凝固成形技术.pptVIP

材料加工新技术与新工艺 2 凝固成形技术 2.1 快速凝固技术 2.2 定向凝固技术 2.1 快速凝固技术 2.1.1 概述 2.1.2 实现快速凝固的条件 2.1.3 线材快速凝固成形 2.1.4 带材快速凝固成形 2.1.5 体材料快速凝固成形 （1）快速凝固技术的历史 ? 1960年，杜韦兹（Duwez）首先创立了一种新型合金的冶金技术 ? “枪”式急冷凝固技术。该技术特点：设法将金属熔体分割成尺寸很小的熔滴，减小熔滴体积和熔滴散热面积之比，从而使熔滴被冷却介质迅速冷却而凝固。如杜韦兹制取Au-Si非晶态合金时，凝固的冷却速度高达106?109K/s，过冷度高达102K数量级，相应的凝固速度可达10?102cm/s，这种冷却速度、过冷度和凝固速度是常规凝固技术所无法达到的。 ? 自从杜韦兹1960年创立快速凝固技术以来，这一技术已经不断完善和系统化，并逐步由实验室研究转向商业生产。 ? 快速凝固技术研究已经经历了三个发展阶段：1960年代的非晶态急冷合金研究、1970年代的快速凝固晶态合金研究和1980年代以后的准晶态/非晶合金研究。 自1973年以后，全世界每年与快速凝固技术或合金有关的论文数量呈指数上升；到1985年，每年发表的有关论文已达1000余篇。 ? 已经召开了6次急冷金属国际会议和3次快速凝固国际会议；1985年，快速凝固学术期刊“Int. J Rapid Solidification”创刊 定义：快速凝固是通过合金熔体的快速冷却或遏制其非均匀形核，使合金在很大的过冷度下发生高生长速率的凝固，由液相到固相的相变过程进行得非常快，从而获得普通铸件和铸锭无法获得的成分、相结构和显微结构的过程。可制备非晶、准晶、微晶和纳米晶合金。 普通铸造与快速凝固的冷却速率与试样尺寸枝晶间距、生长速率之间的对比 （3）快速凝固组织的特征 1）偏析形成倾向减小。随着凝固速度的增大，溶质的分配系数将偏离平衡，实际溶质分配系数总是随着凝固速度的增大趋势近于1，偏析倾向减小。 （4）快速凝固组织的用途 1）获得新的凝固组织，开发新材料。 铁基非晶合金如铁硅合金，具有高饱和磁通密度 、低铁损、低密度和价廉等优点，是制造航空变压器较理想的铁芯材料。 2.1.2 实现快速凝固的条件 两种典型凝固方式： 定向凝固：通过维持一维传导使凝固界面沿逆热流方向推进，完成凝固。 体积凝固：通过对凝固系统缓慢冷却，使液相和固相降温释放的物理热和结晶潜热向四周散失，凝固在整个液相中进行，并随着固相分数的持续增大完成凝固过程。 2.1.2 实现快速凝固的条件 动力学急冷法提高熔体凝固时的传热速率，从而提高凝固时的冷速，使熔体形核时间极短，来不及在平衡熔点附近凝固而只能在远离平衡熔点的较低温度凝固，因而具有很大的凝固过冷度和凝固速率。 快速凝固技术的核心是要提高凝固过程中熔体的冷速，使金属或合金在冷却过程中来不及形核和长大，即从动力学方面抑制晶体的形成。 单向凝固速度的计算公式： 动力学急冷快速凝固技术分类 根据熔体分离和冷却方式不同： 雾化技术：是指采用某种措施将熔体分离雾化，同时通过对流的方式冷凝。 模冷技术：首先将熔体分离成连续或不连续的、界面尺寸很小的熔体流，然后使熔体流与旋转或固定的、导热好的冷模或基底迅速接触而冷却凝固。 表面熔化与沉积技术：用高密度能束扫描工件表面使其表面熔化或把熔滴喷射到工件的表面，然后通过熔体或熔滴向工件或基底内部迅速传热而冷却凝固。 在雾化法、单辊法、双辊法、旋转圆盘法及纺线法等制备非晶、微晶材料制备过程中，试件的尺寸都很小，故凝固层内部热阻可以忽略（即温度均匀），界面散热成为主要控制环节。通过增大散热强度，使液态金属以极快的速度降温，可实现快速凝固。 （2）热力学深过冷（大过冷技术） 消除金属熔体内部形核媒质 ? 分离熔体为熔滴； 2.1.3 线材快速凝固成形 目前，比较成熟的金属线材快速凝固技术包括： 玻璃包覆熔融纺线法 合金熔液注入快冷法 旋转水纺线法 传送带法 （1）玻璃包覆熔融纺线法 合金棒或小块 该方法由Taylor提出，又称Taylor法，通过控制抽拉速度可以获得2～20μm的细线，其冷却速度可达105~106 K/s。 该方法主要用于非晶态纯金属（Cu、Au、Ag、Fe等）线材和Ni基高温合金线材的制备。 采用玻璃包覆熔融纺线法制备非晶合金丝材的技术关键 1）玻璃选材。玻璃软化温度应高出被包覆材料熔点100～200K；玻璃管