1、精選優(yōu)質(zhì)文檔-傾情為你奉上精選優(yōu)質(zhì)文檔-傾情為你奉上專心-專注-專業(yè)專心-專注-專業(yè)精選優(yōu)質(zhì)文檔-傾情為你奉上專心-專注-專業(yè)快速凝固技術(shù)的研究進(jìn)展摘要：快速凝固技術(shù)是當(dāng)材料科學(xué)與工程中研究比較活躍的領(lǐng)域之一，目前已成為一種金屬材料潛在性能與開發(fā)新材料的重要手段。快速凝固技術(shù)得到的合金與常規(guī)合金有著不同的組織和結(jié)構(gòu)特征，對材料科學(xué)和其它學(xué)科的理論研究以及開展實際生產(chǎn)應(yīng)用起了重要的作用。介紹了快速凝固技術(shù)的原理和特點、主要方法和在實際中的應(yīng)用和存在的問題。關(guān)鍵詞：快速凝固技術(shù)；合金；應(yīng)用；存在問題1 引言 隨著對金屬凝固技術(shù)的重視和深入研究，形成了許多種控制凝固組織的方法，其中快速凝固已成為一種

2、具有挖掘金屬材料潛在性能與發(fā)展前景的開發(fā)新材料的重要手段，同時也成了凝固過程研究的一個特殊領(lǐng)域1。過去常規(guī)鑄造合金之所以會出現(xiàn)晶粒粗大，偏析嚴(yán)重、鑄造性能差等缺陷的主要原因是合金凝固時的過冷度和凝固速度很小，這是由于它們凝固時的冷速很小而引起的。要消除鑄造合金存在的這些缺陷，突破研制新型合金的障礙，核心是要提高熔體凝固時的過冷度，從而提高凝固速度，因此出現(xiàn)了快速凝固技術(shù)。目前，快速凝固技術(shù)作為一種研制新型合金材料的技術(shù)已開始研究了合金在凝固時的各種組織形態(tài)的變化以及如何控制才能得到符合實際生活、生產(chǎn)要求的合金。著重于大的溫度梯度和快的凝固速度的快速凝固技術(shù)，正在走向逐步完善的階段。2 快速凝固

3、技術(shù) 1960年美國的Duwez等用銅輥快淬法，首次使液態(tài)合金在大于107K/S的冷卻速度下凝固，在CuSi合金中發(fā)現(xiàn)了無限固溶的連續(xù)固溶體；在AgGe合金中出現(xiàn)新的亞穩(wěn)相；在AuSi合金中形成非晶結(jié)構(gòu)。在快速冷卻所形成的亞穩(wěn)結(jié)晶組織中，出現(xiàn)了一系列前所未見的重要的結(jié)構(gòu)特征，表現(xiàn)出各種各樣比常規(guī)合金優(yōu)異的使用性能2。此后，快速凝固技術(shù)和理論得到迅速發(fā)展，成為材料科學(xué)與工程研究的一個熱點?？焖倌淌侵竿ㄟ^對合金熔體的快速冷卻(104106 K/s)或非均質(zhì)形核被遏制，使合金在很大過冷度下，發(fā)生高生長速率(1100 cm/s)凝固3。通過快速凝固技術(shù)獲取的粉末和材料會具有特殊的性能和用途。由于它是

4、一種非平衡的凝固過程4，詳細(xì)的說就是凝固過程中的快冷、起始形核過冷度大，生長速率高，促使固液界面偏離平衡，生成亞穩(wěn)相(非晶、準(zhǔn)晶、微晶和納米晶)，從而會使常規(guī)合金呈現(xiàn)出一系列不同的組織和結(jié)構(gòu)5。由于凝固過程的快冷，起始形核過冷度大，生長速率高，使固液界面偏離平衡，因而呈現(xiàn)出一系列與常規(guī)合金不同的組織和結(jié)構(gòu)特征6：(1)細(xì)化凝固組織，使晶粒細(xì)化。結(jié)晶過程是一個不斷形核和晶核不斷長大的過程。隨凝固速度增加和過冷度加深，可能萌生出更多的晶核，而生長的時間極短，致使某些合金的晶粒度可細(xì)化到0.1m以下。(2)減小偏析。很多快速凝固合金仍樹枝晶結(jié)構(gòu)，但枝晶臂間距可能有0.25m。在某些合金中可能發(fā)生平面

5、型凝固，從而獲得完全均勻的顯微結(jié)構(gòu)。(3)擴大固溶極限。過飽和固溶快速凝固可顯著擴大溶質(zhì)元素的固溶極限。因此既可以通過保持高度過飽和固溶以增加固溶強化作用，也可以使固溶元素隨后析出，提高其沉淀強化作用(4)快速凝固可導(dǎo)致非平衡相結(jié)構(gòu)產(chǎn)生，包括新相和擴大已有的亞穩(wěn)相范圍。(5)形成非晶態(tài)。適當(dāng)選擇合金成分，以降低熔點和提高玻璃態(tài)的轉(zhuǎn)變溫度Tg(Tg/TM0.5)，這樣合金就可能失去長程有序結(jié)構(gòu)，而成為玻璃態(tài)或稱非晶態(tài)。(6)高的點缺陷密度。固態(tài)金屬中點缺陷密度隨著溫度的上升而增大，其關(guān)系式為：C=exp（QF/RT）式中，C為點缺陷密度，QF為摩爾缺陷形成能。金屬熔化以后，由于原子有序程度的突然

6、降低，液態(tài)金屬中的點缺陷密度要比固態(tài)金屬高很多，在快速凝固過程中，由于溫度的驟然下降而無法恢復(fù)到正常的平衡狀態(tài)，則會較多的保留在固態(tài)金屬中，造成了高的點缺陷密度。3 快速凝固技術(shù)的主要方法3.1 動力學(xué)急冷快速凝固技術(shù)動力學(xué)急冷快速凝固就是設(shè)法減小同一時刻凝固的熔體體積與其散熱表面積之比。設(shè)法減小熔體與熱傳導(dǎo)性能很好的冷卻介質(zhì)的界面熱阻，同時通過提高鑄型的導(dǎo)熱能力、增大熱流的導(dǎo)出速率，就可使凝固界面快速推進(jìn)實現(xiàn)快速凝固7。其中熔體的凝固冷速、凝固速率和過冷度是由系統(tǒng)向環(huán)境的傳熱速度和熔體體積等因素控制的，進(jìn)一步說明影響溫度場及冷卻速度的主要因素就是金屬、襯底界面的狀況及金屬試樣的厚度。根據(jù)熔體

7、分離和冷卻方式的不同，可以分為霧化技術(shù)、模冷技術(shù)和表面熔化及沉淀技術(shù)三大類。模冷技術(shù)。主要包括：槍法、雙活塞法、熔體旋轉(zhuǎn)法、平面流鑄造法、電子柬急冷淬火法、熔體提取法和急冷模法。霧化技術(shù)。具體分為：流體霧化法、離心霧化法和機械霧化法。表面熔化與沉積技術(shù)。主要有離子體噴涂沉積法和激光表面重熔法兩種。在忽略液相過熱的條件下，單向凝固速率R取決于固相中的溫度梯度TTS，即：R=式中：s：固相熱導(dǎo)率； h：凝固潛熱； Ps：固相密度； TTS：溫度梯度，由凝固層的厚度和鑄件與鑄型的界面溫度Ti決定。對凝固層內(nèi)的溫度分布作線性近似，可得：R=式中：Tk：凝固界面溫度。在應(yīng)用熔體急冷凝固技術(shù)的各種方法時，

8、熔體的傳熱過程是：固液界面前沿熔體的溫度TL0，而已凝固的固相一側(cè)的溫度梯度Ts0，因而過熱熔體的熱能和熔化潛熱只能通過固相向環(huán)境釋放，這時熱流方向與固、液界面移動的方向相反，因而這類快速凝固過程的進(jìn)行以及相應(yīng)的凝固冷速、凝固速率和過冷度等都是由系統(tǒng)向環(huán)境的傳熱速度和熔體體積等因素控制的。目前，主要的快速凝固技術(shù)(包括離心霧化法在內(nèi))都是通過薄層液態(tài)金屬與高導(dǎo)熱系數(shù)的冷襯底之間的緊密相貼來實現(xiàn)極快的導(dǎo)熱傳熱。影響溫度場及冷卻速度的主要因素就是金屬、襯底界面的狀況及金屬試樣的厚度。3.2 熱力學(xué)深過冷快速凝固技術(shù)熱力學(xué)深過冷快速凝固是為了使液態(tài)金屬或合金獲得常規(guī)凝固條件下難以達(dá)到的過冷度，必須采

9、取各種有效的凈化手段避免或消除金屬或合金液中的異質(zhì)晶核的結(jié)晶作用，增加臨界形核功，抑制均質(zhì)形核作用，同時在盡可能消除異質(zhì)晶核的前提下。使液態(tài)金屬在液相線以下數(shù)百度后突然形核，并獲得快速凝固組織的一種工藝方法。其中深過冷熔體主要是通過導(dǎo)熱性差的介質(zhì)傳熱或以輻射傳熱的方式冷卻。其凝固過程不受外部散熱條件影響。同時熔體深過冷理論上也不受液態(tài)金屬體積限制。所以，深過冷是實現(xiàn)三維大體積液態(tài)金屬快速凝固最有效的途徑8。 對于深過冷熔體，其凝固過程不受外部散熱條件所控制，生長速度可以達(dá)到甚至超過激冷凝固過程中的晶體生長速度。熔體深過冷卻獲得，理論上不受液態(tài)金屬體積限制。因此，深過冷是實現(xiàn)三維大體積液態(tài)金屬快

10、速凝固最為有效的途徑。 (1)熱力學(xué)深過冷熔體的凝固特征。過冷熔體處于熱力學(xué)的亞穩(wěn)狀態(tài)，一旦發(fā)生晶體形核，其晶體的生長速度主要取決于過冷度的大小，基本不受外部冷卻條件的控制。如果過冷度足夠大，熔體的凝固將遠(yuǎn)離平衡凝固，從而使深過冷熔體的凝固機制和微觀組織表現(xiàn)出與傳統(tǒng)凝固不同的特點。主要表現(xiàn)在：晶粒尺寸的細(xì)化，這是深過冷的一個明顯特征。形成新的亞穩(wěn)相，深過冷液態(tài)金屬凝固過程中亞穩(wěn)相的形成已被許多的研究所證實，并可劃分為晶態(tài)亞穩(wěn)相、微晶亞穩(wěn)相、準(zhǔn)晶態(tài)亞穩(wěn)相和金屬玻璃。無偏析凝固，深過冷條件下，熔體的凝同速度很高，并有可能達(dá)到同液界面絕對穩(wěn)定速度而保持平界面的凝固方式。同時，由于固液界面上的原子擴散

11、速度遠(yuǎn)小于凝固速度，界面上幾乎不發(fā)生溶質(zhì)原再分配，實際的溶質(zhì)分配系數(shù)近似等于1，所有的溶質(zhì)均被“陷落”在生長的固相內(nèi)，使凝固過程成為一種無偏析凝固。定向生長特征，深過冷合金液的自由枝晶生長表現(xiàn)出定向凝固形貌的特征，并且可以認(rèn)為在過冷熔體中實現(xiàn)定向凝固是可能的，但必須在過冷熔體的某一部位施加一個小的溫度梯度。(2)熱力學(xué)深過冷獲得技術(shù)實驗方法分類。大體積液態(tài)金屬的深過冷，主要有熔融玻璃凈化法，循環(huán)過熱法和熔融玻璃凈化法+循環(huán)過熱法；微小金屬液滴的深過冷，包括乳化熱分析法、落管法和無容器電磁懸浮熔爍法；其他形狀金屬液態(tài)的深過冷熔體急冷法，可分為：氣槍法、霧化沉積法、熔體旋轉(zhuǎn)法、錘砧法、單輥法。4

12、快速凝固的性能特點4.1力學(xué)性能 快速凝固組織由于微觀結(jié)構(gòu)的尺寸與鑄態(tài)組織相比有明顯的細(xì)化和均勻化，所以具有很好的晶界強化和韌化作用；而成分均勻、偏析減少不僅提高了合金元素的使用效率，還避免了一些會減低合金性能的有害相的產(chǎn)生，消除了微裂紋產(chǎn)生的隱患，因而改善了合金的強度、延性和韌性；固溶度的增大、過飽和固溶體的形成，不僅起到了很好的同溶強化的作用，也為第二相的析出、彌散強化提供了條件；位錯、層錯密度的提高還產(chǎn)生了位錯強化的作用；此外，快速凝固過程形成的一些亞穩(wěn)相也能起到很好的強化和韌化作用。所以通常的鑄態(tài)合金經(jīng)過快速凝固后，強度、韌性、硬度、耐磨、耐腐蝕等力學(xué)性能得到了很大的提高。4.2 物理

13、性能快速凝同組織的微觀組織結(jié)構(gòu)特點還使它們具有一些常規(guī)鑄態(tài)組織所沒有的特殊的物理性能。例如快速凝固形成的一些亞穩(wěn)相具有較高的超導(dǎo)轉(zhuǎn)變溫度?？焖倌探M織的成分偏析的顯著減少對提高磁學(xué)性能十分有利，所以有些快速凝同晶態(tài)合金也和非晶態(tài)合金一樣具有很好的磁學(xué)性能。此外，某些快速凝同合金還具有很好的電學(xué)性能9。5 快速凝固技術(shù)在金屬材料中的應(yīng)用5.1 在鎂合金的應(yīng)用鎂合金具有一系列優(yōu)點如剛度及比強度高、電磁屏蔽性能強、尺寸穩(wěn)定、資源豐富等，所以其在汽車、電子、航空、航天等領(lǐng)域中具有廣闊的應(yīng)用前景。但是，鎂合金自身具有一些缺點如變形能力差、抗腐蝕性能和抗高溫性能不高等限制了其發(fā)展應(yīng)用。當(dāng)然采用傳統(tǒng)的鑄造冶

14、金方法難以獲取高性能鎂合金，不能滿足材料的性能要求。那么研究新的制備工藝和加工技術(shù)獲取高性能型材和結(jié)構(gòu)件是發(fā)展的必然趨勢。所以快速凝固鎂合金將成為未來變形鎂合金的主要制備工藝。一些學(xué)者研究表明通過快速凝固合金熔體制備的非晶態(tài)鎂合金，不僅力學(xué)性能優(yōu)異，而且具有優(yōu)良的抗腐蝕性和儲氫性能是潛在的結(jié)構(gòu)材料和具有發(fā)展前途的新型材料。近年來世界各國投入了人力物力進(jìn)行快速凝固鎂合金的研究取得了大量成果10。5.2 快速凝固技術(shù)在銅合金的應(yīng)用銅及其合金由于具有很高的導(dǎo)熱、導(dǎo)電性能和良好的抗腐蝕性能，所以在工業(yè)中有著廣泛的應(yīng)用。隨著現(xiàn)代工業(yè)的迅速發(fā)展，各行業(yè)對銅及其銅合金的使用性能提出了更高的要求。而快速凝固技

15、術(shù)的發(fā)展為研究和開發(fā)高性能銅合金開辟了新的途徑。自二十世紀(jì)70年代末以來，英、美、瑞士等國相繼開展了快速凝固銅合金的研究。大量的研究表明快速凝固銅合金不僅保持了良好的導(dǎo)電性能，而且改善了合金的耐磨性能、室溫與高溫力學(xué)性能和耐腐蝕性能。近年來快速凝固技術(shù)已在銅和銅合金的工業(yè)生產(chǎn)中得到應(yīng)用，如利用快速凝固銅合金可以制作耐磨電接觸開關(guān)、冷凝管、艦艇中的管道和減弱機器噪聲的聲阻元件、軸承、螺栓、螺旋槳葉片、齒輪等構(gòu)件有效地提高了它們的綜合性能：快速凝固CuCrZr合金可以用來制作要求具有較高導(dǎo)電、導(dǎo)熱性能和疲勞抗力的部件；快速凝固CuPb合金可以代替價格較貴的常規(guī)青銅合金(含銅量大于80)制作軸承等等

16、11。5.3 快速凝固技術(shù)在鋁合金的應(yīng)用隨著航空航天技術(shù)和汽車工業(yè)的發(fā)展，對高性能鋁合金材料的需求越來越大。而快速凝固技術(shù)為鋁合金的研究與開發(fā)提供了新的方向。利用快速凝固技術(shù)制備鋁合金的方法主要有快速凝固粉末冶金(RS/PM)和快速凝固噴射沉積兩種方法(SF)12。國內(nèi)外已成功地利用該技術(shù)研制出耐熱鋁合金、耐磨鋁硅合金、高強度鋁合金及低密度鋁鋰合金等鋁合金材料。這些快速凝固的高性能鋁合金材料多具有高的熱強性能、耐磨性、高的比強度和高彈性模量等優(yōu)異的綜合力學(xué)性能和特殊的物理性能，已發(fā)展成為重要的新型合金材料。5.4 快速凝固金屬納米結(jié)構(gòu)材料的應(yīng)用納米材料是指顯微結(jié)構(gòu)中的物相具有納米尺度的材料，它

17、包括三個層次，納米微粒；納米固體；納米組裝體系。納米材料的晶粒細(xì)小而均勻，晶粒表面清潔，所以具有高的強度、硬度和良好的塑韌性和優(yōu)異的磁性能。納米材料推廣應(yīng)用的關(guān)鍵是塊體納米材料的制備而制備不同類型塊體納米材料的主要技術(shù)是熱力學(xué)深過冷凝固技術(shù)。通過此技術(shù)制備出的金屬納米結(jié)構(gòu)材料不僅能夠作為優(yōu)良的功能材料，而且還能成為一些特定用途的結(jié)構(gòu)材料或者是結(jié)構(gòu)功能兩用材料。6 有待解決的問題快速凝固技術(shù)的研究與應(yīng)用取得了很大的進(jìn)展，發(fā)展了很多制取快速凝固粉束，片、絲和薄帶的新工藝。特別是近幾年來由于高功率能源如激光、電子，離子束等用于材料表層的快速凝固及強化，更加擴大了快速凝固技術(shù)的研究和應(yīng)用領(lǐng)域?？焖倌?/p>

18、技術(shù)已在鐵、鎳、鉆、鈦、鎂、銅等合金系及宇航材料、電子儀表材料及超導(dǎo)材料上展開了大量的工作。取得了不少進(jìn)展，成為近年來最引人注目的材料科學(xué)新領(lǐng)域。快速凝固材料的一系列優(yōu)異性能如高的強度，硬度、耐磨性、韌性，抗氧化性能、耐蝕性及良好的電化學(xué)性能和磁學(xué)性能已得到航天，航海，通訊，儀表，機械化工領(lǐng)域的普遍重視。從目前的發(fā)展來看，應(yīng)解決以下問題。(1)降低成本，達(dá)到工業(yè)化生產(chǎn)的目的。目前，不管是旋鑄法、霧化法和氣槍法，成本都比較高，難以達(dá)到工業(yè)應(yīng)用。比較有應(yīng)用潛力的是霧化噴射沉積，但由于收得率低，過噴粉末較多，無形之中增加了成本。(2)增加對工業(yè)過程的控制能力。(3)對快速凝固過程進(jìn)行計算機模擬，有效地進(jìn)行顯微組織的預(yù)測和材料設(shè)計。(4)合理控制工藝參數(shù)，提高高能束對鑄鐵等黑色金屬材料表面處理的效果，擴大其應(yīng)用范圍。(5)非晶合金的催化活性