理工学院
材料成型新技术报告
学生姓名： 张凯庆 学 号： 11L0607123 学 院： 理工学院 班 级： 成型L113 题 目： 快速凝固成型技术浅析
2014 年 9 月
快速凝固成型技术浅析
随着对金属凝固技术的重视和深入研究，形成了许多种控制凝固组织的方法，其中快速凝固已成为一种具有挖掘金属材料潜在性能与发展前景的开发新材料的重要手段，同时也成了凝固过程研究的一个特殊领域 快速冷却技术起源于1960年Duwez教授采用独特的急冷急速使金属凝固速度达到106K/s 而制备出的Au75Si25非晶合金薄带。他们的发现，在世界的物理冶金和材料学工作者面前展开了一个新的广阔的研究领域。在快速凝固条件下，凝固过程的一些传输现象可能被抑制，凝固偏离平衡。经典凝固理论中的许多平衡条件的假设不再适应，成为凝固过程研究的一个特殊领域。有关快速凝固及合金的理论研究将给材料科学和其它有关学科注入新的活力，而且对快速凝固合金的微观组织结构与凝固参数之间的关系、对合金相的形成，特别是亚稳晶态相、非晶和准晶形成机制的研究，都将对固体物理等基础理论构成严峻的挑战。
(一) 快速凝固的原理
快速凝固是指通过对合金熔体的快速冷却(≥1O4～106 K／s)或非均质形核的被遏制，使合金在很大的过冷度下，发生高生长速率(≥1～100 cm／s)的凝固。由于凝固过程的快冷、起始形核过冷度大，生长速率高，使固液界面偏离平衡，因而呈现出一系列与常规合金不同的组织和结构特征。加快冷却速度和凝固速率所引起的组织及结构特征可以近似地用图1来表示。从上图我们不难看出，随着冷却速度的加快，材料的组织及结构发生着显著的变化，可以肯定地说，它也将带来性能上的显著变化。
(二) 快速凝固的特点
1.凝固速度快，从而可以使金属在液态中的溶解度得到扩大，这样是其材料的密度有所 改变，材料各部位的组织更加的紧密，改变金属中各元素的所含比例，从而可以改变该材料的性质，使其达到某种用途的需求。
2.由于凝固的速度比一般铸造的快，这样得到的凝固结晶会更加的细小，晶粒的分布更加的均匀，一定程度减少了杂质的混入，提高材料的质量，由于晶粒组织的优化，该材料的力学，化学性质会得到提高，从而使其得到更广的运用。
3.由于快速凝固给材料带来的溶解度的扩大，更加精细的晶粒的析出，从而赋予了材料 的高强度，高韧度，以及高耐腐蚀性。这是快速凝固技术能在工业领域得到广泛运用的硬道理。
4.除了金属的快速凝固，还有一种快速凝固非晶态合金。其特点和上类似，可以使材料具有极高的强度，硬度。又因为其实处于非晶态，它在具有高强度的同时也具有较好的韧性。同时，因为非晶态这种特殊形态，可以使材料具有良好的半导体性能，这是传统铸造方法所不能达到的。
(三) 快速凝固技术的主要方法
1.急冷凝固技术
急冷凝固技术的核心是提高凝固过程中熔体的冷速，从热传输的基本原理可以知道一个相对环境放热的冷速取决于该系统在单位时间内产生的热量和传出系统的热量，因此对金属凝固而言，提高系统的冷速必须要求：第一，减少单位时间内金属凝固时产生的熔化潜热;第二，提高凝固过程中的传热速度。这里国外常采用的三种方法：急冷的模冷技术、雾化技术、表面熔化与沉积技术。
表面融化与沉积技术需要要有激光技术的辅助，在国外这一技术得到了很好的研究利用。例如，采用激光快速凝固法制备织构化（b轴择优取向）的二钛酸钡（BaTi2O5）铁电陶瓷,使用X射线衍射仪（XRD）和扫描电子显微镜（SEM）分析晶相构成及显微组织,利用精密阻抗分析仪测试介电性能。结果表明,激光快速凝固制备BaTi2O5为高纯单斜相,具有较高致密度（相对密度大于95.1%）和择优取向度（0.34-0.48）,其居里相变温度（Tc）约为443℃,居里温度点的最大介电常数（εmax）约为6000（100 kHz）,居里外斯温度（T0）为410℃,居里外斯常数（C）为2.08×105K。
在声悬浮和强激光加热相结合的条件下，实现了三元A1-27％Cu-5。3％Si合金的无容器快速凝固，最大过冷度达到195K（O。24TL），冷却速率为76K／s。金相分析表明，凝固组织由（AI＋θ＋Si）三元共晶和（Al＋θ）二相共晶组成。在声悬浮条件下，（AI＋θ＋Si）三元共晶显著细化，（Al＋θ）二相共晶的组织形态丰富。在试样表层区域，表面振荡促进3个共晶相的大量形核，声流有效提高了凝固过程的冷却速率，三元共晶的晶粒尺寸显著减小。随着合金试样温度的升高，悬浮间距和谐振间距均不断增大，且悬浮间距总是大于谐振间距。在声辐射压的作用下，试样变形为中心内凹的饼状，变形程度随声压的提高而不断增大，最大半径比为6.64，对应最大悬浮声压为1.8x10^4Pa。
2.大过冷凝技术
大过冷快速凝固技术的核心是在熔体中设法消除可以作为非均匀形核媒质的杂质或容器的影响，创造尽可能均匀形核的条件，从而在形核前获得很大的过冷度。通常在熔体凝固过程中促进非均匀形核的形核媒质主要来自熔体内部和容器壁，因此大过冷技术就是主要从这二个方面设法消除形核媒质。采用大过冷快速凝固技术的具体方法大致分为两类。一类是熔滴弥散法，即在细小熔滴中达到大凝固过冷度的方法，包括乳化法、熔滴水成冰(基底法和落管法等。另一类是在较大体积熔体中获得大的凝固过冷度的方法，包括玻璃体包裹法、二相区法和电磁悬浮熔化法等。
(四) 快速凝固的一些应用
快速凝固技术运用于金属合金和金属非金属合金中。
1.快速凝固技术在不锈钢中的应用。几年来，由于我国经济飞速的发展，城市化程度的提高，对不锈钢的需求日益激增，不锈钢的铸造数量、质量也不断提高。类似现在大型城市的高楼大厦的建造构架，很多都应用了快速凝固技术铸造不锈钢。
快速凝固具有操作简单，工艺流程短，成本低等特点。通过快速凝固技术制备不锈钢产品，可以显著的改善其组织结构，提高其力学性能，通过技术研究更可以得到具有高效性能的新型材料。正因为快速凝固技术在不锈钢制造中有如此之好的发展前景，所以，不论是国外还是国内，都在加紧对其技术研发。
2.快速凝固技术在镁合金中的应用。因为镁合金具有质量轻、比强度和比刚强高。通过快速凝固铸造的镁合金更好的优化其特点，性能更加优越，机加工性能优良。在国外，已经将其技术运用到了汽车零件、航天器件甚至是人造器官上，至于航天方面，有很多的航天涡轮的铸造，就是运用快速凝固技术来得到具有高耐磨性、耐热性能的部件。 3.除了以上的不锈钢，镁合金，快速凝固技术还运用于非平衡态新型金属材料的研究，例如快速凝固非晶态合金，快速凝固准晶态合金，快速凝固微晶合金材料，快速凝固金属纳米结构材料。快速凝固技术的研发与利用加快了世界工业的发展，给现代社会带来了很多的便利。
(五) 结束语
目前关于快速凝固技术的研究着重于母合金熔融后分成微小的熔滴, 然后再通过冷的基体进行散热冷却, 所解决的是传热问题.。但从快速凝固的各种技术工艺现存的问题看, 解决这些问题时不能靠单一的方法, 它是一个系统工程, 应从合金本身、金属液的净化、外部强制 今后对它的研究主要是朝着综合技术制备大块体材料的冷却手段等方面同时采取措施才行。方向发展。 总体来说, 快速凝固技术具有广泛的发展前途, 它对新型金属材料的研究开发起着重要的作用, 同时快速凝固技术本身还是存在着很多不完善之处, 还存在大量不足之处, 还有大量的研究工作需要更多研究者去做。快速凝固技术制备新型合金材料的工艺研究中所存在的问题还需要我们做进一步研究改进工作。
