第一章快速凝固技术ppt课件.ppt

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1、1我吓了一跳，蝎子是多么丑恶和恐怖的东西，为什么把它放在这样一个美丽的世界里呢？但是我也感到愉快，证实我的猜测没有错：表里边有一个活的生物第第1章章 快速凝固技术快速凝固技术 2我吓了一跳，蝎子是多么丑恶和恐怖的东西，为什么把它放在这样一个美丽的世界里呢？但是我也感到愉快，证实我的猜测没有错：表里边有一个活的生物前前 言言q快速凝固1960年开始出现q快速凝固是一项新型材料制备技术，既是一种生产手段,又是一种探索新材料的研究方法，受到了普遍的重视q对现有牌号合金，可以显著地改善其组织结构，充分挖掘其性能潜力，也可以研制在常规铸造条件下无法得到的、具有优异性能的新型材料q快速凝固技术和快速凝固合

2、金的研究已成为了材料科学的一个重要分支，并在实际生产中得到了广泛的应用，具有广阔的应用前景q近二、三十年来，不但开拓了一个崭新的学术领域，而且向市场提供了具有特殊性能的新材料3我吓了一跳，蝎子是多么丑恶和恐怖的东西，为什么把它放在这样一个美丽的世界里呢？但是我也感到愉快，证实我的猜测没有错：表里边有一个活的生物内内 容容快速凝固概论快速凝固概论快速凝固的物理冶金基础快速凝固的物理冶金基础实现快速凝固途径实现快速凝固途径快速凝固制备工艺快速凝固制备工艺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快速凝固其他新型合金快速凝固其他新型合金4我吓了一跳，蝎子是多么丑恶和恐怖的东西，为什

3、么把它放在这样一个美丽的世界里呢？但是我也感到愉快，证实我的猜测没有错：表里边有一个活的生物（一）快速凝固发展的由来（一）快速凝固发展的由来1.1 1.1 快速凝固概述快速凝固概述 铸造是冶金生产中重要的工艺手段，除了粉末冶金铸造是冶金生产中重要的工艺手段，除了粉末冶金等方法直接成型产品外，几乎所有的金属制品和构件的等方法直接成型产品外，几乎所有的金属制品和构件的生产都离不开铸造。生产都离不开铸造。工业铸造5我吓了一跳，蝎子是多么丑恶和恐怖的东西，为什么把它放在这样一个美丽的世界里呢？但是我也感到愉快，证实我的猜测没有错：表里边有一个活的生物5铸造工艺、铸件的微观组织、结构和性能都会对后续铸造

4、工艺、铸件的微观组织、结构和性能都会对后续加工的进行和最终产品的质量产生重要的甚至是决定性的影加工的进行和最终产品的质量产生重要的甚至是决定性的影响。响。常规铸造中铸件的凝固时间一般很长，凝固过冷度很常规铸造中铸件的凝固时间一般很长，凝固过冷度很小。小。常规铸锭6我吓了一跳，蝎子是多么丑恶和恐怖的东西，为什么把它放在这样一个美丽的世界里呢？但是我也感到愉快，证实我的猜测没有错：表里边有一个活的生物6合金凝固时的晶粒尺寸等微观组织与凝固冷速或过冷合金凝固时的晶粒尺寸等微观组织与凝固冷速或过冷度直接相关，用常规铸造工艺生产的铸件不可避免产生一度直接相关，用常规铸造工艺生产的铸件不可避免产生一系列系

5、列铸造缺陷铸造缺陷：容易形成粗大的树枝晶，并产生严重的晶内偏析与晶容易形成粗大的树枝晶，并产生严重的晶内偏析与晶界偏析；界偏析；在较大的铸锭与铸件中，熔体先从相对温度较低、传在较大的铸锭与铸件中，熔体先从相对温度较低、传热较快、与模壁接触的外层开始凝固并相应出现溶质分配热较快、与模壁接触的外层开始凝固并相应出现溶质分配，最后凝固的心部富含溶质元素与低熔点杂质元素，从而，最后凝固的心部富含溶质元素与低熔点杂质元素，从而在较大尺度上出现宏观偏析。在较大尺度上出现宏观偏析。7我吓了一跳，蝎子是多么丑恶和恐怖的东西，为什么把它放在这样一个美丽的世界里呢？但是我也感到愉快，证实我的猜测没有错：表里边有一

6、个活的生物7采用常规铸造工艺还容易出现缩孔、疏松、气泡、热应力等采用常规铸造工艺还容易出现缩孔、疏松、气泡、热应力等铸造缺陷，它们也会对铸锭或铸件的性能产生有害影响；铸造缺陷，它们也会对铸锭或铸件的性能产生有害影响；合金元素含量高时（特别是比重小、粘度高、扩散能力差的合金元素含量高时（特别是比重小、粘度高、扩散能力差的合金元素）会降低熔体的流动性、充型能力和导热性，上述合金元素）会降低熔体的流动性、充型能力和导热性，上述问题更严重。问题更严重。常规铸造中的缺陷：缩孔和缩松8我吓了一跳，蝎子是多么丑恶和恐怖的东西，为什么把它放在这样一个美丽的世界里呢？但是我也感到愉快，证实我的猜测没有错：表里边

7、有一个活的生物8这些问题不仅使现有牌号合金的铸造质量和性能很难这些问题不仅使现有牌号合金的铸造质量和性能很难得到保证，还限制了新型合金材料的研制。得到保证，还限制了新型合金材料的研制。镍基铸造高温合金镍基铸造高温合金：为进一步提高合金的热强度：为进一步提高合金的热强度与工作温度，必须增加合金中与工作温度，必须增加合金中AlAl、TiTi含量以增加弥散强化相含量以增加弥散强化相(Ni3A1)(Ni3A1)的含量，并提高的含量，并提高的固溶温度，但常规铸造工艺下的固溶温度，但常规铸造工艺下这将产生一些无法解决的问题。这将产生一些无法解决的问题。高温镍基合金9我吓了一跳，蝎子是多么丑恶和恐怖的东西，

8、为什么把它放在这样一个美丽的世界里呢？但是我也感到愉快，证实我的猜测没有错：表里边有一个活的生物9Fe-Si软磁合金软磁合金：含：含SiSi较高的较高的Fe-6.5wtFe-6.5wtSiSi合金的软磁性能合金的软磁性能比含比含SiSi少的合金好，但采用常规铸造工艺无法将少的合金好，但采用常规铸造工艺无法将Fe-6.5wtFe-6.5wtSiSi合金热轧成合金热轧成0.3mm0.3mm厚的芯片，只能采用铸造和加工性能较好的厚的芯片，只能采用铸造和加工性能较好的Fe-3wtFe-3wtSiSi合金制作变压器芯片，使变压器性能受到很大影响合金制作变压器芯片，使变压器性能受到很大影响。 铁硅软磁合金

9、10我吓了一跳，蝎子是多么丑恶和恐怖的东西，为什么把它放在这样一个美丽的世界里呢？但是我也感到愉快，证实我的猜测没有错：表里边有一个活的生物10只有突破传统工艺的限制，采用新的技术才有可能只有突破传统工艺的限制，采用新的技术才有可能研制出少含甚至不含这些战略元素的新型合金。研制出少含甚至不含这些战略元素的新型合金。在研制新型合金材料的过程中，人们不仅从单纯的在研制新型合金材料的过程中，人们不仅从单纯的调整改变合金成分着手，也把研究生产合金的新技术提调整改变合金成分着手，也把研究生产合金的新技术提上了议事日程。上了议事日程。快速凝固技术快速凝固技术正是在这样的背景下出现并很快得正是在这样的背景下

10、出现并很快得到了迅速的发展。到了迅速的发展。11我吓了一跳，蝎子是多么丑恶和恐怖的东西，为什么把它放在这样一个美丽的世界里呢？但是我也感到愉快，证实我的猜测没有错：表里边有一个活的生物11常规铸造合金出现晶粒粗大、偏析严重、铸造性能不好等常规铸造合金出现晶粒粗大、偏析严重、铸造性能不好等严重缺陷的主要原因是合金凝固时的过冷度和凝固速度很小。严重缺陷的主要原因是合金凝固时的过冷度和凝固速度很小。要消除铸造合金存在的这些缺陷，核心是要提高形核凝固要消除铸造合金存在的这些缺陷，核心是要提高形核凝固时的过冷度，从而提高凝固速度：时的过冷度，从而提高凝固速度：提高凝固传热速度提高凝固传热速度急冷凝固技术

11、或熔体淬火技术急冷凝固技术或熔体淬火技术；提供近似均匀形核的条件提供近似均匀形核的条件大过冷技术。大过冷技术。12我吓了一跳，蝎子是多么丑恶和恐怖的东西，为什么把它放在这样一个美丽的世界里呢？但是我也感到愉快，证实我的猜测没有错：表里边有一个活的生物定义定义1 1：从液态到固态的冷却速度大于某一临界冷却速率的：从液态到固态的冷却速度大于某一临界冷却速率的凝固过程（凝固过程（10105 5/s/s）。）。定义定义2 2：由液相到固相的相变过程进行得非常快，从而获得：由液相到固相的相变过程进行得非常快，从而获得普通铸件和铸锭无法获得的成分、相结构和显微结构的凝固过普通铸件和铸锭无法获得的成分、相结

12、构和显微结构的凝固过程。程。 定义定义3 3：快速凝固是指采用急冷技术或深过冷技术获得很高：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。的凝固前沿推进速率的凝固过程。 快速凝固的定义13我吓了一跳，蝎子是多么丑恶和恐怖的东西，为什么把它放在这样一个美丽的世界里呢？但是我也感到愉快，证实我的猜测没有错：表里边有一个活的生物13（1）细化凝固组织，使晶粒细化。）细化凝固组织，使晶粒细化。 快速凝固合金的微观组织一般随着离冷却介质距离快速凝固合金的微观组织一般随着离冷却介质距离的增加，依次为等轴晶、柱状晶与树枝晶。的增加，依次为等轴晶、柱状晶与树枝晶。 快速凝固材料的主

13、要微观组织不同冷却方式制备NdFeB铸锭的几何形貌（a）传统冷却方式（b）单向强制水冷方式（c）双向强制水冷方式(a)(b)(c)14我吓了一跳，蝎子是多么丑恶和恐怖的东西，为什么把它放在这样一个美丽的世界里呢？但是我也感到愉快，证实我的猜测没有错：表里边有一个活的生物14 (c) (b) (a)不同冷却方式制备NdFeB铸锭的显微组织形貌（a）传统冷却方式（b）单向强制水冷方式（c）双向强制水冷方式15我吓了一跳，蝎子是多么丑恶和恐怖的东西，为什么把它放在这样一个美丽的世界里呢？但是我也感到愉快，证实我的猜测没有错：表里边有一个活的生物15 快速凝固合金的晶粒尺寸很小，而且十分均匀，一般平快

14、速凝固合金的晶粒尺寸很小，而且十分均匀，一般平均晶粒尺寸为均晶粒尺寸为mm左右，左右，快速凝固时过冷度较大，大大提高形核率；快速凝固时过冷度较大，大大提高形核率；极短的凝固时间又使晶粒不可能充分长大；极短的凝固时间又使晶粒不可能充分长大；用熔淬法制取的快速凝固样品中，晶粒直径可小至纳米量级用熔淬法制取的快速凝固样品中，晶粒直径可小至纳米量级 快速凝固晶态合金的晶粒尺寸明显减小的同时，快速凝固晶态合金的晶粒尺寸明显减小的同时，相、有相、有序畴序畴等其它微观组织尺寸与常规铸态合金相比也有较大幅度等其它微观组织尺寸与常规铸态合金相比也有较大幅度的减小。的减小。16我吓了一跳，蝎子是多么丑恶和恐怖的东

15、西，为什么把它放在这样一个美丽的世界里呢？但是我也感到愉快，证实我的猜测没有错：表里边有一个活的生物16（2）快速凝固可使合金成分均匀化，偏析减小。）快速凝固可使合金成分均匀化，偏析减小。凝固时间极短，凝固时溶质分配很少，成分偏析也相应显凝固时间极短，凝固时溶质分配很少，成分偏析也相应显著减小，合金的成分不均匀程度或偏析程度大大减小。著减小，合金的成分不均匀程度或偏析程度大大减小。快速凝固材料的主要微观组织17我吓了一跳，蝎子是多么丑恶和恐怖的东西，为什么把它放在这样一个美丽的世界里呢？但是我也感到愉快，证实我的猜测没有错：表里边有一个活的生物17通常用树枝晶偏析的二次枝晶臂间距通常用树枝晶偏

16、析的二次枝晶臂间距作为成分偏析范围标作为成分偏析范围标志，快速凝固合金由于晶粒细化，偏析范围从铸态合金志，快速凝固合金由于晶粒细化，偏析范围从铸态合金的几毫米到几十微米减小到的几毫米到几十微米减小到0.10-0.25m0.10-0.25m。冷速（冷速（K/s）凝固工艺凝固工艺产品厚度产品厚度10-6-10-3大砂模铸件或铸锭大砂模铸件或铸锭6m0.5-5mm10-3-10标准铸件或铸锭标准铸件或铸锭0.2-6m50-500m10-103常规模铸或雾化常规模铸或雾化6-20mm5-50m103-106快速凝固雾化快速凝固雾化0.2-6mm0.5-5m106-109熔淬熔淬6-200m0.05-0

17、.5m常规铸态合金和快速凝固合金的冷速和平均枝晶臂间距常规铸态合金和快速凝固合金的冷速和平均枝晶臂间距18我吓了一跳，蝎子是多么丑恶和恐怖的东西，为什么把它放在这样一个美丽的世界里呢？但是我也感到愉快，证实我的猜测没有错：表里边有一个活的生物18（3）快速凝固使合金缺陷密度增加）快速凝固使合金缺陷密度增加与铸态合金相比，快速凝固合金中的与铸态合金相比，快速凝固合金中的空位、位错空位、位错等缺陷密等缺陷密度有较大增加。度有较大增加。液态合金中空位形成能比固态合金的空位形成能小得多，液态合金中空位形成能比固态合金的空位形成能小得多，其空位浓度比固态合金高得多，快速凝固时大部分空位来不及其空位浓度比

18、固态合金高得多，快速凝固时大部分空位来不及析出而留在固态合金中；析出而留在固态合金中；由于凝固速度很高，晶体长大中也容易形成空位，因而快由于凝固速度很高，晶体长大中也容易形成空位，因而快速凝固合金一般有很高的空位浓度。速凝固合金一般有很高的空位浓度。快速凝固材料的主要微观组织19我吓了一跳，蝎子是多么丑恶和恐怖的东西，为什么把它放在这样一个美丽的世界里呢？但是我也感到愉快，证实我的猜测没有错：表里边有一个活的生物19合金在快速凝固过程中受到较大的热应力，空位聚合金在快速凝固过程中受到较大的热应力，空位聚集形成位错环，这些因素都使快速凝固合金中的位错密集形成位错环，这些因素都使快速凝固合金中的位

19、错密度比一般铸态合金增加很多。度比一般铸态合金增加很多。此外，快速凝固合金的层错密度也很高。此外，快速凝固合金的层错密度也很高。这些特点对合金的溶质扩散，相变以及性能都会产这些特点对合金的溶质扩散，相变以及性能都会产生重要影响。生重要影响。 20我吓了一跳，蝎子是多么丑恶和恐怖的东西，为什么把它放在这样一个美丽的世界里呢？但是我也感到愉快，证实我的猜测没有错：表里边有一个活的生物20（4 4）快速凝固使合金中形成新的亚稳相。）快速凝固使合金中形成新的亚稳相。亚稳相是指在一定的温度、压力、成分等状态条件下吉布斯亚稳相是指在一定的温度、压力、成分等状态条件下吉布斯自由能比稳定相或平衡相高的相，但亚

20、稳相不会在任意小的能量自由能比稳定相或平衡相高的相，但亚稳相不会在任意小的能量起伏作用下自发转变成稳定相或其它亚稳相，而是必须在外界环起伏作用下自发转变成稳定相或其它亚稳相，而是必须在外界环境作用下经过热激活越过势垒才能转变成稳定相或其它亚稳相。境作用下经过热激活越过势垒才能转变成稳定相或其它亚稳相。亚稳相的特点在于它既偏离稳定相又偏离不稳定相亚稳相的特点在于它既偏离稳定相又偏离不稳定相并能在一定的条件下较长时间保持不变并能在一定的条件下较长时间保持不变。快速凝固材料的主要微观组织21我吓了一跳，蝎子是多么丑恶和恐怖的东西，为什么把它放在这样一个美丽的世界里呢？但是我也感到愉快，证实我的猜测没

21、有错：表里边有一个活的生物21利用从稳定相利用从稳定相亚稳相亚稳相稳定相稳定相的相变过程，在不的相变过程，在不用改变合金成分的条件下可以使稳定相用改变合金成分的条件下可以使稳定相I I的微观组织形态得到的微观组织形态得到很大改善，提高合金的性能，这比设计、研制一种新成分的很大改善，提高合金的性能，这比设计、研制一种新成分的合金容易得多。合金容易得多。金属材料中的许多亚稳相都具有稳定相所没有的优良微金属材料中的许多亚稳相都具有稳定相所没有的优良微观组织结构和性能，观组织结构和性能，只要在使用状态下不存在使亚稳相只要在使用状态下不存在使亚稳相稳定化转变的热激活条件，就可以长期使用主要由亚稳定化转变

22、的热激活条件，就可以长期使用主要由亚稳相组成的材料稳相组成的材料。 22我吓了一跳，蝎子是多么丑恶和恐怖的东西，为什么把它放在这样一个美丽的世界里呢？但是我也感到愉快，证实我的猜测没有错：表里边有一个活的生物（1 1）力学性能。）力学性能。 由于快速凝固组织具有良好的晶界强化和韧化作用，由于快速凝固组织具有良好的晶界强化和韧化作用，而且成分均匀、偏析减小、固溶度增大以及亚稳相产生，因而且成分均匀、偏析减小、固溶度增大以及亚稳相产生，因而改善了合金的强度、韧性和延性。而改善了合金的强度、韧性和延性。（2 2）物理性能。）物理性能。 快速凝固组织的微观组织结构特点，使它们具有一些快速凝固组织的微观

23、组织结构特点，使它们具有一些常规铸态组织所没有的特殊物理性能。常规铸态组织所没有的特殊物理性能。快速凝固的性能特点23我吓了一跳，蝎子是多么丑恶和恐怖的东西，为什么把它放在这样一个美丽的世界里呢？但是我也感到愉快，证实我的猜测没有错：表里边有一个活的生物快速凝固的条件快速凝固的条件实现液态金属快速凝固的最重要条件，是要求液实现液态金属快速凝固的最重要条件，是要求液/ /固固相变时有极高的相变时有极高的热导出速度热导出速度。依靠辐射散热，对于直径为依靠辐射散热，对于直径为1m1m，温度为，温度为10001000的的金属液滴，获得的极限冷却速率只有金属液滴，获得的极限冷却速率只有103K/s103

24、K/s，可见冷却，可见冷却速度不高；速度不高；通过对流传热，将导热良好的氢或氦以高速流过厚通过对流传热，将导热良好的氢或氦以高速流过厚度为度为5m5m的试样，获得的极限冷速为的试样，获得的极限冷速为1 11010424210104 4 K/s K/s；要获得高于要获得高于10106 6 K/s K/s的冷速，只能借助于热传导。的冷速，只能借助于热传导。24我吓了一跳，蝎子是多么丑恶和恐怖的东西，为什么把它放在这样一个美丽的世界里呢？但是我也感到愉快，证实我的猜测没有错：表里边有一个活的生物用热传导方法获得高的凝固速率的条件是：用热传导方法获得高的凝固速率的条件是：液体金属与铸型表面必须液体金属

25、与铸型表面必须良好接触良好接触；液体层必须很液体层必须很薄薄；液体与铸型表面从开始接触至凝固完了时间要尽可液体与铸型表面从开始接触至凝固完了时间要尽可能能短短。25我吓了一跳，蝎子是多么丑恶和恐怖的东西，为什么把它放在这样一个美丽的世界里呢？但是我也感到愉快，证实我的猜测没有错：表里边有一个活的生物1.2 1.2 快速凝固的物理冶金基础快速凝固的物理冶金基础 （a）定向凝固 (b)体积凝固 图1-1 两种典型的凝固方式q1-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； Q-铸件向铸型散热热量 26我吓了一跳，蝎子是多么丑恶和恐怖的东西，为什么把它放在这样一个美丽的世界里呢？

26、但是我也感到愉快，证实我的猜测没有错：表里边有一个活的生物（一）定向凝固过程的传热定向凝固过程的传热213qqq 热流密度热流密度q1q1和和q2q2与结晶潜热释放率之间满足热平衡方程与结晶潜热释放率之间满足热平衡方程: :（1-1） 27我吓了一跳，蝎子是多么丑恶和恐怖的东西，为什么把它放在这样一个美丽的世界里呢？但是我也感到愉快，证实我的猜测没有错：表里边有一个活的生物 根据傅里叶导热定律知根据傅里叶导热定律知1LTLqG（1-2） 2STSqG（1-3）3ssqhv （1-4） 式中式中, ,L L, ,S S分别为液相和固相的导热率分别为液相和固相的导热率G GTLTL,G,GTSTS

27、分别为分别为凝固界面附近液和固相中的温度梯度；凝固界面附近液和固相中的温度梯度；h h为结晶潜热，为结晶潜热，也称为凝固潜热；也称为凝固潜热；V VS S为凝固速度；为凝固速度；S S为固为固相密度相密度。28我吓了一跳，蝎子是多么丑恶和恐怖的东西，为什么把它放在这样一个美丽的世界里呢？但是我也感到愉快，证实我的猜测没有错：表里边有一个活的生物 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）则可求得凝固速度为：度为：STSLTLSSGGvh（1-5） （1-5） 29我吓了一跳，蝎子是多么丑恶和恐怖的东西，为什么把它放在这样一个美丽的世界

28、里呢？但是我也感到愉快，证实我的猜测没有错：表里边有一个活的生物（二）体积凝固过程的传热体积凝固过程的传热假定液相在凝固过程中内部热阻可忽略不计，温度始终是均假定液相在凝固过程中内部热阻可忽略不计，温度始终是均匀的，凝固过程释放的热量通过铸型均匀散出，其热平衡条匀的，凝固过程释放的热量通过铸型均匀散出，其热平衡条件可表示为件可表示为123QQQ (1-6) 式中式中,Q,Q1 1为铸型吸收的热量为铸型吸收的热量;Q;Q2 2为铸件降温释放的物理热为铸件降温释放的物理热;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；30我吓了一跳，蝎子是多么丑恶和恐怖的东西，为什么把它放在这样

29、一个美丽的世界里呢？但是我也感到愉快，证实我的猜测没有错：表里边有一个活的生物 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为界面热流密度；为界面热流密度；V VC C为冷为冷却速度却速度 ， 为负值；为负值；V VSVSV为体积凝固速度，为体积凝固速度， ；V V为铸件体积；为铸件体积； h h为结晶潜热；为结晶潜热； S S、 L L、 分别为固相密度、液分别为固相密度、液相密度及平均密度；相密度及平均密度；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

30、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。 1QqA (1-7) 2()CSSSLL LQvVCC3SVQv Vh (1-8)(1-9) /CvdT d/SVSvddSL、31我吓了一跳，蝎子是多么丑恶和恐怖的东西，为什么把它放在这样一个美丽的世界里呢？但是我也感到愉快，证实我的猜测没有错：表里边有一个活的生物 近似取近似取 , , ,并并且已知且已知 则由式（则由式（1-61-6）至式）至式 （1-91-9）可得出）可得出: :SLSLCCC1SL+()SVCqvhcvM (1-10)/MVA式中，式中， 为铸件模数。为铸件模数。32我吓了一跳，蝎子是多么丑恶和恐怖的东西，

31、为什么把它放在这样一个美丽的世界里呢？但是我也感到愉快，证实我的猜测没有错：表里边有一个活的生物1 1、急冷法（熔体急冷技术）、急冷法（熔体急冷技术） 凝固速率凝固速率是由凝固是由凝固潜热潜热及物理热的及物理热的导出导出速率控制的。速率控制的。通过提高铸型的通过提高铸型的导热能力导热能力，增大热流的导出速率增大热流的导出速率可使凝可使凝固界面快速推进，实现快速凝固。固界面快速推进，实现快速凝固。在忽略液相过热的条件下，单向凝固速率在忽略液相过热的条件下，单向凝固速率R取决于固相取决于固相中的温度梯度中的温度梯度GS 。1.3 1.3 实现快速凝固的途径实现快速凝固的途径33我吓了一跳，蝎子是多

32、么丑恶和恐怖的东西，为什么把它放在这样一个美丽的世界里呢？但是我也感到愉快，证实我的猜测没有错：表里边有一个活的生物 （1-11） 式中式中 S 固相热导率；固相热导率； h 凝固潜热；凝固潜热； s 固相密度；固相密度； GS 温度梯度，由凝固层的厚度温度梯度，由凝固层的厚度和铸件和铸件/铸型的界面铸型的界面温度温度Ti决定的。决定的。 hGRSSS单向凝固速率与导热条件的关系单向凝固速率与导热条件的关系 凝固层厚度凝固层厚度 Ti铸件铸件/铸型界面温度铸型界面温度 TK 凝固界面温度凝固界面温度34我吓了一跳，蝎子是多么丑恶和恐怖的东西，为什么把它放在这样一个美丽的世界里呢？但是我也感到愉

33、快，证实我的猜测没有错：表里边有一个活的生物对凝固层内的温度分布作线性近似，则得出对凝固层内的温度分布作线性近似，则得出 提高凝固速率：提高凝固速率：选用选用热导率热导率S大的铸型材料（如纯铜）；大的铸型材料（如纯铜）； 对铸型强制冷却以降低铸型对铸型强制冷却以降低铸型/铸件界面温度铸件界面温度Ti凝固层；凝固层；内部热阻（内部热阻（/S）随凝固层厚度）随凝固层厚度的增大而迅速提高，导的增大而迅速提高，导致凝固速率下降。致凝固速率下降。因此，快速凝固只能在因此，快速凝固只能在小尺寸试件小尺寸试件中实现。中实现。 iKsSTThR35我吓了一跳，蝎子是多么丑恶和恐怖的东西，为什么把它放在这样一个

34、美丽的世界里呢？但是我也感到愉快，证实我的猜测没有错：表里边有一个活的生物1 12 23 34 45 56 67 78 89 91 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36我吓了一跳，蝎子是多么丑恶和恐怖的东西，为什么把它放在这样一个美丽的世界里呢？但是我也感到愉快，证实我的猜测没有错：表里边有一个活的生物急冷凝固技术的基本原理急冷凝固技术的基本原理或改变熔体形状，或分散熔体，避免

35、大量熔化潜热集中释放，并改善熔体与冷却或改变熔体形状，或分散熔体，避免大量熔化潜热集中释放，并改善熔体与冷却介质的热接触状况，实现快速热交换，并散热，达到介质的热接触状况，实现快速热交换，并散热，达到快冷和快凝的目的快冷和快凝的目的 。急冷凝固技术的设备组成急冷凝固技术的设备组成熔化合金熔化合金传出熔体热量传出熔体热量熔化装置熔化装置冷却装置冷却装置分离装置分离装置在时间或空间上在时间或空间上“分割分割”熔体熔体冶炼炉冶炼炉铸模铸模急冷急冷 凝固凝固常规常规 铸造铸造B是急冷设备的核心，对冷速起关键作用是急冷设备的核心，对冷速起关键作用在时间上有时也在时间上有时也“分割分割”熔体，但熔体，但“

36、分割分割”不强烈，熔化潜热多集中释不强烈，熔化潜热多集中释放放在不同的急冷方法中，在不同的急冷方法中，B可与可与A和和C组合（离心雾化法、熔体旋转法），也可仅与组合（离心雾化法、熔体旋转法），也可仅与C组合（熔体提取法）组合（熔体提取法）ABC37我吓了一跳，蝎子是多么丑恶和恐怖的东西，为什么把它放在这样一个美丽的世界里呢？但是我也感到愉快，证实我的猜测没有错：表里边有一个活的生物急冷凝固技术中获得高冷速的基本原则设法减少同一时刻凝固的熔体体积设法减少同一时刻凝固的熔体体积设法增大熔体散热表面积与体积之比设法增大熔体散热表面积与体积之比设法减少熔体与热传导性能好的冷却介质的界面热阻设法减少熔体

37、与热传导性能好的冷却介质的界面热阻尽可能主要以传导方式散热尽可能主要以传导方式散热38我吓了一跳，蝎子是多么丑恶和恐怖的东西，为什么把它放在这样一个美丽的世界里呢？但是我也感到愉快，证实我的猜测没有错：表里边有一个活的生物2 2、深过冷法、深过冷法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核作用，增加临界形核功，使得液态金属或合金质晶核的形核作用，增加临界形核功，使得液态金属或合金液获得在常规凝固条件下难以达到的过冷度。液获得在常规凝固条件下难以达到的过冷度。上述快速凝固是通过提高热传导速率实现的，由于试样内部上述快速凝固

38、是通过提高热传导速率实现的，由于试样内部热阻的限制，只能在薄膜及热阻的限制，只能在薄膜及小尺寸小尺寸颗粒中实现。颗粒中实现。39我吓了一跳，蝎子是多么丑恶和恐怖的东西，为什么把它放在这样一个美丽的世界里呢？但是我也感到愉快，证实我的猜测没有错：表里边有一个活的生物大尺寸试件快速凝固大尺寸试件快速凝固? ? 唯一途径唯一途径-降低凝固过程中的潜热导出量降低凝固过程中的潜热导出量 通过通过抑制抑制凝固过程的凝固过程的形核形核，使合金液获得很大的过，使合金液获得很大的过冷度，使凝固过程释放的潜热冷度，使凝固过程释放的潜热hh被过冷熔体吸收，可被过冷熔体吸收，可以获得很大的凝固速率。以获得很大的凝固速

39、率。过冷度为过冷度为TTS S的熔体凝固时需要导出的实际潜热的熔体凝固时需要导出的实际潜热hh可表示为可表示为 ：STchh40我吓了一跳，蝎子是多么丑恶和恐怖的东西，为什么把它放在这样一个美丽的世界里呢？但是我也感到愉快，证实我的猜测没有错：表里边有一个活的生物 在式中用在式中用h取代取代h可知，可知，凝固速率随过冷度凝固速率随过冷度TS的增大的增大而增大而增大。 当当h=0，即，即时，时，凝固潜热完全被过冷熔体所吸收凝固潜热完全被过冷熔体所吸收，试件可在无热流导，试件可在无热流导出的条件下完成凝固过程。出的条件下完成凝固过程。 由上式所定义的过冷度由上式所定义的过冷度TS称为称为单位过冷度

40、单位过冷度。经过经过特殊净化处理特殊净化处理的大体积液态金属的快速凝固等都是深的大体积液态金属的快速凝固等都是深过冷快速凝固技术的范例。过冷快速凝固技术的范例。 chTTSS*41我吓了一跳，蝎子是多么丑恶和恐怖的东西，为什么把它放在这样一个美丽的世界里呢？但是我也感到愉快，证实我的猜测没有错：表里边有一个活的生物3 3、定向凝固法、定向凝固法l定向凝固定向凝固是使熔融合金沿着与热流方向相反的方向按要是使熔融合金沿着与热流方向相反的方向按要求的结晶取向凝固的一种铸造工艺。求的结晶取向凝固的一种铸造工艺。l定向凝固的必备条件：定向凝固的必备条件： 1）热流向单一方向流动并垂直于生长中的固）热流向

41、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l措施：措施： 1）避免侧向散热；）避免侧向散热； 2）靠近固液界面的溶液中有较大的温度梯度。）靠近固液界面的溶液中有较大的温度梯度。42我吓了一跳，蝎子是多么丑恶和恐怖的东西，为什么把它放在这样一个美丽的世界里呢？但是我也感到愉快，证实我的猜测没有错：表里边有一个活的生物1.4 1.4 快速凝固制备工艺快速凝固制备工艺1.4.1 1.4.1 雾化技术雾化技术 （一）流体雾化（一）流体雾化 （二）离心雾化技术（二）离心雾化技术 （三）机械雾化技术（三）机械雾化技术 （

42、四）其它雾化技术（四）其它雾化技术 43我吓了一跳，蝎子是多么丑恶和恐怖的东西，为什么把它放在这样一个美丽的世界里呢？但是我也感到愉快，证实我的猜测没有错：表里边有一个活的生物基本原理：基本原理：将连续的金属熔体在离心力、机械力或高速流体将连续的金属熔体在离心力、机械力或高速流体( (气体或液体气体或液体) )冲击力等外力作用下分散破碎成尺寸极细小的冲击力等外力作用下分散破碎成尺寸极细小的雾化熔滴，并使熔滴在与流体或冷模接触中迅速冷却凝固，雾化熔滴，并使熔滴在与流体或冷模接触中迅速冷却凝固，凝固后成呈粉末。凝固后成呈粉末。雾化法不是一个很新颖的技术，但却是工业生产中最常见的雾化法不是一个很新颖

43、的技术，但却是工业生产中最常见的快凝方法快凝方法 。雾化技术44我吓了一跳，蝎子是多么丑恶和恐怖的东西，为什么把它放在这样一个美丽的世界里呢？但是我也感到愉快，证实我的猜测没有错：表里边有一个活的生物气体雾化法、水雾化法、超声气体雾化法、紧偶合气体雾化法、气体雾化法、水雾化法、超声气体雾化法、紧偶合气体雾化法、高速旋转筒雾化法、滚筒雾化法、穿孔旋转杯法、旋转离心雾高速旋转筒雾化法、滚筒雾化法、穿孔旋转杯法、旋转离心雾化法、快速凝固雾化法、真空雾化法、旋转电极雾化法、双轧化法、快速凝固雾化法、真空雾化法、旋转电极雾化法、双轧辊雾化法、电辊雾化法、电流体力学雾化法、火花电蚀雾化法流体力学雾化法、火

44、花电蚀雾化法主要工艺方法：主要工艺方法：（根据熔炼方法、分离方式、冷却介质和冷却（根据熔炼方法、分离方式、冷却介质和冷却形式不尽相同）形式不尽相同） 产品形式：产品形式：粉末、碎片、箔片粉末、碎片、箔片45我吓了一跳，蝎子是多么丑恶和恐怖的东西，为什么把它放在这样一个美丽的世界里呢？但是我也感到愉快，证实我的猜测没有错：表里边有一个活的生物1、气体雾化法、气体雾化法过程：两束或多束气体射流介质传递过程：两束或多束气体射流介质传递动能，将金属液流破碎，细小的液滴在动能，将金属液流破碎，细小的液滴在飞行中通过对流或辐射散热凝固成粉飞行中通过对流或辐射散热凝固成粉（一）流体雾化（一）流体雾化工艺参数

45、：射流距离、射流压力、喷工艺参数：射流距离、射流压力、喷嘴结构、气体和金属流速和质量流率、嘴结构、气体和金属流速和质量流率、金属过热度、气液交汇角、金属表面张金属过热度、气液交汇角、金属表面张力和金属融化温度范围力和金属融化温度范围应用：高合金钢、铝合金、超合金、应用：高合金钢、铝合金、超合金、钛合金等（活泼金属粉末采用惰性气体钛合金等（活泼金属粉末采用惰性气体雾化）雾化）粉末多成球形。凝固冷速取决于颗粒粉末多成球形。凝固冷速取决于颗粒尺寸和雾化介质的类型，通常，尺寸愈尺寸和雾化介质的类型，通常，尺寸愈小，气体愈轻，冷速愈高小，气体愈轻，冷速愈高46我吓了一跳，蝎子是多么丑恶和恐怖的东西，为什

46、么把它放在这样一个美丽的世界里呢？但是我也感到愉快，证实我的猜测没有错：表里边有一个活的生物2、水雾化法（、水雾化法（Water Atomization）以水射流代替气体射流外，以水射流代替气体射流外，其余与气体雾化相似其余与气体雾化相似 颗粒多呈不规则形，但冷速颗粒多呈不规则形，但冷速可达可达10102 2-10-104 4K/sK/s 已被大规模应用于工具钢、已被大规模应用于工具钢、低合金钢、铜、锡、铁粉等等低合金钢、铜、锡、铁粉等等（水雾化钢和超合金（水雾化钢和超合金, ,活泼元活泼元素易氧化，素易氧化，O%1000ppmO%1000ppm，而，而气体雾化，气体雾化，O%100ppmO%

47、100ppm）有时，）有时，也可以油代水，以降也可以油代水，以降O%O% 47我吓了一跳，蝎子是多么丑恶和恐怖的东西，为什么把它放在这样一个美丽的世界里呢？但是我也感到愉快，证实我的猜测没有错：表里边有一个活的生物3、超声气体雾化法（、超声气体雾化法（Ultra-sonic Gas Atomization）是气体雾化法之一，方法类似于普通是气体雾化法之一，方法类似于普通气体雾化，只不过是雾化气体射流速度气体雾化，只不过是雾化气体射流速度高，最高达高，最高达2.52.5马赫，而且声波频率高，马赫，而且声波频率高，达达80100kHz80100kHz；( (常规气体雾化射流以连常规气体雾化射流以连

48、续方式流动，而超声雾化射流则以续方式流动，而超声雾化射流则以80-80-100Hz100Hz的频率振动。的频率振动。) ) 高速高频气流由装配在雾化喷嘴上的高速高频气流由装配在雾化喷嘴上的激波管产生激波管产生 可有效破碎液流，粉末更细（平均约可有效破碎液流，粉末更细（平均约20m20m），粒度均匀（尺寸分布窄），），粒度均匀（尺寸分布窄），平均冷速可达平均冷速可达105 K/s105 K/s 可以成功地用于生产铝、超合金、可以成功地用于生产铝、超合金、Ti-AlTi-Al粉粉 48我吓了一跳，蝎子是多么丑恶和恐怖的东西，为什么把它放在这样一个美丽的世界里呢？但是我也感到愉快，证实我的猜测没有错

49、：表里边有一个活的生物（二）（二） 离心雾化技术离心雾化技术l液态金属在高速旋转的容器（盘、杯、坩埚、平板或凹板）的边缘上破液态金属在高速旋转的容器（盘、杯、坩埚、平板或凹板）的边缘上破碎、雾化的技术。液态金属从坩埚或从熔化的母合金棒端浇注到旋转器上，碎、雾化的技术。液态金属从坩埚或从熔化的母合金棒端浇注到旋转器上，在离心力的作用下，熔融金属被甩向容器边缘雾化，喷射出金属雾滴，雾在离心力的作用下，熔融金属被甩向容器边缘雾化，喷射出金属雾滴，雾滴在飞行过程中球化并凝固。整个过程（熔化、雾化、凝固）在惰性气体滴在飞行过程中球化并凝固。整个过程（熔化、雾化、凝固）在惰性气体环境中完成环境中完成49我

50、吓了一跳，蝎子是多么丑恶和恐怖的东西，为什么把它放在这样一个美丽的世界里呢？但是我也感到愉快，证实我的猜测没有错：表里边有一个活的生物1、快速凝固雾化法、快速凝固雾化法l液流自坩埚底浇至高速旋转的水冷液流自坩埚底浇至高速旋转的水冷水平盘，液态金属被机械打碎、雾化，水平盘，液态金属被机械打碎、雾化，从旋转盘边缘甩出，液滴在飞行过程从旋转盘边缘甩出，液滴在飞行过程中凝固中凝固 旋转离心雾化的一种，又称旋转离心雾化的一种，又称l可加氦气流喷吹，加速冷却，（水可加氦气流喷吹，加速冷却，（水流等亦然），也防氧化。也有人已螺流等亦然），也防氧化。也有人已螺旋桨代平盘旋桨代平盘 l粉末多呈球形，尺寸约粉末多