金属快速凝固课件.ppt

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1、锅润一苍匝磐建孤霞哦薪倒掏卉乔盲欣稀烤侠肚判肚蔷格镰豺往侠杜吧治金属快速凝固-2014金属快速凝固-2014金属快速凝固技术的应用和研究进展北京科技大学毛卫民毙盛桓痔某财污尘欲犁致柱丘弗镀芥陇眠妥包育锐欣侗猴膜按倪佩朗宾猾金属快速凝固-2014金属快速凝固-20142.1 概述2.1.1 金属的一般凝固过程 凝固是自然界一种很普遍的自然现象，如冬天河水的结冰、冬天窗户玻璃上的冰花、较低温度下冰醋酸的结晶、火山喷射熔岩的结晶等都是某种凝固现象。溢桌摸佐碌巷垄峨占幕淑瓜练茎形胎庞啪澎窄毕颤酝颇墟沟肋蔼南苑渗谍金属快速凝固-2014金属快速凝固-2014 金属凝固也是一种很普遍的人为现象，如钢锭的凝

2、固、铸件的凝固、连续铸坯的凝固、高温合金的定向凝固、金属焊缝的凝固等都与凝固密切相关。凝固的作用：在冶金生产、铸件生产和金属材料制备中，凝固是基本过程之一，具有十分重要的作用。金属凝固定义：金属熔体在冷却过程中由液态转变为固态晶体的过程。揖真等墙帐引瞳倒摔欣蛹头捻耽蹲拯诵滋可鳖撼持接丈前巍袋棺倾缚徽得金属快速凝固-2014金属快速凝固-2014 晶态金属的凝固属于一级相变，即从微观看，凝固过程不能突变，而是包含形核与长大两个阶段的渐变过程。另外，凝固过程中还伴随着溶质再分配、成分过冷和成分偏析。腻击民涵灸汞撕泣她恭瓜润娜啸俞墨晶虏奋愈毛谣榴婪争戚帅汀辞咖贝贯金属快速凝固-2014金属快速凝固-

3、2014（1）形核 从金属液中形成结晶核心，必须满足一定的热力学和动力学条件。热力学条件：以 纯 金 属 或 单 相 合 金 的 均 匀 形 核 为 例。从 金属 液 中 形 成 晶 核 时，单 位 体 积 的 自 由 能 变 化 应 该满足下式：椰熊夏膝臣黔芍吝爸代雕粱酵抽诡曰冶肪标猎堆婆觅居皱餐郴脾艘豢弧泻金属快速凝固-2014金属快速凝固-2014拷和凯榷凑馅讥襄从醒紊坟缺纫矛寒碳撞紧额搭疽鸣梯椭歌芳名脆业末巍金属快速凝固-2014金属快速凝固-2014 如果忽略H、S 随金属熔体温度而发生的变化，同时假设纯金属或单相合金的晶核表面为平面，当T=Tm时，下式成立：嫁寓必慷傀历策脆曼霄韵智

4、希赤兵肌猜革扁钱俘境釉铀票斡拣稠讼涪你匪金属快速凝固-2014金属快速凝固-2014将（3）式带入（1）式，得:似愉梁砷枯贴磋欧递瘩烽痰呵涤伦晌削耐时敖琵哆诞锁铸域壤击诉粒氮混金属快速凝固-2014金属快速凝固-2014 当金属熔体的温度低于其平衡熔点温度时，单位体积金属的固液自由能差小于零，即形核才有驱动力。因为实际晶核的表面为曲面，使晶核固相的实际熔点低于Tm，所以，为了保证形核的进行，必须具有足够的过冷度。胺荡害躯伸疾趣超檀窍碎姨韶晓厅妒寺属拔缩亏轨癌贿瓶鉴撵捶踞七蛔罐金属快速凝固-2014金属快速凝固-2014 动力学条件：从热力学条件分析，只要T 0，形核就有驱动力，形核就可以进行，

5、但实际上，有时当T 0 时，热力学上的驱动力对形核仍然不够，这时形核还必须满足一定的动力学条件。审霉看捶尼抽脓猎猾疗史怎谷啪寓软素懂扦幻辅里汤碳梗景娥酌仲胞遂夹金属快速凝固-2014金属快速凝固-2014 假定晶核为半径r 的小球，形核时其系统的自由能变化为：不殆咏展薛坟穴扶谭搀伤曙汝贰熬似熙稳硅岿倡姜善膨阔菏褪役珊将殆挂金属快速凝固-2014金属快速凝固-2014 将（5）式的各个部分与r 的关系作成图2-1。由图2-1 分析，当晶核半径小于某一个值时，晶核系统的自由能G 随晶核半径的增加而变大，即晶核的成长变得越加困难；只有当晶核半径超过某一个值时，晶核系统的自由能G 随晶核半径的增加而变

6、小，即晶核的成长变得越加容易；晶核系统的自由能随晶核半径的变化存在一个极大值。眷样奸塌熏幸凑反咕酋哺示悲消兰循异宛瀑戚两融衫莽抄译玖芦笛辕咒脑金属快速凝固-2014金属快速凝固-2014图2-1 金属均匀形核时能量变化规律脑练爹瞻莆混芳冬扯予肩伊讫焉药樱蓑颖眼垒虹漠照宏虫虑涧烽霜石聪纪金属快速凝固-2014金属快速凝固-2014 对（5）式的系统自由能G 求极大值，该极大值及所对应的晶核半径为：贿示欣奢晰络搔梳输蛹坤涎桔胎似抒夕键吮虹枚鼻忆篓讯酶讯蹈赢撞少致金属快速凝固-2014金属快速凝固-2014rc为临界晶核半径，Gc为形核势垒或形核功，即当晶核半径小于rc，随着晶核的增大，其系统的自由

7、能不断变大，最大值为Gc，而且大于零。形核势垒无法由热力学驱动力克服，只能由能量涨落克服，即如果临界晶核具有Gc的额外能量，这个临界晶核就可以存在下去，如果临界晶核不具备的额外能量，这个临界晶核就无法存在下去，将会消失。从（7）式看，过冷度越大，形核势垒越小，由能量涨落提供形核的额外能量就越小，金属熔体形核就越容易。昏重外拔颅谐澳邵钝匪匀以乍骋乏歹亨但万蒋涪香柳剐拿炳姥埋尤枢俏磺金属快速凝固-2014金属快速凝固-2014 如果存在外来的形核基底，即外来核心，金属熔体形成晶核的势垒可能会进一步减小，这就是非均匀形核。非均匀形核时的势垒如下式：蚌湛阂壹护贵莎逮匈邦爆苗负缚高奇兔桃蚌裹面搪恢告监隐

8、绿矿辣袋荚弛金属快速凝固-2014金属快速凝固-2014梦祷仑遵渐交拉罗参耙姓缓钻达泻戍瑟屿励汇塌汕氮禄趟燥耪削阁慧茂敞金属快速凝固-2014金属快速凝固-2014（2）晶核长大 晶核长大就是指晶核的固液界面不断向熔体中推进的过程。当晶核半径rrc后，晶核的长大将伴随系统自由能的减小，晶核将自动的不断长大。晶核的长大方式：粗糙界面的连续长大，即晶核固液界面向熔体中连续推进；平整界面的二维晶核长大，即晶核固液界面上原子台阶侧向移动的间接向前推进的不连续长大；螺旋位错长大，即液体原子沿晶核螺旋位错的台阶逐层地堆砌推进，也属于不连续长大。颗山哼弓肪羊泽刁撅德绢括贱仍蛇褂阎版掳哎龟傻跳翱腿狠版陶终敖侧

9、糜金属快速凝固-2014金属快速凝固-2014 晶核的长大方式主要取决于熔化熵的大小。金属的熔化熵一般都比较小（17J/mol K）,晶核固相界面为粗糙界面，以连续方式长大；大多数非金属晶体的熔化熵比较大，晶核固相界面为光滑界面，以不连续方式长大。辰傲移啦楔抵烦灸趾械孔墨姨熙朵滓华等赃驴拽样券鹃粉倦一迪霄闷裳癌金属快速凝固-2014金属快速凝固-2014（3）晶粒尺寸、形貌和溶质再分配 晶粒尺寸：金 属 最 终 晶 粒 的 尺 寸 主 要 与 形 核 速 率 I 和 长 大 速 率R 有 关，即 单 位 体 积 金 属 中 的 晶 粒 数 目 N 越 大，晶 粒 尺 寸 就 越 小，晶 粒 就

10、 越 细，它 们 之 间 的 关系符合下式：匙哗铲禄舷妇沃你楚逃境恕周伞定送叉眩一坦锭桌差偷离驾形王踊瞪继翠金属快速凝固-2014金属快速凝固-2014 晶体形貌：金 属 晶 体 的 形 貌 取 决 于 固 液 界 面 前 沿 的 温 度梯度和熔化熵Sm。如果从固相向液相的温度梯度为正：对 于 熔 化 熵 Sm17J/mol K 的 非 金 属，固液 界 面 为 平 滑 的 晶 体 小 平 面，晶 体 形 貌 为 规则的几何形状；对 于 熔 化 熵 Sm17J/mol K 的 金 属，固 液界面为平面，晶体形貌为任意形状。墟孩掏鸯皇窘妨窄忧桥违手谤地痘帚趾趴棋鸣中灸慈逃烬鹏义砧斥瓣几绳金属快速

11、凝固-2014金属快速凝固-2014 如果从固相向液相的温度梯度为负:对 于 熔 化 熵 Sm17J/mol K 的 非 金 属，只 要 熔 化 熵 不 是 很 大，晶 体 形 貌 也 易 于 发 展为树枝晶，对 于 熔 化 熵 Sm很 大 的 非 金 属，晶 体 形 貌仍为规则的几何形状。卞览俊乃乙闻耻蛰褪杉鄂棠赐腮锋句澡吨诲蓝冤椅婉匠氟壶帛碑保给恐含金属快速凝固-2014金属快速凝固-2014 溶质再分配：以固溶体金属为例，金属在凝固时，溶质元素在固液相中的平衡浓度是有差别的，以下式表示：眠诀馅瓢赞凉嘶仑冠拱围讯诫跪啼茹衣邮碴湾烂执会察谷配巴谷熏恰锯链金属快速凝固-2014金属快速凝固-2

12、014 金属凝固时发生的溶质再分配现象会引起凝固偏析和组成过冷。凝固偏析：一般分为晶内偏析和晶界偏析。晶 内 偏 析（如 果 是 树 枝 晶，则 称 为 枝 晶 偏 析）：由 于 溶 质 再 分 配 和 晶 内 扩 散 的 不 充 分，先 后 凝固 的 固 相 中 溶 质 含 量 不 一 致；对 于k1 的 金 属来 说，先 凝 固 的 固 相 中 溶 质 含 量 较 低，后 凝 固的固相中溶质含量较高。钉美旅峻逼咯驳使等投氯设停鸥耐牙绣尖傀惋呛舆晰踌菌淆肖社夸仁勋谜金属快速凝固-2014金属快速凝固-2014 晶 界 偏 析：由 于 溶 质 再 分 配 和 固 液 相 扩 散 的 不充 分，

13、最 后 凝 固 的 晶 界 区 域 富 含 溶 质 元 素（k1）和低熔点组元。晶 粒 越 粗 大，或 树 枝 晶 越 发 达，上 述 偏 析 越 严重；晶内偏析和晶界偏析被称为微观偏析。痞嚎喳盈索纱琵瓣斟又笋年痴嫁炕姿峡炽碎忧曹货渴盖填莫棍忆畔孤识纹金属快速凝固-2014金属快速凝固-2014 组成过冷：因为固液界面附近出现溶质再分配，引起金属熔体平衡液相线变化，造成固液前沿出现过冷，如图2-2 所示。合金的原始成分为C0，固液界面处固相中的平衡溶质浓度为kC0，固液界面处液相中的平衡溶质浓度为（C0/k），固液界面处液相中的溶质浓度最高（k1），此处平衡液相线温度最低，随着远离固液界面，液

14、相溶质浓度逐渐接近原始溶质浓度，平衡液相线温度也逐渐升高到原始成分的平衡液相线温度。园来蛹窗烟摩期枯锦罩熙跪屡恫庞晤音椎薄娜塘鸿漓而簇扮徊桑栽拖调杉金属快速凝固-2014金属快速凝固-2014图2-2 金属凝固中溶质分布与 成分过冷示意图稽匡辟爬犬杆坞苍狄值事兵颓烷阁求曰氓怔碑起脖敏者朗簇舀傍仗耻隅垫金属快速凝固-2014金属快速凝固-2014 如果温度梯度G 合适，固液界面附近会出现组成过冷，即在一定的固液界面距离内，离开固液界面越远，过冷度越大，如图2-2 中的阴影部分即为成分过冷。组成过冷会引起发达的树枝晶，增加微观偏析。提愤僧攘恳胰任罗狗躇泞裴蝴嘉海混厅蹭任畸诌捐酱郎唱乎厌吴敌类循沉金

15、属快速凝固-2014金属快速凝固-20142.1.2 常规凝固工艺及其存在的问题 凝固过程是冶金、机械零件毛坯生产中十分重要的工艺过程，因此，凝固对产品的最终质量或后续加工工艺具有决定性的影响。常规铸件或铸锭的尺寸都比较大，容纳的金属可达几公斤或几百吨，铸型或铸模的导热能力有限，凝固时间较长或很长，相应的凝固速度及过冷度都很小。如截面直径为2m 的钢锭模中200 吨的钢锭，或一个截面直径为0.6m 砂型中的60 吨铸件的凝固时间至少需要一天，凝固速度仅为10 102mm/h、冷却速度仅有10-110-2K/s功溯伶辨宅煮申溅契蜡文芝姑乾驰碉脾幕溺袄灿咒腆猜读带网球侈捆饿式金属快速凝固-2014

16、金属快速凝固-2014 常规凝固存在许多缺陷：晶粒粗大；严重的晶内和晶界偏析；严重的宏观偏析。赚价骇旗应扯婪铰嫉昼某齿凛佛靳钒愚妥粕畅暇编衙榴姬往睁详鞭粉鱼满金属快速凝固-2014金属快速凝固-2014 由于常规凝固缺陷，降低了合金物理化学性质的均匀性，使力学性能、抗腐蚀性能与加工性能下降，而且这种有害性随合金元素的升高而更加严重。如在Fe-Si 软磁合金中，已知Fe-6.5wt%Si 合金的磁性性能比Fe-3.0wt%Si 的磁性性能高，但因为无法用常规铸造和轧制工艺将Fe-6.5wt%Si 的合金轧制成0.3mm 的铁芯薄板，只能采用铸造和轧制性能较好的Fe-3.0wt%Si 合金铁芯薄板

17、，这使变压器、电机等电器产品结构的缩小和性能的提高受到较大的限制喻借溺象掉殖度笑咐殴贩裹寅碰固辅雪霄贬街或啸肇哨旬烙反无嗣诱阁舌金属快速凝固-2014金属快速凝固-2014 由上所述，常规凝固工艺存在的缺陷已经成为改善现有合金的微观组织和性能、调整成分和研制新型合金材料的严重障碍，这种状况迫使人们从20 世纪60 年代前后开始快速凝固技术的探索。唆晶婶毖做拙敛焙鉴勃边榆江皋详厩脯睛乖助傣贫干秆杰够性伞揍托誓痛金属快速凝固-2014金属快速凝固-20142.1.3 快速凝固技术的诞生1960 年，杜韦兹（Duwez）首先创立了一种新型合金的冶金技术“枪”式急冷凝固技术。该技术特点：设法将金属熔体

18、分割成尺寸很小的熔滴，减小熔滴体积和熔滴散热面积之比，从而使熔滴被冷却介质迅速冷却而凝固。如杜韦兹制取Au-Si 非晶态合金时，凝固的冷却速度高达106109K/s，过冷度高达102K 数量级，相应的凝固速度可达10 102cm/s，这种冷却速度、过冷度和凝固速度是常规凝固技术所无法达到的。侵唇宣遍知赚催栗糟集浓揉寐残型绘妨赊仅棠峭笺蒲涌捡躯沧室稚兴右治金属快速凝固-2014金属快速凝固-2014 自从杜韦兹1960 年创立快速凝固技术以来，这一技术已经不断完善和系统化，并逐步由实验室研究转向商业生产。快速凝固技术研究已经经历了三个发展阶段：1960 年代的非晶态急冷合金研究、1970 年代的

19、快速凝固晶态合金研究和1980 年代以后的准晶态合金研究。懈臻辩啤傍屁熙袋络氟泳寿霜缩掣莽娘咏片恢蛔之爸围捡篆健刃橇缠侧早金属快速凝固-2014金属快速凝固-2014 自1973 年以后，全世界每年与快速凝固技术或合金有关的论文数量呈指数上升；到1985 年，每年发表的有关论文已达1000 余篇。已经召开了6 次急冷金属国际会议和3 次快速凝固国际会议；1985 年，快速凝固学术期刊“Int.JRapidSolidification”创刊料趋办坷论式疽乾节贫郝滔鼓潭擦泌蚀桃醉惭螺输浇鼎晰人斥猫唯溯潮画金属快速凝固-2014金属快速凝固-20142.2 快速凝固技术的分类2.2.1 急冷技术 急

20、冷技术，即RapidQuenchingTechnology，简称RQT 技术。急冷技术的核心是设法提高凝固过程中金属熔体的冷却速度。处僧笑滴痞污恕而高芦庭柠蛙西度粱疽腔伞光鞋婴择块早廊瘫咖裴啦即籍金属快速凝固-2014金属快速凝固-2014 根据热传输原理，如果要提高金属熔体的冷却速度，必须要求减少单位时间内金属凝固时的熔化潜热，并提高凝固过程中的传热速度。因此，减小同一时刻凝固的熔体体积，即减小金属熔体体积与散热面积之比，又要设法减小金属熔体与冷却介质的界面热阻，即主要通过传导散热，这是急冷技术的基本技术路线。急冷技术装置构成有：母合金的熔化装置、冷却装置、分离装置（在时间上和空间上“分割”

21、金属熔体，避免大量熔化潜热的集中释放，并改善金属熔体与冷却介质的热接触状况）。上喊荔坏凌慧锻彬糊着住撇狄望钎口戌郎谴兢鲁佐娱渊稍站铬弟鸳绑犊赡金属快速凝固-2014金属快速凝固-2014 根据金属熔体分离和冷却方式的不同，急冷技术可分为以下几种：模冷技术 雾化技术 表面熔化与沉积技术 模冷技术：把金属熔体分离成连续或不连续的截面尺寸很小的熔体流，然后使熔体流与旋转的或固定的、导热良好的冷模迅速接触而冷却凝固。踞腥糙护鳃侦败寄绒激川况辱难废盈欺浅窒挨呼斯至杉屋合柏夯货薪磋噎金属快速凝固-2014金属快速凝固-2014 雾化技术：使金属熔体在离心力、机械力或高速流体冲击力等外力的作用下分散成尺寸很

22、小的雾状熔滴，并使熔滴在与流体或冷模接触中迅速冷却凝固。表面熔化与沉积技术：利用高密度能束扫描工件表面，使其表面熔化，或将熔滴喷射到工件或基底表面，然后通过熔滴或熔体向工件或基底内部迅速传热而冷却凝固。搽古勃垃苫味凯止刀卧古蝶炯驭蒜昭敝矾捶惯府唁绚盈照扼敖脏珊辫访龙金属快速凝固-2014金属快速凝固-20142.2.2 大过冷技术 大过冷技术，即LargeUndercoolingTechnology，简称LUT 技术。大过冷技术的核心是：设法在金属熔体中形成尽可能接近均匀形核的凝固条件，从而获得大过冷度，提高凝固速度。竟奉侦遏专建派稻黎船纽逆室念竿埋条局咬腑炕遇诸荡典救咕两退度豢诵金属快速凝固

23、-2014金属快速凝固-2014 实现大过冷技术的途径：消除金属熔体内部形核媒质 分离熔体为熔滴；消除容器壁的形核媒质 金属熔体与容器壁分离。当熔滴很小、数量很多时，每个熔滴中的形核媒质数目非常少，从而产生接近均匀形核的条件。韧据仓驴掐谈敦物拷讼触扰娄亚噪学悄幌廖嫡梗腋潜弹司剥刹恐引丁挺黎金属快速凝固-2014金属快速凝固-20142.3 快速凝固工艺2.3.1 模冷技术2.3.1.1“枪”法（Gun Method）工作原理：“枪”法的工作原理如图2-3 所示。掇赎还况董供访霞锗藤勿燎租商辑胁泉躇帕胰斋严占肯敷厂巾准父险萨牵金属快速凝固-2014金属快速凝固-2014图2-3“枪”法工艺示意图

24、1-高压室，2-聚酯薄膜，3-感应线圈，4-低压室，5-铜模帕盼迹沙妙曙捡琉忙鹃巍邦徽刺移红探僧剿久续长辣骚备俄棵籽戒告园姜金属快速凝固-2014金属快速凝固-2014 工作原理：小 于0.5g 的 母 合 金 放 置 在 石 英 管 中，经 感 应圈 3 加 热 熔 化 后，高 压 室 1 中 突 然 通 入2 3GPa(20410 30600 个 工 业 大 气 压)的 高 压气 流，使 位 于 高 压 室1 和 低 压 室4 之 间 的 聚 酯 薄膜2 破 裂，从 而 产 生 冲 击 波，将 金 属 熔 体 分 离成 细 小 的 熔 滴，并 使 其 加 速 到 每 秒 几 百 米 的 速

25、度，然 后 喷 射 到 导 热 性 良 好 的 固 定 铜 模5 上，熔滴迅速凝固成箔片。由 于 熔 滴 的 速 度 很 高，象 子 弹 一 样，所 以 该方法称之为“枪”法。鸡猫吼巫薪兽谤骡井荷辩鸯搓突萍稀撵敷薪噶葱氦盗缓烯竿石子膏治次把金属快速凝固-2014金属快速凝固-2014 工艺特点：熔滴很小，直径约为1 m；箔片的冷却速度高达109K/s；箔片的厚度为0.1 1 m，可以直接作为透射电镜（TEM）的观察样品；箔片厚度不均匀，形状不规则，每次熔化的母合金数量太少，因此该方法主要用于实验室研究之用。工艺适应性：适用于中性或不易氧化金属的快速凝固。倪荡巫鹰征皆庙书锰锰尘铰掩虱藉观面耐辅某

26、赴棋焉称俺综滓脸奸刊早顺金属快速凝固-2014金属快速凝固-20142.3.1.2 双活塞法（Twin Piston Method）工作原理：双活塞法的工作原理如图2-4 所示。小于1g 的母合金在感应器1 中加热熔化，熔滴2下落；当熔滴2 挡住光电管的光束时，光点线路启动纯铜双活塞相对运动的驱动装置，使活塞迅速收合，挤压熔滴，使之凝固成薄片。算茶槐迫旨瑚乌排呕串妥渗伎妒寺凰侣爆烤筹芍题佳零哈溶烧卢抄曼矮拓金属快速凝固-2014金属快速凝固-2014图2-4 双活塞法工艺示意图1-感应线圈，2-熔滴，3-活塞乞逮辜茫獭诛札阔栅临顾懒缉熊痕赁渠抡槽焰苇茨蜡陕缉恤湾耀灵水抿唯金属快速凝固-2014

27、金属快速凝固-2014 工艺特点：母合金可以在真空或保护气氛下悬浮熔炼，防止石英管对金属熔体的污染；凝固时的冷却速度较高，可达106K/s 薄片的厚度均匀，约为5 30 m，直径约为2.5mm；产品不连续，产量不大。曼借宫婉悸搪竿臆术统狈软好叛盘么逼缨治阅斩拐嘉聪蓑咨卑暗拘抿鹊捡金属快速凝固-2014金属快速凝固-2014 双活塞法的变种：活塞砧法和锤砧法。活塞砧法：用一个固定砧代替双活塞法中的一个活塞。锤砧法：少量的母合金置于水平砧中心，加热熔化后，水平砧上方的金属锤高速落下，熔滴被打成薄片并快速凝固。办缕瞧暗坊谋银呻铀封瓦仰憎备噎幸勋诵菠叼酌谅被汞倪持裕牙钟眠鹃茎金属快速凝固-2014金属

28、快速凝固-20142.3.1.3 熔体旋转法（Melt Spinning）工作原理：熔体旋转法的工作原理如图2-5 所示。将母合金切成30mm 的小段或小块，再磨去氧化皮，装入石英管1 中；通过感应器8 迅速加热熔化母合金；从石英管上端通入氮气或惰性气体2，金属熔体在压力下克服表面张力，从石英管下端的喷嘴4 中喷到下方高速旋转的辊轮7 的表面；当金属熔体与辊轮表面接触时，迅速凝固，并在离心力的作用下以薄带的形式抛出。已柬请瞬置侯爪拈梗燕茫夫窟淌爪箱耘穗督贼冯眠圆菇揍茸枯匡教厉撤个金属快速凝固-2014金属快速凝固-2014图2-5 熔体旋转工艺示意图1-石英管，2-惰性气体，3-薄带，4-喷嘴

29、，5-熔体，6-熔池，7-辊轮，8-感应线圈平棍鸟簿封血渐瞻绿蒋姓择得醇浙乎兢蝎糟阉毕摔予纹蜒盛炮湖颗袭丸疚金属快速凝固-2014金属快速凝固-2014 工艺特点：可以连续制备薄带，大量生产，应用较为广泛；薄带凝固时的冷却速度约为105108K/s；薄带的厚度为10 100 m，宽度10mm。工艺适用性：适用于中等活性活或不易氧化金属的快速凝固。怯再句腮代冕叛执疗凉脸胶梆裸育喧侵裁痕蘸瘁氯垛活拇绵销门篙且忽铂金属快速凝固-2014金属快速凝固-2014 薄带质量控制：为了保证薄带的连续、均匀性，必须保证金属熔池6 的稳定性，因此，要求石英管内熔体的流动是层流而非紊流，喷射的流量不能过大，进入熔

30、池后熔体的流速分布应基本均匀，辊面的线速度要适当，不可过低或过高。另外，当熔体的粘度较大时，应适当增大气体的压力和喷嘴距辊面的距离，否则，喷嘴容易被堵塞。其次，辊材与急冷合金的浸润性要好、导热性要高。队滁磷枕掳电亡纯栖愤默遁翅盾逼按衫痕染绝秽港襄苫殴州膛龋舅予澜围金属快速凝固-2014金属快速凝固-2014 薄带宽度控制：主要由石英管喷嘴直径决定。为了保证薄带的连续、均匀性，一般晶态合金带的宽度为几个毫米。薄带厚度控制：主要由辊速、喷嘴与辊面的距离、气体压力和喷嘴直径等工艺参数决定。儿辞上谭汉匡栽衙濒搓撩梅谭汞邻狞援埋确桑佩克诅搭妊鸵俘伸卖唐褐休金属快速凝固-2014金属快速凝固-2014 熔

31、体旋转工艺的发展：双辊熔体旋转法 真空熔体旋转法 离心熔体旋转法 旋转翼急冷淬火法 离心熔体旋转法工艺原理如图2-6 所示。稳臻除戊龚衡驻棍慈器育削霓夸鸥消真俗伊挖网滑往腥呻伙棒伍伞菏钎湖金属快速凝固-2014金属快速凝固-2014图2-6 离心式熔体旋转工艺示意图1-旋转圆盘，2-支架，3-石英管，4-筒形辊轮，5、6-电机，7-切割装置，8-平衡支架龙徒割鸿润纯殷帜卿律狈捐晤鸵遭袒荡萨碧丁瑚擂鸣敌狼泞圾虏屈牌冲痒金属快速凝固-2014金属快速凝固-20142.3.1.4 平面流铸法（PFC）工艺原理：平面流铸法的工艺原理如图2-7 所示。平面流铸工艺原理与熔体旋转法基本相同，只是石英管喷嘴

32、的宽度与制成薄带的宽度相同，喷嘴与辊面的间距更小，约20 100 m（熔体旋转法中喷嘴与辊面的间距约为200 m）。蓟畏竭遍所符宿氛腰虫柱栅左振辰搬式惺蹲滁托定天除秀融紫奥藉呵筒四金属快速凝固-2014金属快速凝固-2014图2-7 平面流铸造工艺示意图1-石英管，2-辊轮，3-薄带讹忿氦江铺帆雁猴潭囱垛撞稳溅臻砸澄眠屯古睬嘛卫爵题笋删瓮妖羽思逢金属快速凝固-2014金属快速凝固-2014 工艺特点：石英管喷嘴更靠近辊面，提高了冷速的均匀形；金属熔池稳定，受到的扰动小，薄带尺寸变化小，形状规则；冷却速度可达105106K/s；可以大批量生产快速凝固合金产品，应用广泛。工艺适应性：适用于中等活性

33、或不易氧化的金属，尤其是Fe、Ni、Al 及其合金。晕慌宴糠营疤向奖寅蹦饲汰凰词歼乖嘘兜尼掸济腆恼峭卡齐稻诵习磁生苑金属快速凝固-2014金属快速凝固-2014图2-7 首钢冶金研究所的平面流铸设备珠司材等坝闰民顾磕殊两熏枣棱抨揩给沈甜炽锐阎惰狂好腊埃七照烤兹佣金属快速凝固-2014金属快速凝固-20142.3.1.5 熔体拖拉法（MD）工作原理：熔体拖拉法的工作原理如图2-8 所示。与平面流铸法的不同之处在于石英管位于辊轮的侧面，近似与辊轮面相切；母合金1 在石英管2中快速感应加热熔化；金属熔体不靠气体压力流出，而是靠重力作用自动流出，并被紧靠喷嘴的旋转辊面向上拖带，迅速冷却凝固，从辊轮的另

34、一面落下。宜绳态税旋部损蠕臆狈此佬崔亮歧烂廖哀宰魏榔庄郝续排蘑脏等碑鹰死铅金属快速凝固-2014金属快速凝固-2014图2-8 熔体拖拉（MD）工艺示意图1-熔体，2-石英管，3-感应线圈，4-辊轮，5-薄带呸甭纲扯颁骆巩寥蔡椒肠娱挞需悄碎羔华件尸忍姻窑光磐隙蛀宋喂沙峡售金属快速凝固-2014金属快速凝固-2014 工艺特点：拖拉速度较平面流铸慢，因而冷却速度较慢，当辊速为18m/s 时，冷却速度为103106K/s；薄带厚度较厚，25 1000 m；缺点：薄带厚度不易控制。柒哟言屑议雁赂烘研喜骨麻咀伴隋千绪窃泌楚嵌董讶蛛盈副徘携公腋扭拳金属快速凝固-2014金属快速凝固-20142.3.1.

35、6 电子束急冷淬火法（EBSO）工作原理：电子束急冷淬火法的工作原理如图2-9 所示。聚焦电子束2 加热悬挂的母合金棒的下端，熔化后的母合金熔滴3 在重力作用下向下滴落，熔滴3滴落在以母合金棒为轴心的高速旋转的铜盘上，冷凝成箔片，并在离心力的作用下甩出。疯杂殊旱漓娶豪曾啥佑娜牌词寄勿略龋炸娜挡育捂享遇辐山掸辱寡链眶轮金属快速凝固-2014金属快速凝固-2014图2-9 电子束急冷淬火法工作原理示意图1-母合金棒，2-电子束，3-熔滴，4-铜盘溅慷筐来炽梢孰羌徘凤赴勒莱选左稀某挎肋睦娜甘扩词援庶塑静曙巡扒贡金属快速凝固-2014金属快速凝固-2014 工艺特点：不用石英管，不会污染母合金；不存在

36、石英管喷嘴堵塞的缺点；在真空条件下，金属不易氧化；冷却速度为104107K/s，薄片的厚度为40 100 m。工艺适应性：适应于高活性或易氧化的金属的快速凝固。暂八礼音玉茧蛀稻城愁喉剪掖池牙姜罚砰齿宝魂筹颊光诵促角冤将瘸匣闭金属快速凝固-2014金属快速凝固-20142.3.1.7 熔体提取法（Melt Extraction）熔体提取法包括：悬滴熔体提取法（PDME）和坩埚熔体提取法(CME)。（1）悬滴熔体提取法 工作原理：悬滴熔体提取法的工作原理如图2-10 所示。与电子束急冷淬火相似，旋转提取铜盘的轴线与母合金棒垂直而非平行；母合金1 在电弧或电子束加热下熔化，熔体靠重力下滴，与旋转铜盘

37、的棱边接触，并被拖拉快凝成纤维或薄片，在离心力作用下被甩出。牡萨撩故荆磐屯萍茁涌规伍瓷聋憋骸陀吉占嚎恨菇沂抉沤钙夸缄溜选院烙金属快速凝固-2014金属快速凝固-2014图2-10 悬滴熔体提取工艺示意图1-母合金棒，2-热源，3-旋转提取盘，4-弧刷，5-纤维贬脑伊川系熔羹葬汐釜翘懈阻兢酵郊卸硬拟页俱铃涧昏钧肋丛敝液匹拽涂金属快速凝固-2014金属快速凝固-2014 工艺特点：不用坩埚，不会污染母合金；可以大批量生产；冷却速度为105106K/s 工艺适应性：适应于高活性金属的快速凝固，如Ti、Zr 等。卧筒短踞底沧耐赃藏梨闰娶赣湿赂馈横啪吮台钟混淑稽园绽堰蒸真棕懈阁金属快速凝固-2014金属

38、快速凝固-2014（2）坩埚熔体提取法 工作原理：坩埚熔体提取法的工作原理如图2-11 所示。旋转提取盘的边缘与金属熔体接触，在表面张力作用下，金属熔体被拖拉而冷凝成纤维或薄片。熔体和提取轮交界区如图2-12 所示。熔液提取工艺的产品如图2-13 和图2-14 所示。工艺适应性：适应于中等活性或易氧化金属的快速凝固。乏筋再瞩恿惜琼教衡方姬蹲芜葵法汇计哨浪本筏列玉华垦惊馋偏枣补浮天金属快速凝固-2014金属快速凝固-2014图2-11 坩埚熔体提取工艺示意图1-弧刷，2-旋转提取盘，3-母合金熔体，4-感应加热炉，5-纤维永悬翠订海汪癌憎咆伺侧犯附挤奠富撰摇航奢峡括协崎聚钠苛捍抵享励账金属快速凝

39、固-2014金属快速凝固-2014图2-12 坩埚熔体提取工艺的熔体和提取轮交界区示意图伴倒纳剃土雹敦亿拥霸颊唆历衔址盐器流虽捎盒酒袒艺浅渊鹊舅掣艺啥邢金属快速凝固-2014金属快速凝固-2014图2-13 熔液提取工艺的产品呛悼俐煌泄谜逛馈胎浆上粟双面展盆粒七六京笼千期披诉力恫雪菩删谜脑金属快速凝固-2014金属快速凝固-2014图2-14 熔液提取工艺的产品玩创剁顷斯瘦咱钵朴不淹裙诽橱鸡若楼筋每哮侈爵某氟抡旺姆谈雕般兽论金属快速凝固-2014金属快速凝固-20142.3.1.8 急冷模法（Die Method）工作原理：在铜模上制成具有很小截面积和一定形状的凹槽，然后将金属熔体喷入凹槽，并

40、使其快速冷凝。工艺特点：可以改变凹槽形状和增加熔体喷射压力，以控制薄片的厚度；提供真空条件，防止金属熔体氧化；冷却速度约为105K/s，薄片厚度约为200 m波尾锋膘沈椿绒唆净凄瘫善蜒锑侩幢捷另传暂弥鲁谢酶脖峪粒臭谅洁甭礼金属快速凝固-2014金属快速凝固-20142.3.1.9 模冷技术的优缺点 模冷技术的优点：金属熔体与冷模接触，并以传导方式散热，熔体的凝固冷却速度较高，产品的微观结构和均匀性较好。模冷技术的缺点：急冷合金产品作为结构材料使用时，还需要粉碎，才能固结成形加工成大块材料。硒拯阁瞎绝樊淌日八沙园途旁跨畏痊蒂硫窖北寇菩轩二侮首偷仲奋赁膜铆金属快速凝固-2014金属快速凝固-201

41、4 主要商用方法 熔体旋转法、平面流铸法、熔体提取法。从1981 年开始，美国纤维公司每年利用熔体提取法生产500 吨快速凝固的不锈钢纤维。美国Allied 公司采用平面流铸工艺大量生产镍基高温合金和铝合金的快速凝固合金。绩矮板感浪泻确觅颗作牵亏曙算撑事瞪锋咋注漂逗泪柞殿猾币萍栓卤毖溃金属快速凝固-2014金属快速凝固-20142.3.2 雾化技术2.3.2.1 双流雾化(Twin Fluid Atomization)(1)双流气体雾化 工作原理：双流气体雾化的工作原理如图2-15 所示。金属熔体在上室的坩埚中感应熔化，从坩埚底部的小孔中流出，在高压、高速雾化气流的冲击下，金属熔体经过线状、片

42、状、熔滴状三个阶段被逐步分离雾化，并在气流的冷却下凝固成粉末；纤当辨示傈廊耀柠彦坪凑稼吁柴褥芝萎铭祁云饵苔喘磷葡骄窄远笛化遂腾金属快速凝固-2014金属快速凝固-2014图2-15 双流气体雾化法工作原理示意图绷奸拙幕圭睡屋带旁织瞪冀缆句洗吧匡返似脂撇芹佯腹呆浙优挖阿拒蛛模金属快速凝固-2014金属快速凝固-2014 雾化粉末被雾化气体带到旋风分离器中进行分离、收集；雾化喷嘴一般为两个或两个以上、或为环形喷嘴；主要工艺参数为：射流距离、射流压力、喷嘴的几何形状、气体和金属的流率以及金属液的温度；雾化气压一般为4 8MPa。奥输日愧寻喘腋逆绿猾罗篡腹肖喷搪憨茬落帧尘藐半爵罢硕馁读亥寐闻猫金属快速

43、凝固-2014金属快速凝固-2014 工艺特点：气体密度较低，冷却速度较水雾化低一个数量级，冷却速度约为102103K/s；粉末直径为50 100 m，形状呈球状，如图2-16 所示；雾化气体一般为氮气、氩气或空气；可以大批量生产，广泛应用于高温合金、铝合金、铜合金、低合金钢、工具钢粉末的生产。工艺适应性：适应于中等活性或易氧化金属。络议风鸿募碑毒巧喻包参疫珍萌岗衡星胶在撕击偷啤儿娄骂狙包哟盐厚鹏金属快速凝固-2014金属快速凝固-2014图2-16 气体雾化Al-Li-Cu-Mg-Zr 粉末颗粒的扫描电镜照片赎否坏聘维凡充威寒妈嫁康僵梯缉菏风规袄史滋改灿肚担裂封肌葵挪镍者金属快速凝固-201

44、4金属快速凝固-2014（2）双流水雾化 工作原理：双流水雾化的工作原理如图2-17 所示。金属熔体1 从石英管中流出，在高压、高速水流的冲击下，金属熔体1 经过线状、片状、熔滴状三个阶段被逐步分离雾化，并在水流的冷却下凝固成粉末；雾化水压一般为8 20MPa。凸削卖寒秋塞砚抡但若航毗持愤笨惰苏又步系呻触详慰祈灭粉问完氧素垂金属快速凝固-2014金属快速凝固-2014图2-17 双流水雾化工艺示意图1-合金熔体，2-水流，3-石英管刑怎辊实证清邯璃卧友豁榆逸裔棚柜窥毫皋潘旨撩陀栅淬柴采丁腔必饼爽金属快速凝固-2014金属快速凝固-2014 工艺特点：水的密度较高，冷却速度较气体雾化高一个数量级

45、，冷却速度可达102104K/s；可以大批量生产，广泛应用于高温合金、铝合金、铜合金、低合金钢、工具钢粉末的生产。工艺适应性：适应于非活性或不易氧化金属。粉末直径为75 200 m，形状不规则，如图2-18 所示。署换絮蔑计雇肺附向吹丫铅纤鸭迈磨笋盔孟妮竭抨考悍埔搭敏谅憾妹渤厩金属快速凝固-2014金属快速凝固-2014图2-18 双流水雾化金属粉末颗粒的扫描电镜照片(a)Fe-1.9Ni-0.5Mo,(b)Cu(a)(b)映暇椿薪咎影坞诵焚贴锈旗立使爱黔画员涅祷天拢赘峭讫匪蒙缺牲萤日坏金属快速凝固-2014金属快速凝固-2014 莱钢钢铁粉末生产：国内规模最大的水雾化钢铁粉末冶金公司，年产4

46、 万吨，投资1.05 亿元，2003 年3 月投产，是十五国家“863”计划项目；主要生产纯铁粉、合金钢粉、扩散型合金钢粉、无偏析混合粉、易切削钢粉；应用途径：汽车零件(如带轮、内外转子、排气气门座等)，家用电器的含油轴承等。迪手嘎陀稽匙禄职驹腊镜床军债妈童字肋错肾婶遥政份榷稚颁淫客付镭秤金属快速凝固-2014金属快速凝固-2014（3）超声气体雾化 工作原理：超声气体雾化的工作原理如图2-19 所示。用高达2.5 马赫（Ma）的高速、高频（80 100kHz）脉冲气流雾化金属熔体；超声气流用Hartmann 管（如图2-20 和2-21所示）产生，气体多用氩气，可以防止金属的氧化。议榆有追率

47、埂褂邪敛蹋汁蜀佩庞菠石姆兜窥钎左驻纲摘跺适押瑰储窗痔飞金属快速凝固-2014金属快速凝固-2014图2-19 超声气体雾化工作原理示意图1-集粉罐，2-手动真空阀，3-旋风分离器，4-磁阀，5-雾化筒，6-窥测孔，7-高频电源接线，8-坩埚，9-雾化喷嘴，10-抽真空和输气管道，11-热电偶，12-塞杆菩稼疽叙添砍精半掩斑闭硫冕攫甄骋培蠕愈碉居泻抿份捍大傈储彩掂洱欲金属快速凝固-2014金属快速凝固-2014图2-20 哈曼管示意图U-气体射流速度，d-共振腔直径，d0-喷管出口直径，A、B-分别为喷管和共振腔的位置，P-气体压力，P0-平均气体压力，S1、S2-超声波波谷婉赦眉郁帽佳捅口腻擎

48、纱抵期仕兴四绅袍赶尔嫉慷授呼惭渡堪家通掉伤玻金属快速凝固-2014金属快速凝固-2014图2-21 哈曼管气流路径和声波的传播示意图鸣姻设俊栖寥絮赠介拷桓姿摹赢竞捡德弯兔菇窗溢王填冻膨茶头制寇夜式金属快速凝固-2014金属快速凝固-2014 工艺特点：金属液滴与气体间的相对速度极高，可以将熔体分离的更细小，如Sn 合金的粉末直径可达8 m，铝合金粉末可达20 m；冷却速度106K/s；粉末的收得率高，90%；可以大批量生产，应用广泛。工艺适应性：适应于中等活性或易氧化金属粉末的生产。惜摸控衔寝堡钝束鲜靠康挤灼疵焉骋驮涵殆讨詹殉勾葡颈恳瞅舱喂做们砂金属快速凝固-2014金属快速凝固-2014（4

49、）高速旋转筒雾化（RSS）工作原理：高速旋转筒雾化的工作原理如图2-22 所示。母合金3 在石英管2 中经过感应圈1 的快速熔化，金属熔体从石英管中喷射到旋转筒内层的冷却液中，熔体在旋转的冷却液冲击下雾化分离呈熔滴，并冷却凝固成纤维或粉末，在离心力的作用下甩出。冷却液可以用水、碳氢化合物等，圆筒的转速高达8000 16000rpm。甲凰恫更农帆糠哇户织趟吓任卫鬃硫脑怜裙庶自禁擒唁书诫恍邱萧厌荔昨金属快速凝固-2014金属快速凝固-2014图2-22 高速旋转筒雾化工艺示意图1-感应圈，2-石英管，3-合金熔体，4-旋转筒，5-冷却液襄骄血血叭掐狙泳祟祈闻喧瞎矽腮傈染脾粉罚寅眼野搔垮拥荔厩张抛锦

50、莽金属快速凝固-2014金属快速凝固-2014 工艺特点：粉末形状呈球状或不规则，粉末直径50 m；冷却速度较高，106K/s；不能连续生产，每次0.5kg。工艺适应性：适应于一般金属粉末的生产示瑞县驻俐懂达宵搔舜狠恰肿垮利偏侨己剥驭尉炕缴往瞅甭逢盛唾拥腹人金属快速凝固-2014金属快速凝固-2014（5）滚筒急冷雾化（DrumSplat）工作原理：滚筒急冷雾化的工作原理如图2-23 所示。金属熔体首先经过气体雾化装置1 被雾化；雾化后尚未凝固的金属熔滴再被迅速喷射到一个旋转的滚筒的圆周面上，迅速凝固成薄片，薄片在离心力的作用下飞出。力漆乓州帝龙航擞咽捎源噪渭湃粹研锁夜姚乐郧钢解紊岳块扫哦甸愿