第一章快速凝固技术ppt课件

1第第1章章 快速凝固技术快速凝固技术 2前前 言言q快速凝固1960年开始出现q快速凝固是一项新型材料制备技术，既是一种生产手段,又是一种探索新材料的研究方法，受到了普遍的重视q对现有牌号合金，可以显著地改善其组织结构，充分挖掘其性能潜力，也可以研制在常规铸造条件下无法得到的、具有优异性能的新型材料q快速凝固技术和快速凝固合金的研究已成为了材料科学的一个重要分支，并在实际生产中得到了广泛的应用，具有广阔的应用前景q近二、三十年来，不但开拓了一个崭新的学术领域，而且向市场提供了具有特殊性能的新材料3内内 容容快速凝固概论快速凝固概论快速凝固的物理冶金基础快速凝固的物理冶金基础实现快速凝固途径实现快速凝固途径快速凝固制备工艺快速凝固制备工艺快速凝固技术在金属材料中的应用快速凝固技术在金属材料中的应用快速凝固其他新型合金快速凝固其他新型合金4（一）快速凝固发展的由来（一）快速凝固发展的由来1.1 1.1 快速凝固概述快速凝固概述 铸造是冶金生产中重要的工艺手段，除了粉末冶金铸造是冶金生产中重要的工艺手段，除了粉末冶金等方法直接成型产品外，几乎所有的金属制品和构件的等方法直接成型产品外，几乎所有的金属制品和构件的生产都离不开铸造。生产都离不开铸造。工业铸造55铸造工艺、铸件的微观组织、结构和性能都会对后续铸造工艺、铸件的微观组织、结构和性能都会对后续加工的进行和最终产品的质量产生重要的甚至是决定性的影加工的进行和最终产品的质量产生重要的甚至是决定性的影响。响。常规铸造中铸件的凝固时间一般很长，凝固过冷度很常规铸造中铸件的凝固时间一般很长，凝固过冷度很小。小。常规铸锭66合金凝固时的晶粒尺寸等微观组织与凝固冷速或过冷合金凝固时的晶粒尺寸等微观组织与凝固冷速或过冷度直接相关，用常规铸造工艺生产的铸件不可避免产生一度直接相关，用常规铸造工艺生产的铸件不可避免产生一系列系列铸造缺陷铸造缺陷：容易形成粗大的树枝晶，并产生严重的晶内偏析与晶容易形成粗大的树枝晶，并产生严重的晶内偏析与晶界偏析；界偏析；在较大的铸锭与铸件中，熔体先从相对温度较低、传在较大的铸锭与铸件中，熔体先从相对温度较低、传热较快、与模壁接触的外层开始凝固并相应出现溶质分配热较快、与模壁接触的外层开始凝固并相应出现溶质分配，最后凝固的心部富含溶质元素与低熔点杂质元素，从而，最后凝固的心部富含溶质元素与低熔点杂质元素，从而在较大尺度上出现宏观偏析。在较大尺度上出现宏观偏析。77采用常规铸造工艺还容易出现缩孔、疏松、气泡、热应力等采用常规铸造工艺还容易出现缩孔、疏松、气泡、热应力等铸造缺陷，它们也会对铸锭或铸件的性能产生有害影响；铸造缺陷，它们也会对铸锭或铸件的性能产生有害影响；合金元素含量高时（特别是比重小、粘度高、扩散能力差的合金元素含量高时（特别是比重小、粘度高、扩散能力差的合金元素）会降低熔体的流动性、充型能力和导热性，上述合金元素）会降低熔体的流动性、充型能力和导热性，上述问题更严重。问题更严重。常规铸造中的缺陷：缩孔和缩松88这些问题不仅使现有牌号合金的铸造质量和性能很难这些问题不仅使现有牌号合金的铸造质量和性能很难得到保证，还限制了新型合金材料的研制。得到保证，还限制了新型合金材料的研制。镍基铸造高温合金镍基铸造高温合金：为进一步提高合金的热强度：为进一步提高合金的热强度与工作温度，必须增加合金中与工作温度，必须增加合金中AlAl、TiTi含量以增加弥散强化相含量以增加弥散强化相(Ni3A1)(Ni3A1)的含量，并提高的含量，并提高的固溶温度，但常规铸造工艺下的固溶温度，但常规铸造工艺下这将产生一些无法解决的问题。这将产生一些无法解决的问题。高温镍基合金99Fe-Si软磁合金软磁合金：含：含SiSi较高的较高的Fe-6.5wtFe-6.5wtSiSi合金的软磁性能合金的软磁性能比含比含SiSi少的合金好，但采用常规铸造工艺无法将少的合金好，但采用常规铸造工艺无法将Fe-6.5wtFe-6.5wtSiSi合金热轧成合金热轧成0.3mm0.3mm厚的芯片，只能采用铸造和加工性能较好的厚的芯片，只能采用铸造和加工性能较好的Fe-3wtFe-3wtSiSi合金制作变压器芯片，使变压器性能受到很大影响合金制作变压器芯片，使变压器性能受到很大影响。铁硅软磁合金1010只有突破传统工艺的限制，采用新的技术才有可能只有突破传统工艺的限制，采用新的技术才有可能研制出少含甚至不含这些战略元素的新型合金。研制出少含甚至不含这些战略元素的新型合金。在研制新型合金材料的过程中，人们不仅从单纯的在研制新型合金材料的过程中，人们不仅从单纯的调整改变合金成分着手，也把研究生产合金的新技术提调整改变合金成分着手，也把研究生产合金的新技术提上了议事日程。上了议事日程。快速凝固技术快速凝固技术正是在这样的背景下出现并很快得正是在这样的背景下出现并很快得到了迅速的发展。到了迅速的发展。1111常规铸造合金出现晶粒粗大、偏析严重、铸造性能不好等常规铸造合金出现晶粒粗大、偏析严重、铸造性能不好等严重缺陷的主要原因是合金凝固时的过冷度和凝固速度很小。严重缺陷的主要原因是合金凝固时的过冷度和凝固速度很小。要消除铸造合金存在的这些缺陷，核心是要提高形核凝固要消除铸造合金存在的这些缺陷，核心是要提高形核凝固时的过冷度，从而提高凝固速度：时的过冷度，从而提高凝固速度：提高凝固传热速度提高凝固传热速度急冷凝固技术或熔体淬火技术急冷凝固技术或熔体淬火技术；提供近似均匀形核的条件提供近似均匀形核的条件大过冷技术。大过冷技术。12定义定义1 1：从液态到固态的冷却速度大于某一临界冷却速率的：从液态到固态的冷却速度大于某一临界冷却速率的凝固过程（凝固过程（10105 5/s/s）。）。定义定义2 2：由液相到固相的相变过程进行得非常快，从而获得：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凝固过普通铸件和铸锭无法获得的成分、相结构和显微结构的凝固过程。程。定义定义3 3：快速凝固是指采用急冷技术或深过冷技术获得很高：快速凝固是指采用急冷技术或深过冷技术获得很高的凝固前沿推进速率的凝固过程。的凝固前沿推进速率的凝固过程。快速凝固的定义1313（1）细化凝固组织，使晶粒细化。）细化凝固组织，使晶粒细化。快速凝固合金的微观组织一般随着离冷却介质距离快速凝固合金的微观组织一般随着离冷却介质距离的增加，依次为等轴晶、柱状晶与树枝晶。的增加，依次为等轴晶、柱状晶与树枝晶。快速凝固材料的主要微观组织不同冷却方式制备NdFeB铸锭的几何形貌（a）传统冷却方式（b）单向强制水冷方式（c）双向强制水冷方式(a)(b)(c)1414(c)(b)(a)不同冷却方式制备NdFeB铸锭的显微组织形貌（a）传统冷却方式（b）单向强制水冷方式（c）双向强制水冷方式1515 快速凝固合金的晶粒尺寸很小，而且十分均匀，一般平快速凝固合金的晶粒尺寸很小，而且十分均匀，一般平均晶粒尺寸为均晶粒尺寸为mm左右，左右，快速凝固时过冷度较大，大大提高形核率；快速凝固时过冷度较大，大大提高形核率；极短的凝固时间又使晶粒不可能充分长大；极短的凝固时间又使晶粒不可能充分长大；用熔淬法制取的快速凝固样品中，晶粒直径可小至纳米量级用熔淬法制取的快速凝固样品中，晶粒直径可小至纳米量级 快速凝固晶态合金的晶粒尺寸明显减小的同时，快速凝固晶态合金的晶粒尺寸明显减小的同时，相、有相、有序畴序畴等其它微观组织尺寸与常规铸态合金相比也有较大幅度等其它微观组织尺寸与常规铸态合金相比也有较大幅度的减小。的减小。1616（2）快速凝固可使合金成分均匀化，偏析减小。）快速凝固可使合金成分均匀化，偏析减小。凝固时间极短，凝固时溶质分配很少，成分偏析也相应显凝固时间极短，凝固时溶质分配很少，成分偏析也相应显著减小，合金的成分不均匀程度或偏析程度大大减小。著减小，合金的成分不均匀程度或偏析程度大大减小。快速凝固材料的主要微观组织1717通常用树枝晶偏析的二次枝晶臂间距通常用树枝晶偏析的二次枝晶臂间距作为成分偏析范围标作为成分偏析范围标志，快速凝固合金由于晶粒细化，偏析范围从铸态合金志，快速凝固合金由于晶粒细化，偏析范围从铸态合金的几毫米到几十微米减小到的几毫米到几十微米减小到0.10-0.25m0.10-0.25m。冷速（冷速（K/s）凝固工艺凝固工艺产品厚度产品厚度10-6-10-3大砂模铸件或铸锭大砂模铸件或铸锭6m0.5-5mm10-3-10标准铸件或铸锭标准铸件或铸锭0.2-6m50-500m10-103常规模铸或雾化常规模铸或雾化6-20mm5-50m103-106快速凝固雾化快速凝固雾化0.2-6mm0.5-5m106-109熔淬熔淬6-200m0.05-0.5m常规铸态合金和快速凝固合金的冷速和平均枝晶臂间距常规铸态合金和快速凝固合金的冷速和平均枝晶臂间距1818（3）快速凝固使合金缺陷密度增加）快速凝固使合金缺陷密度增加与铸态合金相比，快速凝固合金中的与铸态合金相比，快速凝固合金中的空位、位错空位、位错等缺陷密等缺陷密度有较大增加。度有较大增加。液态合金中空位形成能比固态合金的空位形成能小得多，液态合金中空位形成能比固态合金的空位形成能小得多，其空位浓度比固态合金高得多，快速凝固时大部分空位来不及其空位浓度比固态合金高得多，快速凝固时大部分空位来不及析出而留在固态合金中；析出而留在固态合金中；由于凝固速度很高，晶体长大中也容易形成空位，因而快由于凝固速度很高，晶体长大中也容易形成空位，因而快速凝固合金一般有很高的空位浓度。速凝固合金一般有很高的空位浓度。快速凝固材料的主要微观组织1919合金在快速凝固过程中受到较大的热应力，空位聚合金在快速凝固过程中受到较大的热应力，空位聚集形成位错环，这些因素都使快速凝固合金中的位错密集形成位错环，这些因素都使快速凝固合金中的位错密度比一般铸态合金增加很多。度比一般铸态合金增加很多。此外，快速凝固合金的层错密度也很高。此外，快速凝固合金的层错密度也很高。这些特点对合金的溶质扩散，相变以及性能都会产这些特点对合金的溶质扩散，相变以及性能都会产生重要影响。生重要影响。2020（4 4）快速凝固使合金中形成新的亚稳相。）快速凝固使合金中形成新的亚稳相。亚稳相是指在一定的温度、压力、成分等状态条件下吉布斯亚稳相是指在一定的温度、压力、成分等状态条件下吉布斯自由能比稳定相或平衡相高的相，但亚稳相不会在任意小的能量自由能比稳定相或平衡相高的相，但亚稳相不会在任意小的能量起伏作用下自发转变成稳定相或其它亚稳相，而是必须在外界环起伏作用下自发转变成稳定相或其它亚稳相，而是必须在外界环境作用下经过热激活越过势垒才能转变成稳定相或其它亚稳相。境作用下经过热激活越过势垒才能转变成稳定相或其它亚稳相。亚稳相的特点在于它既偏离稳定相又偏离不稳定相亚稳相的特点在于它既偏离稳定相又偏离不稳定相并能在一定的条件下较长时间保持不变并能在一定的条件下较长时间保持不变。快速凝固材料的主要微观组织2121利用从稳定相利用从稳定相亚稳相亚稳相稳定相稳定相的相变过程，在不的相变过程，在不用改变合金成分的条件下可以使稳定相用改变合金成分的条件下可以使稳定相I I的微观组织形态得到的微观组织形态得到很大改善，提高合金的性能，这比设计、研制一种新成分的很大改善，提高合金的性能，这比设计、研制一种新成分的合金容易得多。合金容易得多。金属材料中的许多亚稳相都具有稳定相所没有的优良微金属材料中的许多亚稳相都具有稳定相所没有的优良微观组织结构和性能，观组织结构和性能，只要在使用状态下不存在使亚稳相只要在使用状态下不存在使亚稳相稳定化转变的热激活条件，就可以长期使用主要由亚稳定化转变的热激活条件，就可以长期使用主要由亚稳相组成的材料稳相组成的材料。22（1 1）力学性能。）力学性能。由于快速凝固组织具有良好的晶界强化和韧化作用，由于快速凝固组织具有良好的晶界强化和韧化作用，而且成分均匀、偏析减小、固溶度增大以及亚稳相产生，因而且成分均匀、偏析减小、固溶度增大以及亚稳相产生，因而改善了合金的强度、韧性和延性。而改善了合金的强度、韧性和延性。（2 2）物理性能。）物理性能。快速凝固组织的微观组织结构特点，使它们具有一些快速凝固组织的微观组织结构特点，使它们具有一些常规铸态组织所没有的特殊物理性能。常规铸态组织所没有的特殊物理性能。快速凝固的性能特点23快速凝固的条件快速凝固的条件实现液态金属快速凝固的最重要条件，是要求液实现液态金属快速凝固的最重要条件，是要求液/固固相变时有极高的相变时有极高的热导出速度热导出速度。依靠辐射散热，对于直径为依靠辐射散热，对于直径为1m1m，温度为，温度为10001000的的金属液滴，获得的极限冷却速率只有金属液滴，获得的极限冷却速率只有103K/s103K/s，可见冷却，可见冷却速度不高；速度不高；通过对流传热，将导热良好的氢或氦以高速流过厚通过对流传热，将导热良好的氢或氦以高速流过厚度为度为5m5m的试样，获得的极限冷速为的试样，获得的极限冷速为1 11010424210104 4 K/s K/s；要获得高于要获得高于10106 6 K/s K/s的冷速，只能借助于热传导。的冷速，只能借助于热传导。24用热传导方法获得高的凝固速率的条件是：用热传导方法获得高的凝固速率的条件是：液体金属与铸型表面必须液体金属与铸型表面必须良好接触良好接触；液体层必须很液体层必须很薄薄；液体与铸型表面从开始接触至凝固完了时间要尽可液体与铸型表面从开始接触至凝固完了时间要尽可能能短短。251.2 1.2 快速凝固的物理冶金基础快速凝固的物理冶金基础 （a）定向凝固 (b)体积凝固 图1-1 两种典型的凝固方式q1-自液相导人凝固界面的热流密度；q2-自凝固界面导人固相的热流密；Q-铸件向铸型散热热量 26（一）定向凝固过程的传热定向凝固过程的传热213qqq 热流密度热流密度q1q1和和q2q2与结晶潜热释放率之间满足热平衡方程与结晶潜热释放率之间满足热平衡方程:（1-1）27 根据傅里叶导热定律知根据傅里叶导热定律知1LTLqG（1-2）2STSqG（1-3）3ssqhv（1-4）式中式中,L L,S S分别为液相和固相的分别为液相和固相的导热率导热率G GTLTL,G,GTSTS分别为分别为凝固界面附近液和凝固界面附近液和固相中固相中的温度梯度；的温度梯度；h h为结晶潜热，为结晶潜热，也也称为凝固称为凝固潜热；潜热；V VS S为凝固速度；为凝固速度；S S为固为固相相密度密度。28 将式（将式（1-21-2）至式（）至式（1-41-4）带入式（）带入式（1-11-1）则可求得凝固速）则可求得凝固速度为：度为：STSLTLSSGGvh（1-5）（1-5）29（二）体积凝固过程的传热体积凝固过程的传热假定液相在凝固过程中内部热阻可忽略不计，温度始终是均假定液相在凝固过程中内部热阻可忽略不计，温度始终是均匀的，凝固过程释放的热量通过铸型均匀散出，其热平衡条匀的，凝固过程释放的热量通过铸型均匀散出，其热平衡条件可表示为件可表示为123QQQ (1-6)式中式中,Q,Q1 1为铸型吸收的热量为铸型吸收的热量;Q;Q2 2为铸件降温释放的物理热为铸件降温释放的物理热;Q;Q3 3为凝固过程放出的结晶潜热；为凝固过程放出的结晶潜热；30 Q Q1 1，Q Q2 2，Q Q3 3可如下求出可如下求出 式中，式中，A A为铸型与铸件的界面面积；为铸型与铸件的界面面积；q q为界面热流密度；为界面热流密度；V VC C为冷为冷却速度却速度 ，为负值；为负值；V VSVSV为体积凝固速度，为体积凝固速度，；V V为铸件体积；为铸件体积；h h为结晶潜热；为结晶潜热；S S、L L、分别为固相密度、液分别为固相密度、液相密度及平均密度；相密度及平均密度；C CS S、C CL L分别为固相、液相的质量热容；分别为固相、液相的质量热容；分别为固相体积分数和液相体积分数。分别为固相体积分数和液相体积分数。1QqA (1-7)2()CSSSLL LQvVCC3SVQv Vh (1-8)(1-9)/CvdT d/SVSvddSL、31 近似取近似取 ,并并且已知且已知 则由式（则由式（1-61-6）至式）至式 （1-91-9）可得出）可得出:SLSLCCC1SL+()SVCqvhcvM(1-10)/MVA式中，式中，为铸件模数。为铸件模数。321 1、急冷法（熔体急冷技术）、急冷法（熔体急冷技术）凝固速率凝固速率是由凝固是由凝固潜热潜热及物理热的及物理热的导出导出速率控制的。速率控制的。通过提高铸型的通过提高铸型的导热能力导热能力，增大热流的导出速率增大热流的导出速率可使凝可使凝固界面快速推进，实现快速凝固。固界面快速推进，实现快速凝固。在忽略液相过热的条件下，单向凝固速率在忽略液相过热的条件下，单向凝固速率R取决于固相取决于固相中的温度梯度中的温度梯度GS。1.3 1.3 实现快速凝固的途径实现快速凝固的途径33 （1-11）式中式中 S 固相热导率；固相热导率；h 凝固潜热；凝固潜热；s 固相密度；固相密度；GS 温度梯度，由凝固层的厚度温度梯度，由凝固层的厚度和铸件和铸件/铸型的界面铸型的界面温度温度Ti决定的。决定的。hGRSSS单向凝固速率与导热条件的关系单向凝固速率与导热条件的关系 凝固层厚度凝固层厚度 Ti铸件铸件/铸型界面温度铸型界面温度 TK 凝固界面温度凝固界面温度34对凝固层内的温度分布作线性近似，则得出对凝固层内的温度分布作线性近似，则得出 提高凝固速率：提高凝固速率：选用选用热导率热导率S大的铸型材料（如纯铜）；大的铸型材料（如纯铜）；对铸型强制冷却以降低铸型对铸型强制冷却以降低铸型/铸件界面温度铸件界面温度Ti凝固层；凝固层；内部热阻（内部热阻（/S）随凝固层厚度）随凝固层厚度的增大而迅速提高，导的增大而迅速提高，导致凝固速率下降。致凝固速率下降。因此，快速凝固只能在因此，快速凝固只能在小尺寸试件小尺寸试件中实现。中实现。iKsSTThR351 12 23 34 45 56 67 78 89 91 1 0 0 图图1-2急冷模法示意图急冷模法示意图1-真空出口；真空出口；2-绝热冷却剂容器；绝热冷却剂容器；3-冷却池；冷却池；4-铜模；铜模；5-模穴；模穴；6-垫圈；垫圈；7-基板；基板；8-压紧螺帽；压紧螺帽；9-射入管；射入管；10-铝箔铝箔36急冷凝固技术的基本原理急冷凝固技术的基本原理或改变熔体形状，或分散熔体，避免大量熔化潜热集中释放，并改善熔体与冷却或改变熔体形状，或分散熔体，避免大量熔化潜热集中释放，并改善熔体与冷却介质的热接触状况，实现快速热交换，并散热，达到介质的热接触状况，实现快速热交换，并散热，达到快冷和快凝的目的快冷和快凝的目的 。急冷凝固技术的设备组成急冷凝固技术的设备组成熔化合金熔化合金传出熔体热量传出熔体热量熔化装置熔化装置冷却装置冷却装置分离装置分离装置在时间或空间上在时间或空间上“分割分割”熔体熔体冶炼炉冶炼炉铸模铸模急冷急冷 凝固凝固常规常规 铸造铸造B是急冷设备的核心，对冷速起关键作用是急冷设备的核心，对冷速起关键作用在时间上有时也在时间上有时也“分割分割”熔体，但熔体，但“分割分割”不强烈，熔化潜热多集中释不强烈，熔化潜热多集中释放放在不同的急冷方法中，在不同的急冷方法中，B可与可与A和和C组合（离心雾化法、熔体旋转法），也可仅与组合（离心雾化法、熔体旋转法），也可仅与C组合（熔体提取法）组合（熔体提取法）ABC37急冷凝固技术中获得高冷速的基本原则设法减少同一时刻凝固的熔体体积设法减少同一时刻凝固的熔体体积设法增大熔体散热表面积与体积之比设法增大熔体散热表面积与体积之比设法减少熔体与热传导性能好的冷却介质的界面热阻设法减少熔体与热传导性能好的冷却介质的界面热阻尽可能主要以传导方式散热尽可能主要以传导方式散热382 2、深过冷法、深过冷法指通过各种有效的净化手段避免或消除金属或合金液中的异指通过各种有效的净化手段避免或消除金属或合金液中的异质晶核的形核作用，增加临界形核功，使得液态金属或合金质晶核的形核作用，增加临界形核功，使得液态金属或合金液获得在常规凝固条件下难以达到的过冷度。液获得在常规凝固条件下难以达到的过冷度。上述快速凝固是通过提高热传导速率实现的，由于试样内部上述快速凝固是通过提高热传导速率实现的，由于试样内部热阻的限制，只能在薄膜及热阻的限制，只能在薄膜及小尺寸小尺寸颗粒中实现。颗粒中实现。39大尺寸试件快速凝固大尺寸试件快速凝固?唯一途径唯一途径-降低凝固过程中的潜热导出量降低凝固过程中的潜热导出量 通过通过抑制抑制凝固过程的凝固过程的形核形核，使合金液获得很大的过，使合金液获得很大的过冷度，使凝固过程释放的潜热冷度，使凝固过程释放的潜热hh被过冷熔体吸收，可被过冷熔体吸收，可以获得很大的凝固速率。以获得很大的凝固速率。过冷度为过冷度为TTS S的熔体凝固时需要导出的实际潜热的熔体凝固时需要导出的实际潜热hh可表示为可表示为：STchh40 在式中用在式中用h取代取代h可知，可知，凝固速率随过冷度凝固速率随过冷度TS的增大的增大而增大而增大。当当h=0，即，即时，时，凝固潜热完全被过冷熔体所吸收凝固潜热完全被过冷熔体所吸收，试件可在无热流导，试件可在无热流导出的条件下完成凝固过程。出的条件下完成凝固过程。由上式所定义的过冷度由上式所定义的过冷度TS称为称为单位过冷度单位过冷度。经过经过特殊净化处理特殊净化处理的大体积液态金属的快速凝固等都是深的大体积液态金属的快速凝固等都是深过冷快速凝固技术的范例。过冷快速凝固技术的范例。chTTSS*413 3、定向凝固法、定向凝固法l定向凝固定向凝固是使熔融合金沿着与热流方向相反的方向按要是使熔融合金沿着与热流方向相反的方向按要求的结晶取向凝固的一种铸造工艺。求的结晶取向凝固的一种铸造工艺。l定向凝固的必备条件：定向凝固的必备条件：1）热流向单一方向流动并垂直于生长中的固）热流向单一方向流动并垂直于生长中的固-液界面液界面 2）晶体生长前方的溶液中没有稳定的结晶核心）晶体生长前方的溶液中没有稳定的结晶核心l措施：措施：1）避免侧向散热；）避免侧向散热；2）靠近固液界面的溶液中有较大的温度梯度。）靠近固液界面的溶液中有较大的温度梯度。421.4 1.4 快速凝固制备工艺快速凝固制备工艺1.4.1 1.4.1 雾化技术雾化技术 （一）流体雾化（一）流体雾化 （二）离心雾化技术（二）离心雾化技术 （三）机械雾化技术（三）机械雾化技术 （四）其它雾化技术（四）其它雾化技术 43基本原理：基本原理：将连续的金属熔体在离心力、机械力或高速流体将连续的金属熔体在离心力、机械力或高速流体(气体或液体气体或液体)冲击力等外力作用下分散破碎成尺寸极细小的冲击力等外力作用下分散破碎成尺寸极细小的雾化熔滴，并使熔滴在与流体或冷模接触中迅速冷却凝固，雾化熔滴，并使熔滴在与流体或冷模接触中迅速冷却凝固，凝固后成呈粉末。凝固后成呈粉末。雾化法不是一个很新颖的技术，但却是工业生产中最常见的雾化法不是一个很新颖的技术，但却是工业生产中最常见的快凝方法快凝方法。雾化技术44气体雾化法、水雾化法、超声气体雾化法、紧偶合气体雾化法、气体雾化法、水雾化法、超声气体雾化法、紧偶合气体雾化法、高速旋转筒雾化法、滚筒雾化法、穿孔旋转杯法、旋转离心雾高速旋转筒雾化法、滚筒雾化法、穿孔旋转杯法、旋转离心雾化法、快速凝固雾化法、真空雾化法、旋转电极雾化法、双轧化法、快速凝固雾化法、真空雾化法、旋转电极雾化法、双轧辊雾化法、电辊雾化法、电流体力学雾化法、火花电蚀雾化法流体力学雾化法、火花电蚀雾化法主要工艺方法：主要工艺方法：（根据熔炼方法、分离方式、冷却介质和冷却（根据熔炼方法、分离方式、冷却介质和冷却形式不尽相同）形式不尽相同）产品形式：产品形式：粉末、碎片、箔片粉末、碎片、箔片451、气体雾化法、气体雾化法过程：两束或多束气体射流介质传递过程：两束或多束气体射流介质传递动能，将金属液流破碎，细小的液滴在动能，将金属液流破碎，细小的液滴在飞行中通过对流或辐射散热凝固成粉飞行中通过对流或辐射散热凝固成粉（一）流体雾化（一）流体雾化工艺参数：射流距离、射流压力、喷工艺参数：射流距离、射流压力、喷嘴结构、气体和金属流速和质量流率、嘴结构、气体和金属流速和质量流率、金属过热度、气液交汇角、金属表面张金属过热度、气液交汇角、金属表面张力和金属融化温度范围力和金属融化温度范围应用：高合金钢、铝合金、超合金、应用：高合金钢、铝合金、超合金、钛合金等（活泼金属粉末采用惰性气体钛合金等（活泼金属粉末采用惰性气体雾化）雾化）粉末多成球形。凝固冷速取决于颗粒粉末多成球形。凝固冷速取决于颗粒尺寸和雾化介质的类型，通常，尺寸愈尺寸和雾化介质的类型，通常，尺寸愈小，气体愈轻，冷速愈高小，气体愈轻，冷速愈高462、水雾化法（、水雾化法（Water Atomization）以水射流代替气体射流外，以水射流代替气体射流外，其余与气体雾化相似其余与气体雾化相似 颗粒多呈不规则形，但冷速颗粒多呈不规则形，但冷速可达可达10102 2-10-104 4K/sK/s 已被大规模应用于工具钢、已被大规模应用于工具钢、低合金钢、铜、锡、铁粉等等低合金钢、铜、锡、铁粉等等（水雾化钢和超合金（水雾化钢和超合金,活泼元活泼元素易氧化，素易氧化，O%1000ppmO%1000ppm，而，而气体雾化，气体雾化，O%100ppmO%100ppm）有时，）有时，也可以油代水，以降也可以油代水，以降O%O%473、超声气体雾化法（、超声气体雾化法（Ultra-sonic Gas Atomization）是气体雾化法之一，方法类似于普通是气体雾化法之一，方法类似于普通气体雾化，只不过是雾化气体射流速度气体雾化，只不过是雾化气体射流速度高，最高达高，最高达2.52.5马赫，而且声波频率高，马赫，而且声波频率高，达达80100kHz80100kHz；(常规气体雾化射流以连常规气体雾化射流以连续方式流动，而超声雾化射流则以续方式流动，而超声雾化射流则以80-80-100Hz100Hz的频率振动。的频率振动。)高速高频气流由装配在雾化喷嘴上的高速高频气流由装配在雾化喷嘴上的激波管产生激波管产生 可有效破碎液流，粉末更细（平均约可有效破碎液流，粉末更细（平均约20m20m），粒度均匀（尺寸分布窄），），粒度均匀（尺寸分布窄），平均冷速可达平均冷速可达105 K/s105 K/s 可以成功地用于生产铝、超合金、可以成功地用于生产铝、超合金、Ti-AlTi-Al粉粉 48（二）（二）离心雾化技术离心雾化技术l液态金属在高速旋转的容器（盘、杯、坩埚、平板或凹板）的边缘上破液态金属在高速旋转的容器（盘、杯、坩埚、平板或凹板）的边缘上破碎、雾化的技术。液态金属从坩埚或从熔化的母合金棒端浇注到旋转器上，碎、雾化的技术。液态金属从坩埚或从熔化的母合金棒端浇注到旋转器上，在离心力的作用下，熔融金属被甩向容器边缘雾化，喷射出金属雾滴，雾在离心力的作用下，熔融金属被甩向容器边缘雾化，喷射出金属雾滴，雾滴在飞行过程中球化并凝固。整个过程（熔化、雾化、凝固）在惰性气体滴在飞行过程中球化并凝固。整个过程（熔化、雾化、凝固）在惰性气体环境中完成环境中完成491、快速凝固雾化法、快速凝固雾化法l液流自坩埚底浇至高速旋转的水冷液流自坩埚底浇至高速旋转的水冷水平盘，液态金属被机械打碎、雾化，水平盘，液态金属被机械打碎、雾化，从旋转盘边缘甩出，液滴在飞行过程从旋转盘边缘甩出，液滴在飞行过程中凝固中凝固 旋转离心雾化的一种，又称旋转离心雾化的一种，又称l可加氦气流喷吹，加速冷却，（水可加氦气流喷吹，加速冷却，（水流等亦然），也防氧化。也有人已螺流等亦然），也防氧化。也有人已螺旋桨代平盘旋桨代平盘 l粉末多呈球形，尺寸约粉末多呈球形，尺寸约20-80m20-80m，冷速冷速10104 4-10-106 6K/sK/s l已用于制备镍、铝、钛和超合金粉已用于制备镍、铝、钛和超合金粉 502、离心雾化法、离心雾化法l静止电极和带电旋转坩静止电极和带电旋转坩埚之间产生电弧，熔化金埚之间产生电弧，熔化金属属 l在离心力作用下，熔融在离心力作用下，熔融金属被甩出坩埚边缘雾化，金属被甩出坩埚边缘雾化，并喷射出金属液态颗粒并喷射出金属液态颗粒 513、激光自旋雾化、激光自旋雾化l与与Pratt&Whitney工艺相似，只是采用高能激光束熔化快工艺相似，只是采用高能激光束熔化快速转动的料棒，靠离心力甩出的在碰到容器壁之前被氦气流速转动的料棒，靠离心力甩出的在碰到容器壁之前被氦气流冷却。通过控制旋转速率和气流，可得不同直径、冷速的粉冷却。通过控制旋转速率和气流，可得不同直径、冷速的粉末末 l液滴多凝固成球形颗粒，也会有以针状物形式存在。液滴多凝固成球形颗粒，也会有以针状物形式存在。m粉冷速达粉冷速达 l已用于生产钛合金粉已用于生产钛合金粉 l优点在于：高能激光束产生高过热度，可使第二相颗粒充分优点在于：高能激光束产生高过热度，可使第二相颗粒充分溶解；区域性熔化，雾化中的污染可限制到最低水平溶解；区域性熔化，雾化中的污染可限制到最低水平 524、旋转电极雾化法、旋转电极雾化法l欲被雾化的棒料快速旋转，同时棒料一欲被雾化的棒料快速旋转，同时棒料一端被一个非自耗钨电极产生的电弧熔化，端被一个非自耗钨电极产生的电弧熔化，融化的金属从旋棒上甩出，在与惰性气融化的金属从旋棒上甩出，在与惰性气体室室壁碰撞之前凝固，成粉体室室壁碰撞之前凝固，成粉 l粉末多呈球形，表面质量好，尺寸大，粉末多呈球形，表面质量好，尺寸大，大于大于200m200m，冷速，冷速1010 l已用于雾化活泼的金属，如高纯、低氧已用于雾化活泼的金属，如高纯、低氧的、等金属的、等金属及其合金，以及和的超合金。及其合金，以及和的超合金。易出现钨污染，可用钛阴极或等离子体易出现钨污染，可用钛阴极或等离子体弧、激光、电子束来熔化棒料弧、激光、电子束来熔化棒料 535、穿孔旋转杯法、穿孔旋转杯法l熔融金属浇至一个旋转深熔融金属浇至一个旋转深杯中，杯四周穿孔，离心力杯中，杯四周穿孔，离心力使熔融金属穿过孔洞流出，使熔融金属穿过孔洞流出，在飞行中破碎，凝固在飞行中破碎，凝固 l粉末多呈米粒形，针状，粉末多呈米粒形，针状，冷速低，只有冷速低，只有 l已可连续生产板材，多用已可连续生产板材，多用于生产低熔点合金板，如铝、于生产低熔点合金板，如铝、铅、锌等铅、锌等 541、双轧辊雾化法、双轧辊雾化法 利用两个反向高速旋转辊轮将利用两个反向高速旋转辊轮将金属液流雾化。经过双辊时需金属液流雾化。经过双辊时需防凝固（用碳涂层包裹两辊），防凝固（用碳涂层包裹两辊），液态金属从辊下方排出，形成液态金属从辊下方排出，形成涡凹，并以液滴形式甩出，并涡凹，并以液滴形式甩出，并迅速落入水浴，凝固迅速落入水浴，凝固 将熔体液流在两个反向旋转的导热轧辊之间轧制，熔体液流垂直下落在两辊之间，将熔体液流在两个反向旋转的导热轧辊之间轧制，熔体液流垂直下落在两辊之间，可制备可制备mm的薄片，冷速达的薄片，冷速达。精控工艺参数，可制备非。精控工艺参数，可制备非常长的薄带常长的薄带（三）机械雾化技术（三）机械雾化技术 冷速达冷速达，可制备金属薄片、箔以及不规可制备金属薄片、箔以及不规则或球形颗粒。效率低则或球形颗粒。效率低 551、真空雾化法、真空雾化法（Vacuum Atomization）又称可溶气体雾化又称可溶气体雾化l坩埚内液态金属在压力下过坩埚内液态金属在压力下过饱和溶解气体（氮、氩、氢饱和溶解气体（氮、氩、氢等），突然向真空开放，气体等），突然向真空开放，气体膨胀，脱溶，金属雾化膨胀，脱溶，金属雾化（四）其它雾化技术（四）其它雾化技术 l用氢雾化、用氢雾化、o o、和基合金，粉末多呈和基合金，粉末多呈球形，表面洁净，纯度高，但球形，表面洁净，纯度高，但冷速低，冷速低，562 2、电子束急冷法（）、电子束急冷法（）慢速旋转的柱状棒料由几束电子束逐滴熔慢速旋转的柱状棒料由几束电子束逐滴熔化，液滴滴入旋转盘中央，甩出，撞水冷铜化，液滴滴入旋转盘中央，甩出，撞水冷铜模，急冷，折射模，急冷，折射有时也称电子束旋转盘法，把归属于雾化技术有时也称电子束旋转盘法，把归属于雾化技术电子束急冷法，控制基底角度和旋转速度，电子束急冷法，控制基底角度和旋转速度，使液滴落入旋转盘后，在高角速度和离心力使液滴落入旋转盘后，在高角速度和离心力的作用下，拉长成薄片的作用下，拉长成薄片电子束急冷法不需要任何形式的坩埚，是电子束急冷法不需要任何形式的坩埚，是在真空条件下用电子束聚焦后加热垂直悬挂在真空条件下用电子束聚焦后加热垂直悬挂的合金棒下端，被加热的部分熔化后在重力的合金棒下端，被加热的部分熔化后在重力作用下滴到沿合金棒为轴心的高速旋转的铜作用下滴到沿合金棒为轴心的高速旋转的铜盘上冷凝成箔片，并在离心力作用下甩出。盘上冷凝成箔片，并在离心力作用下甩出。可避免合金污染可避免合金污染箔片厚度与冷速主要由铜盘旋转速率决定。片厚和冷速可通过转速来控箔片厚度与冷速主要由铜盘旋转速率决定。片厚和冷速可通过转速来控制，典型冷速可达制，典型冷速可达，甚至达，甚至达10107 7/s /s 573 3、高速旋转筒雾化法（、高速旋转筒雾化法（Rapidly Spinning Cup,RSCRapidly Spinning Cup,RSC）又称快速自旋杯法又称快速自旋杯法l熔融金属颗粒落入装了旋转液体（水）的杯中，液体在内壁成液体层，熔融金属颗粒落入装了旋转液体（水）的杯中，液体在内壁成液体层，提高冷速，兼雾化器作用提高冷速，兼雾化器作用l粉末尺寸分布范围窄，细粉多，呈球形，表面质量好。冷速可达粉末尺寸分布范围窄，细粉多，呈球形，表面质量好。冷速可达-581.4.2 1.4.2 液态急冷法液态急冷法 将液流喷到辊轮的内表面或辊轮的外表面或板带的外表面来获得条带材料。单辊法单辊法 （1）自由喷射溶液自旋法；（）自由喷射溶液自旋法；（2）平面流铸法。）平面流铸法。591 12 23 34 45 56 67 7氩氩气气氩气氩气3 34 48 87 76 6()自由喷射熔液自旋工艺自由喷射熔液自旋工艺 ()平面流铸工艺平面流铸工艺图图1-3 自由喷射熔液自旋工艺和平面流铸工艺原理示意图自由喷射熔液自旋工艺和平面流铸工艺原理示意图1-压力计；压力计；2-排气阀；排气阀；3-坩埚；坩埚；4-感应加热线圈；感应加热线圈；5-合金液；合金液；6-金属薄带；金属薄带；7-淬冷辊轮；淬冷辊轮；8-喷嘴喷嘴602 21 13 34 45 56 6I Ic cH HA Au ud d2 21 13 34 45 56 6()自由喷射熔液自旋工艺自由喷射熔液自旋工艺 ()平面流铸工艺平面流铸工艺图图1-4 自由喷射熔液自旋工艺和平面流铸工艺形成的熔潭示意图自由喷射熔液自旋工艺和平面流铸工艺形成的熔潭示意图61 平面流铸法的特点：平面流铸法的特点：优点：平面流铸熔谭小于自由喷射溶液自旋工艺的熔谭，熔谭的稳定性大大增加，又因为平面流铸制取的带材很薄，避免了由于熔谭自由表面不稳定而引起的湍动喷射；熔谭和冷却辊轮表面接触良好、稳定，冷却速率的波动很小，均匀性增加，冷却速率提高，从而有利于改善条带的表面质量保证尺寸均一性和组织均匀性。缺点：喷嘴辊轮间隙距离太窄小，各工艺参数间相互依附，相互影响使平面流铸生产过程更加难以控制，对平面流铸熔谭的研究也更加难以进行621.4.3 1.4.3 束流表层急冷法束流表层急冷法采用激光、电子束、粒子束进行表面层快速熔凝。采用激光、电子束、粒子束进行表面层快速熔凝。只改变组织，不改变成分只改变组织，不改变成分 表面上釉，表面非晶化等表面上釉，表面非晶化等 即改变成分，又改变组织即改变成分，又改变组织 表面合金化、表面喷涂后激光快速熔凝、离表面合金化、表面喷涂后激光快速熔凝、离 子注入后快速熔凝等子注入后快速熔凝等 常用常用激光快速熔凝激光快速熔凝631.5 快速凝固技术在金属材料中的应用1.5.1 金属粉末的快速凝固金属粉末的快速凝固 1）水雾化法）水雾化法 制备的粉末形状不太规则 2）气雾化法）气雾化法 制备的粉末细小、均匀，形状相对规整，近似球形，粉末收得率高。3）喷雾沉积法）喷雾沉积法 把雾化制粉过程和金属成型结合起来，简化生产工艺，降低生产成本，解决了粉末表面氧化的问题，消除了原始颗粒界面对合金性能的不利影响。64优点：容易成型连续等径、表面质量好的线材。缺点：生产效率很低，不适于生产大批量工业用线材。图1-5 玻璃包覆纺线法快速凝固原理图1.5.2 金属线材的快速凝固金属线材的快速凝固 1）玻璃包覆熔融纺线法）玻璃包覆熔融纺线法65 图1-6 Kavesh法线材快速凝固原理图1，7-导流管；2-喷嘴；3-合金液；4-感应加热器；5-稳流罩；6-分散器；8-泵优点：装置简单。缺点：液流稳定性差，流速较低且难于控制速率，不能连续生产2）合金溶液注入快冷法）合金溶液注入快冷法66图1-7 回转水纺线法线材快速凝固原理图1-旋转鼓；2-冷却水；3-喷嘴；4-喷射液柱；5-加热器 优点：原理和装置简单，操作方便，可实现连续生产。缺点：液流稳定性对线材成型有一定影响。3）回转水纺线法）回转水纺线法67 图1-8 传送带法线材快速凝固原理图1-冷却水喷嘴；2-带沟槽传送带；3-导引带；4-加热器；5-导引鼓；6-坩埚；7-合金液；8-喷嘴；9-驱动滑轮；10-液流稳定器；11-线材；12-绕线机；13-集水箱；14-喷射合金熔液柱；15-输送泵；16-流量计；17-压缩机优点：综合了合金液注入冷却法和旋转液体法，可实现连续生产缺点：装置复杂，工艺参数调控较难，传送速率不快。4）传送带法）传送带法681.5.3 金属带材的快速凝固金属带材的快速凝固 1）单辊法（熔体甩出法）单辊法（熔体甩出法）图图1-9 单辊法制备快速凝固薄带原理图单辊法制备快速凝固薄带原理图 1-激冷辊；激冷辊；2-感应加热器；感应加热器；3-排气阀；排气阀；4-压力表；压力表；5-带材带材69 图1-10 单辊法制备复合带材1-单辊；2、5-合金液；3、4-坩埚；6-感应加热器；7-复合薄带70 图1-11 非晶合金带材生产线示意图1-熔化、保温炉;2-中间包;3-喷嘴;4-单辊,直径约2000mm;5-厚度测量装置71 2）双辊法）双辊法6 65 54 43 32 21 1 图1-12 双辊法快速凝固原理图l-带材；2-合金液流；3-加热器；4-坩埚；5-喷嘴；6-双辊72 （a）平行）平行 (b)倾斜倾斜 (c)凸面凸面 (d)凹面凹面 图图1-13 两辊的平行度对带材质量的影响两辊的平行度对带材质量的影响合合金金溶溶液液第第一一种种情情况况第第二二种种情情况况第第三三种种情情况况固固相相a a图1-14 双辊法制备带材快速凝固模型73 图图1-15 双辊法制备复合薄带双辊法制备复合薄带 1、2-冷却辊；冷却辊；3-基带；基带；4-喷嘴；喷嘴；5-合金熔液合金熔液743）溢流法）溢流法 图图1-16 溢流法快速凝固原理图溢流法快速凝固原理图75 图图1-17 溢流法制备复合带材溢流法制备复合带材 1-复合层；复合层；2-基带；基带；3-激冷辊；激冷辊；4-合金液；合金液；l，5-合金液；合金液；2，6-冷却长度冷却长度761.5.4 金属体材的快速凝固金属体材的快速凝固 1）喷射沉积法）喷射沉积法 图图1-18 喷射沉积法原理图喷射沉积法原理图1-沉积室；沉积室；2-基板；基板；3-喷射粒子流；喷射粒子流；4-气体雾化室；气体雾化室；5-合金液；合金液；6-坩埚；坩埚；7-雾化气体；雾化气体；8-沉积体；沉积体；9-运动机构；运动机构；10-排气及取料室排气及取料室77 图图1-19 喷射沉积法制备坯材喷射沉积法制备坯材 1-感应加热坩埚；感应加热坩埚；2-喷嘴；喷嘴；3-圆柱沉积坯；圆柱沉积坯；4-沉积室；沉积室；5-排气管；排气管；6-循环分离器循环分离器78 2）大块非晶态合金）大块非晶态合金l单向熔化法单向熔化法图图1-21 单向熔化法示意图单向熔化法示意图79l连续铸轧连续铸轧图图1-22 连续铸轧示意图连续铸轧示意图80l分步冷却连续铸造法分步冷却连续铸造法图图1-23 分步冷却连续铸造法示意图分步冷却连续铸造法示意图813）大块纳米晶合金）大块纳米晶合金l深过冷技术制备块状纳米材料l非晶晶化法制备大块纳米晶合金l聚合物化学与高温材料加工法 1）落管技术 2）高温高压固相淬火法821.6 1.6 快速凝固其他新型合金材料快速凝固其他新型合金材料一、快速凝固铝合金一、快速凝固铝合金二、快速凝固镁合金二、快速凝固镁合金三、快速凝固钛合金三、快速凝固钛合金四、快速凝固铜合金四、快速凝固铜合金83一、快速凝固铝合金一、快速凝固铝合金 研究背景研究背景高性能铝合金的发展可追溯到二十世纪四十年代。首先开高性能铝合金的发展可追溯到二十世纪四十年代。首先开发的是发的是Al-AlAl-Al2 2O O3 3弥散强化合金。弥散强化合金。为了细化合金的显微结构，最早采用的方法是称为为了细化合金的显微结构，最早采用的方法是称为“直接直接冷却法冷却法”，即在凝固金属的外壳通入冷却介质，以加速热传导，即在凝固金属的外壳通入冷却介质，以加速热传导,结果使铸件的枝晶臂间距减小了五分之一。结果使铸件的枝晶臂间距减小了五分之一。欲进一步细化显微结构，必须再加快凝固速率。而且已经欲进一步细化显微结构，必须再加快凝固速率。而且已经确知，借助于普通粉末冶金工艺确知，借助于普通粉末冶金工艺,使用平均粒度使用平均粒度100m100m的粉末的粉末,不可能大幅度地改善铝合金的性能，因此，注意力转向不可能大幅度地改善铝合金的性能，因此，注意力转向快速凝快速凝固固。84铝合金材料快速凝固微晶铝合金卓有成效的进展是降低密度，提快速凝固微晶铝合金卓有成效的进展是降低密度，提高弹性模量、增加强度、保持耐蚀性、改善高温性能，同高弹性模量、增加强度、保持耐蚀性、改善高温性能，同时也解除了传统熔铸冶金带来的某些束缚。时也解除了传统熔铸冶金带来的某些束缚。85快速凝固铝合金快速凝固铝合金实例实例快速凝固高强度合金已用于飞机等飞行器的制造。快速凝固高强度合金已用于飞机等飞行器的制造。快速凝固快速凝固70007000系列铝合金用于制作波音系列铝合金用于制作波音757757飞机的门传动飞机的门传动装置的绞链，装置的绞链，用快速凝固用快速凝固Cw67Cw67合金制作的锻压机的性能明显优于用常规合金制作的锻压机的性能明显优于用常规70757075合金制作的锻压机。合金制作的锻压机。波音757飞机8686快速凝固高温铝合金由于重量轻、价格低，可作为超音速运快速凝固高温铝合金由于重量轻、价格低，可作为超音速运输机、军用战斗机等的机身结构材料，还可用于制作火箭和输机、军用战斗机等的机身结构材料，还可用于制作火箭和宇宙飞船上的某些构件。宇宙飞船上的某些构件。应用快速凝固高强度铝合金制作军用飞机构件时，造价一般应用快速凝固高强度铝合金制作军用飞机构件时，造价一般是钛合金造价的是钛合金造价的3030-50-50，飞机的总重量可减轻，飞机的总重量可减轻1515左右左右。军用战斗机运载火箭87 铝铝-锂合金延性和断裂韧性不佳的原因主要是变形时锂合金延性和断裂韧性不佳的原因主要是变形时(Al3Li)(Al3Li)沉淀颗粒的剪切作用，使合金产生明显的平面滑移。沉淀颗粒的剪切作用，使合金产生明显的平面滑移。后来的研究是设法引入第二相以阻止位错剪切。均匀分布后来的研究是设法引入第二相以阻止位错剪切。均匀分布的无剪切作用的的无剪切作用的(Al2CuMg)(Al2CuMg)相能十分有效地阻碍了位错的运相能十分有效地阻碍了位错的运动。但是，为了获得均匀分布的相，必须进行塑性加工，动。但是，为了获得均匀分布的相，必须进行塑性加工，而且往往需要延展形式的加工，例如锻造、挤压等。而且往往需要延展形式的加工，例如锻造、挤压等。快速凝固铝合金实例快速凝固铝合金实例 轻合金轻合金88 联合公司成功地研发了铝联合公司成功地研发了铝-锂锻造合金，通过添加锂锻造合金，通过添加ZrZr明明显改善了铝显改善了铝-锂合金的力学性能，原因：锂合金的力学性能，原因：(1)(1)ZrZr与与AlAl能生成亚稳能生成亚稳AlAl3 3ZrZr，并与铝，并与铝-锂合金的主要强化锂合金的主要强化 相（相（AlAl3 3LiLi）同型。）同型。(2)(2)亚稳亚稳AlAl3 3ZrZr能有效阻碍位错切变；能有效阻碍位错切变；(3)(3)在时效热处理过程中在时效热处理过程中Al3LiAl3Li颗粒环绕共格的颗粒环绕共格的AlAl3 3ZrZr，形，形 成一种特殊的成一种特殊的AlAl3 3（LiLi，ZrZr）复合沉淀颗粒。）复合沉淀颗粒。快速凝固铝合金实例快速凝固铝合金实例 轻合金轻合金89快速凝固快速凝固耐热铝合金耐热铝合金实例实例pAl-8Fe-2MoAl-8Fe-2Mo合金由室温至合金由室温至300300的屈服强度水平在均的屈服强度水平在均 衡了密度差别的情况下甚至可与钛合金媲美。衡了密度差别的情况下甚至可与钛合金媲美。较能较能代表高温抗力的性能是蠕变强度。代表高温抗力的性能是蠕变强度。p Al-Fe-V-Al-Fe-V-ZrZr合金在暴露于盐雾中的质量损失是熔合金在暴露于盐雾中的质量损失是熔铸铸2014-T62014-T6和普通粉末冶金和普通粉末冶金70907090、70917091合金损失的合金损失的1/41/4。改善的原因包括化学成分的不同和显微结构细化两者改善的原因包括化学成分的不同和显微结构细化两者的作用。的作用。90典型快速凝固典型快速凝固耐热铝合金耐热铝合金p快速凝固快速凝固FVS1212FVS1212合金拉伸屈服强度与重量之比接近于合金拉伸屈服强度与重量之比接近于Ti-6Al-4VTi-6Al-4V合合金的水平，断裂韧性约金的水平，断裂韧性约11MPa11MPa m m1/21/2。p快速凝固快速凝固FVS0812FVS0812合金的断裂韧性为合金的断裂韧性为31 MPa31 MPa m m1/21/2。合金在。合金在698K698K温度温度下退火下退火100100小时后，室温屈服强度和延性基本上不变。这种良好的热小时后，室温屈服强度和延性基本上不变。这种良好的热稳定性是由于硅化物的粗化速率较低的原因，稳定性是由于硅化物的粗化速率较低的原因，AlAl1212(Fe(Fe，V)V)3 3SiSi弥散颗弥散颗粒的粗化速率比粒的粗化速率比Al-FeAl-Fe金属间化合物低金属间化合物低2-32-3个数量级。因为硅化物含量个数量级。因为硅化物含量高，高，Al-Fe-V-SiAl-Fe-V-Si合金的弹性模量高于常规铝合金。合金的弹性模量高于常规铝合金。pFVS1212FVS1212合金的比刚度高于钛和沉淀强化钢。在温度合金的比刚度高于钛和沉淀强化钢。在温度420K420K以上，以上，FVS1212FVS1212合金的比刚性大于含合金的比刚性大于含2020(体积体积)碳化硅增强碳化硅增强60616061铝。铝。Al-Fe-V-Si系列91pAl-Fe-V-SiAl-Fe-V-Si合金具有优异的耐蚀性。合金具有优异的耐蚀性。FVS0812FVS0812合金在盐雾合金在盐雾 中的质量损失很小。中的质量损失很小。pFVS1212FVS1212耐应力腐蚀开裂能力特别强，合金在耐应力腐蚀开裂能力特别强，合金在3.53.5氯化氯化钠溶液中浸钠溶液中浸4040天后，横向施加应力到天后，横向施加应力到360MPa360MPa也没有开裂，也没有开裂，此应力值相当于这种合金拉伸屈服应力的此应力值相当于这种合金拉伸屈服应力的9595。pFVS0812FVS0812合金的高周疲劳强度与合金的高周疲劳强度与2014-T62014-T6合金相当，这时合金相当，这时因为合金极细小的微晶结构阻止了疲劳诱导裂纹的萌生；因为合金极细小的微晶结构阻止了疲劳诱导裂纹的萌生；又