快速凝固微晶材料快速凝固鋁合金快速凝固鎂合金快速凝固銅合金快速凝固鐵合金快速凝固鈦合金快速凝固合金微觀組織結構特點

微觀組織明顯細化成分偏析顯著減小合金元素過飽和固溶度明顯提高空位濃度和位錯密度大大增加形成新的亞穩平衡相快速凝固鋁合金研究背景高性能鋁合金的發展可追溯到二十世紀四十年代。首先開發的是Al-Al2O3彌散強化合金。為了細化合金的顯微結構，最早采用的方法是稱為“直接冷卻法”，即在凝固金屬的外殼通入冷卻介質，以加速熱傳導,結果使鑄件的枝晶臂間距減小了五分之一。欲進一步細化顯微結構，必須再加快凝固速率。而且已經確知，借助于普通粉末冶金工藝,使用平均粒度100μm的粉末,不可能大幅度地改善鋁合金的性能，因此，注意力轉向快速凝固。快速凝固微晶鋁合金卓有成效的進展是降低密度，提高彈性模量、增加強度、保持耐蝕性、改善高溫性能，同時也解除了傳統熔鑄冶金帶來的某些束縛。鑄造鋁合金在凝固時容易形成的粗大夾雜，這些夾雜往往含有Fe和Si，將惡化合金的成形性、斷裂韌性和持久性能，對疲勞、腐蝕、應力腐蝕和蠕變等性能也有影響，而快速凝固能擴大固溶極限，使這些夾雜全部固溶或呈細小彌散顆粒，因此增加了固溶強化和時效強化作用。快速凝固鋁合金

強化原理快速凝固鋁合金

固溶度擴大元素平衡態最大溶解度（原子%

）溫度K報道的最大溶解度（原子%

）Cr0.449345-6Cu2.582117-18Fe0.0259284-6Mg18.972336.8-40Mn0.79236-9Ni0.0239131.2-7.7Si1.5985010-16

快速凝固二元鋁合金的溶解度

快速凝固鋁合金實例

高強鋁合金

對于高強鋁合金，快速凝固合金成分大致與傳統的合金類似，因此，性能的改善主要歸因于快速凝固工藝使材料的微觀組織結構發生變化。與傳統熔鑄合金相比，其顯微結構由大大細化的晶粒和極細小的一次沉淀顆粒組成

。熔鑄和快速凝固7091力學性能的比較

疲勞強度因細化晶粒和細小的一次沉淀而得以顯著提高.抗應力開裂腐蝕性能的改善尤為突出，原因同樣是細化了一次沉淀顆粒的緣故。快速凝固合金的不利之處是疲勞裂紋的長大速度太快（至少在恒定振幅的情況如此），這也是由于晶粒細小造成的。快速凝固鋁合金實例

高強鋁合金快速凝固鋁合金實例

輕合金

含鋰的鋁合金不僅重量輕，還改善了剛性，因此為飛機構件設計者所關注。鋁合金工業在市場競爭中受到纖維增強塑料材料的挑戰，從而促進了輕型鋁合金的開發。雖然在發展熔鑄鋁-鋰合金方面取得進展，但是因為合金的韌性差和延性低而使鑄件加工十分困難。正因為如此，奧爾科婭的熔鑄IM2020合金在60年代被從市場排擠出去。

快速凝固鋁合金實例

輕合金

鋁-鋰合金延性和斷裂韌性不佳的原因主要是變形時(Al3Li)沉淀顆粒的剪切作用，使合金產生明顯的平面滑移。后來的研究是設法引入第二相以阻止位錯剪切。均勻分布的無剪切作用的(Al2CuMg)相能十分有效地阻礙了位錯的運動。但是，為了獲得均勻分布的相，必須進行塑性加工，而且往往需要延展形式的加工，例如鍛造、擠壓等。快速凝固鋁合金實例Al-Li合金聯合公司成功地研發了鋁-鋰鍛造合金，通過添加Zr明顯改善了鋁-鋰合金的力學性能，原因：(1)Zr與Al能生成亞穩Al3Zr，并與鋁-鋰合金的主要強化相（Al3Li）同型。(2)亞穩Al3Zr能有效阻礙位錯切變；(3)在時效熱處理過程中Al3Li顆粒環繞共格的Al3Zr，形成一種特殊的Al3（Li，Zr）復合沉淀顆粒。快速凝固鋁合金實例Al-Li合金

Al3Li與阻礙剪切的Al3Zr相結合，而不再促進平面滑移。Al3(Li，Zr)復合沉淀顆粒導致位錯的奧羅萬(Orowan)繞過運動，從而改善了延性。經過簡單的熱處理后，這種合金具有良好的強度和延性綜合性能。值得注意的是，快速凝固Al-Li-Zr合金證實了接近最終形狀工藝的現實性。左圖的零件正在波音飛機中試車。

對于添加中等含量合金元素的Al-Li合金，例如：Al-4.5Cu-1.2Li-Mn和Al-3Li-1.5Cu-1Mg-0.2Zr，如果與傳統熔鑄工藝的產品相比，從合金的強度和延性等方面考慮，也許沒有必要用粉末合金代替熔鑄合金。然而，人們期望快速凝固工藝能在添加高含量Li和Mg等合金元素方面發揮作用

。快速凝固在輕合金方面的另一進展是在Al-Li合金中加Be，明顯減輕大型結構件的質量。因為同時提高了強度，其意義不僅僅是減輕質量。如果用熔鑄工藝，溶解度極低的Be將在合金中形成粗大的顆粒沉淀，使合金的延性降低。

快速凝固鋁合金實例

輕合金快速凝固鋁合金實例

高溫鋁合金

在快速凝固高溫鋁合金系列中，成功的有Al-8Fe-2Mo、Al-8Fe-3.4Ce、Al-12Fe-V和Al-1.5Zr-1.0Mn。最近又改型了這些合金系列，例如加Si到Al-Fe-V合金和提高Al-Fe-Ce合金中Ce的含量等。在高溫下應用的鋁合金，通常選用過渡元素和稀土元素作為添加劑，因為這些元素固態時的溶解度低，而且擴散系數較小，所以能在合金中生成沉淀顆粒，并且顆粒的粗化速度慢且相當穩定，只要添加足夠多就能生成高體積分數的沉淀相。快速凝固工藝又能促使生成非常細小的沉淀顆粒。快速凝固耐熱鋁合金實例Al-8Fe-2Mo合金由室溫至300℃的屈服強度水平在均衡了密度差別的情況下甚至可與鈦合金媲美。較能代表高溫抗力的性能是蠕變強度。Al-Fe-V-Zr合金在暴露于鹽霧中的質量損失是熔鑄2014-T6和普通粉末冶金7090、7091合金損失的1/4。改善的原因包括化學成分的不同和顯微結構細化兩者的作用。典型快速凝固耐熱鋁合金快速凝固FVS1212合金拉伸屈服強度與重量之比接近于Ti-6Al-4V合金的水平，斷裂韌性約11MPa?m1/2。快速凝固FVS0812合金的斷裂韌性為31MPa?m1/2。合金在698K溫度下退火100小時后，室溫屈服強度和延性基本上不變。這種良好的熱穩定性是由于硅化物的粗化速率較低的原因，Al12(Fe，V)3Si彌散顆粒的粗化速率比Al-Fe金屬間化合物低2-3個數量級。因為硅化物含量高，Al-Fe-V-Si合金的彈性模量高于常規鋁合金。FVS1212合金的比剛度高于鈦和沉淀強化鋼。在溫度420K以上，FVS1212合金的比剛性大于含20％(體積)碳化硅增強6061鋁。Al-Fe-V-Si系列Al-Fe-V-Si合金具有優異的耐蝕性。FVS0812合金在鹽霧中的質量損失很小。FVS1212耐應力腐蝕開裂能力特別強，合金在3.5％氯化鈉溶液中浸40天后，橫向施加應力到360MPa也沒有開裂，此應力值相當于這種合金拉伸屈服應力的95％。FVS0812合金的高周疲勞強度與2014-T6合金相當，這時因為合金極細小的微晶結構阻止了疲勞誘導裂紋的萌生；又因為FVS0812合金含有細小球形硅化物，而不是片狀或者針狀的金屬間化合物，所以疲勞裂紋在FVS0812合金中的擴展速度接近于在粗晶粒的2014-T6合金中的速度。Al-Fe-V-Si系列典型快速凝固耐熱鋁合金典型快速凝固耐熱鋁合金應用氣體渦輪發動機（壓縮機翼和葉片）火箭和導彈（舵和火箭助推器殼體）飛機骨架飛機輪（不能用鈦合金，因為鈦易燃）內燃機（連桿、活塞零件）快速凝固鎂合金研究背景

鎂及其合金在平衡或接近平衡的常規鑄造條件下，微觀組織和結構存在許多缺點，因而長期以來沒有作為結構材料得到很好的使用。這些缺點包括：Mg具有滑移系少，在溫度不高時不易產生塑性變形。Mg具有很弱的電負性，2/3的合金溶質元素在α-Mg固溶體中的最大固溶度小于1at.％。Mg很難通過冷加工和合金化提高合金的強度。Mg化學活性高，不能形成表面防護膜，耐蝕性差。Mg自擴散系數高，使Mg合金中的沉淀相很容易粗化，常規方法生產的鎂合金的高溫強度等性能都較差。快速凝固鎂合金研究背景

鎂也有許多獨特的優點，例如密度很小，在有可能作為結構材料應用的金屬中是最輕的。此外，Mg的價格也相對較低，但是長期以來在常規生產條件下鎂和鎂合金始終沒有作為一種工程材料受到重視。快速凝固技術的出現為改變鎂合金的微觀組織結構和性能創造了條件。快速凝固鎂合金組織結構

快速凝固細化鎂合金的晶粒，明顯減少了成分偏析，鎂合金快速凝固后晶粒尺寸減小到鑄態的1/16，枝晶臂間距僅為5-8μm，彌散第二相的尺寸僅為0.01μm，晶粒的細化有可能抑制孿晶的形成.如果在合金中加入適量的Si，在快速凝固后可以形成直徑約為50nm的Mg2Si沉淀相，這些沉淀相不僅強化了基體，還能阻止晶粒的長大。快速凝固使很小的溶質固溶體有較大的擴展和形成了許多新的亞穩中間相。這些微觀組織結構上的這些變化使合金的性能有了較大的提高。快速凝固鎂合金實例性能

與常規鎂合金相比，快速凝固鎂合金的室溫強度、延性、高溫力學性能和耐蝕性能都有了明顯的改善。快速凝固Mg-2mass％Si、Mg-6％Si、和Mg-4.5％Ba、Mg-8.3％B合金中，分別形成了彌散的Mg2Si和Mg2Ba沉淀相，在317℃時的強度比常規的ZK60合金提高了3~5倍。快速凝固ZK60合金在60℃擠壓成型后的屈服強度并鑄造并鍛造后成分相同的合金提高了120MPa，抗拉強度提高60MPa，同時還具有很好的延性。經過成分改進的Mg-9mass％Li合金(加入2mass％Si或者Ce)的屈服強度和抗拉強度都比常規鍛造Mg-9mass％Li合金提高了50~60％。除了強度的提高外，快速凝固后晶粒的細化和在合金中加入Ni、Li、Si、Pd、Pt、Sb、Ge、Sc和In等合金元素使合金中形成了具有立方結構的相都有效地改善了Mg合金的延性。快速凝固鎂合金的熱穩定性比常規Mg合金有較大的提高，例如在Mg-Al-Zr合金中，快速凝固形成的彌散Al3Zr沉淀相釘扎了晶界，阻止了晶粒的長大，所以在300~400℃保溫達300小時后仍然能保持室溫強度不變。快速凝固鎂合金微觀組織結構的均勻化和彌散沉淀相的形成還提高了合金的抗腐蝕能力，例如，常規鑄態Mg-5.3mass％Zn-0.6％Zr合金通常具有正電性的α-Mg枝晶和電負性的枝晶間Mg51Zn20相組成，因而很容易受電化學腐蝕，當快速凝固冷速較高時可以完全抑制Mg51Zn20相的形成，使合金的抗電化學腐蝕性能有明顯提高。快速凝固鎂合金實例組織性能某些新型快速凝固鎂合金還同時具有很好的強度、延性、抗腐蝕性能和高溫穩定性，快速凝固Mg-5~8at％Al-1~2at％Zn-0.5~2at％X（X＝Pr、Nd、Ce）就是其中的一種典型合金

。這些合金在快速凝固后在晶粒細小(尺寸為0.36~0.70微米)的基體上產生了彌散的Mg3X或Mg17Y3沉淀相（尺寸為0.04~0.07μm），這些沉淀相是有很高熔點和熱穩定性的金屬間化合物，所以它們在擠壓固結成型和高溫條件下沒有發生明顯的粗化，并能對晶界產生有效的釘扎作用，因而這些合金具有十分突出的室溫和高溫綜合力學性能。

快速凝固鎂合金實例組織性能

高溫鈦合金的開發始于二十世紀六十年代。首先在鈦中添加硅以提高高溫蠕變強度，進而又將鋯和鉬加入到基體中以穩定硅化物彌散顆粒。在500~600℃范圍內應用這種含硅和鋯的鈦合金，就蠕變性能和其它對結構敏感的性能而言，已基本上達到了最佳水平。但此溫度范圍只要稍高于0.47Tm。如果用這一尺度來衡量材料的能力，那么鈦合金遠不及高溫合金，高溫合金的應用范圍已經達到了0.9Tm。正因為傳統鈦合金欠缺高溫能力，才促進了對高溫鈦合金的開發。快速凝固鈦合金研究背景

高溫鈦合金的發展頗為艱難，因為：在鈦合金系中找不到象高溫合金中那樣在高溫下也很穩定并與基體共格的強化相；當溫度高于α轉變溫度時，硅化物的粗化速度很快，原因是溶質元素硅的擴散速率很高；高于600℃時發生極快速的氧化反應。從而妨礙了在鈦合金高溫下的應用。對此，人們進行了針對性的努力：如以強α-穩定元素的合金化來提高同素異型化溫度；采用快速凝固工藝向基體中引入非硅化物的沉淀相或彌散相；用抗氧化涂層涂覆合金的表面等。快速凝固鈦合金研究背景以前曾試過向鈦中添加大量的稀土元素（～1％原子），用傳統熔鑄法生產，結果鑄錠的合金相內含有直徑由1到幾個微米那樣粗大的稀土顆粒。這些粗大的稀土顆粒幾乎使之用鑄錠工藝通過添加稀土元素發展高溫鈦合金步入絕境。但快速凝固工藝能避免生成粗大顆粒而代之為細小的均勻的顆粒，重新激起了人們對添加稀土元素到鈦合金中的興趣。快速凝固鈦合金工藝方法快速凝固鈦合金工藝方法

高溫鈦合金的發展途徑主要是通過快速凝固使基體內產生很細小且穩定的彌散顆粒。添加元素包括類金屬(硼、碳、硅)、稀土金屬和一個錒系元素(釷)。所有這些元素在室溫下幾乎不溶于鈦，但在高溫下存在以有限的溶解度。此外，這些元素能在鈦基體中形成彌散顆粒，發揮高溫彌散強化作用。盡管快速凝固工藝發展十分迅速，但大規模應用到鈦合金中還有困難，因為鈦很容易與坩鍋和環境發生反應。早在二十世紀七十年代就出現若干制取鈦合金粉末的工藝并成形到接近最終形狀，主要途徑還是粉末冶金法。粉末的生產工藝有很多種，例如：溶液提取工藝、電弧熔化自旋工藝、離心霧化工藝和超聲氣體霧化工藝等。

快速凝固鈦合金工藝方法快速凝固鈦合金工藝方法實例以Ti-6Al-4V為例：用垂直滴落溶液提取工藝生產薄的。熱壓溫度955℃、壓力為5.5MPa、時間1小時。若采用熱等靜壓工藝，首先將薄片冷壓成形，然后用不銹鋼包套壓坯并在870℃下脫氣15小時進行熱等靜壓。熱等靜壓溫度955℃、壓力為167MPa。兩種工藝基本上都達到了100％密度，但在高溫致密化過程中晶粒發生長大。為防止顯微結構粗化卻又能獲得全密度產品，采用較低的致密化溫度。例如電子束熔化濺射淬冷薄片在800~950℃下進行熱壓，再于800℃鍛造加工成4.0mm厚的板材，最后在800℃下熱軋成1.5mm厚的薄板。所有彌散強化鈦合金的致密化溫度都比傳統溫度低約100℃，但都達到全密度和良好的冶金粘結。鈦合金致密化的突出特點是原粉末顆粒表面的氧化物在熱致密化過程中由于擴散而消失。快速凝固鈦合金粉末致密化后的室溫強度比同成分的傳統熔鑄合金提高15％~40％。快速凝固工藝使那些用熔鑄工藝不可能溶于鈦合金的溶質成為可溶，從而能控制快速凝固鈦合金中彌散顆粒的體積分數達到最佳水平。快速凝固工藝通過改變晶粒尺寸。彌散顆粒的尺寸和體積分量以及氧含量等而明顯改變合金的室溫變形行為。前兩個因素受冷卻速度和熱處理條件控制；而氧含量只要在熱加工過程中避免與環境發生反應便可以保持在最低水平。快速凝固鈦合金性能快速凝固銅合金研究背景

用常規方法生產的銅合金一般都具有很好的導電性，但是力學性能不夠好，快速凝固銅合金不僅保持了良好的導電性能，而且改善了合金的耐磨性能、室溫與高溫力學性能和耐腐蝕性能，為銅合金的應用開辟了更為廣闊的天地。快速凝固銅合金實例快速凝固Cu-Ni、Cu-Fe、Cu-Cr和Cu-Pb

等合金的研究表明，快速凝固顯著提高了Fe、Cr等合金元素在Cu中的固溶度，例如Fe的固溶度可以擴展到20at％。而Cu-Ni-Sn合金快速凝固后的偏析程度和偏析距離與鑄態合金相比都有了明顯的減小。微觀組織結構的這些改善明顯提高了合金的室溫硬度、強度和耐磨性能，并使合金具有良好的延性。快速凝固銅合金實例

Cu-Ni、Cu-Fe合金快速凝固后室溫延伸率達到40％。具有高導電性能的Cu-Al、Cu-Si、Cu-Ni-Ti、Cu-Cr-Zr、Cu-Cr-Zr-Mg等合金在快速凝固后由于產生了大量均勻、彌散的氧化物（如TiO2等），所以一直到1000℃仍然可以保持結構穩定，因而在20-450℃范圍內具有極好的室溫和高溫力學性能。

快速凝固銅合金實例左圖比較了用霧化和模冷快速凝固方法制取的Cu-5Ni-2.5Ti合金與常規鑄造的這一合金的室溫硬度和不同的高溫下保持1消失后再在室溫下測定的硬度。從圖可以看出，Cu-5Ni-2.5Ti合金在快速凝固后特別是在冷速較高的模冷快速凝固后，室溫和高溫退火后的硬度明顯高于常規鑄造的合金。Cu-Al-Fe合金有一定的強度和耐蝕性，而增加Al含量可以進一步提高合金的腐蝕抗力。但是在常規鑄造凝固條件下，當合金中的Fe含量通常為3％時，Al在Cu中固溶度極限是9.5％，所以合金中Al含量大于這一極限時就會產生體心立方的β-Cu相并進一步共析分解為α-Cu和Cu9Al4（γ2）相，這種多相結構容易產生局部腐蝕，因而抵消了增加Al含量的作用。而Cu-Al-Fe合金在激光表面熔化并快速凝固后，即使在Al含量很高的情況下也可以完全抑制其它相的產生，使合金表層形成均勻的單相結構，在提高合金表面力學性能的同時明顯提高了合金的耐腐蝕性能.快速凝固銅合金實例快速凝固銅合金應用

快速凝固銅合金代替常規銅合金制作耐磨電接觸開關、冷凝管、艦艇中的管道和減弱機器噪聲的聲阻元件、軸承、螺栓、螺旋槳葉片、齒輪等構件時，能夠有效地提高它們的綜合性能。快速凝固Cu-Cr-Zr合金可以用來制作同時要求具有較高導電、導熱性能和疲勞抗力的部件。快速凝固Cu-Pb合金由于性能好、成本低，也可以代替價格較貴的常規青銅合金（含銅量大于80％）制作軸承。快速凝固鐵基合金工具鋼

工具鋼一般主要通過在馬氏體基體上的碳化物強化而具有較高的硬度和耐磨性能，因此這類鋼中的合金元素一般都比較高，在用常規方法生產時，鑄錠中也會產生粗大枝晶和嚴重的枝晶偏析，形成許多很硬且又很脆的粗大共晶碳化物，所以即使經過壓縮比為98％的熱加工后仍然會存在因偏析產生的帶狀組織，并且難以在擴散退火中完全消除。快速凝固鐵基合金工具鋼

快速凝固不僅可以使合金的晶粒細化、偏析減小，還能擴展合金元素的固溶度和形成亞穩相，經過適當的熱處理后可以在α-Fe基體上產生均勻、彌散分布的細小碳化物，并能在后續加工和使用過程中基本保持這種良好的微觀組織結構，因而可以省去常規工藝中使碳化物分布均勻的熱加工工序

。微觀組織結構的改善有效地提高了合金的性能。快速凝固鐵基合金工具鋼

快速凝固提高了工具鋼的韌性因而可以避免熱處理過程中出現裂紋和變形，同時使合金在熱處理過程后達到最高的硬度和提高了回火二次硬化達到峰值硬度的溫度，因此明顯改善了合金的耐磨性能，特別是高合金鋼的磨削性能。此外，由于工具鋼在快速凝固后韌性和加工性能的改善，還可以在合金中加入更多的合金元素研制性能更好的新型合金。快速凝固鐵基合金工具鋼

快速凝固高速鋼的實際生產和應用主要有三種辦法，第一種是工具鋼經過霧化快速凝固后再用熱等靜壓的方法固結成型。美國的Crucible鋼廠和瑞典的Uddeholm工廠已經采用這種方法生產出了快速凝固的CPM和ASP系列高速工具鋼。用這些快速凝固工具鋼生產的刀具在進行中間切削加工時，刀具的壽命比常規高速鋼生產的刀具壽命提高了5倍。快速凝固鐵基合金工具鋼

第二種方法是Aurora鋼廠采用

的，即先通過霧化沉積快速凝固得到密度為標準密度96-98％的薄片，然后再經過熱擠壓固結成型并達到標準密度。用這種方法生產的M2、M15和M42等高速工具鋼刀具的性能與第一種方法生產的刀具相似，但是生產成本比較低，因而很有發展前途。英國在二十世紀八十年代已經投資建立了類似的快速凝固工具鋼生產線。

快速凝固鐵基合金工具鋼

第三種方法是對用常規工具鋼制作的刀具模具進行了表面熔化快速凝固處理。如，用激光束或者等離子束使刀具模具表層熔化，同時還可以