5.6快速凝固技术

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1、金属凝固过程与组织控制金属凝固过程与组织控制 金属凝固过程与组织控制翟启杰、华勤、李祖齐编；方燕、陈乔、徐雪骏制作第六节快速凝固技术一、金属快速凝固的概念在金属凝固过程中，凝固系统的传热强度及凝固速率对凝固过程及合金组织有着直接而重要的影响。快速凝固指的是在比常规工艺过程中快得多的冷却速度下，金属或合金以极快的速度从液态转变为固态的过程。常规工艺下金属的冷却速度一般不会超过102℃/S。例如：大型砂型铸件及铸锭凝固时的冷却速度约为：10-6~10-3℃/S；中等铸件及铸锭约为10-3~100℃/S；薄壁铸件、压铸件、普通雾化

2、约为100~102℃/S。快速凝固的金属冷却速度一般要达到104~109℃/S。经过快速凝固的合金，会出现一系列独特的结构与组织现象。1960年美国加州理工学院Duwez等人采用一种特殊的熔体急冷技术，首次使液态合金在大于107℃/S的冷却速度下凝固。他们发现，在这样快的冷却速度下，本来是属于共晶系的Cu-Ag合金中，出现了无限固溶的连续固溶体；在Ag-Ge合金系中，出现了新的亚稳相；而共晶成分Au-Si(XSi=25%)合金竟然凝固为非晶态的结构，因而可称为金属玻璃。这些发现，在世界物理冶金和材料科学工作者面前展现了一个新

3、的广阔的研究领域。二、快速凝固方法及传热特点1、快速凝固方法(1)气枪法(guntechnique)。如图5-22所示，这种方法的基本原理是将熔解的合金液滴，在高压(>50atm)惰性气体流(如Ar或He)的突发冲击作用下，射向用高导热率材料(经常为纯铜)制成的急冷衬底上，由于极薄的液态合金与衬底紧密相贴，因而获得极高的冷却速度(>109℃/S)。这样得到的是一块多孔的合金薄膜，其最薄的厚度小于0.5~1.0μm(冷速达109℃/S)。Duwez等人首次获得熔体急冷合金时，使用的就是这种方法。目前在某些实验室研究工作中，这种

4、方法仍被使用。http://202.121.199.249/foundrymate/lessons/soli-inter/home.htm[2007-1-112:30:13] 金属凝固过程与组织控制(2)旋铸法(chillblockmelt-spinning)。如图5-23所示，旋铸法是将熔融的合金液自钳锅底孔射向一高速旋转的、以高导热系数材料制成的辊子表面。由于辊面运动的线速度很高(>30~50m/s)，故液态合金在辊面上凝固为一条很薄的条带(厚度不到15-20μm左右)。合金条带在凝固时是与辊面紧密相贴的，因而可达到(1

5、06~107℃/S)的冷却速度。显然，辊面运动的线速度越高，合金液的流量越大，则所获得的合金条带就越薄，冷却速度也就越高。用这种方法可获得连续、致密的合金条带。不但可以方便地用于各种物理、化学性能的测试，而且可以作为生产快速凝固合金的工艺方法来使用，目前己成为制取非晶合金条带较为普遍采用的一种方法。(3)工作表面熔化与自淬火法(surfacemeltingandself-quenching)。见图5-24，用激光束或电子束扫描工件表面，使表面极薄层的金属迅速熔化，热量由下层基底金属迅速吸收，使表面层(<10μm）在很高的冷却

6、速度(>108℃/S)下重新凝固。这种方法可在大尺寸工件表面获得快速凝固层，是一种具有工业应用前景的技术。http://202.121.199.249/foundrymate/lessons/soli-inter/home.htm[2007-1-112:30:13] 金属凝固过程与组织控制(4)雾化法(atomization)。见图5-25，普通雾化法其冷却速度不超过102~103℃/S。为加快冷却速度，采取冷却介质的强制对流，使合金液在N2、Ar、He等气体的喷吹下，雾化凝固为细粒，或使雾化后的合金在高速水流中凝固。另一种

7、雾化法是将熔融的合金射向一高速旋转(表面线速度可达100m/s)的铜制急冷盘上，在离心力作用下，合金雾化凝固成细粒向周围散开，通过装在盘四周的气体喷嘴喷吹惰性气体的加速冷却。用雾化法制得的合金颗粒尺寸一般为10-100μm。在理想的条件下，可达到106℃/S的冷却速度。这些合金粉末通过动态紧实，等热静压或热挤等工艺，制成块料及成型零件。2、传热特点：目前主要的快速凝固技术(包括离心法雾化在内)，都是通过薄层液态合金与高导热系数的冷衬底之间的紧密相贴来实现极块的导热传热的。由于合金薄膜的顶面与边缘不与冷衬底接触，散热相对来说是

8、很有限的，故问题可简化归纳为单向的传热，其基本的传热方程式如下：α—热扩散系数这一方程的差分形式可写作：式中，Ti-1、Ti、Ti+1—在时间t时相距各为Δx的相邻3点的温度，Ti—i点在时间t+Δt的温度。由上式计算结果可知，影响温度场及冷却速度的最主要因素是：金属/衬底界面状况以及试样