固的液 的冷速进行凝固的液 态急冷技术。 态急冷技术。
快速凝固定义为 由液相到固相的相变过程非常快， 快速凝固定义为：由液相到固相的相变过程非常快，从而获 定义 得普通铸件或铸锭无法获得的成分、 得普通铸件或铸锭无法获得的成分、相结构和显微结构 的过程。 的过程。
0
T0 Tm Tn T
b)
图 坩埚下降单向凝固法生长装置和温度分布
a）装置示意图 b）温度分布图 ） ）
λ S GS LRρ m GL = − λL λL
• 通过增大GS来增强固相的散热强度，这是实际 通过增大 来增强固相的散热强度， 增大 应用中获得大的 L的重要途径。同时，也会使 应用中获得大的G 的重要途径。同时， 大的 凝固速率R增大。 凝固速率 增大。 增大 • 因此，常用提高固 液界面前沿熔体的温度来达 因此，常用提高固 液界面前沿熔体的温度来达 提高固—液界面前沿熔体的温度 到提高G 的目的。 到提高 L的目的。
H. R. S法示意图 法示意图
2、定向凝固技术的应用 、 （1）柱状晶的生长 ）
（一种顺序凝固组织） 一种顺序凝固组织）
• （2）单晶生长
• 根据熔区的特点分为正常凝固法和区熔法。 根据熔区的特点分为正常凝固法和区熔法。
• 1） 正常凝固法 ）
• 有坩埚移动、炉体移动及晶体提拉等单向凝固方法 有坩埚移动、 • 或将“籽晶”放在坩埚底部，当坩埚向下移动时，“籽晶” 或将“籽晶”放在坩埚底部，当坩埚向下移动时， 籽晶” 处开始结晶，随着固—液界面移动 单晶不断长大。 液界面移动， 处开始结晶，随着固 液界面移动，单晶不断长大。 • 主要缺点是晶体和坩埚壁接触，容易产生应力或寄生成核 主要缺点是晶体和坩埚壁接触， 晶体和坩埚壁接触
图 气体雾化设备工作原理图
1一 细粉 2一 气体 3一 气源 4－ 合金液 5一真空感应加热器 一 一 一 － 一真空感应加热器 6一 喷嘴 7 — 雾化室 8一 收集室 9一 粉末 一 一 一
（3）表面熔化与沉积技术 ）
喷射沉积法可根据制件的需要设计基板的形状和尺寸， 喷射沉积法可根据制件的需要设计基板的形状和尺寸，从而 获得最终制件或近终形制件， 获得最终制件或近终形制件，因此更容易实现工业化生 产。 该技术是由英国Swansee大学 大学singer于70年代发明的，并很 年代发明的， 该技术是由英国 大学 于 年代发明的 快在Osprey金属有限公司实现工业化生产，目前已经在 金属有限公司实现工业化生产， 快在 金属有限公司实现工业化生产 许多国家得到广泛应用。 许多国家得到广泛应用。
1 —沉积室 —基板 —喷射粒子流 —气体雾化室 －合金液 一坩埚 7 －雾化气体 沉积室2 基板 基板3 喷射粒子流 喷射粒子流4 气体雾化室 气体雾化室5－合金液6一坩埚 沉积室 8 —沉积体 －运动机构 10 —排气及取料窒 沉积体9 排气及取料窒 沉积体
图 连续生产锭材的工艺原理图
1－感应加热坩埚2—气体雾化器（喷嘴）3—圆柱沉积锭 －感应加热坩埚 气体雾化器（ 气体雾化器 喷嘴） 圆柱沉积锭 4—沉积室 沉积室5—排气管 排气管6—循环分离器 沉积室 排气管 循环分离器
炉丝
熔体
挡板
坩埚 炉管
a)
b)
图 坩埚移动单向凝固示意图
a）垂直式 ） b）水平式 ）
图 自生粒晶法生产单晶叶片
1-铸件 2-wenku.baidu.com晶段 3-起始段 铸件 选晶段 起始段
通过x、 、 三个方向选晶 三个方向选晶， 通过 、y、z三个方向选晶，从而确保一个柱晶顺利进入铸件
z
y 0
• 如果凝固速率不仅达到了“绝对稳定”界限，而且超过了 如果凝固速率不仅达到了“绝对稳定”界限， 界面上溶质原子的扩散速率，即进入完全的“无偏析、 界面上溶质原子的扩散速率，即进入完全的“无偏析、无 扩散凝固”时，可在铸件的全部体积内获得完全不存在任 扩散凝固” 何偏析的合金
形成亚稳相（非平衡相） （4）形成亚稳相（非平衡相）
2） 功率降低法 D法 （P. D法）
铸型加热感应圈分两段 铸件在凝固过程中不移动 不移动。 铸件在凝固过程中不移动。 GL随着凝固的距离增大而 不断减小。 不断减小。GL、R值都不 值都不 能人为地控制。 能人为地控制。
• 3） 快速凝固法 ） （H. R. S法） 法
• 铸型加热器始终加热， 铸型加热器始终加热， 在凝固时， 在凝固时，铸件与加 热器之间产生相对移 热器之间产生相对移 动。 • 与P. D法相比可以大 法相比可以大 大缩小凝固前沿两相 区，局部冷却速度增 有利于细化组织， 大，有利于细化组织， 提高机械性能。 提高机械性能。
•
如果依靠辐射散热，对于直径为1µm，温度为 如果依靠辐射散热，对于直径为 辐射散热 ，温度为1000℃的 ℃ 金属液滴，获得的极限冷却速率只有10 金属液滴，获得的极限冷却速率只有 3K/s，可见冷却 ， 速度不高； 速度不高；
•
通过对流传热， 通过对流传热，将导热良好的氢或氦以高速流过厚度为 对流传热 5µm的试样，获得的极限冷速为 ×104~2×104 K/s； 的试样， 的试样 获得的极限冷速为1× × ；
部分合金元素在Al中平衡固溶度和扩展固溶度 中平衡固溶度和扩展固溶度（ ） 表 部分合金元素在 中平衡固溶度和扩展固溶度（%）
（2） 超细的晶粒度 ）
随着冷却速率的增大，晶粒尺寸减小， 随着冷却速率的增大，晶粒尺寸减小，可以获得 微晶甚至纳米晶。 微晶甚至纳米晶。 快速凝固合金比常规合金低几个数量级的晶粒尺 一般为<0.1~1.0μm 寸，一般为<0.1~1.0μm 3nm的 在Ag-Cu（ωCu=50%）合金中，观察到细至3nm的 Ag-Cu（ Cu=50%）合金中，观察到细至3nm 晶粒。 晶粒。 原因： 原因：很大过冷度下达到很高形核率
（3）极少偏析或无偏析
平直界面
胞状晶
树枝晶
无特征晶
凝固生长速度 冷却速度 （相近的温度梯度）
如果生长速度加剧，枝晶端部的温度开始时上升， 如果生长速度加剧，枝晶端部的温度开始时上升， 生长速度加剧 当生长速度足够高时 当生长速度足够高时，枝晶端部的温度会重新下降到平衡的 足够高 固相线温度。此时的固相成分又回到合金的原始成分， 固相线温度。此时的固相成分又回到合金的原始成分，凝固 前沿亦重新成为平界面，表明合金凝固进入了“ 前沿亦重新成为平界面，表明合金凝固进入了“绝对稳定界 限”
常规显微组织 10
0
粗大的树枝晶、共晶及其他显微组织 组 织 及 成 分 的 均 匀 性
102 熔体 104 10
6
受化学成分及 改善的显微组织 工艺因素影响 细化的树枝晶、共晶及其他显微组织
108 新型显微组织
-1
扩大的固溶极限、超细晶粒、无偏析 或少偏析、亚稳相、直至非晶态
冷却速度/(K•s )
• 2. 定向凝固的方法 • 1） 发热剂法 ）
• 绝热耐火材料箱中，底部水冷结晶器型壳上部盖 绝热耐火材料箱中， 以发热剂，金属液处于高温， 以发热剂，金属液处于高温，建立自下而上的凝 固条件。 固条件。 • 无法调节凝固速率和温度梯度，只能制备小的柱 无法调节凝固速率和温度梯度， 状晶铸件，多用于磁钢生产。 状晶铸件，多用于磁钢生产。
途径? 途径
2、急冷凝固技术及特点 、 （1）模冷技术
单向凝固速率与导热条件的关系 δ－ 凝固层厚度 Ti－铸件 铸型界面温度 TK－ 凝固界面温度 铸件/铸型界面温度 －
通常生产几十微米 厚的薄带
图 双辊法快速凝固技术的基本原理
1一带材 －合金液流 －加热炉 4一坩埚 一漏出孔 －双辊 一带材2－合金液流3－ 一坩埚5一漏出孔 一带材 一坩埚 一漏出孔6－
通常生产几十微米 厚的薄带
图 单辊法复合层快速凝固过程原理图
1－单辊 2－合金液 3一坩埚 4－坩埚 5－合金液 － 一坩埚1 －坩埚2 －合金液2 －合金液1 一坩埚 6－感应加热线圈 7一复合层带材 － 一复合层带材
（2）雾化技术 ）
1）气体雾化法，工作原理如图 所示。 ）气体雾化法， 所示。 熔化的合金液浇入漏包中经过喷嘴雾化并在雾化室中进一步 破碎、凝固，最后在收集室中收集。 破碎、凝固，最后在收集室中收集。 雾化气体进人排气管，经过滤后排出或循环使用。 雾化气体进人排气管，经过滤后排出或循环使用。 高速气流的主要作用是使液态金属雾化成细小的颗粒。 高速气流的主要作用是使液态金属雾化成细小的颗粒。 雾化气体可采用空气、氮气、氩气或氦气等， 雾化气体可采用空气、氮气、氩气或氦气等，为了避免合金 的氧化污染，通常采用保护性气氛， 的氧化污染，通常采用保护性气氛，特别是氩气进行气 体雾化。 体雾化。
液态金属为短程有序排列结构，原子有极高的迁移速率。 液态金属为短程有序排列结构，原子有极高的迁移速率。采 用极快的冷却速率冷却，可能导致金属在凝固后保留液 用极快的冷却速率冷却，可能导致金属在凝固后保留液 态时结构。 态时结构。 Duwez等人用液态急冷法使接近共晶成分的 等人用液态急冷法使接近共晶成分的Au-Si合金凝固 等人用液态急冷法使接近共晶成分的 合金凝固 成了非晶态材料。 成了非晶态材料。 目前所能达到的冷却速率， 目前所能达到的冷却速率，只能使很少一部分合金能够抑制 结晶过程而形成非晶态。 结晶过程而形成非晶态。 原则上讲，只要有更高的冷却速率， 原则上讲，只要有更高的冷却速率，就可以将所有合金系的 合金凝固成非晶态。 合金凝固成非晶态。
（1） 形成过饱和固溶体 ）
将液态合金以高速急冷快速地穿过液/固两相区， 将液态合金以高速急冷快速地穿过液/固两相区，就 高速急冷快速地穿过液 第二相的生核和长大 阻止了第二相的生核和长大。使溶质原子以超常 阻止了第二相的生核和长大。使溶质原子以超常 规溶解度陷在 相晶格中。 陷在α 规溶解度陷在α相晶格中。