5.6快速凝固技術(shù)

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1、金屬凝固過程與組織控制金屬凝固過程與組織控制 金屬凝固過程與組織控制翟啟杰、華勤、李祖齊編；方燕、陳喬、徐雪駿制作第六節(jié)快速凝固技術(shù)一、金屬快速凝固的概念在金屬凝固過程中，凝固系統(tǒng)的傳熱強(qiáng)度及凝固速率對凝固過程及合金組織有著直接而重要的影響?？焖倌讨傅氖窃诒瘸Ｒ?guī)工藝過程中快得多的冷卻速度下，金屬或合金以極快的速度從液態(tài)轉(zhuǎn)變?yōu)楣虘B(tài)的過程。常規(guī)工藝下金屬的冷卻速度一般不會超過102℃/S。例如：大型砂型鑄件及鑄錠凝固時的冷卻速度約為：10-6~10-3℃/S；中等鑄件及鑄錠約為10-3~100℃/S；薄壁鑄件、壓鑄件、普通霧化

2、約為100~102℃/S。快速凝固的金屬冷卻速度一般要達(dá)到104~109℃/S。經(jīng)過快速凝固的合金，會出現(xiàn)一系列獨(dú)特的結(jié)構(gòu)與組織現(xiàn)象。1960年美國加州理工學(xué)院Duwez等人采用一種特殊的熔體急冷技術(shù)，首次使液態(tài)合金在大于107℃/S的冷卻速度下凝固。他們發(fā)現(xiàn)，在這樣快的冷卻速度下，本來是屬于共晶系的Cu-Ag合金中，出現(xiàn)了無限固溶的連續(xù)固溶體；在Ag-Ge合金系中，出現(xiàn)了新的亞穩(wěn)相；而共晶成分Au-Si(XSi=25%)合金竟然凝固為非晶態(tài)的結(jié)構(gòu)，因而可稱為金屬玻璃。這些發(fā)現(xiàn)，在世界物理冶金和材料科學(xué)工作者面前展現(xiàn)了一個新

3、的廣闊的研究領(lǐng)域。二、快速凝固方法及傳熱特點(diǎn)1、快速凝固方法(1)氣槍法(guntechnique)。如圖5-22所示，這種方法的基本原理是將熔解的合金液滴，在高壓(>50atm)惰性氣體流(如Ar或He)的突發(fā)沖擊作用下，射向用高導(dǎo)熱率材料(經(jīng)常為純銅)制成的急冷襯底上，由于極薄的液態(tài)合金與襯底緊密相貼，因而獲得極高的冷卻速度(>109℃/S)。這樣得到的是一塊多孔的合金薄膜，其最薄的厚度小于0.5~1.0μm(冷速達(dá)109℃/S)。Duwez等人首次獲得熔體急冷合金時，使用的就是這種方法。目前在某些實(shí)驗室研究工作中，這種

4、方法仍被使用。http://202.121.199.249/foundrymate/lessons/soli-inter/home.htm[2007-1-112:30:13] 金屬凝固過程與組織控制(2)旋鑄法(chillblockmelt-spinning)。如圖5-23所示，旋鑄法是將熔融的合金液自鉗鍋底孔射向一高速旋轉(zhuǎn)的、以高導(dǎo)熱系數(shù)材料制成的輥?zhàn)颖砻?。由于輥面運(yùn)動的線速度很高(>30~50m/s)，故液態(tài)合金在輥面上凝固為一條很薄的條帶(厚度不到15-20μm左右)。合金條帶在凝固時是與輥面緊密相貼的，因而可達(dá)到(1

5、06~107℃/S)的冷卻速度。顯然，輥面運(yùn)動的線速度越高，合金液的流量越大，則所獲得的合金條帶就越薄，冷卻速度也就越高。用這種方法可獲得連續(xù)、致密的合金條帶。不但可以方便地用于各種物理、化學(xué)性能的測試，而且可以作為生產(chǎn)快速凝固合金的工藝方法來使用，目前己成為制取非晶合金條帶較為普遍采用的一種方法。(3)工作表面熔化與自淬火法(surfacemeltingandself-quenching)。見圖5-24，用激光束或電子束掃描工件表面，使表面極薄層的金屬迅速熔化，熱量由下層基底金屬迅速吸收，使表面層(<10μm）在很高的冷卻

6、速度(>108℃/S)下重新凝固。這種方法可在大尺寸工件表面獲得快速凝固層，是一種具有工業(yè)應(yīng)用前景的技術(shù)。http://202.121.199.249/foundrymate/lessons/soli-inter/home.htm[2007-1-112:30:13] 金屬凝固過程與組織控制(4)霧化法(atomization)。見圖5-25，普通霧化法其冷卻速度不超過102~103℃/S。為加快冷卻速度，采取冷卻介質(zhì)的強(qiáng)制對流，使合金液在N2、Ar、He等氣體的噴吹下，霧化凝固為細(xì)粒，或使霧化后的合金在高速水流中凝固。另一種

7、霧化法是將熔融的合金射向一高速旋轉(zhuǎn)(表面線速度可達(dá)100m/s)的銅制急冷盤上，在離心力作用下，合金霧化凝固成細(xì)粒向周圍散開，通過裝在盤四周的氣體噴嘴噴吹惰性氣體的加速冷卻。用霧化法制得的合金顆粒尺寸一般為10-100μm。在理想的條件下，可達(dá)到106℃/S的冷卻速度。這些合金粉末通過動態(tài)緊實(shí)，等熱靜壓或熱擠等工藝，制成塊料及成型零件。2、傳熱特點(diǎn)：目前主要的快速凝固技術(shù)(包括離心法霧化在內(nèi))，都是通過薄層液態(tài)合金與高導(dǎo)熱系數(shù)的冷襯底之間的緊密相貼來實(shí)現(xiàn)極塊的導(dǎo)熱傳熱的。由于合金薄膜的頂面與邊緣不與冷襯底接觸，散熱相對來說是

8、很有限的，故問題可簡化歸納為單向的傳熱，其基本的傳熱方程式如下：α—熱擴(kuò)散系數(shù)這一方程的差分形式可寫作：式中，Ti-1、Ti、Ti+1—在時間t時相距各為Δx的相鄰3點(diǎn)的溫度，Ti—i點(diǎn)在時間t+Δt的溫度。由上式計算結(jié)果可知，影響溫度場及冷卻速度的最主要因素是：金屬/襯底界面狀況以及試樣