快速凝固快速凝國技術是目前冶金工藝和金屬材料專業的重要領域。快速凝固技術既是研究開發新材料的手段，也是新材料生產方法的基礎，同時還是提高產品質量、降低生產成本的好途徑。11.4快速凝固定義快速凝固可以定義為：由液相到固相的相變過程進行得非常快，從而獲得普通鑄件和鑄錠無法獲得的成分、相結構和顯微結構的過程。220世紀70年代出現了用快速凝固技術處理的晶態材料，80年代人們逐漸把注意力轉向各種常規金屬材料的快速凝固制備上，90年代大塊非晶合金材料的開發與應用取得重大進展。3快速冷卻與過冷

快速冷卻可產生過冷，冷卻速度越快，過冷度越大。從熱力學角度看，過冷度越大，產生各種亞穩定相的可能性就越大。當然，過冷并非只能通過快速冷卻得到，通過抑制凝固過程的形核，也可使合金熔液獲得很大的過冷度。4快速凝固特征偏析形成傾向減小形成非平衡相細化凝固組織形成非晶態改變析出相的結構5快速凝固應用

獲得新的凝固組織開發新材料

簡化制備工序實現近終形成形

制備難加工材料薄帶細小線材和塊體材料6A獲得新的凝固組織，開發新材料新的凝固組織包括凝固組織的微細化、過飽和固溶體和非晶相的出現等。凝固組織越微細，得到高強度和起塑性材料的可能性就越大，也有可能通過再結晶來制備單晶材料；過飽和固溶體結構可得到高強度材料，并且可通過熱處理獲得各種性質的材料；非晶材料具有優異的電磁性能、耐腐蝕性能、強度和觸媒性能等特點。7快速凝固非晶材料非晶態金屬材料是快速凝固技術應用的成功實例，它不僅具有特殊的力學性能。如表所示，同時也可獲得特殊的物理和比學性能，如超導特性、軟磁特性及耐腐蝕特性。例如，非晶合金取代硅鋼片制作變壓器可使其內耗大為減小，解決了變壓器在特殊條件下使用時的發熱問題。大塊非晶合金的研究為非晶態金屬材料開辟了更為廣泛的應用前景。非晶態金屬材料已成為材料科學研究的前沿領域之一。8力學性能表現強度高于任何結晶態金屬，略低于晶須彈性彈性模量比晶化的低，泊松比較高（約0.4）塑性T≤Tg時，表現為彈性-塑性固體，T≥Tg時，表現為均勻的粘滯性流變韌性在高強度的同時有較高的韌性溫度效應強度有明顯的溫度依賴性，在Tg附件有顯著軟化現象疲勞存在疲勞極限，疲勞比值約0.35斷裂在一般剪切斷口上可觀察到尺寸較大的剪切帶非晶態金屬的一些力學性能

9B制備難加工材料薄帶、細小線材和塊體材料

如：超合金和Cu-10％Sn青銅等熱加工性能差（易產生龜裂）的材料，通過快速冷卻減少偏析，細化組織，就可提高變形性能，實現熱加工；又如溫度保險絲用Pb-Bi共晶合金等細線強度低，拔絲困難，可采用旋轉水紡線法制備。10C簡化制備工序，實現近終形成形薄板坯連鑄已獲得工業應用，典型產品厚度為60mm，而常規板坯的典型厚度為200mm。帶坯連鑄（鑄軋）也開始了工業應用，其產品厚度為0.5-3mm。用溢流法和甩出法可生產出更薄的鋁、鎂、鈦以及各種碳鋼與不銹鋼的箔帶。112.快速凝固原理急冷凝固技術急冷凝固技術的核心是要提高凝固過程中熔體的冷速。從熱傳輸的基本原理可以知道一個相對于環境放熱的系統的冷速取決于該系統在單位時間內產生的熱量和傳出系統的熱比。因此對金屬凝固而言，提高系統的冷速必須要求：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。12根據這兩個基本要求，急冷段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，并沒法減小形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。13

急冷凝固技術的設備必須包括常規鑄造設備所沒有的、特殊的分離裝置，分離裝置的主要作用是在時間或空間上“分割”熔體，從而避免大量熔化潛熱的集中釋放和改善熔體與冷卻介質的熱接觸狀況。分離裝置是急冷凝固設備中的核心，它對所能達到的凝固冷速起著關鍵的作用。在不同的急冷凝固方法中，分離裝置可以與冷卻裝置，熔化裝置組合在一起，如離心霧化法、熔體旋轉法等也可以僅與冷卻裝置組合在一起，如熔體提取法等。14大過冷凝固技術與急冷凝固技術相比大過冷凝固技術的原理比較簡單，就是要在形體中形成盡可能接近均勻形核的凝固條件，從而獲得大的凝固過冷度。通常在熔體凝固過程中促進非均勻形核的形核媒質主要來自熔體內部和容器如坩堝、鑄模等壁，因此大過玲技術就是主要從這二個方面設法消除形核媒質。15

減少或消除熔體內部的形核媒質主要是通過把熔體彌散成熔摘的途徑。在目前的技術條件下即使是很純的熔體中也總不可避免地含有一定數量可以作為形核媒質的雜質粒子，但是當熔體體積很小，數量很多時就有可能使每個熔滴中含有的形核媒質數非常少，從而產生接近均勻形核的條件。另一方面減少或消除由容器壁引入的形核媒質主要是設法把熔體與容器壁隔離開，甚至在熔化與凝固過程中不用容器。16快速凝固技術一覽快速凝固技術模冷技術槍法雙活塞法熔體旋轉法平面流鑄造法表面熔化與沉積技木熔體提取法急冷模法流體霧化法霧化技術離心霧化法機械霧化法17大過冷凝固技術乳化法兩相區法電磁懸浮熔煉法落管法微重力法循環過熱凈化法熔融玻璃凈化法化學凈化法復合凈化法大過冷技術大過冷技術18霧化制粉（4）環境壓力：熔煉室氣壓（AM），霧化筒中背壓（AT）。（5）熔融金屬：化學成分（M），粘度（η），表面張力（σ），熔煉溫度范圍（Δtm），過熱度（Δts），金屬液體流量（Vm），導液管直徑（d）。二流霧化各種參數圖譜（1）霧化介質：氣體或液體（G/L），壓力（P），霧化介質流量（V），速度（v），粘度（η）。（2）噴射流形狀：伸展范圍（D），長度（E），金屬液流長度（F），噴射頂角（α）。（3）霧化筒參數：飛行距離（H），淬冷介質（Q）。快速凝固技術19旋轉盤法：旋轉盤法最早于1976的美國Pratt&Whitney飛機制造公司研制出，用來制備超合金粉末。這種方法獲得的粉末平均粒度同園盤轉速有關，轉速越高，則平均粒度越小，細粉收得率越高。20球磨21Drivingforces:P/Mimprovement傳統粉末冶金技術面臨巨大挑戰

粉末(薄片)

壓制成形燒結局限：無法制備出形狀復雜精細零部件、組織均勻性差、材料利用率低生產成本高燒結過程使得快速凝固組織喪失

先進粉末冶金技術223.3體材料快速凝固成形

噴射沉積法

1-沉積室；2-基板；3-噴射流；4體霧化室；5-合金溶液；6-坩堝；7-霧化氣體；8-沉積體；9-運動機構；10-排氣

由英國Swansee大學Singer于上世紀70年代發明的并很快在Osprey金屬有限公司實現工業化生產，目前已經在許多國多得到廣泛應用。噴射沉積法的原理：合金熔液經過噴射霧利后形成高速飛行的液滴。這些液滴在完成凝固之前沉積在激冷汗基板上快速凝固。通過連續沉積可獲得大尺寸的快速凝固制件。噴射沉積技術231-圓柱沉積坯；2-感應加熱坩堝；3-噴嘴；4-沉積室；5-基棒；6-排氣管；7-循環分離器

在回轉體表面進行噴射沉積的工藝原理圖。通過維持圓柱基底（基棒）的平動與轉動，在其表面噴射沉積具有快速凝固組織特征的材料。除了圓柱體外，還可以進行圓錐、圓鼓等各種復雜形狀回轉體的沉積。噴射沉積技術241-激冷單輥；2-氮氣；3-合金熔液保溫室；4-霧化器；5-過濾器；6-沉積帶材；7-軋輥以噴射沉積技術為基礎，可以演變成多種成形工藝。如圖所示綜合了單輥快速凝固技術、噴射沉積技術和軋制技術。首先將合金熔液進行霧化，然后在激冷的單輥表面沉，發生快速凝固，形成帶材，然后使帶材通過軋輥進行軋制，獲得更致密的組織。噴射沉積技術25噴射沉積技術26非晶合金27大塊非晶合金

從20世紀50年代涌現出了若干新型非晶態材料，包括非晶合金、非晶半導體、非晶超導體、非晶離子導體和有機高分子玻璃等。其中非晶態合金中原子的混亂排列情況類似于玻璃，故又稱為金屬玻璃。金屬玻璃的主要特點是原子的三維空間呈拓撲無序狀排列，結構上它沒有晶界與堆垛層錯等缺陷存在，但原子的排列也不像理想氣體那樣的完全無序。非晶態合金是以金屬鍵作為其結構特征，雖然不存在長程有序，但在幾個晶格常數范圍內保持短程有序。非晶態合金既是結構(或物理)無序，又是成分(或化學)無序。為了區別非晶與微晶，一般定義非晶態合金的短程有序區應小于(1.5±0.1)nm。大塊非晶

28大塊非晶態合金具有優異的綜合力學性能。由于非晶態合金中原子間的鍵合比一般的晶態合金中的強得多，而且合金中不會因為位錯的運動而產生滑移，非晶態合金沒有取向性，因此某些材料具有極高的強度，現有文獻報道鐵基大塊非晶的強度可達3500MPa以上。強度不高的Mg合金獲得非晶結構后其強度可達1000MPa以上。Al基非晶合金的最高強度可達1200MPa，如果可以獲得在非晶基體上彌散著納米尺度的fcc-Al粒子的結構，則強度可達約1550MPa。并且還具有較高的斷裂韌性。其彈性一般是常規晶態材料的數倍。大塊非晶

29大塊非晶還擁有良好的軟磁性能，部分還具有硬磁性能。由于鐵基非晶具有高飽和磁感應強度和低損耗的特點，現代工業多用它制造配電變壓器鐵芯，非晶態鐵芯的空載損耗與硅鋼鐵芯的空載損耗相比降低60％～80％，具有顯著的節能效果。在電力電子工業中非晶軟磁材料作為變壓器鐵芯，高頻開關等電力電子元器件取得了較好的效果。非晶材料作為軟磁材料在電力電子工業中獲得了廣泛而成功的應用。大塊非晶

30大塊非晶還具有超強的抗腐蝕性能，通常認為其抗腐蝕能力是不銹鋼的10倍。此外某些大塊非晶還具有良好的儲氫性能，良好的化學觸媒性能，獨特的電性能，某些合金還具有超導性能。大塊非晶

31大塊非晶

32銅模吸鑄法

銅模吸鑄法是制備塊體非晶合金最常用也是最方便的一種方法。將高純度的組元在氬氣保護下熔化，均勻混合后利用負壓直接吸入循環水冷卻的銅模中。銅模將合金液的熱量迅速轉移，使合金熔體的溫度快速降低至非晶轉變溫度以下凝固形成非晶固體。這種方法冷卻速度快，可得到具有光滑表面和金屬光澤的各種形狀的非晶合金。大塊非晶

33水淬法

水淬法是將合金置于石英管中，將合金熔化后連同石英管一起淬人流動水中，以實現快速冷卻，得到大塊非晶。這種方法有一定的缺點，如石英管加熱容易破裂以及液態金屬與石英管之間會產生氣泡，影響冷卻速率。因此，常用B2O3等包覆劑對母合金進行包裹處理。大塊非晶

34感應加熱銅模澆鑄法

該方法基本原理是將合金置于底端通孔的石英管中，利用感應線圈在合金中產生的渦流加熱使合金迅速熔化。液態合金由于表面張力并不自動滴漏，需要從石英管頂部外加一個正氣壓將其吹入銅模。大塊非晶

35模具移動法

母合金被感應加熱熔化后，向石英管內通人一定壓力的惰性氣體，使熔融的合金液連續注入到以一定速度移動的水冷銅模