第3章快速凝固技术

1、常规铸造工艺及其存在的问题尺寸大，凝固时间长，凝固冷速、凝固速度以及凝固过冷度则很小，不可避免地会产生一系列铸造缺陷 容易形成粗大而发达的树枝晶容易产生严重的晶内偏析与晶界偏析容易出现缩孔、疏松、气泡、热应力等铸造缺陷要消除铸造合金存在的这些缺陷，突破研制新型合金的障碍，核心是要提高 熔体凝固时的过冷度从而提高凝固速度，在实际凝固过程中达到这一目的的办法 主要有两种 “动力学”的方法 设法提高熔体凝固时的传热速度从而提高凝固时的冷速，使熔体形按时间 极短，来不及在乎衡始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度具体实现这一方法的技术称为急拎凝固技术(Ra

2、pidly Quenching Technology或RQT)或溶体淬火技术(Melt Quenching Technology或MQT) “静力学”的方法 针对通常铸造合金都是在非均匀形核条件下凝固，因而使合金凝固的过冷 度很小的问题，设法提供近似均匀形核的条件。尽管冷速不高但也同样可 以达到很大的凝固过冷度，从而提高凝固速度具体实现这种方法的技术一般称为大过冷技术(Large Undercooling Tech no logy或 LUT)快速凝固技术的基本原理和分类模冷技术雾化技术表面熔化与沉积技术大过冷快速凝固技术基本原理急冷凝固技术 核心是要提高凝固过程中熔体的冷速。第一，减少单位时间

3、内金属凝固时产生的熔化潜热； 第二，提高凝固过程中的传热速度。大过冷凝固技术条急冷凝固技术的基本原理是设法减小同一时刻凝固的熔 体体积并减小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。快速凝固枝术的分类L急冷凝固技术核心是在熔体中形成尽可能接近均匀形核的凝固条件, 从而获得大的凝固过冷度模冷技术雾化技术表面熔化与沉积技术-大过冷凝固技术“枪”法双活塞法熔体旋转法模冷技术平面流铸造法溶体拖拉法溶体提取法“枪”法(GunMethod)分离成的熔滴很小(直 径约1屮n)、冲击到铜 模上的速度很高，所以 箔片的凝固冷速可以高 达109

4、K/s,其中薄的 箔片可以直接用作透射 电子显微镜(TEM)观察 的样品。这种方法可以 应用于许多合金，但是 由于箔片厚度不均匀， 形状不规则，每次熔化 的母合金数量很少，因 此主要限于在实验室中 应用模冷技术“枪”法示意图1.高压室2.聚脂薄膜3感应线圈4.低压空5.铜模 双活塞法(Twin Piston Method)熔滴在受挤压时可以从与两个活塞 接触的表面同时均匀地迅速散热凝 固，因此冷速较高，薄片的厚度也 比较均匀。此外，母合金是在真空 气氛中或保护性气氛中悬浮加热熔 化的，因此可以防止石英管对熔体 的污染，可以适用于化学活性高、 易氧化的金属及其合金，如Ti、Zr 等。在经过改进后

5、的双活塞法中， 活塞的冲击速度更高，冲击时活塞 间的间距保持一定，可以防止样品 凝固时变形并有更高的凝固冷速。与双活塞法类似的还有活塞砧法和 锤砧法1 C C-U图32双活塞法示意图1 .感应线圈2.熔滴3.活塞熔体旋转法(Melt Spining)操作时，首先把母合金切成约 30mm长的小段或小块，在砂轮 上磨去氧化皮后装入石英管内。 合金经感应加热熔化后从石英管 上端通入氮气或其它惰性气体， 熔体在气体压力下克服表面张力 从石英管下端的喷嘴中喷到下方 高速旋转的车昆轮表面，熔体在与 辗轮表面接触的瞬间迅速凝固并 在辘轮转动的离心力作用下以薄 带的形式向前抛射出来。图2-3熔体旋转法示意图1

6、.石英管2.惰性气体3.薄带4.喷嘴5.熔体6.熔池7.馄轮8.感应线圈在熔体旋转法中可以控制和 调节的主要工艺参数有：石英管 喷嘴尺寸，石英管喷嘴离楹面距 离，石英管内通入的气体压力、 醍面线速度和辗轮合金的成分等。急冷凝固技术的分类与主要特点分类名称产品形状典型尺寸典型冷速主要应用- 模冷技术“枪”法箔片厚.011.0109中等活性或不易氧化的 金属双活塞法薄片直径2.5mm 厚5300104 106高活性或极易氧化的金 属熔体旋转法 (CBM 或 MS)连续薄带或 线、薄片厚10100宽10&IO*中等活性或易氧化的金 属平面流铸造法(PFC)宽连续薄带厚20100宽 15010*106

7、同上，特别是Fe、Ni、Al及其合金溶体拖拉法MD连续薄带厚251000IO?106同上电子束急冷淬 火法(CBSQ)拉长的薄片厚40100104IO?高活性或极易氧化的金 属溶体提取法 CME 或 PDME薄片或纤维厚201002 1()6高等活性或极易氧化的 金属(PDME)中等活性或 易氧化的金属(CME)f双流雾化法-雾化技术离心雾化法-机械雾化和其它雾化法-水雾化法与气体雾化法-超声气体雾化法-高速旋转筒雾化法-滚筒急冷雾化法-快速凝固雾化法旋转电极雾化法P双辗雾化法-电-流体力学雾化法-真空雾化法一火花电蚀雾化法水雾化法示意图1 溶体2水流3石英管雾化技术双流雾化法(Twin Fl

8、uid Atomization)(1)水雾化法与气体雾化法熔体流在高压高速水流的冲击下, 经过片状、线状、熔滴状三个阶段逐 步分离雾化并在水流冷却下冷凝成粉 末。雾化时所用的水流压力高达 820MPa,制得的粉末直径为75 200)Limo如果雾化熔体的流体不用水 而用空气或惰性气体(如氛气)，则成 为气体雾化法或惰性气体雾化法，所 用的雾化压力一般为28MPa,制得 的粉末直径为50100卩m,多为表面 光滑的球形，而水雾化法制得的粉末 形状不规则。但是水雾化法由于采用 了密度较高的水做雾化工作介质，所 以达到的凝固冷速要比一般气体雾化 法高一个数量级。超声气体雾化法(USGA)超声气体雾化

9、法的主要设备与前面的水雾化法相似，但是用速 度高达2.5马赫的高速高频(80100kHz)脉冲气流代替了水流。这种 超声气体由一系列Hartman冲击波管产生，气体多用氮气等惰性气体 以便防止粉末氧化污染。高速高频脉动气流可以把熔体流分离成更 细，更均匀的熔滴，并且熔体也不是象水雾化方法中经过三个阶段， 而是直接分离成细小熔滴冷凝成粉末。例如采用超声气体雾化法可 以制成平均直径为8 m的锡合金粉末和平均直径20卩口的铝合金粉 末，而且在这种铝合金粉末中直径小于50叩的粉末占粉末总量的 95wt%o此外采用超声气体雾化法时粉末的收得率也高达90%o超 声气体雾化法已经成功地应用于高温合金和铝合金

10、，并正在进行放 合金的应用研究。(3)高速旋转筒雾化法(RSC)经感应加热熔化后的熔体流从石英 管中喷射到旋转筒内层的冷却液即淬火 液中，冷却液可以选用水、碳氢化合物 或低温流体。熔体流在旋转的冷却液冲 击下雾化分离成熔摘并冷凝成纤维或粉 末，然后在离心力作用下飞出。由于圆 筒旋转的速度高达8000-16000r/min, 因此随筒旋转的冷却液可将熔体分离成 较小的熔滴并消除熔摘外围W能影响传 热的气体层，所以来用这种方法可以获 得较高的冷速。高速旋转筒雾化法已经 应用于生产快速凝固的高温合金、各种 钢和铝、铜等有色合金。但是采用这一 方法现在每次还只能剁得0.5kg的粉末， 粉末的形状不太规

11、则，粒度分布范围也 比较窄。经过改进后高速旋转筒法将有 可能用于快速凝固合金的连续生产。高速旋转筒雾化法示意图L感应线圈2石英管3熔体4旋转筒5冷却液(4)滚筒急冷雾化法(Drum Splat)这种方法实际上是把双 流雾化法和模冷法结合起来, 即把经上述气体雾化法雾化 后尚未凝固的熔滴再迅速喷 到一个旋转滚筒的圆周面上, 熔滴在与滚筒冲击的瞬问进 一步冷却凝固成薄片并在离 心力作用下飞出，所以这种 方法比一般的双流雾化法冷 速高并适于大批生产，现在 已经成功地应用于生产快速 凝固铝合金，也有可能应用 于其它可以进行气体雾化的 金属和合金。滚筒急冷雾化法示意图1气体雾化装置2熔滴3滚筒4薄片离心

12、雾化法(Centrifugal Atomization)快速凝固雾化法(RSP)熔化的合金熔体从石英土甘坍中喷到一个表面刻有沟槽的圆盘形雾化器 上，圆盘以高达3500r/min的速度旋转,使喷到盘上的熔体雾化成细小的熔滴 并在离心力作用下向外喷出，同时惰 性气流沿与熔漓运动几乎垂直的方向 高速流动，使浸没于其中的熔滴迅速 凝固成粉末。由于在这种方法中旋转 雾化器的转速约比熔体旋转法中的槻 轮转速大10倍，所以熔体与雾化器接 触时间很短，熔滴主要是在与气流接 触时通过对流传热冷凝的，因而凝固 冷速一般要比上述模冷法低一些，可 达105K/So通过改变熔体喷出的速度 和雾化器的转速与尺寸，可以控制

13、粉 末的尺寸与分布。用这种方法制成的 铝合金和鎳基合金粉末直径一般为 2580ym。快速凝固雾化法示意图1 冷却气体2旋转雾化器3粉末4熔体(2)旋转电极雾化法(REP)直径约50mm的棒状母合金 作为自耗电极并且高速旋捻同 时在用鹄制成的另一固定电极 与旋转电极之间接上高压，电 极之间产生的电弧把母合金棒 尖端熔化，熔滴在离心力作用 下沿径向向外甩出，并在流入 的惰性气体冷却下凝固成粉末。 旋转电极雾化法的优点是不用 雾化器和石英增锅，很适合于 钛、错、枫等活性金属相高熔 点金属及其合金制备高纯度的 快速凝固粉末。此外还可以用 激光束、电子束等能源代替电 弧熔化母合金以便减小钩电极 对熔体的

14、污染。但是这种方法 的冷速较小，一般只有103K/So旋转电极雾化法示意图L惰性气体2.真空3.旋转自耗电极4.电动机5.固定钩电极6.粉末收集室机械雾化和其它雾化法双辐雾化法(Twin Roll Atomization)双车昆雾化法示意图1 .熔体2.石英管3.喷嘴4.溶体流5.辘轮6.雾化熔滴熔体流在喷入高速相对旋转的 辘轮间隙时形成空穴并被分离成直 径小至30pm的熔滴，雾化的熔滴可 经气流、水流或固定于两车昆间隙下 方的第三个槻轮冷却凝固成不规则 的粉末或薄片。通过调节两车昆轮之 间的间隙（一般vo.5mm）和转速（可 以高达1000r/min）来控制熔体流在 辘隙中的传热速度，使熔体

15、不会在 辘隙中凝固，并且用这种方式控制 雾化产品的尺寸与形状，双车昆雾化 法达到的凝固冷速比较高，对某些 成分的合金可以制成非晶态粉末， 也容易进行大批量生产。(2)电流体力学雾化法(EHDA)流入圆锥形发射器的熔体表面加 上了高达lOV/m的强电场，熔体流 在这个电场作用下克服表面张力以熔 滴的形式从发射器中喷出而雾化。通 过调节电场强度、发射器形状和熔体 温度可以控制熔滴的形状与尺寸。雾 化后的熔滴可以在加速自白飞行的过 程中冷凝成粉末，冲击到冷模上形成 薄片或者沉积到工件表面。这种方法 能够获得很高的凝固冷速，当粉末直 径为0.01 illm时，冷速高达107K/s, 所以对许多合金可以

16、制得非晶态粉末。 此外，采用这种方法可以对粉末、薄 片的尺寸与分布进行比较精确的控制, 已经应用于铁合金和铜、铝、铅等有 色金属及其合金。电流体力学雾化法示意图L熔体流2发射器3熔滴真空雾化法(Vacuum Atomization)真空雾化法也称为固溶气体雾 化法。如右图所示，在压力作用下, 圮埸中熔体内溶解了过饱和的氮气 或氮气、氢气。当把气体与真空室 隔开的阀门突然打开后，熔体暴露 在真空中，熔体中溶解的气体在压 力差作用下迅速逸出和膨胀，并带 动熔体从喷嘴中高速喷出和把熔体 分离、雾化成细小的熔滴，熔滴然 后冷凝成粉末。采用这种方法制成 的粉末不易氧化或受其它污染，形 状也比较规则。此外

17、，这种方法也 能应用于大批量生产，大多数合金 都可以采用这种方法制取快速凝固 粉末。但是由于熔滴在真空中只能 以辐射的方式冷却，所以这种方法 达到的凝固冷速较低。真空雾化法示意图1真空室2雾化熔滴3.喷嘴4.压力容器 5感应加热炉6熔体7粉末收集室火花电蚀雾化法(Spark Erosion Method)这是一种在1902年就已发明的老方法。但近几年来在日本、 美国经过开发又用这种力法制成了非晶态的磁性合金粉末。这种 方法是用母合金制成电极，并置于电解质流体中，当二个电极通 过放电产生火花时，火花的能量使电极的尖端熔化成熔滴滴下然 后冷凝成粉末。为了避免电解质流体对电极的污染，可以用惰性 的低

18、温流体代替电解质的流体。用这种方法能获得较高的凝固冷 速，但是粉末的尺寸、形状和分布不易控制，而且收得率也很低, 一般工作六个小时制得的粉末不超过20g。激光束表面熔化法(Laser Glazing)激光表面熔化法示意图1.激光束2.焦点3.惰性气体4.聚焦镜5.工件基体6.变速电动机7.旋转圆盘表面熔化与沉积技术表面熔化法基本原理：金属表层中的自由电子受激光 光子作用被激发，受激的自由电子与原子 碰撞后发热熔化表层合金。装置中激光发生器一般采用功率为36kW 可连续工作的CO?激光器，激光束经聚焦后 在工件表而形成直径约为0.05cm的光斑， 功率密度可达104-107W/cm2,以保证光斑

19、 照射处合金的迅速熔化。工件表而通入惰 性气体的目的是防止熔体氧化井防止入射 激光功率密度过高时工件表而产生等离子 体。(2)电子束表面熔化法原理：入射电子束与金属中的自由电子产 生强烈碰撞从而使自由电子获得很高的能 量，这些高能自由电子再与晶格原子碰撞 后发热熔化工件的表层。电子束表面熔化法示意图1.电子束2.偏转线圈3.工件4熔化区方法：从电子枪中产生的电子束在加速电压作 用下高速射岀，并在偏转线圈的电磁场作用下 改变运动方向。当在二套偏转线圈中分别输入 二个几乎相等的三角形波信号时电子束就可以 在工件表而进行二维扫描，典型的扫描速度为 lcm/s数量级，最高可达200cm/s,每扫描一次

20、 后典型的熔化区宽0.5mm,熔化层深0.1mm, 前后两次扫描之间一般有50%的区域重合。为 了调整电子束束斑强度的空间分布和扫描速度, 现在已经可以采用计算机控制电子束扫描。此 外，电子束加速电压的大小和工件材料的原子 系数还会影响电子束加热工件表面的热效率， 因为加速电压选择适当时工件表而吸收的电子 最多，加热的效率也最高。等离子体喷涂沉积示意图1.等离子体喷枪2.粉末3.惰性气体4.溶液5.喷涂沉积层6.工件基体表面喷涂沉积法表面喷涂沉积法中应用较多的是由莫斯(Moss)等提岀的等离子体喷涂沉积法 (PSD)O这一方法主要是用高温等离子体火焰熔化合金或陶瓷、非金属氧化物粉末, 然后再喷

21、射到已加工成型或半成型的工件表面，熔滴迅速冷凝沉积成与基体结合 牢固、致密的喷涂层等离子体是在等离子体喷枪内由加入氨 气或氢气的离子化氮气或氮气形成的，它的 温度可以高达105C,同时用氮气等惰性气体 把预先配制好，直径一般小于5 (im的合金或 陶瓷粉末喷入等离子体中，这些粉末迅速熔 化成熔滴，由于等离子体形成后温度极高， 因而体积迅速膨胀，以高达三倍音速的速度 带着熔滴从等离子体枪的喷嘴中喷向工件表 而并迅速冷凝成薄层。当熔滴的沉积速率为 1.3g/s时，每次喷涂的涂层厚度v150)irn，涂 层密度可达理论密度的97%o熔滴的喷射速 度高达1000m/s左右，熔滴与工件表而的热 接触一般

22、都比较好，传热速度很快，所以熔 简的凝固冷速也可高达107K/s，凝固速度大 于1cm/s。决定涂层质量的主要工艺参数有真 空度、等离子体火焰长度和能量、粉末的质 量和喷射条件以及工件表面的状态等。大过冷快速凝固技术核心在熔体中设法消除可以作为非均匀形核媒质的杂质或容器壁的影响，创造尽 可能接近均匀形核的条件，从而在形核前获得很大的过冷度。方法类型一类是熔滴弥散法即在细小熔滴中达到大凝固过冷度的方践包括乳化法、熔 滴基底法和落管法等。另一类是在较大体积熔体中获得大的凝固过冷度的 方法，包括玻璃体包裹法、嵌入熔体法或二相区法和电磁悬浮熔化法等。具体方法熔滴乳化法、熔滴基底法、嵌入熔体法、玻璃体包

23、裹法、电磁悬浮熔化冷凝法、落管法大过冷技术示意图（a）熔滴乳化法（b）熔滴基底法（c）嵌入熔体法（d）玻璃体包裹法熔滴乳化法熔体在惰性气氛下与做为裁体的纯净有机液体混合，然后进 行机械搅拌，使熔体分散成直径为110屮71数量级的熔滴弄与有 机液体形成乳浊液然后冷凝。用乳化法获得较大过冷度的关键是 熔滴尺寸要尽可能小，尺寸分布集中和均匀以及选用合适的、不 会促进表面形核的有机液体做乳化液，正确采用乳化法一般可以 得到030.4几的大过冷度，是合金熔体的熔点，所以这种方 法应用比较广泛。难度：合适的乳化液熔滴基底法与乳化法类似，但是弥散后的熔滴是在冷模上凝固，所以达到的 过冷度也没有乳化法高。嵌入熔体法把合金加热到固、液二相区或糊状区，控制温度使 熔体体积占整个合金的20%,然后停止加热，使固、液 相在此温度下达到平衡后再把样品淬火到较低温度，这 时未凝固的熔体通过已凝固的、温度较低的固相传出热 量，由于熔体不与空气和容器壁接触，所以只有在熔体 达到较大的过冷度后才能稳定地形核凝固。为了使测定 的过冷度比较准确，可以反复升降温，直到测定的过冷 度可以重复出现难度：寻找合适的合金系玻璃体包裹法用以流体形式存在的无机玻璃体把大块熔体与容器分隔开来， 使熔体凝固时不受容器壁的影响。用这种方法可以制取重达几百克 的大过冷凝固合金，但是由于采