材料成型工艺中的凝固技术探讨.doc

材料成型工艺中的凝固技术探讨摘要：快速凝固技术是冶金工艺和金属材料专业的重要领域。目前，它已成为研究开发新材料的手段，也是新材料生产方法的基础，同时还是提高产品质量、降低生产成本的好途径。本文主要对快速凝固的实现方法和组织特征进行探讨。关键词：快速凝固；深过冷；凝固机理快速凝固技术是目前冶金工艺和金属材料专业的重要领域，快速凝同技术的概念和技术产生，源于1959年美国加州理工学院的P Duwez等人的研究，他们发现某些共晶合金在平衡条件下本应生成双相混合物，但当液态合金以足够大的冷却速度凝固（合金熔液滴被气体喷向冷却板）时，则可能分别生成过饱和固溶体、非平衡晶体，更进一步能生成非晶体。上述结果稍后被许多研究结果所证实，而且还发现了由此得到的一些材料具有超常的性能，如电磁、电热、强度和塑性等方面的性能，出现了用于电工、电子等方面的非晶材料。20世纪70年代出现了用快速凝固技术处理的晶态材料，80年代人们逐渐把注意力转向各种常规金属材料的快速凝固制备上，90年代大块非晶合金材料的开发与应用取得重大进展。目前，快速凝固技术已成为冶金工艺学和金属材料学的一个重要分支。快速凝固技术既是研究开发新材料的手段，也是新材料生产方法的基础，同时还是提高产品质量、降低生产成本的好途径。141 快速凝固技术的主要组织特征快速凝固技术一般指以大于105106K/s的冷却速率进行液相凝固成固相，是一种非平衡的凝固过程，通常生成亚稳相(非晶、准晶、微晶和纳米晶)，使粉末和材料具有特殊的性能和用途。快速凝固技术得到的合金具有超细的最粒度，无偏析或少偏析的微晶组织，形成新的亚稳相和高的点缺陷密度等与常规合金不同的组织和结构特征。由于快速凝固过程的快冷，起始形核过冷度大，生长速率高，使固液界面偏离平衡，因而呈现出一系列与常规合金不同的组织和结构特征。（1）细化凝固组织，使晶粒细化。结晶过程是一个不断形核和晶核不断长大的过程。随凝固速度增加和过冷度加深，可能萌生出更多的晶核，而生长的时间极短，致使某些合金的晶粒度可细化到0.1m以下。（2）减小偏析。很多快速凝固合金仍为树枝晶结构，但枝晶臂间距可能有0.25m。在某些合金中可能发生平面性凝固，从而获得完全均匀的显微结构。（3）扩大固溶极限。过饱和固溶快速凝固可显著扩大溶质元素的固溶极限因此既可以通过保持高度过饱和固溶以增加固溶强化作用，也可以使固溶元素随后析出，提高其沉淀强化作用（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。适当选择合金成分，以降低熔点程提高玻璃态的转变温度Ts（Ts/TM0.5），这样合金就可能失去长程有序结构，而成为玻璃态和非晶态。（6）高的点缺陷密度。固态金属中点缺陷密度随着温度的上升而增大，其关系式为：C=exp(QF/RT)式中，C为点缺陷密度，QF为摩尔缺陷形成能。金属熔化以后，由于原子有序程度的突然降低，液态金属中的点缺陷密度要比固态金属高很多，在快速凝固过程中，建于温度的骤然下降而无法恢复到正常的平衡状态，则会较多的保留在固态金属中，造成了高的点缺陷密度。32 实现快速凝固的主要方法2.1 动力学急冷快速凝固技术根据熔体分离和冷却方式的不同，可以分为雾化技术、模冷技术和表面熔化及沉淀技术三大类。模冷技术。主要包括：枪法法、双活塞法、流体旋转法、平面流铸造法、电子束急冷淬火法、熔体提取法和急冷模法；雾化技术。具体分为：流体雾化法、离心雾化法和机械雾化法；表面熔化与沉积技术。主要有离子体喷涂沉积法和激光表面重熔法两种。在凝固过程中，液相向固相的转变伴随着结晶潜热的释放，液相与固相的降温也将释放出物理热，只有各种热流被及时导出才能维持凝固过程的进行。图1所示的两种典型凝固方式是在两种极端热流控制条件下实现的，分别称为定向凝固和体积凝固。前者通过维持热流一维传导使凝固界面沿逆热流方向推进，完成凝固过程。后者通过对凝固系统缓慢冷却使液相和同相降温释放的物理热和结晶潜热向四周散失，凝固在整个液相中进行，并随着固相分数的持续增大完成凝固过程。2 （a） （b） (a) (b)图1 典型凝固方式 （a）定向凝固 （b）体积凝固动力学急冷快速凝固技术简称熔体急冷技术，其原理可以概括为：设法减小同一时刻凝固的熔体体积与其散热表面积之比，并设法减小熔体与热传导性能很好的冷却介质的界面热阻以及主要通过传导的方式散热。通过提高铸型的导热能力，增大热流的导出速率可以使凝固界面快速推进，从而实现快速凝固。在忽略液相过热的条件下，单向凝匿速率R取决于固相中的温度梯度TTS，3即： (1)s为固相热导率，h为凝固潜热，s为固相密度，TTS为温度梯度，由凝固层的厚度与铸件和铸型的界面温度梯度Ti决定。对凝固层内的温度分布做线性近似，可得到下面的表达式：4 (2)式中：Tk为凝固界面的温度。图2 单向凝固速度与导热的关系在应用熔体急冷凝固技术的各种方法时，熔体的传热过程是：固液界面前沿熔体的温度TL0，而已凝固的固相一侧的温度梯度Ts0，因而过热熔体的热能和熔化潜热只能通过固相向环境释放，这时热流方向与固/液界面移动的方向相反，因而这类快速凝固过程的进行以及相应的凝固冷速、凝固速率和过冷度等都是由系统向环境的传热速度和熔体体积等因素控制的。目前，主要的快速凝固技术（包括离心雾化法在内)都是通过薄层液态金属与高导热系数的冷衬底之间的紧密相贴来实现极快的导热传热。影响温度场及冷却速度的主要因素就是金属/衬底界面的状况及金属试样的厚度。52.2 热力学深过冷快速凝固上述快速凝固方法是通过提高热流的导出速度而实现的。然而，由于试样内部热阻的限制，快冷法只能在薄膜、细线及小尺寸颗粒中实现。减少凝固过程中的热流导出量是在大尺寸试件中实现快速凝固的唯一途径。通过抑制凝固过程的形核，使合金熔液获得很大的过冷度，从而凝固过程释放的潜热h被过冷熔体吸收，可大大减少凝固过程中要导出的热量，获得很大的凝固速度。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 (3)式(1)及式(2)中用h代替h可知，凝固速度随过冷度的增大而增大。热力学深过冷是指通过各种有效的净化手段避免或消除金属或合金液中的异质形核作用，增加临界形核功，抑制均质形核作用，使得液态金属或合金获得在常规凝固条件下难以达到的过冷度。深过冷快速凝固是指在尽可能消除异质形核的前提下，使液态金属保持在液相线以下数百度，两后突然形核并获得快速凝固组织的一种工艺方法。对于深过冷熔体，其凝固过程不受外部散热条律所控制，生长速度可以达到甚至超过激冷凝固过程中的晶体生长速度。熔体深过冷的获得，理论上不受液态金属体积限制。因此，深过冷是实现三维大体积液态金属快速凝固最为有效的途径。62.2.1热力学深过冷熔体的凝固特征过冷熔体处于热力学的亚稳状态，一旦发生晶体形核，其晶体的生长速度主要取决予过冷度的大小，基本不受外部冷却条件的控制。如果过冷度足够大，熔体凝固将远离平衡凝固，从而使深过冷熔体的凝固机制和微观组织表现出与传统凝固不同的特点。56主要表现在：（1）晶粒尺寸的细化，这是深过冷的一个明显特征随着初始过冷度的提高，试样的凝固维织均匀的细晶化，而且当达到某一临界过冷度对，将出现细晶化的急速转变。（2）形成新的亚稳相。深过冷液态金属凝固过程中亚稳相的形成已被许多的研究所证实，并可划分晶晶态亚稳相、微晶亚稳相、准晶态亚稳相和金属玻璃。（3）无偏析凝固。深过冷条件下，熔体的凝固速度很高，并有可能达到固液界面绝对稳定速度而保持平界面的凝固方式。同时，由于固液界面上的原子扩散速度远小于凝固速度，界面上几乎不发生溶质原子的再分配，实际的溶质分配系数近似等于l，所有的溶质均被“陷落”在生长的固相内，使凝固过程成为一种无偏析凝固。（4）定向生长特征。深过冷合金液的自由棱晶生长表现出定向凝固形貌的特征，并且可以认为在过冷熔体中实现定向凝固是可能的，但必须在过冷熔的某一部位施加一个小的温度梯度。3 结束语目前关于快速凝固技术的研究着重于母合金熔融后分成微小的熔滴，然后再通过冷的基体进行散热冷却，所解决的是传热问题。但从快速凝固的各种技术工艺现存的问题看，靠单一的方法是不能解决这些问题的。7 因此，快速凝固技术目前还有不完善之处，还有大量的研究工作需要更多研究者去做。但是，快速凝固技术的前景是很广阔的。参考文献1 介万奇.材料的成形加工与凝固技术J.中国工程科学,2002,4(6)2 胡汉起,沈宁福,王自东,等.金属凝固原理M.北京：机械工业出版社,2000.3 凋尧和,胡壮麒,介万奇.凝固技术M.北京：机械工业出版社,1998.4 傅恒志,魏炳