材料成型工艺中的凝固技术探讨

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1、材料成型工艺中的凝固技术探讨武晓博摘要：简要介绍了材料成型工艺中几种常见的凝固技术，包括快速凝固、定向凝固、深过冷凝固、超长凝固等；分析了各种凝固技术的利弊，并对凝固技术的发展作了展望。关键词：凝固技术；材料；成型加工1引言物质从液态转变为固态的过程就是凝固。作为一种极为普遍的物理现象，它广泛存在于自然界中。岩浆固化成为岩石，同时也造就了各种奇特的地貌特征；水凝结成冰，浮在水面上，保证了鱼虾等水生物的正常繁衍生息。因而说凝固在地球的生态平衡中起到了重要作用。对于人类社会而言，凝固技术的发展，不断推动着人类社会文明的进步[1]。在我们日常遇

2、到的材料中，绝大多数都经历了凝固过程，金属材料自不消说，无机非金属材料，如晶体生长、玻璃制品等都经历了凝固过程；在高分子材料制备过程中，凝固过程的控制也是十分重要。一方面，凝固技术的日益成熟推动着社会的发展，另一方面，社会需求与科学技术进步的牵引，特别是新材料与制备加工技术的需要，推动了凝固科技向更深、更高、更精细和开发新的、先进的、综合性更强、超常规的方向发展，也为新材料的发展提供制备基础，并直接推动新材料的研究开发。2凝固技术的发展及其在材料制备及加工成型中的应用材料的制备、成形与加工技术种类繁多，但追求的共同目标是：尽可能地缩短工艺

3、流程，并实现工件的近终形制造；在完成外形精确成形的同时，实现组织的优化，最大限度地发挥材料的性能潜力。其主要思路是建立“控形一控性(控制组织)—控制成本一控制污染”一体化的先进材料制备与加工成形的理论与技术体系，而凝固技无疑是实现上述目标的关键。2.1快速凝固[2-3]始于上世纪六十年代的快速凝固技术，以其具有冷却速率高、非平面效应明显等特点，已经成为当前凝固科学与工程中最为活跃的领域之一。特别是近几年来由于高功率能源如激光、电子、离子束等用于材料表层的快速凝固及强化，更加扩大了快速凝固技术的研究和应用领域。目前，快速凝固技术已在铁、镍、

4、钻、钦、镁、铜等合金系及宇航材料、电子仪表材料及超导材料上展开了大量的工作，并且取得了不少进展。快速凝固材料的一系列优异性能如高的强度、硬度、耐磨性、韧性、抗氧化性强、耐蚀性及良好的电化学性能和磁学性能己得到航天、航海、通讯、仪表、机械化工领域的普遍重视。由于冷却速度的要求，快速凝固材料往往包括一维尺寸很小的带材，二维尺寸很小的丝材，三维尺寸均小的粉末，这无疑将极大限制这类材料的应用，作为构件就更加困难，通常需经粉末冶金方法成型。快速凝固制取的粉末粒度小，化学均匀性好，过饱和度大，因此它的成型工艺除与普通粉末冶金工艺有相似之处外，也有它本

5、身的特点。常用的成型方法有高能高压成型、冷变形固结、热变形固结、粉末直接成型法、液相烧结法等。1）高能高压成型。高能高压成型包括爆炸成型、动压成型、液动压成型等。爆炸成型是利用爆炸在短时间内产生的高压脉冲使快速凝固粉末固结。通常将炸药放在粉末型体的周围，或者放在填充粉末的容器顶部，起爆后强大的冲击波迅速压缩金属粉末,使粉末焊在一起。这种方法致密度达95%。能在较低的温度下得到完全致密的粉末制品。制品的尺寸不象普通的粉末成型那样受压机能力的限制，因而受到很大的重视。目前已在铁基非晶态粉末、铝合金粉末、镍基及其它合金粉末的成型中得到应用。动压

6、成型与爆炸成型相似，采用压缩气体驱动压块高速冲击金属粉末，强大的冲击波使金属粉末颗粒发生运动，从而固结。这种方法成型的时间短、成型温度低，可避免晶化,制品的密度高，机械性能好。液动压成型是近年来发展起来的新工艺。它是采用超声气体雾化金属流，分散后的金属液滴高速冲击冷的金属基板，随后沉积并快速凝固。基板的形状可以为平面或根据需要为其它形状的模具。这种方法虽不能直接获得最终的产品，但由于减少了粉末制备的工序，粉末的含氧量低，与其它成型工艺相结合可生产高质量的粉末冶金产品。2）热变形固结。热变形工艺包括热等静压、热挤压，其基本原理和方法与普通粉

7、末冶金方法相同，目前也是快速凝固粉末成型应用较多的方法。3）液相烧结法。液相烧结法是耐熔合金快速凝固粉末的有效烧结致密方法。诸如W、Mo、Nb、Zr等金属在高压下具有结合力，自扩散激活能大。加入一些过渡金属可以增强基体金属通过富集活化剂区域的扩散能力，从而可降低烧结温度，缩短烧结时间，提高密度。4）粉末直接成型法。粉末直接成型法是金属粉末经真空热压后直接经粉末轧制、粉末锻造后直接成型。这种方法成型温度低于再结晶温度，不会破坏快速凝固获得的微晶结构，因此与快速凝固粉末工艺相结合可以产生优异的带材。2.2定向凝固[4-5]在高温合金的研制中建

8、立和完善起来的定向凝固技术被广泛用于获得具有特殊取向的组织和优异性能的材料，因而自其诞生以来得到了迅速的发展。定向凝固技术的最主要应用是生产具有均匀柱状晶组织的铸件，特别是在航空领域生产高温合