快速凝固与新材料

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1、快速凝固与新材料报告人：黄中月报告内容1、凝固与材料2、快速凝固简介3、非平衡凝固基本现象、规律和理论分析4、新型金属（合金）材料问题提出快速凝固（技术）和新型合金（材料）是一个既充满创造和发展的机会又具有严峻挑战的研究领域，虽然在这一领域中已经取得了许多令人鼓舞的成果并正在得到广泛应用。快速凝固工艺还不够完善；还没有形成系统、完整的快速凝固理论；新型快速凝固合金的性能还需要进一步提高；快速凝固技术和新型合金的研究发展还不平衡。快速凝固简介1.快速凝固的概念2.快速凝固常用方法和手段3.快速凝固的特征快速凝固的研究开始于20世纪50年代末60年代初，是在比常规工艺过程快得多的冷却速度或大得

2、多的过冷度下，合金以极快的凝固速率由液态转变为固态的过程。1960年美国加州理工学院的PDuwez等采用一种独特的熔体急冷技术，第一次使液态合金在大于107K/s的冷却速度下凝固。他们的发现，在世界的物理冶金和材料学工作者面前展开了一个新的广阔的研究领域。在快速凝固条件下，凝固过程的一些传输现象可能被抑制，凝固偏离平衡。经典凝固理论中的许多平衡条件的假设不再适应，成为凝固过程研究的一个特殊领域。定义：快速凝固是指采用急冷技术或深过冷技术获得很高的凝固前沿推进速率的凝固过程。冷却条件冷却速率/(K·S-1)组织特征工业冷却速率砂型铸件和铸锭10-3---100平衡条件的晶粒组织,如粗树枝晶,

3、共晶和其他结构。中等冷却速率薄带，模铸件，普通雾化粉末100---103精细显微结构,如细树枝晶,共晶和其他结构。快速凝固雾化细粉、喷雾沉积、电子束或激光玻璃化处理103---106特殊显微结构,如扩大固溶度，微晶结构，亚稳结晶相，非晶结构。快速凝固方法1.动力学急冷法2.热力学深过冷法3.快速定向凝固法动力学急冷法在动力学急冷凝固技术中，根据熔体分离和冷却方式的不同，可以分成雾化技术、模冷技术和表面熔化及沉积技术三大类。原理：通过提高熔体凝固时的传热速率从而提高凝固时的冷却速率，使熔体形核时间极短，来不及在平衡熔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

4、速率。雾化技术雾化技术是指采用某种措施将熔体分离雾化，同时通过对流的冷却方式凝固，其主要特点是在离心力、机械力或高速流体冲击力等作用下分散成尺寸极小的雾状熔滴在气流或冷模接触中迅速冷却凝固。流体雾化法雾化技术离心雾化法机械雾化法模冷技术模冷技术：使金属液接触固体冷源并以传导的方式散热而实现快速凝固。其主要特点是首先把熔体分离成连续或不连续的、界面尺寸很小的熔体流，然后使熔体流与旋转或固定的、导热良好的冷模或基底迅速接触而冷却凝固。模冷技术枪法双活塞法熔体旋转法平面流铸造法表面熔化与沉积技木熔体提取法急冷模法热力学深过冷快速凝固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

5、异质晶核的形核作用，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条件下难以达到的过冷度。采用这种技术,可以在冷速不高的情况下获得很大的凝固过冷度。因此,热力学深过冷非平衡凝固在理论上不受熔体体积限制，是实现大体积熔体非平衡凝固的有效方法。制约熔体获得最大热力学深过冷的实验因素：（1）试样重量试样所能达到的最大过冷度随试样重量增加而减小。这是因为合金熔体内部的异质核心的数量及质量随试样重量的增加会相应的增加。无论采用何种净化方式，在相同的循环次数、过热度以及保温时间的条件下，大重量试样异质核心的去除程度将会随重量的增加而减小，表现为最大过冷度的降低。（2）熔体过热处理温度不

6、同的研究者对过热度影响的研究在不同的合金系中得到的结果截然相反。（3）循环次数循环过热净化工艺中，循环次数是一个十分敏感因素。一般情况下，不同的合金体系中，采用给定的净化工艺总是存在一个相对优异的循环次数。（4）保温时间在一定范围内保温时间越长，获得的过冷程度也就越大。热力学深过冷方法1、乳化法2、两相区法3、电磁悬浮熔炼法4、落管法5、微重力法6、循环过热净化法7、熔融玻璃净化法8、化学净化法9、复合净化法乳化法的基本思想是在惰性环境（惰性基础或惰性悬浮溶液）中，随着液体分散程度的提高，有效形核衬底逐渐被孤立于少数液滴中，大部分液滴保持分离并且不包含异质核心，这部分液滴将会表现出深过冷行

7、为，其原理见下图。两相区法：将合金熔体过热，然后冷却至固液两相区，使也想在先析出相的包裹下结晶而获得深过冷。电磁悬浮熔炼法：通过选择合适的线圈形状及输出频率，使试样在电磁力作用下处于悬浮装态，再通入He、Ar、H2等保护气氛，通过感应加热熔化，控制凝固从而实现深过冷。落管法：通过电磁悬浮熔炼、电子束或其他方法熔化金属，随后金属熔体在真空或通入保护性气体的管中自由下落冷却凝固。自由下落过程中，金属或合金液避免与器壁相接触，