（材料物理与化学专业论文）复相合金的快速凝固及电阻率研究.pdf

西北工业大学博士学位论文 复相合金的快速凝固及电阻率研究 摘要 本文选取偏晶、包晶和共晶三种不同类型的复相合金作为研究对象，较为 系统地研究了急冷快速凝固条件下复相合金的组织形成规律，对比分析了急冷 与深过冷两种快速凝固过程的共性和差异，同时探索了快速凝固复相合金的电 学性能特征。取得了以下主要研究结果： 研究了f c - s n 和c u - p b 系偏晶合金在快速凝固过程中的组织和相选择规律、 相分离行为和晶体生长特性，揭示了快速偏晶转变动力学机制。在急冷快速凝 固条件下，液相分离在很大程度上受到抑制，各种成分的偏晶合金均获得了均 匀弥散的微观组织。在f c - s n 偏晶系合金中，大的冷却速率使较高温度下惯常发 生的包晶转变被抑制。f e 1 5 6 s n 亚偏晶合金由单相静f e 固溶体组成；f e 4 0 s n 亚偏晶合金和f e _ 4 8 8 s n 偏晶合金除形成过饱和的a f e 相之外，还形成了具有 六方晶体结构的亚稳相f e l3 s n 和b s n ；f e 5 8 s n 过偏晶合金则形成了甜f e 相 与亚稳的b s n 、f e l3 s n 和f e s n 2 相。随着冷却速率增大，亚稳相种类及数量趋 于增多，偏晶、亚偏晶合金的组织形态由柱状晶向等轴晶转变，过偏晶合金则 因发生液相分离和熔体流动而形成规则排布的纤维状组织。 在c u p b 偏晶系合金中，偏晶、亚偏晶合金中富c u 相以枝晶方式在过冷熔 体中快速生长。其分枝能力很强，将富p b 的l 2 液滴包覆其中，凝固形成晶内细 小的( p b ) 相。富p b 相在很大程度上分布于( c u ) 枝晶的晶内。过偏晶合金的凝固 组织由不规则的团块状富c u 相和分布于其间的富p b 相加细小的( c u ) 枝晶混合 相组成。随着冷却速率增大，晶粒尺寸显著减小，组织形态由粗大枝晶向细小 的等轴晶转变。 通过系统地研究c o c u 和胁c u 系包晶系合金急冷快速凝固行为，揭示了 包晶合金的组织演变规律和液相分离动力学机制。在c o c u 系合金中，快速凝 固使c o 在( c u ) 相中的固溶度从平衡条件下的7 4 6 扩展到2 0 。当c 0 8 0 c u 时，包晶相( c u ) 可从过冷熔体中直接形核析出，形成单相( c u ) 的凝固组织。随着 冷速增大，组织形态由等轴晶向柱状晶转变。c 0 在4 “7 0 c u 成分范围内，液 相分离被抑制，凝固组织呈现出明显的分区结构辊面细晶区和自由面粗晶 区。细晶区中a c o 和( c u ) 相竞争形核，并以枝晶方式交互生长，形成形态细密的 两相混合组织。粗晶区中a c o 为领先相，定量的富c u 相分布于o 【c o 枝晶间隙， 摘要 形成以a c o 为主相的凝固组织。 f e c u 包晶合金发生液相分离的成分范围较窄，约在4 0 “6 4 c u 之间。由 于液池底部动量和能量传输的共同作用，液池底部形成了高1 6 0 3 0 0 岫的热边 界层和1 6 0 2 4 0 岫的动量边界层。随着雷诺数的增大，热边界层厚度单调增大， 而动量边界层厚度先缓慢减小后稍有回升，随之急剧减小。当鼬 1 0 2 4 时动量传输受到抑制，能量传输作用显著增强，冷速增大， 容易获得均匀细小的等轴晶组织。 系统地探索了共晶合金的快速凝固及其组织演变规律，揭示了不规则共晶 的形成机制。在大的过冷度或冷却速率下，共晶合金的组织形态以不规则共晶 为特征。两相竞争形核、随机分枝和交互生长导致不规则共晶的形成。随着冷 速的增大，共晶组织显著细化，均匀性明显提高。 对比分析了偏晶、包晶和共晶三种不同类型复相合金快速凝固的个性和共 性规律。在深过冷和急冷两种快速凝固方式中，尽管深过冷熔体可获得较大的 形核过冷度，但其冷却速率相对较小。而急冷快速凝固的冷却速率高达1 0 6 刚s 。 三类合金的凝固行为对冷却速率均十分敏感。随着冷却速率的增大，复相合金 的竞争形核和生长态势增强，凝固组织显著细化，均匀性提高。凝固特性表现 为：不规则共晶凝固、包晶相独立形核生长和相分离受到抑制。急冷快速凝固 比深过冷快速凝固更容易获得组织细小、均匀弥散的快速凝固组织。 通过深入研究三种不同类型合金的快速凝固特征，揭示了复相合金的微观 结构与电阻率之间的相关性。随着冷速增大，f e s n 偏晶系合金亚稳相数量增多， 对自由电子散射作用增强，合金电阻率显著增大；c u - p b 偏晶系合金因固溶度、 ) 相弥散度和晶粒细化及晶体缺陷密度引起的散射源增多，合金电阻率显著增 大。冷速增大使包晶系合金的晶界、位错等晶体缺陷数量增多，对自由电子的 散射作用增强，合金的电阻率也呈现出明显地增大趋势。由于冷速增大，共晶 合金相中的固溶度增大，晶界和晶体缺陷数量增多，对自由电子的散射作用增 强，合金的电阻率显著增大。当晶界散射系数卜+ 1 时，可使用m s 模型对快速 凝固复相合金的电阻率进行理论计算。 关键词：复相合金，快速凝固，过冷度，冷却速率，组织形态，电阻率 西北工业大学博士学位论文 r a p i ds o l i d i 行c a t i o na n d e l e c t r i c a lr e s i s t i v i 锣o f m u l t i p h a s ea l i o y s a b s t r a c t t h ep h a s n l l c 眦，m i c r o s 扛i l c t u m lm o m h o i o g ya n de l e c m c a l 佗s i 鲥v i t yo fr 卵i d l y s o l i d i f l c dm o n o 协c t i c 。p 鲥t c c t i ca n de u l ：e c t i ca l l o y sh a v eb 啪i n v e 鲥g a t e db y 瑚p i d q u 即c h i l l gm 劬o d t h em a i nr e s u h sa r eo b t a i n e da sf o l l o w s t h en l i c r o s t n l c t u r e 锄dp h a s es c l e c t i o n ，p h a s es e p a 删o nb e h a v i o ra n dc l y 蹦 站o w mc h 龇a 吲s t i co ff e _ s na n dc u - p bm o n o t e c t i ca 1 1 0 y sa r es y s t e 埘u a t i c a l l y i n v e s t i g a t e dd l 咖gm p i d l i d i f i c a t i o n ，t h ed y n a m j ci n e c l l a i l i s mo fm o n o t e c t i c 仃a 邶f o m l a t i o nh 嬲b c e nr e 、，e a l e d u n d e rr a p i ds o l i d i f c a t i o nc o n d i t i o m ，t h ep h 勰e s e p a r a l t i o ni se 丘故：t i v e l ys l l p p r e s s e d t h eh o m o g e n e o u sm i c m s t m c t l l r ci so b t a i 皿e df o r v a r i o u sm o n i ) t c c t i ca l l o y s f o ff e s nm o n o 删ca l l o y s ，l a r g e rc o o l i n gr 卸t em m st h e p e r i t e c t i c 仃黜f 0 m a t i o ng e n e r a l l y 诅虹n gp l a c ea te l e v a ：t e dt e m p a 曩ss u p p r e s s e d 。 t h em i c r o s 缸u c t i | _ r eo ff e 1 5 6 s nh y p o m o i l o t 鳅i ca l l o yo o n s i s t so fs i n g l e p h a s e 舡f 色s o h d l u t i ，觚dt h a to ff e 4 0 s nl l y p o m o n o 锄m ca n df e _ 4 8 8 s n m o n o t e c t i ca 1 1 0 yi sc o m p o s e do fh e x a g o n a l 觚dm e t a s t a r b l ef e l3 s i l b s n 弛da f e p h a s e f e 一5 8 s hh y p e m o n o 忱宅t i ca l l o yc o n s i s t so fm c t a s t a b l eb s n 、f e l3 s n 弛d f e s n 2p h 勰e 麟c e p tf o rp r o d u c i n gaf c wo f f ep h a 盹w i t i lt l l ei 1 1 c r e 勰eo fc o o l i n g r a t e ，t l l ev a r i e wm l da m o 珊i 忸o fm e t a s t a _ b l ep l l a s et a n d st 0i i l c r e a s e t h e m i c r o s t n l c t i l r em o r p h o l o p 仃a i l s f o r n l s 缸nc o l l l 】 i l n a rt oe q l l i a x e dc r y s t a lf o r m o n o t e c t i c 觚dh y p o m o i l o t e c t i ca u o y s t h er e l m l a ra r r 孤翟脚f i b e 卜l i k en l i c r o s t n | c t t l r c i sf b n n e df o rh y p e r m o n o t e c t i ca l l o y f o rc u p bm o n o t e c t i ca u o y s ，d u et ot i 坞h i 2 王l e rb r a n 曲l i n ga b i l i t yo f c u m c hp h a s e 掣d 、】l j 证gi nad e n d r i t i cm 锄e ri ni n o n o t e c t i ca n di i ”o m o n o 缸t i ca l l o y s ，w h i c h 、v i u 缸a p 也ek b ) 出o p l e t si nm eg 印o fd e n d r i t e s 孤dr e s u l t si n 也ef o m a t i o no f i n t e f d e i l d r i d cf i ( p b ) p h 硒e 1 h sc u - r i c h 口h 勰ed i s t r i b u t c si i li 删锄d r i 吐cs p a c i n g t oa 毋a te x t e n t t h em i c r o s t n l c 眦o fh y p 豇m o n o 删ca l l o yc o n s i s t so fi r r e g 皿l 戤 b l o c k - l i l ( ec u - r i c hp h a s e 锄di n t c r d e 巾艄吐cm i x t i l r eo fp b 币c hp h a s e 锄df i n e ( c u ) d e n d r i t e w i 廿ln l er i s eo f c o o l i n gr a t e ，t h e 掣a i l ls i z ei l e c r e a s e sa n dt h ei i l i c r o s 打u c t l l r e i sr e 丘【趟t h em i c r o s t n l c t i l r a lm o r p h o l o g y 缸趾s f 0 唧sf 如mc o a r s ed c n d r i t ct of i n e e q l l i a x c d 铲a i n t h er a p i d l i d i f i c a t i o nb 妇i o ro fc o - c u 锄df e - c ub i n a r ya l l o y sh 船b e e n i n v e s t i 鲥e ds y s t e m a l i c a l l y f o rc o - c up e r i t e c t i ca l l o y s ，t h es 0 1 u b i l i 竹o fc oi n ( c u ) p h 签ei se x t e i l d e d 缸髓7 4 6 l l i l d e re q l l i l i b r i 啪c o n d i 蛀o nt o2 0 i f c 0 8 0 c l l ，吐峙 p e r i t e c t i cp h 船e ( c 1 1 ) 、i l l 娜i p i t a t cf b mu n d e “，0 0 l e dm e hi m m e d i a t e l y ，w h i c h r e 洲i t si nm ef o 皿a 吐o no fs i n g l ep h 船e ( q 1 ) w i t ht h ei n c r e a o fc o o l i n g 船t c ，t h e i i i 摘要 m i c r o s 臼m h a lm o r p h 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d u et o b ec o m m o na c t i o no f 渊g ya n dm o m 胡1 t 啪仃a i l s p 嘶，t h e t h e r i n a lb o 吼d a r yl a y e rw i t l l1 6 ( 卜3 0 0 “ml l i 吐锄dm o m a 曲m nb o l l i l d a r yl a y e rw i m 1 6 0 之4 0 u m 廿l i c k n e s si i lt l l eb o t t o mo fp l l d d l eh a v ef o 姗e d w i t ht l l ei n c r e 嬲eo fr e m l i 曲e r ，t h et h i c l m e s so ft l l c r r n a lb o u n d a r yl a y e rm o n o t o n o u s l yi n c r e a s e w l l i l et l l e t h i c l m e s so fm o m e n 胁b o u n d a r yl a y e rs l o w l yd l e c r e a s e sa tf i r s t ，t l l e ns l i g 虹l yr i s e s a i l ds l l a r p l yd c c r e a s i fr e 1 0 2 4 s i n c e 也em o m e n 咖 仃a n s p o r th a sb e e ns u p p r e s s e d 锄dt 置l ee n e r g yt r a n s p o r tg e td o m i n a 咄t h ec o o l i n gm t e o f u n d e r c o o l e dm e l ti i l c r e a s e s ，i tl e a d st ot h ef o n n a t i o no f e q l l i a x e dm i c r o 咖c 1 ：u r e t h er a p i ds o l i d i f i c a t i o na n dm i c r o s 仇l c t u m le v o l u t i o no 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e c d ca l l o ”a sc o m p a r e dw i mh i g h u n d 咖o l i i l gp r o c e s s ，t l l em e hq u e n c h i n gm e t h o di s 卿t oo b t a i nt h ef i n ea n d l l n i f b 衄r 习l p i ds o l i d i f i c a 土i o nm i c r o s 饥l c t i l r e t h er e l a t i o n s h i p sb e t v v e e nt h em i c r o s 恤l c t u r e 锄dr e s i s d v “yo ft l l r k i n d so f m 枷p l m s ea l l o y sh a v eb e e ns t u d i e ds y j 栅a t i c a l l y w i t ht h er i s eo fc o o l i n gr a t c ，也e 西北工业大学博士学位论文 m m l b e ro fm e t a s t a b l ep h a s ei n c 托嬲e s ，w h i c hi i l t e 雌i f i e st h es c a t 劬go ff e l e c 加璐，l e a d i i l gt ot h er e m a r ka _ b l ei n c r c 嬲eo fe l 训c a lr e s i s t i v i t y d u et 0t h e i 玎c r e a s eo fs o l u b i l i t y ，c r y s t a ld e f e c t sd e n s i 钾a n dd i s p e r s i o nd e # e eo f ( c mp h a s ea s w e l la sm i c r o s t n l c t i 玎er c f i n e m e n t 。t h er e s i s t i v “yo fc u p bp e r i t e c t i ca l l o y si i l c r e a s e s r 咄a r k a b l y 、析t hc o o l i i l g 豫t e t h ei n c r e a s eo fc o o l i i l g 姐t em 出st l l ea m o u n to fg r a i l l b o u n d a r y 趾dd i s l o c a t i o 璐i np e r i t e c t i ca l l o y si i l c r e 嬲e ，w 【l i c hi n t e n s i f i e s 恤 s c a t 蜘n go ff b ee l c c 仕。船，l e a d i i l gt ot l l er e m 扣_ k a b l ei n c r e a s eo fe l e c t r i c a lr e s i s t i v i 坶 d u et o 也ei 堇l c r c 觞i i l go fc o o l i n gr a t e ，t l l e l u b i l i t yo fs o l u t ei i le m e c t i ca l l o yp h a s e 趾dt h e 锄o u n to fc f y s 眦d e f e c t si n c r e a s e ，w h i c hi n t 伽【s i f i e st l l es c a 壮e r i i l go ff 把e e i e c t r o 璐，r e s u i t i n gi nt l l er e m 越k a b i ei n c a s eo fe l e c t r i c a lr e s i s t i v i t v u n d e rt l l e c o r l d i t i o nt 1 1 a tt h eg 嘶b o u n d a r yr e n e c t i o nc o e 伍c i e n t ，a p p r o a c h e s1 ，t h ee l e c t r i c a l r e s i s t i v i t yo f r a p i d l ys o l i d i f i c d 酬t i p h 舔ea l l o y sc a nb e 删i c t c dt l l e o r e t i c a l l y k e yw o r d s ： m u m p h a a l l o y ；r a p i d l i d i f i c a l i o i l ；u n d e r c o o l i n g ；c o o l i n gr a l c ； m i c r o s 蛔l 曲l m lm o l p h o l o g y ；e l e c t 】j c a lr 鹳i s t i v i 锣 v 目 录 符号表 l i s to fs y m b o l s a n o y 咖p o s j t i a t o mw e i g h t h e a lo f f h s i o n h e a td i 饥s i o nc 舶c i e n t t h e n n a ic o i l d u c t i v i t y s p c c i f i ch e 缸 e q u i v a i e n ts p e c i f i ch e a l d e m 埘 d e 时c o e 颤c i e mo f m e h v i s c o s 姆c o e 伍c i 锄to f m e h v i s c o s 姆o f m e l t d ) 艇衄i c 、，i s c o s 时 功m 锄i cv i s c o s 姆c o e 伍c i 蹦t a c t i v a t i o i i e r 科o f v i s c o s 姆 t 鲫雕粕l i l 化o f m e h t e m p e 咖 h e i g h to f p u d d l e w i d t l lo f p u d d l e w i d n lo f n o z d e p n ：s s u r e a 俩o s p h e r ep r c s s u r e p s g u a tn o 琵l e h e a t 仃锄s f b rc o e 塌c i 锄t z 露 足 国 k q u 矿 q a r f 口 善 ) ， r g p p o s u b s c r i p t l s r i n 钯慨t e i i l p e l i l h l m a l 衄印甜a n h 弓o f r o l l 盱 r a d i wo f r o l l 日 勋倒r a l eo f w h e e l v e l o c i 母o f r o l l c rs l l r f a c e v e l o c 时o f n o w a tn o z z i e v e r t i c a lv e l o c 晦o f n o w h o r i z o n 试v e l o c 竹o f n a w l i q u i df i u xi nn o z d e t p e r a n l r es t e p t i m es t e p 1 1 1 i c l ( i l e s so fa l i o yr i b b o n a b s c i s s a y c o o r d i n 咖 g a sc o n s 协m a c c e l e r a t i o no f g 洲l y r e s i s d v i t yo fa l l o y i n 打i m i cr i 鲥v 毋 l i q u i dp h a s o l i dp h 觞e r o 玎盯 曩i r 他r f 弛劬即撕t o p 姗wv e 咖 x 岛 矿 幽 口 a c 岛 p m 珈 叩y 均 e r 日 工 ， p 矗 巴 西北工业大学 学位论文知识产权声明书 本人完全了解学校有关保护知识产权的规定，即：研究生在校攻 读学位期间论文工作的知识产权单位属于西北工业大学。学校有权保 留并向国家有关部门或机构送交论文的复印件和电子版。本人允许论 文被查阅和借阅。学校可以将本学位论文的全部或部分内容编入有关 数据库进行检索，可以采用影印、缩印或扫描等复制手段保存和汇编 本学位论文。同时本人保证，毕业后结合学位论文研究课题再撰写的 文章一律注明作者单位为西北工业大学。 保密论文待解密后适用本声明。 学位论文作者签名：缢鑫缝缰 跏5 年4 窍嬲b 西北工业大学 学位论文原创性声明 秉承学校严谨的学风和优良的科学道德，本人郑重声明：所呈 交的学位论文，是本人在导师的指导下进行研究工作所取得的成果。 尽我所知，除文中已经注明引用的内容和致谢的地方外，本论文不包 含任何其他个人或集体已经公开发表或撰写过的研究成果，不包含本 人或他人已申请学位或其它用途使用过的成果。对本文的研究做出重 要贡献的个人和集体，均已在文中以明确方式标明。 本人学位论文与资料若有不实，愿意承担一切相关的法律责任。 学位论文作者签名：准丝丝 础祝年年月够日 本文的主要成果与创新之处 本文的主要成果与创新之处 1 、研究了f e _ s n 偏晶系合金在急冷快速凝固过程中的组织和相选择特征， 理论分析了偏晶合金组织随冷却速率演变规律。发现随着冷速的增大，亚稳相的 种类及含量趋于增多，偏晶、亚偏晶合金的组织形态由柱状晶向等轴晶转变。过 偏晶合金则因发生液相分离和熔体流动而形成规则排布的纤维状组织。 2 、对比分析了c u p b 偏晶系合金在急冷和深过冷条件下的快速凝固特征。 实验结果表明，在深过冷条件下富p b 相主要分布于( c u ) 枝晶晶界，而在急冷快 速凝固条件下晶内( p b ) 相含量明显增大。随着冷却速率的增大，基体组织显著细 化，富p b 相分布更趋均匀。 3 、通过系统研究包晶系合金急冷快速凝固过程，揭示出包晶合金的组织形 成规律。急冷条件下c o c u 包晶合金的包晶转变被抑制，包晶相可从过冷熔体 中直接形核析出。f e c u 包晶合金发生液相分离的成分范围缩减至4 0 “6 4 c u 。 随着冷却速率的增大，凝固组织显著细化。 4 、对液相流动与组织形成的相关规律进行了理论计算。发现在急冷快速凝 固条件下，具有液相分离行为的偏晶和包晶合金于液池底部高约2 0 0 岬的急冷 区内发生液相分离。分离的l 2 液滴在辊面驱动的熔体流动剪应力作用下发生变 形，通过碰撞聚合或搭接凝并，经快速凝固形成纤维状组织。 5 、对共晶合金的急冷快速凝固研究发现，共晶合金的快速凝固组织以不规 则共晶为特征。在大的过冷度或冷却速率下，两相竞争形核、随机分枝和交互生 长导致不规则共晶的形成。随着冷速增大，共晶组织显著细化，均匀性明显提高。 6 、对比分析了偏晶、包晶和共晶三类合金快速凝固的个性和共性规律。在 急冷和深过冷两种快速凝固方式中，急冷快速凝固的冷却速率比大体积深过冷快 速凝固高出2 3 个数量级。三类合金对冷速均+ 分敏感。随着冷速的增大，复 相合金的竞争形核与生长态势增强，凝固组织显著细化，均匀性提高。凝固特性 表现为：不规则共晶凝固、包晶相独立形核生长和相分离受到抑制。 7 、通过研究三种不同类型合金的快速凝固过程，揭示出快速凝固合金的组 织形态与电学性能之间的相关规律。随着冷却速率的增大，固溶度增大、晶体缺 陷和亚稳相数量增多，对自由电子的散射作用增强，复相合金电阻率显著增大。 西北工业大学博士学位论文 第一章文献综述 本章简要介绍了实现液态金属快速凝固的物理条件及快速凝固特征；概述 了偏晶合金、包晶合金和共晶合金的快速凝固研究现状；阐述了低维金属材料 的电阻率理论和尺寸效应；指出了本文的研究目标和课题来源。 1 1 引言 快速凝固合金材料，如非晶、纳米晶和微晶材料制备技术的发展，为提升 传统金属材料性能提供了新的契机。快速凝固材料以其组织精细均匀、偏析程 度小、可形成亚稳相甚至非晶结构等组织特征，具有优异的物理化学性能，在 微电子、机械、化工和国防工业领域具有广泛的应用前景【1 3 】。合金的物理、化 学和力学性能与合金的成分、相结构和组织形态密切相关。由于快速凝固合金 通常为亚稳态材料，其凝固过程受到超常物理条件如深过冷、急速冷却和凝固 环境等的制约，凝固动力学机制十分复杂，所获得的凝固组织形态和亚稳相结 构具有不确定性，从而造成快速凝固合金性能表征方面的特殊性。 近年来，凝固理论方面的研究已经取得了很大进展：从传热、传质和固液 界面动力学三个方面对凝固动力学过程和快速晶体生长行为给出日趋合理的定 量描述；日臻完善的固液界面形态稳定性理论，可在低速生长至高速生长的较 大范围内，全面预测界面能、曲率效应、溶质截留效应和结晶潜热等对晶体生 长方式和组织形态的影响规律，并提供晶体形态演变的定量判据。然而，。现有 的凝固理论并不能准确预测液态合金在快速凝固过程中可能形成的亚稳新相种 类、晶体缺陷的类型及其数量。而且，迄今为止凝固科学界对快速凝固合金的 相结构、组织形态和晶体缺陷与合金的物理化学性能之间的相关规律仍缺乏深 入系统的研究。因此，有关快速凝固合金的微结构与其物理性能之间相关规律 的研究具有一定的理论意义和工程应用价值。 1 2 快速凝固的物理条件 快速凝固包括急冷快速凝固和深过冷快速凝固，分别对应着不同的物理条 件。 1 2 1 冷却速率 急冷快速凝固是通过提高热流从熔体中的导出速率来实现的快速凝固。其 第一章文献综述 基本原理为，设法减小熔体体积并减小熔体体积与其散热表面积之比，同时， 减小熔体与热传导性能很好的冷却介质可能产生的界面热酣“。本质上，冷却速 率是控制急冷快速凝固的重要的物理条件。由于凝固层内部热阻随凝固层厚度 的增大而迅速提高，导致冷却速率和凝固速率的下降，这就决定了急冷快速凝 固材料的形状至少在一维方向上很小，例如零维粉材、一维线材和二维带材均 是在较大的冷却速率下获得的快速凝固材料i i 】。 根据熔体分离和冷却方式的不同，快速凝固方法可分为模冷法、雾化法、 表面熔凝法、沉积法、单辊法、双辊法和溢流法等1 4 】。不同方法所对应的冷却速 率不尽相同，例如，模冷法的冷却速率在1 0 吒1 0 8 k s ；雾化法在l 肚1 07 s ；单 辊法在1 0 6 1 0 7 列s 等。 通过测定合金的冷却曲线可以方便的获得熔体的冷却速率【5 j 。但是，由于急 冷材料尺寸微小，制备过程中其飞行速度大，还存在液固相、固固相相互干扰 等原因，采用热电偶法、光学测定法、高速摄影法等测温法实验难度大，而且 精度不易控制。因此，在快速凝固研究中大多采用数值模拟等理论计算方法来 获得熔体的冷却速率睁1 6 1 。也可以用经验公式来估算实际的冷却速率，晶粒尺寸 一般随冷却速率的增加而减小，它们之间呈指数函数关系【，j ： 西= b 出) “ ( 1 2 ) 式中，d 丁肋为熔体的冷却速率，函为晶粒的平均尺寸，b 、m 是与合金成份有关 的常数。 1 2 2 过冷度 深过冷是指在特殊实验条件下，通过消除异质晶核，使液态金属冷却至远 低于其平衡凝固温度以下的温度，尔后发生快速晶体形核与生长的物理现象。 过冷的液态金属处于热力学亚稳态，一旦发生晶体形核，其生长速度主要取决 于过冷度的大小而不受外部冷却速度控制，凝固过程中释放的潜热被过冷熔体 吸收，可大大减小导出的热量，从而在慢速冷却条件下获得很大的凝固速率。 与急冷快速凝固的区别在于，深过冷快速凝固不追求大的冷却速率，使熔体达 到较大的过冷状态，获得很大的过冷度是实现深过冷快速凝固的基本物理条件。 在常规凝固条件下，熔体所能获得的最大过冷度为o 2 z 【l ”。在深过冷条件下， 由于最大限度的消除了异质晶核，熔体的形核受到抑制，可以获得更大的过冷 度。譬如，王楠等人采用融熔玻璃净化技术，使c u - 4 5 g c 过共晶合金获得 o 2 3 五k 的过冷度【j 8 j ，韩秀君使n i 7 5 c u 合金获得o 2 6 z l k 的过冷度【1 9 1 。 深过冷法的突出优点在于例：一是可以实现三维大体积液态金属的快速凝 2 西北工业大学博士学位论文 固，为新型亚稳金属材料的开发提供了一种先进的高技术制备工艺；二是可以 在慢速冷却过程中深入并且定量地研究快速凝固过程的动力学规律，为金属材 料快速凝固组织形态控制及其性能优化设计奠定必需的理论基础。 实现熔体深过冷的方法大致可有【2 l 】：液滴乳化法、熔融玻璃净化法、落管无 容器处理技术和悬浮无容器处理技术等四类。 通过测定三维大体积液态金属的冷却曲线可以准确地获得液态金属的过冷 度吲。也可以通过理论计算来预测液态金属的过冷度大小。 1 2 3 凝固环境 液态金属周围的物理场( 引力场、电磁场、温度场) 、器壁、气氛和压力等环 境因素对快速凝固过程具有显著的影响，从而构成控制快速凝固行为的物理条 件。例如，在地面重力场中，由于重力驱动的s t o k e s 运动会造成严重的宏观偏 析，在偏晶合金凝固的情况下尤其严重【2 3 洲；容器器壁和氧化性气氛往往导致 晶体的非自发形核脚之8 】：压力下的结晶易于获得非晶、准晶结构 2 9 。3 2 1 。 在各种环境条件中，空间环境是一种特殊的物理环境，空间环境具有三大 基本特征脚j ：微重力、超高真空和无容器。超高真空和无容器条件可最大限度 的消除外来界面和异质晶核造成的非自发形核，容易实现液态金属的深过冷快 速凝固；微重力条件克服了重力驱动的s t o k 韶运动，并使晶体生长过程中的温 度场和溶质扩散场具有均匀性和对称性特征，从而获得均匀细小、偏析程度小 的凝固组织。 1 3 快速凝固特征 快速凝固是指液固转变非常快，使得固液界面的推进速率( 熔体的凝固速 度) 大于1 c n 以，从而获得常规凝固方法无法获得的成分分布、组织结构和相组 成的相变过程【1 洲。熔体急冷法p i dq 响 l i r 培) 和