1、快速凝固技術第1頁，共31頁，2022年，5月20日，10點22分，星期三常規鑄造工藝及其存在的問題 容易形成粗大而發達的樹枝晶容易出現縮孔、疏松、氣泡、熱應力等鑄造缺陷容易產生嚴重的晶內偏析與晶界偏析尺寸大，凝固時間長，凝固冷速、凝固速度以及凝固過冷度則很小，不可避免地會產生一系列鑄造缺陷 第2頁，共31頁，2022年，5月20日，10點22分，星期三快速凝固技術的產生與發展 要消除鑄造合金存在的這些缺陷，突破研制新型合金的障礙，核心是要提高熔體凝固時的過冷度從而提高凝固速度，在實際凝固過程中達到這一目的的辦法主要有兩種 “動力學”的方法 設法提高熔體凝固時的傳熱速度從而提高凝固時的冷速，使

2、熔體形按時間極短，來不及在乎衡始點附近凝固而只能在遠離平衡熔點的較低溫度凝固，因而具有很大的凝固過冷度和凝固速度 具體實現這一方法的技術稱為急拎凝固技術(Rapidly Quenching Technology或RQT)或溶體淬火技術(Melt Quenching Technology或MQT) “靜力學”的方法 針對通常鑄造合金都是在非均勻形核條件下凝固，因而使合金凝固的過冷度很小的問題，設法提供近似均勻形核的條件。盡管冷速不高但也同樣可以達到很大的凝固過冷度，從而提高凝固速度 具體實現這種方法的技術一般稱為大過冷技術(Large Undercooling Technology或LUT) 第

3、3頁，共31頁，2022年，5月20日，10點22分，星期三快速凝固技術與設備 快速凝固技術的基本原理和分類 模冷技術 霧化技術 表面熔化與沉積技術 大過冷快速凝固技術 第4頁，共31頁，2022年，5月20日，10點22分，星期三快速凝固技術的基本原理和分類基本原理急冷凝固技術 核心是要提高凝固過程中熔體的冷速。第一，減少單位時間內金屬凝固時產生的熔化潛熱；第二，提高凝固過程中的傳熱速度。急冷凝固技術的基本原理是設法減小同一時刻凝固的熔體體積并減小熔體體積與其散熱表面積之比，并設法減小熔體與熱傳導性能很好的冷卻介質的界面熱阻以及主要通過傳導的方式散熱。大過冷凝固技術 核心是在熔體中形成盡可能

4、接近均勻形核的凝固條件，從而獲得大的凝固過冷度 快速凝固枝術的分類 大過冷凝固技術急冷凝固技術模冷技術表面熔化與沉積技術霧化技術第5頁，共31頁，2022年，5月20日，10點22分，星期三模冷技術“槍”法雙活塞法熔體旋轉法平面流鑄造法溶體拖拉法溶體提取法第6頁，共31頁，2022年，5月20日，10點22分，星期三模冷技術 “槍”法(Gun Method) “槍”法示意圖1高壓室 2聚脂薄膜 3感應線圈 4低壓空 5銅模分離成的熔滴很小(直徑約1m)、沖擊到銅模上的速度很高，所以箔片的凝固冷速可以高達109 K/s，其中薄的箔片可以直接用作透射電子顯微鏡(TEM)觀察的樣品。這種方法可以應用

5、于許多合金，但是由于箔片厚度不均勻，形狀不規則，每次熔化的母合金數量很少，因此主要限于在實驗室中應用 第7頁，共31頁，2022年，5月20日，10點22分，星期三雙活塞法(Twin Piston Method)圖3-2 雙活塞法示意圖1.感應線圈 2.熔滴 3.活塞熔滴在受擠壓時可以從與兩個活塞接觸的表面同時均勻地迅速散熱凝固，因此冷速較高，薄片的厚度也比較均勻。此外，母合金是在真空氣氛中或保護性氣氛中懸浮加熱熔化的，因此可以防止石英管對熔體的污染，可以適用于化學活性高、易氧化的金屬及其合金，如Ti、Zr等。在經過改進后的雙活塞法中，活塞的沖擊速度更高，沖擊時活塞間的間距保持一定，可以防止樣

6、品凝固時變形并有更高的凝固冷速。與雙活塞法類似的還有活塞砧法和錘砧法 第8頁，共31頁，2022年，5月20日，10點22分，星期三熔體旋轉法(Melt Spining) 圖2-3 熔體旋轉法示意圖1.石英管 2.惰性氣體 3.薄帶 4.噴嘴 5.熔體 6.熔池 7.輥輪 8.感應線圈操作時,首先把母合金切成約30mm長的小段或小塊，在砂輪上磨去氧化皮后裝入石英管內。合金經感應加熱熔化后從石英管上端通入氮氣或其它惰性氣體，熔體在氣體壓力下克服表面張力從石英管下端的噴嘴中噴到下方高速旋轉的輥輪表面，熔體在與輥輪表面接觸的瞬間迅速凝固并在輥輪轉動的離心力作用下以薄帶的形式向前拋射出來。在熔體旋轉法

7、中可以控制和調節的主要工藝參數有：石英管噴嘴尺寸，石英管噴嘴離輥面距離，石英管內通入的氣體壓力、輥面線速度和輥輪合金的成分等。第9頁，共31頁，2022年，5月20日，10點22分，星期三急冷凝固技術的分類與主要特點分類名 稱產品形狀典型尺寸典型冷速主要應用模冷技術“槍”法箔片厚.011.0109中等活性或不易氧化的金屬雙活塞法薄片直徑2.5mm厚5300104106高活性或極易氧化的金屬熔體旋轉法(CBM或MS)連續薄帶或線、薄片厚10100寬10105108中等活性或易氧化的金屬平面流鑄造法(PFC)寬連續薄帶厚20100寬150105106同上，特別是Fe、Ni、Al及其合金溶體拖拉法M

8、D連續薄帶厚251000103106同上電子束急冷淬火法(CBSQ)拉長的薄片厚40100104107高活性或極易氧化的金屬溶體提取法CME或PDME薄片或纖維厚20100105106高等活性或極易氧化的金屬(PDME)中等活性或易氧化的金屬(CME)第10頁，共31頁，2022年，5月20日，10點22分，星期三霧化技術雙流霧化法水霧化法與氣體霧化法超聲氣體霧化法高速旋轉筒霧化法滾筒急冷霧化法離心霧化法快速凝固霧化法旋轉電極霧化法機械霧化和其它霧化法雙輥霧化法電-流體力學霧化法真空霧化法火花電蝕霧化法第11頁，共31頁，2022年，5月20日，10點22分，星期三霧化技術 雙流霧化法(Twi

9、n F1uid Atomization) (1)水霧化法與氣體霧化法熔體流在高壓高速水流的沖擊下，經過片狀、線狀、熔滴狀三個階段逐步分離霧化并在水流冷卻下冷凝成粉末。霧化時所用的水流壓力高達820MPa，制得的粉末直徑為75 200m。如果霧化熔體的流體不用水而用空氣或惰性氣體(如氖氣)，則成為氣體霧化法或惰性氣體霧化法，所用的霧化壓力一般為28MPa，制得的粉末直徑為50100m，多為表面光滑的球形，而水霧化法制得的粉末形狀不規則。但是水霧化法由于采用了密度較高的水做霧化工作介質，所以達到的凝固冷速要比一般氣體霧化法高一個數量級。水霧化法示意圖1.溶體 2.水流 3.石英管第12頁，共31頁

10、，2022年，5月20日，10點22分，星期三(2)超聲氣體霧化法(USGA) 超聲氣體霧化法的主要設備與前面的水霧化法相似，但是用速度高達2.5馬赫的高速高頻(80100kHz)脈沖氣流代替了水流。這種超聲氣體由一系列Hartman沖擊波管產生，氣體多用氬氣等惰性氣體以便防止粉末氧化污染。高速高頻脈動氣流可以把熔體流分離成更細，更均勻的熔滴，并且熔體也不是象水霧化方法中經過三個階段，而是直接分離成細小熔滴冷凝成粉末。例如采用超聲氣體霧化法可以制成平均直徑為8m的錫合金粉末和平均直徑20m的鋁合金粉末，而且在這種鋁合金粉末中直徑小于50m的粉末占粉末總量的95wt%。此外采用超聲氣體霧化法時粉

11、末的收得率也高達90%。超聲氣體霧化法已經成功地應用于高溫合金和鋁合金，并正在進行放合金的應用研究。第13頁，共31頁，2022年，5月20日，10點22分，星期三(3)高速旋轉筒霧化法(RSC) 經感應加熱熔化后的熔體流從石英管中噴射到旋轉筒內層的冷卻液即淬火液中，冷卻液可以選用水、碳氫化合物或低溫流體。熔體流在旋轉的冷卻液沖擊下霧化分離成熔摘并冷凝成纖維或粉末，然后在離心力作用下飛出。由于圓筒旋轉的速度高達800016000r/min，因此隨筒旋轉的冷卻液可將熔體分離成較小的熔滴并消除熔摘外圍可能影響傳熱的氣體層，所以來用這種方法可以獲得較高的冷速。高速旋轉筒霧化法已經應用于生產快速凝固的

12、高溫合金、各種鋼和鋁、銅等有色合金。但是采用這一方法現在每次還只能剁得0.5kg的粉末，粉末的形狀不太規則，粒度分布范圍也比較窄。經過改進后高速旋轉筒法將有可能用于快速凝固合金的連續生產。高速旋轉筒霧化法示意圖1.感應線圈 2.石英管 3.熔體 4.旋轉筒 5.冷卻液第14頁，共31頁，2022年，5月20日，10點22分，星期三(4)滾筒急冷霧化法(Drum Splat) 這種方法實際上是把雙流霧化法和模冷法結合起來，即把經上述氣體霧化法霧化后尚未凝固的熔滴再迅速噴到一個旋轉滾筒的圓周面上，熔滴在與滾筒沖擊的瞬問進一步冷卻凝固成薄片并在離心力作用下飛出，所以這種方法比一般的雙流霧化法冷速高并

13、適于大批生產，現在已經成功地應用于生產快速凝固鋁合金，也有可能應用于其它可以進行氣體霧化的金屬和合金。滾筒急冷霧化法示意圖1.氣體霧化裝置 2.熔滴 3.滾筒 4.薄片第15頁，共31頁，2022年，5月20日，10點22分，星期三離心霧化法(CentrifugaI Atomization) (1)快速凝固霧化法(RSP)熔化的合金熔體從石英坩堝中噴到一個表面刻有溝槽的圓盤形霧化器上，圓盤以高達3500r/min的速度旋轉，使噴到盤上的熔體霧化成細小的熔滴并在離心力作用下向外噴出，同時惰性氣流沿與熔漓運動幾乎垂直的方向高速流動，使浸沒于其中的熔滴迅速凝固成粉末。由于在這種方法中旋轉霧化器的轉速

14、約比熔體旋轉法中的輥輪轉速大10倍，所以熔體與霧化器接觸時間很短，熔滴主要是在與氣流接觸時通過對流傳熱冷凝的，因而凝固冷速一般要比上述模冷法低一些，可達105K/s。通過改變熔體噴出的速度和霧化器的轉速與尺寸，可以控制粉末的尺寸與分布。用這種方法制成的鋁合金和鎳基合金粉末直徑一般為2580m。快速凝固霧化法示意圖1.冷卻氣體 2.旋轉霧化器 3.粉末 4.熔體第16頁，共31頁，2022年，5月20日，10點22分，星期三(2)旋轉電極霧化法(REP) 直徑約50mm的棒狀母合金作為自耗電極并且高速旋捻同時在用鎢制成的另一固定電極與旋轉電極之間接上高壓，電極之間產生的電弧把母合金棒尖端熔化，熔

15、滴在離心力作用下沿徑向向外甩出，并在流入的惰性氣體冷卻下凝固成粉末。旋轉電極霧化法的優點是不用霧化器和石英增鍋，很適合于鈦、鋯、鈮等活性金屬相高熔點金屬及其合金制備高純度的快速凝固粉末。此外還可以用激光束、電子束等能源代替電弧熔化母合金以便減小鎢電極對熔體的污染。但是這種方法的冷速較小，一般只有103K/s。 旋轉電極霧化法示意圖1.惰性氣體 2.真空 3.旋轉自耗電極4.電動機 5.固定鎢電極 6.粉末收集室第17頁，共31頁，2022年，5月20日，10點22分，星期三機械霧化和其它霧化法(1)雙輥霧化法(Twin Roll Atomization)熔體流在噴入高速相對旋轉的輥輪間隙時形成

16、空穴并被分離成直徑小至30m的熔滴，霧化的熔滴可經氣流、水流或固定于兩輥間隙下方的第三個輥輪冷卻凝固成不規則的粉末或薄片。通過調節兩輥輪之間的間隙(一般0.5mm)和轉速(可以高達1000r/min)來控制熔體流在輥隙中的傳熱速度，使熔體不會在輥隙中凝固，并且用這種方式控制霧化產品的尺寸與形狀，雙輥霧化法達到的凝固冷速比較高，對某些成分的合金可以制成非晶態粉末，也容易進行大批量生產。雙輥霧化法示意圖1.熔體 2.石英管 3.噴嘴 4.溶體流 5.輥輪 6.霧化熔滴第18頁，共31頁，2022年，5月20日，10點22分，星期三(2)電-流體力學霧化法(EHDA) 流入圓錐形發射器的熔體表面加上

17、了高達104V/m的強電場，熔體流在這個電場作用下克服表面張力以熔滴的形式從發射器中噴出而霧化。通過調節電場強度、發射器形狀和熔體溫度可以控制熔滴的形狀與尺寸。霧化后的熔滴可以在加速自白飛行的過程中冷凝成粉末，沖擊到冷模上形成薄片或者沉積到工件表面。這種方法能夠獲得很高的凝固冷速，當粉末直徑為0.01m時，冷速高達107K/s，所以對許多合金可以制得非晶態粉末。此外，采用這種方法可以對粉末、薄片的尺寸與分布進行比較精確的控制，已經應用于鐵合金和銅、鋁、鉛等有色金屬及其合金。電流體力學霧化法示意圖1.熔體流 2.發射器 3.熔滴第19頁，共31頁，2022年，5月20日，10點22分，星期三(3

18、)真空霧化法(Vacuum Atomization)真空霧化法也稱為固溶氣體霧化法。如右圖所示，在壓力作用下，坩堝中熔體內溶解了過飽和的氬氣或氮氣、氫氣。當把氣體與真空室隔開的閥門突然打開后，熔體暴露在真空中，熔體中溶解的氣體在壓力差作用下迅速逸出和膨脹，并帶動熔體從噴嘴中高速噴出和把熔體分離、霧化成細小的熔滴，熔滴然后冷凝成粉末。采用這種方法制成的粉末不易氧化或受其它污染，形狀也比較規則。此外，這種方法也能應用于大批量生產，大多數合金都可以采用這種方法制取快速凝固粉末。但是由于熔滴在真空中只能以輻射的方式冷卻，所以這種方法達到的凝固冷速較低。真空霧化法示意圖1.真空室 2.霧化熔滴 3.噴嘴

19、 4.壓力容器5.感應加熱爐 6.熔體 7.粉末收集室第20頁，共31頁，2022年，5月20日，10點22分，星期三(4)火花電蝕霧化法(Spark Erosion Method) 這是一種在1902年就已發明的老方法。但近幾年來在日本、美國經過開發又用這種力法制成了非晶態的磁性合金粉末。這種方法是用母合金制成電極，并置于電解質流體中，當二個電極通過放電產生火花時，火花的能量使電極的尖端熔化成熔滴滴下然后冷凝成粉末。為了避免電解質流體對電極的污染，可以用惰性的低溫流體代替電解質的流體。用這種方法能獲得較高的凝固冷速，但是粉末的尺寸、形狀和分布不易控制，而且收得率也很低，一般工作六個小時制得的

20、粉末不超過20g。第21頁，共31頁，2022年，5月20日，10點22分，星期三表面熔化與沉積技術表面熔化法(1)激光束表面熔化法(Laser Glazing)基本原理：金屬表層中的自由電子受激光光子作用被激發，受激的自由電子與原子碰撞后發熱熔化表層合金。裝置中激光發生器一般采用功率為36kW可連續工作的CO2激光器，激光束經聚焦后在工件表面形成直徑約為0.05cm的光斑，功率密度可達104107W/cm2，以保證光斑照射處合金的迅速熔化。工件表面通入惰性氣體的目的是防止熔體氧化井防止入射激光功率密度過高時工件表面產生等離子體。激光表面熔化法示意圖1.激光束 2.焦點 3.惰性氣體 4.聚焦

21、鏡 5.工件基體 6.變速電動機 7.旋轉圓盤第22頁，共31頁，2022年，5月20日，10點22分，星期三(2)電子束表面熔化法 原理：入射電子束與金屬中的自由電子產生強烈碰撞從而使自由電子獲得很高的能量，這些高能自由電子再與晶格原子碰撞后發熱熔化工件的表層。方法：從電子槍中產生的電子束在加速電壓作用下高速射出，并在偏轉線圈的電磁場作用下改變運動方向。當在二套偏轉線圈中分別輸入二個幾乎相等的三角形波信號時電子束就可以在工件表面進行二維掃描，典型的掃描速度為1cm/s數量級，最高可達200cm/s，每掃描一次后典型的熔化區寬0.5mm，熔化層深0.1mm，前后兩次掃描之間一般有50%的區域重

22、合。為了調整電子束束斑強度的空間分布和掃描速度，現在已經可以采用計算機控制電子束掃描。此外，電子束加速電壓的大小和工件材料的原子系數還會影響電子束加熱工件表面的熱效率，因為加速電壓選擇適當時工件表面吸收的電子最多，加熱的效率也最高。電子束表面熔化法示意圖1.電子束 2.偏轉線圈 3.工件 4.熔化區第23頁，共31頁，2022年，5月20日，10點22分，星期三表面噴涂沉積法 表面噴涂沉積法中應用較多的是由莫斯(Moss)等提出的等離子體噴涂沉積法(PSD)。這一方法主要是用高溫等離子體火焰熔化合金或陶瓷、非金屬氧化物粉末，然后再噴射到已加工成型或半成型的工件表面，熔滴迅速冷凝沉積成與基體結合

23、牢固、致密的噴涂層等離子體噴涂沉積示意圖1.等離子體噴槍 2.粉末 3.惰性氣體4.溶液5.噴涂沉積層 6.工件基體 等離子體是在等離子體噴槍內由加入氦氣或氫氣的離子化氬氣或氮氣形成的，它的溫度可以高達105，同時用氮氣等惰性氣體把預先配制好，直徑一般小于5 m的合金或陶瓷粉末噴入等離子體中，這些粉末迅速熔化成熔滴，由于等離子體形成后溫度極高，因而體積迅速膨脹，以高達三倍音速的速度帶著熔滴從等離子體槍的噴嘴中噴向工件表面并迅速冷凝成薄層。當熔滴的沉積速率為1.3g/s時，每次噴涂的涂層厚度150m，涂層密度可達理論密度的97%。熔滴的噴射速度高達1000m/s左右，熔滴與工件表面的熱接觸一般都

24、比較好，傳熱速度很快，所以熔簡的凝固冷速也可高達107K/s，凝固速度大于1cm/s。決定涂層質量的主要工藝參數有真空度、等離子體火焰長度和能量、粉末的質量和噴射條件以及工件表面的狀態等。第24頁，共31頁，2022年，5月20日，10點22分，星期三大過冷快速凝固技術 在熔體中設法消除可以作為非均勻形核媒質的雜質或容器壁的影響，創造盡可能接近均勻形核的條件，從而在形核前獲得很大的過冷度。核心方法類型一類是熔滴彌散法即在細小熔滴中達到大凝固過冷度的方踐包括乳化法、熔滴-基底法和落管法等。另一類是在較大體積熔體中獲得大的凝固過冷度的方法，包括玻璃體包裹法、嵌入熔體法或二相區法和電磁懸浮熔化法等。

25、 具體方法熔滴乳化法 、熔滴-基底法 、嵌入熔體法 、玻璃體包裹法、電磁懸浮熔化冷凝法 、落管法 第25頁，共31頁，2022年，5月20日，10點22分，星期三大過冷技術示意圖(a)熔滴乳化法 (b)熔滴-基底法 (c)嵌入熔體法 (d)玻璃體包裹法第26頁，共31頁，2022年，5月20日，10點22分，星期三熔滴乳化法熔體在惰性氣氛下與做為裁體的純凈有機液體混合，然后進行機械攪拌，使熔體分散成直徑為110m數量級的熔滴并與有機液體形成乳濁液然后冷凝。用乳化法獲得較大過冷度的關鍵是熔滴尺寸要盡可能小，尺寸分布集中和均勻以及選用合適的、不會促進表面形核的有機液體做乳化液，正確采用乳化法一般可

26、以得到0.30.4Tm的大過冷度，Tm是合金熔體的熔點，所以這種方法應用比較廣泛。難度：合適的乳化液與乳化法類似，但是彌散后的熔滴是在冷模上凝固，所以達到的過冷度也沒有乳化法高。 熔滴-基底法第27頁，共31頁，2022年，5月20日，10點22分，星期三嵌入熔體法 把合金加熱到固、液二相區或糊狀區，控制溫度使熔體體積占整個合金的20%，然后停止加熱，使固、液相在此溫度下達到平衡后再把樣品淬火到較低溫度，這時未凝固的熔體通過已凝固的、溫度較低的固相傳出熱量，由于熔體不與空氣和容器壁接觸，所以只有在熔體達到較大的過冷度后才能穩定地形核凝固。為了使測定的過冷度比較準確，可以反復升降溫，直到測定的過冷度可以重復出現難度：尋找合適的合金系第28頁，共31頁，2022年，5月20日，10點22分，星期三玻璃體包裹法 用以流體形式存在的無機玻璃體把大塊熔體與容器分隔開來，使熔體凝固時不受容器壁的影響。用這種方法可