快速凝固技术及其应用

第1章凝固技术及其应用BigQ1.什么是凝固？凝固：物质从液态冷却转变为固态的过程。结晶：形核－长大交错重叠进行。2.什么是快速凝固？快速凝固一般指大于105K/s级的冷却速度或以数秒级的固液界面前进速度使液相凝结为固相的过程。一.快速凝固理论基础不同凝固速度对组织的影响一.快速凝固理论基础1.实现快速凝固的条件1）金属液分散成液流或液滴，至少在一个方向上尺寸极小，以便散热。2）具有传热的冷却介质。12345678910急冷模法示意图1-真空出口；2-绝热冷却剂容器；3-冷却池；4-铜模；5-模穴；6-垫圈；7-基板；8-压紧螺帽；9-射入管；10-铝箔一.快速凝固理论基础2.满足快速凝固条件的途径1）大的冷却速度对于尺寸足够小的凝固试件，界面散热成为控制冷却的主要环节。增大散热强度，使熔体以极快的速度降温，即可实现快速凝固。一.快速凝固理论基础2）大的生长速度传热主要靠导热提高铸型的导热能力，增加热流导出速度，凝固界面快速推进，熔体与基体为一体，3）大过冷度利用抑制凝固过程的形核，使合金液获得很大过冷度，实现凝固过程释放的凝固潜热与过冷散失的物理热抵消。使凝固过程处在几乎绝热状态，需导出的热流几乎很小，获得很大的冷却速度。一.快速凝固理论基础3.快速凝固的特点1）凝固速度大，无溶质分配。2）液固界面稳定性增加，凝固形成平面、无偏析等轴晶。3）形成组织结构特殊的晶态合金。4）形成非晶态合金。5）形成准晶合金。二.快速凝固工艺快速凝固工艺可以粗略的分为三类：1）用高速气流打击金属液流，或在离心力的作用下，使之雾化变成十分细小的液滴，最后凝固成粉末；2）把金属液喷到急冷板或转动的辊轮上，凝固成很薄的金属箔或丝材；3）用激光或电子束熔化极薄一层金属表层，整块金属基体起到自身冷却剂的作用，也能获得很高的冷速；二.快速凝固工艺1.雾化法基本原理：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)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，凝固后成呈粉末。主要工艺方法：气体雾化法、气体溶解雾化法、超声雾化法等。产品形式：粉末、碎片、箔片二.快速凝固工艺二.快速凝固工艺2.液态急冷法基本原理：将液流喷到辊轮的内表面或辊轮的外表面或板带的外表面来获得条带材料。单辊法：自由喷射溶液自旋法；平面流铸法。1234567氩气氩气34876(ａ)自由喷射熔液自旋工艺(ｂ)平面流铸工艺图自由喷射熔液自旋工艺和平面流铸工艺原理示意图1-压力计；2-排气阀；3-坩埚；4-感应加热线圈；5-合金液；6-金属薄带；7-淬冷辊轮；8-喷嘴二.快速凝固工艺3.束流表层急冷法采用激光、电子束、粒子束进行表面层快速熔凝。1）只改变组织，不改变成分表面上釉，表面非晶化等2）即改变成分，又改变组织表面合金化、表面喷涂后激光快速熔凝、离子注入后快速熔凝等常用方法激光快速熔凝二.快速凝固工艺3.束流表层急冷法单向熔化法示意图三.快速凝固的应用快速凝固对材料性能的影响1）提高强度2）提高塑性3）提高耐磨性4）提高耐蚀性5）提高磁性能6）提高催化剂效率四.定向凝固技术1.定向凝固：铸件按一定方向由一端开始，逐步向另一端结晶。共晶转变：由一定成分的液相同时结晶出两个一定成分固相的转变。四.定向凝固技术在控制凝固状态下凝固，即在一个方向上散热，那么生长的两种相，或者呈相互平行的片层状，或者第二相以纤维状排列在构成基体的另一相中。宏观规则排列，且晶体生长的择优取向与散热方向一致。四.定向凝固技术控制显微组织的主要工艺参数是固液界面的温度梯度和凝固速度。获得具有优异性能的规则排列组织的关键设备：大温度梯度的定向凝固装置。四.定向凝固技术1.定向凝固共晶复合材料的力学性能1）力学性能特点其强度主要取决于增强相的性能和体积比，而连续的金属基体则作为传递载荷的介质和提供韧性。四.定向凝固技术1.定向凝固共晶复合材料的力学性能2）蠕变性能规则排列的共晶合金具有优异的蠕变性能。大多数合金的蠕变指数n=3~5，而定向凝固共晶合金的n=7~21。在恒定温度和应力下，蠕变抗力随λ和纤维尺寸的减小而提高。四.定向凝固技术1.定向凝固共晶复合材料的力学性能1）拉伸性能定向凝固共晶复合材料的强度主要取决于增强相的体积百分数和相间间距。复合材料在偏离轴向上的性能低于纵向上的性能；规则排列的共晶体的横向拉伸强度通常是纵向拉伸强度的30%~50%。四.定向凝固技术1.定向凝固共晶复合材料的力学性能3）疲劳性能由于存在相界面，从而使裂纹转移钝化。提高凝固速度和凝固后热处理可显著提高其疲劳性能。四.定向凝固技术2.定向凝固共晶复合材料的物理性能和非结构性能由于定向共晶复合材料的两相具有不同的电、磁、热等物理性能以及规则排列引起的各向异性，使得这类材料有可能用作电磁材料，电子材料。四.定向凝固技术4.定向凝固共晶复合材料的发展和应用前景1）20世纪80年代出现了以金属间化合物为基的复合材料研究热潮，同时，以NbC、TaC纤维强化的定向共晶高温合金逐步向实用化阶段过渡。2）80年代后期，美国NiTaC14B定向共晶合金制作的高压涡轮空心冷却叶片成功应用。说明了，定向凝固共晶复合材料尚有潜力，有待进一步研究开发。