材料制备新技术(许春香) 第一章 快速凝固技术

1、- 材料物理专业材料物理专业 材料制备新技术材料制备新技术 - 许春香许春香 第第1章章 快速凝固技术快速凝固技术 1.1 快速凝固概述快速凝固概述 1.2 快速凝固的物理冶金基础快速凝固的物理冶金基础 1.3 实现快速凝固过程的传热实现快速凝固过程的传热 1.4 快速凝固制备工艺快速凝固制备工艺 1.5 快速凝固技术在金属材料中的应用快速凝固技术在金属材料中的应用 1.6 快速凝固其他新型合金材料快速凝固其他新型合金材料 1.1 快速凝固概述快速凝固概述 快速凝固：液相快速凝固：液相-固相，固相， 冷却速率冷却速率 105 106 K/s 特点：一种非平衡的凝固过程，通常生成亚稳相（非晶、特

2、点：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）。准晶、微晶和纳米晶）。 过冷度：金属的理论结晶温度与实际结晶温度之差过冷度：金属的理论结晶温度与实际结晶温度之差T. T = T0 Tn (T0理论结晶温度，理论结晶温度，Tn实际结晶温度）实际结晶温度） 1.1 快速凝固概述快速凝固概述 1）细化凝固组织，使晶粒细化；）细化凝固组织，使晶粒细化； 快速凝固材料的主要组织特征：快速凝固材料的主要组织特征： 2）减小偏析；）减小偏析； 3）扩大固溶极限；）扩大固溶极限； 4）快速凝固可导致非平衡的相结构产生；）快速凝固可导致非平衡的相结构产生； 5）形成非晶态；）形成非晶态；

3、 6）高的点缺陷密度；）高的点缺陷密度； 1.1 快速凝固概述快速凝固概述 1）力学性能；）力学性能； 快速凝固主要性能特点：快速凝固主要性能特点： 2）物理性能；）物理性能； （a）定向凝固）定向凝固 (b)体积凝固体积凝固 图图1-1 两种典型的凝固方式两种典型的凝固方式 q1-自液相导人凝固界面的热流密度；自液相导人凝固界面的热流密度；q2-自凝固界面导人固相的热流密；自凝固界面导人固相的热流密； Q-铸件向铸型散热热量铸件向铸型散热热量 1.2 快速凝固的物理冶金基础快速凝固的物理冶金基础 定向凝固和体积凝固定向凝固和体积凝固 1.3 实现快速凝固途径实现快速凝固途径 动力学急冷快速凝

4、固技术简称熔体急冷技术：动力学急冷快速凝固技术简称熔体急冷技术： 1.3.1 急冷法急冷法 原理：原理： 通过通过(1)减小同一时刻凝固的熔体体积与其散热表面积之比减小同一时刻凝固的熔体体积与其散热表面积之比 (2)减小熔体与热传导性很好的冷却的界面热阻以及加快热减小熔体与热传导性很好的冷却的界面热阻以及加快热 传导散热。传导散热。 注：雾化法、单辊法、双辊法、旋转圆盘法及纺线法等非晶、注：雾化法、单辊法、双辊法、旋转圆盘法及纺线法等非晶、 微晶材料制备过程中，试件尺寸很小，故凝固层内部热阻可微晶材料制备过程中，试件尺寸很小，故凝固层内部热阻可 以忽略（即温度均匀），界面散热称为主要控制环节。

5、以忽略（即温度均匀），界面散热称为主要控制环节。 1.3 实现快速凝固途径实现快速凝固途径 1.3.1 急冷法急冷法 1 1 2 2 3 3 4 4 5 5 6 6 7 7 8 8 9 9 1 1 0 0 图图1-2急冷模法示意图急冷模法示意图 1-真空出口；真空出口；2-绝热冷却剂容器；绝热冷却剂容器；3-冷却池；冷却池；4-铜模；铜模； 5-模穴；模穴；6-垫圈；垫圈；7-基板；基板；8-压紧螺帽；压紧螺帽；9-射入管；射入管；10-铝箔铝箔 最常见的急冷法是极冷模法最常见的急冷法是极冷模法 1.3 实现快速凝固途径实现快速凝固途径 深过冷法是指通过各种有效的净化手段避免或消除金属或深过冷

6、法是指通过各种有效的净化手段避免或消除金属或 合金液中的异质晶核的形成作用，增加临界形核功，抑制合金液中的异质晶核的形成作用，增加临界形核功，抑制 均质形核作用，是的液态金属或合金获得在常规凝固条件均质形核作用，是的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。下难以达到的过冷度。 1.3.2 深过冷法深过冷法 主要应用：液相微粒的雾化法，经过净化处理的大体积液主要应用：液相微粒的雾化法，经过净化处理的大体积液 态金属的快速凝固。态金属的快速凝固。 1.3 实现快速凝固途径实现快速凝固途径 定向凝固是使熔融合金沿着与热流相反的方向，按照要求定向凝固是使熔融合金沿着与热流相反的方向，按照

7、要求 的结晶取向凝固的一种铸造工艺。的结晶取向凝固的一种铸造工艺。 1.3.3 定向凝固法定向凝固法 定向凝固技术最突出的成就是在航空工业中的应用。定向凝固技术最突出的成就是在航空工业中的应用。 铸件定向凝固需要两个条件：铸件定向凝固需要两个条件： 1）热流向单一方向流动并垂直于生长中的固）热流向单一方向流动并垂直于生长中的固-液界面；液界面； 2）晶体生长前方的溶液中没有稳定的结晶核心。）晶体生长前方的溶液中没有稳定的结晶核心。 1.4 快速凝固制备工艺快速凝固制备工艺 气体雾化法制备粉末，是利用气体的冲击力作用于熔融液气体雾化法制备粉末，是利用气体的冲击力作用于熔融液 流，使气体的动能转化

8、为熔体的表面能，从而形成细小的流，使气体的动能转化为熔体的表面能，从而形成细小的 液滴并凝固成粉末颗粒。液滴并凝固成粉末颗粒。 1.4.1 气体雾化法气体雾化法 粉末颗粒度较宽，有小于粉末颗粒度较宽，有小于1m的，的， 也有也有0.5mm的。收得率的。收得率673523703583773 HC/(A.m-1)84.51.22 m(120)104(180)104(1100)104(150)104 Br/Bs0.050.900.10.850.050.950.10.90 应用应用 配电变压器，中频配电变压器，中频 变压器变压器 漏电保护开关，电漏电保护开关，电 流互感器流互感器 磁放大器，高频变磁放

9、大器，高频变 压器，扼流圈，脉压器，扼流圈，脉 冲变压器，饱和电冲变压器，饱和电 抗器抗器 磁放大器，高频变磁放大器，高频变 压器，扼流圈，脉压器，扼流圈，脉 冲变压器，饱和电冲变压器，饱和电 抗器抗器 表表1-4 采用喷射沉积法制备的近终形制件采用喷射沉积法制备的近终形制件 产品产品合金系统合金系统产品产品合金系统合金系统 管状制件管状制件 圆管圆管 轧辊轧辊 衬套衬套 汽轮机套汽轮机套 轴承套轴承套 不锈钢及高温合金不锈钢及高温合金 铸铁及高合金钢铸铁及高合金钢 铝合金铝合金 高温合金高温合金 高速钢高速钢 平板键平板键 带钢带钢 有色合金带有色合金带 盔甲板材盔甲板材 涂层涂层 涂覆管材

10、涂覆管材 包层棒材包层棒材 涂覆带材及板材涂覆带材及板材 棒、坯件棒、坯件 挤压坯挤压坯 锻坯锻坯 圆棒圆棒 铝合金及复合材料铝合金及复合材料 高温材料高温材料 高合金钢高合金钢 涂层涂层 涂覆管材涂覆管材 包层棒材包层棒材 涂覆带材及板材涂覆带材及板材 锅炉管锅炉管 不锈钢及工具钢不锈钢及工具钢 耐磨板及轴承合金耐磨板及轴承合金 第第1章章 快速凝固技术快速凝固技术 热流密度热流密度q q1 1和和q q2 2与结晶潜热释放率之间满足与结晶潜热释放率之间满足 热平衡方程热平衡方程: : 213 qqq（1-1） 根据傅里叶导热定律知根据傅里叶导热定律知 1LTL qG （1-2） 2STS

11、qG （1-3） 而而 3ss qhv （1-4） 式中式中, ,L L, ,S S分别为液相和固相的导热分别为液相和固相的导热 率率G GTL TL,G ,GTS TS分别为凝固界面附近液和固相 分别为凝固界面附近液和固相 中的温度梯度；中的温度梯度；h h为结晶潜热，也称为为结晶潜热，也称为 凝固潜热；凝固潜热；V VS S为凝固速度；为凝固速度；S S为固密度为固密度。 将式（将式（1-21-2）至式（）至式（1-41-4）带入式（）带入式（1-11-1） 则可求得凝固速度为：则可求得凝固速度为： STSLTL S S GG v h （1-5） (1-6) 123 QQQ 式中式中,Q,

12、Q1 1为铸型吸收的热量为铸型吸收的热量;Q;Q2 2为铸件降温释为铸件降温释 放的物理热放的物理热;Q;Q3 3为凝固过程放出的结晶潜热；为凝固过程放出的结晶潜热； Q Q1 1，Q Q2 2，Q Q3 3可如下求出可如下求出 式中，式中，A A为铸型与铸件的界面面积；为铸型与铸件的界面面积； q q为界面热流为界面热流 密度；密度；V VC C为冷却速度，为冷却速度， 为负值；为负值；V VSV SV为体积凝 为体积凝 固速度，固速度， ；V V为铸件体积；为铸件体积； h h为结晶为结晶 潜潜 热；热；S S、L L、 分别为固相密度、液相密度及平分别为固相密度、液相密度及平 均密度；均

13、密度；C CS S、C CL L分别为固相、液相的质量热容；分别为固相、液相的质量热容； 分别为固相体积分数和液相体积分数。分别为固相体积分数和液相体积分数。 1 QqA (1-7) 2 () CSSSLL L QvVCC 3SV Qv Vh (1-8) (1-9) / C vdT d / SVS vdd SL 、 近似取近似取 , , ,并且已并且已 知知 ，则由式（，则由式（1-61-6）至式）至式 （1-91-9）可）可 得出得出: : SL SL CCC 1 SL + () SVC qvhcvM (1-10) /MVA / SSTSS vGh （1-11） ()/ SSkiS vTTh（1-12） 式中，式中， 为铸件模数。为铸件模数。 对凝固层内的温度分布作线性相似得对凝固层内的温度分布作线