第一章快速凝固技术课件

1第第1章章 快速凝固技术快速凝固技术2本章的学习目的与要求掌握快速凝固技术的物理冶金基础、快速凝固技术实现途径和在金属材料中的应用了解快速凝固技术制备金属粉末、带材和线材的工艺方法及特点了解快速凝固技术在新材料制备中的应用3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4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5（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 铸造铸造是冶金生产中重要的工艺手段，除了粉末冶金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66铸造工艺、铸件的微观组织、结构和性能都会对后续加工铸造工艺、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响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常规铸造中铸件的凝固时间一般很长，常规铸造中铸件的凝固时间一般很长，凝固过冷度很小凝固过冷度很小。77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：容易形成粗大的容易形成粗大的树枝晶树枝晶，并产生严重的晶内偏析与晶界，并产生严重的晶内偏析与晶界偏析；偏析；在较大的铸锭与铸件中，熔体先从相对温度较低、传热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，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，从而在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较大尺度上出现宏观偏析宏观偏析。88采用常规铸造工艺还容易出现采用常规铸造工艺还容易出现缩孔、疏松、气泡、热应力缩孔、疏松、气泡、热应力等等铸造缺陷，它们也会对铸锭或铸件的性（特别是冲击性能）能铸造缺陷，它们也会对铸锭或铸件的性（特别是冲击性能）能产生有害影响；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）会降低合金元素）会降低熔体的流动性、充型能力和导热性熔体的流动性、充型能力和导热性，上述问，上述问题更严重。题更严重。99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。快速凝固技术快速凝固技术常规铸造合金出现晶粒粗大、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偏析严重、铸造性能不好等严重缺陷的主要原因是陷的主要原因是合金凝固时的过冷合金凝固时的过冷度和凝固速度很小度和凝固速度很小。10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 5K/sK/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1111（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)1212(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1313 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；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。1414（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，成分偏析也相应显著减凝固时间极短，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。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2通常用通常用树枝晶偏析的二次枝晶臂枝晶偏析的二次枝晶臂间距距作作为成分偏析范成分偏析范围标志，快速凝固志，快速凝固合金由于晶粒合金由于晶粒细化，偏析范化，偏析范围从从铸态合金的几毫米到几十微米减小到合金的几毫米到几十微米减小到0.10-0.10-0.25m0.25m。1515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16快速凝固材料的主要微观组织（3）扩大固溶极限）扩大固溶极限显著扩大溶质元素的固溶极限，即可增大显著扩大溶质元素的固溶极限，即可增大固溶强化固溶强化作用，又可作用，又可使固溶元素析出提高其使固溶元素析出提高其沉淀强化沉淀强化作用。作用。171818（4）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。液态合金中原子的有序度低，点缺陷密度比固态金属高很液态合金中原子的有序度低，点缺陷密度比固态金属高很多，快速凝固时大部分缺陷来不及析出而留在固态合金中；多，快速凝固时大部分缺陷来不及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合金在快速凝固过程中受到较大的热应力热应力，空位聚，空位聚集形成集形成位错环位错环，这些因素都使快速凝固合金中的位错密，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，快速凝固合金的此外，快速凝固合金的层错层错密度也很高。密度也很高。这些特点对合金的这些特点对合金的溶质扩散，相变溶质扩散，相变以及性能都会产以及性能都会产生重要影响。生重要影响。2020（5 5）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。亚稳相亚稳相是指在一定的温度、压力、成分等状态条件下吉布斯是指在一定的温度、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。亚稳相的特点亚稳相的特点在于它既偏离稳定相又偏离不稳定相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，组织结构和性能，只要在使用状态下不存在使亚稳相稳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 由于快速凝固组织尺寸细化、均匀化，由于快速凝固组织尺寸细化、均匀化，晶界强化晶界强化和和韧韧化化作用好，而且成分均匀、偏析减小、固溶度增大以及亚稳作用好，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。相产生，因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。依靠依靠辐射散热辐射散热，对于直径为，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10103 3K/sK/s，可见冷却速，可见冷却速度不高；度不高；通过通过对流传热对流传热，将导热良好的氢或氦以高速流过厚，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 110104 4-2-210104 4 K/s K/s；要获得高于要获得高于10106 6 K/s K/s的冷速，只能借助于的冷速，只能借助于热传导热传导。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-自液相导入凝固界面的热流密度；q2-自凝固界面导入固相的热流密；Q-铸件向铸型散热热量关键：关键：获得并保持单向热流获得并保持单向热流糊状凝固糊状凝固球墨铸铁，高碳球墨铸铁，高碳钢、锡青铜、铝钢、锡青铜、铝铜合金、铝镁合铜合金、铝镁合金、镁合金、铅金、镁合金、铅青铜和某些黄铜青铜和某些黄铜26（一）定向凝固过程的传热定向凝固过程的传热热流密度热流密度q q1 1和和q q2 2与结晶潜热释放率与结晶潜热释放率q q3 3之之间满足热平衡方程间满足热平衡方程:（1-1）27根据傅里叶导热定律知根据傅里叶导热定律知（1-2）（1-3）（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GGTLTL,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；hh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）则可求得凝固速度为：固速度为：（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假定液相在凝固过程中内部热阻可忽略不计内部热阻可忽略不计，温度始终是均，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 (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为为凝固过程放出的结晶潜热；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为铸型与型与铸件的界面面件的界面面积；q q为界面界面热流密度；流密度；V VC C为冷冷却速度却速度 ，为负值；V VSVSV为体体积凝固速度，凝固速度，；V V为铸件体件体积；h h为结晶潜晶潜热；S S、L L、分分别为固相密度、液固相密度、液相密度及平均密度；相密度及平均密度；C CS S、C CL L分分别为固相、液相的固相、液相的质量量热容；容；分分别为固相体固相体积分数和液相体分数和液相体积分数。分数。(1-7)(1-8)(1-9)31 近似取近似取 ,并并且已知且已知 则由式（由式（1-61-6）至式）至式 （1-91-9）可得出）可得出:(1-10)式中，式中，为铸件模数。为铸件模数。321 1、动力学急冷法（熔体急冷技术）、动力学急冷法（熔体急冷技术）凝固速率凝固速率是由凝固是由凝固潜潜热及物理及物理热的的导出出速率控制的。速率控制的。通通过提高提高铸型的型的导热能力能力，增大增大热流的流的导出速率出速率可使凝可使凝固界面快速推固界面快速推进，实现快速凝固。快速凝固。在忽略液相在忽略液相过热的条件下，的条件下，单向凝固速率向凝固速率Vs取决于取决于固相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固相固相热导率；率；h凝固潜凝固潜热；s固相密度；固相密度；GS温度梯度，由凝固温度梯度，由凝固层的厚度的厚度和和铸件件/铸型的界面型的界面温度温度Ti决定的。决定的。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对凝固凝固层内的温度分布作内的温度分布作线性近似，性近似，则得出得出提高凝固速率：提高凝固速率：选用用热导率率S大的大的铸型材料（如型材料（如纯铜）；）；对铸型型强制冷却制冷却以降低以降低铸型型/铸件界面温度件界面温度Ti；内部内部热阻（阻（/S）随凝固）随凝固层厚度厚度的增大而迅速提高，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，急速凝固法因此，急速凝固法只能在只能在薄膜、细线薄膜、细线及及小尺寸颗粒小尺寸颗粒中实现。中实现。中中实现。35在动力学急冷凝固技术中，根据熔体分离和冷却方式的不同，在动力学急冷凝固技术中，根据熔体分离和冷却方式的不同，可以分成可以分成模冷技术模冷技术、表面熔化技术表面熔化技术和和雾化技术雾化技术三大类。三大类。模冷技术模冷技术：使金属液接触固体冷源并以传导的方式散热而：使金属液接触固体冷源并以传导的方式散热而实现快速凝固。其主要特点是首先把熔体分离成连续或不实现快速凝固。其主要特点是首先把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、导热良好的冷模或基底迅速接触而冷却凝固。固定的、导热良好的冷模或基底迅速接触而冷却凝固。36模冷技术模冷技术模冷技术枪法枪法双活塞法双活塞法熔体旋转法熔体旋转法平面流铸造法平面流铸造法表面熔化与沉积技木表面熔化与沉积技木熔体提取法熔体提取法急冷模法急冷模法37雾化技术雾化技化技术是指采用某种措施将熔体分离是指采用某种措施将熔体分离雾化，同化，同时通通过对流流的冷却方式凝固，其主要特点是在离心力、机的冷却方式凝固，其主要特点是在离心力、机械力或高速流体冲械力或高速流体冲击力等作用下分散成尺寸极小的力等作用下分散成尺寸极小的雾状状熔滴在气流或冷模接触中迅速冷却凝固。熔滴在气流或冷模接触中迅速冷却凝固。流体雾化法流体雾化法雾化技术雾化技术离心雾化法离心雾化法机械雾化法机械雾化法38 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-铝箔铝箔急冷模法急冷模法39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40 指指通通过过各各种种有有效效的的净净化化手手段段避避免免或或消消除除金金属属或或合合金金液液中中的的异异质质晶晶核核的的形形核核作作用用，增增加加临临界界形形核核功功，抑抑制制均均质质形形核核作作用用，使使液液态态金金属属或或合合金金液液获获得得很很大大的的过过冷冷度度后后快速形核，从而获得细小晶粒组织。快速形核，从而获得细小晶粒组织。深深过过冷冷法法可可以以在在冷冷速速不不高高的的情情况况下下获获得得很很大大的的过过冷冷度度，因因此此热热力力学学深深过过冷冷在在理理论论上上不不受受熔熔体体体体积积限限制制，是是实现实现大体积熔体大体积熔体非平衡凝固的有效方法。非平衡凝固的有效方法。2 2、热力学深过冷法、热力学深过冷法41大大尺尺寸寸试试件件快快速速凝凝固固的的唯唯一一途途径径-降降低低凝凝固固过过程程中中的潜热导出量的潜热导出量 通通过过抑抑制制凝凝固固过过程程的的形形核核，使使合合金金液液获获得得很很大大的的过过冷冷度度，使使凝凝固固过过程程释释放放的的潜潜热热hh被被过过冷冷熔熔体体吸吸收收，可可以获得很大的凝固速率。以获得很大的凝固速率。过过冷冷度度为为TTS S的的熔熔体体凝凝固固时时需需要要导导出出的的实实际际潜潜热热hh可可表示为表示为：42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。43实现深过冷技术的途径有：实现深过冷技术的途径有：l消除金属熔体内部形核媒质，消除金属熔体内部形核媒质，l分离熔体为熔滴；分离熔体为熔滴；l消除容器壁的形核媒质消除容器壁的形核媒质l金属熔体与容器壁分离。金属熔体与容器壁分离。实现深过冷的方法有：电磁悬浮熔炼法、落管法、微实现深过冷的方法有：电磁悬浮熔炼法、落管法、微重力法、循环过热法、熔融玻璃净化法、化学净化法、重力法、循环过热法、熔融玻璃净化法、化学净化法、复合净化法复合净化法443 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是使熔融合金沿着与热流方向相反的方向按要流方向相反的方向按要求的求的结晶取向凝固的一种晶取向凝固的一种铸造工造工艺。l定向凝固的必定向凝固的必备条件：条件：1）热流向流向单一方向流一方向流动并垂直于生并垂直于生长中的固中的固-液界面液界面2）晶体生）晶体生长前方的溶液中没有前方的溶液中没有稳定的定的结晶核心晶核心l措施：措施：1）避免）避免侧向散向散热；2）靠近固液界面的溶液中有）靠近固液界面的溶液中有较大的温度梯度。大的温度梯度。451.4 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 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。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。46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（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 471、气体雾化法、气体雾化法过过程程：两两束束或或多多束束气气体体射射流流介介质质传传递递动动能能，将将金金属属液液流流破破碎碎，细细小小的的液液滴滴在在飞飞行行中中通通过过对对流流或或辐辐射射散散热热凝凝固固成成粉粉（一）流体雾化（一）流体雾化48粉末质量不高的主要原因：粉末质量不高的主要原因：较高的气孔率，密度低较高的气孔率，密度低粉粉末末颗颗粒粒有有卫卫星星组组织织，大大颗颗粒粒上上粘粘了了小小颗颗粒粒，对对性性能能不不利影响，粉末颗粒间的组织不一致利影响，粉末颗粒间的组织不一致粉末粒度不均匀，合金粉末收得率低，成本高粉末粒度不均匀，合金粉末收得率低，成本高49应应用用：高高合合金金钢钢、铝铝合合金金、超超合合金金、钛钛合合金金等等（活活泼泼金金属粉末采用惰性气体雾化）属粉末采用惰性气体雾化）粉粉末末多多成成球球形形。凝凝固固冷冷速速取取决决于于颗颗粒粒尺尺寸寸和和雾雾化化介介质质的的类型，通常，尺寸愈小，气体愈轻，冷速愈高类型，通常，尺寸愈小，气体愈轻，冷速愈高工工艺艺参参数数：射射流流距距离离、射射流流压压力力、喷喷嘴嘴结结构构、气气体体和和金金属属流流速速和和质质量量流流率率、金金属属过过热热度度、气气液液交交汇汇角角、金金属属表表面面张力和金属融化温度范围张力和金属融化温度范围502、水雾化法（、水雾化法（Water Atomization）以以水水射射流流代代替替气气体体射射流流外外，其余与气体雾化相似其余与气体雾化相似颗颗粒粒多多呈呈不不规规则则形形，但但冷冷速速可达可达10102 2-10-104 4K/sK/s已已被被大大规规模模应应用用于于工工具具钢钢、低低合合金金钢钢、铜铜、锡锡、铁铁粉粉等等等等（水水雾雾化化钢钢和和超超合合金金,活活泼泼元元素素易易氧氧化化，O%1000ppmO%1000ppm，而而气气体体雾雾化化，O%100ppmO%100ppm）有有时时，也可以油代水，以降也可以油代水，以降O%O%513、超声气体雾化法（、超声气体雾化法（Ultra-sonic Gas Atomization）是是气气体体雾雾化化法法之之一一，方方法法类类似似于于普普通通气气体体雾雾化化，只只不不过过是是雾雾化化气气体体射射流流速速度度高高，最最高高达达2.52.5马马赫赫，而而且且声声波波频频率率高高，达达80100kHz80100kHz；(常常规规气气体体雾雾化化射射流流以以连连续续方方式式流流动动，而而 超超 声声 雾雾 化化 射射 流流 则则 以以 80-80-100Hz100Hz的频率振动。的频率振动。)52高速高高速高频气流由装配在气流由装配在雾化化喷嘴上的激波管嘴上的激波管产生生可有效破碎液流，粉末更可有效破碎液流，粉末更细（平均（平均约20m），粒度均匀），粒度均匀（尺寸分布窄），平均冷速可达（尺寸分布窄），平均冷速可达105K/s可以成功地用于生可以成功地用于生产铝、超合金、超合金、Ti-Al粉粉53（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）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。的边缘上破碎、雾化的技术。l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、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）在凝固）在惰性气体惰性气体环境中完成。环境中完成。54551、快速凝固雾化法、快速凝固雾化法Pratt&Whitney Pratt&Whitney 的快速凝固速率的快速凝固速率的快速凝固速率的快速凝固速率离心雾化（离心雾化（离心雾化（离心雾化（RSR-CAPRSR-CAP）工艺）工艺）工艺）工艺l液液流流自自坩坩埚埚底底浇浇至至高高速速旋旋转转的的水水冷冷水水平平盘盘，液液态态金金属属被被机机械械打打碎碎、雾雾化化，从从旋旋转转盘盘边边缘缘甩甩出，液滴在飞行过程中凝固出，液滴在飞行过程中凝固旋转离心雾化的一种，又称旋转离心雾化的一种，又称快速凝固速率快速凝固速率快速凝固速率快速凝固速率离心雾化工艺离心雾化工艺离心雾化工艺离心雾化工艺，（Rapidly Solidification Rate-Centrifugal Atomization ProcessRapidly Solidification Rate-Centrifugal Atomization Process）56可加氦气流可加氦气流喷吹，加速冷却，（水流等亦然），也吹，加速冷却，（水流等亦然），也防氧化。也有人已螺旋防氧化。也有人已螺旋桨代平代平盘粉末多呈球形，尺寸粉末多呈球形，尺寸约20-80m，冷速，冷速104-106K/s已用于制已用于制备镍、铝、钛和超合金粉和超合金粉572、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 583、激光自旋雾化、激光自旋雾化l与与快快速速凝凝固固雾雾化化法法类类似似，采采用用高高能能激激光光束束熔熔化化快快速速转转动动的的料料棒棒，靠靠离离心心力力甩甩出出，在在碰碰到到容容器器壁壁之之前前被被氦氦气气流流冷冷却却。通通过过控制旋转速率和气流，可得不同直径、冷速的粉末控制旋转速率和气流，可得不同直径、冷速的粉末。l液液滴滴多多凝凝固固成成球球形形颗颗粒粒，也也会会有有以以针针状状物物形形式式存存在在。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优优点点在在于于：高高能能激激光光束束产产生生高高过过热热度度，可可使使第第二二相相颗颗粒粒充充分分溶解；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594、旋转电极雾化法、旋转电极雾化法l欲欲被被雾雾化化的的棒棒料料快快速速旋旋转转，同同时时棒棒料料一一端端被被一一个个非非自自耗耗钨钨电电极极产产生生的的电电弧弧熔熔化化，融融化化的的金金属属从从旋旋棒棒上上甩甩出出，在在与与惰惰性性气气体体室室壁碰撞之前凝固，成粉室室壁碰撞之前凝固，成粉。l粉粉末末多多呈呈球球形形，表表面面质质量量好好，尺尺寸寸大，大于大，大于200m200m，冷速，冷速1010l已已用用于于雾雾化化活活泼泼的的金金属属，如如高高纯纯、低低氧氧的的、等等金金属属及及其其合合金金，以以及及和和的的超超合合金金。易易出出现现钨钨污污染染，可可用用钛钛阴阴极极或或等等离离子子体体弧弧、激激光光、电电子子束束来来熔熔化化棒料棒料605、穿孔旋转杯法、穿孔旋转杯法l熔熔融融金金属属浇浇至至一一个个旋旋转转深深杯杯中中，杯杯四四周周穿穿孔孔，离离心心力力使使熔熔融金属穿过孔洞流出，在飞行中破碎，凝固融金属穿过孔洞流出，在飞行中破碎，凝固l粉粉末末多多呈呈米米粒粒形形，针针状状，冷冷速速低低，只只有有l已已可可连连续续生生产产板板材材，多多用用于于生生产产低低熔熔点点合合金金板板，如如铝铝、铅铅、锌等锌等611、双轧辊雾化法、双轧辊雾化法 利利用用两两个个反反向向高高速速旋旋转转辊辊轮轮将将金金属属液液流流雾雾化化。经经过过双双辊辊时时需需防防凝凝固固（用用碳碳涂涂层层包包裹裹两两辊辊），液液态态金金属属从从辊辊下下方方排排出出，形形成成涡涡凹凹，并并以以液液滴滴形形式式甩甩出出，并并迅迅速速落落入入水浴，凝固水浴，凝固（三）机械雾化技术（三）机械雾化技术冷速达冷速达，可制备可制备mm金属薄金属薄片、箔以及不规则或球形颗粒，片、箔以及不规则或球形颗粒，精控工艺参数，可制备非常长的精控工艺参数，可制备非常长的薄带薄带。效率低。效率低621、真空雾化法、真空雾化法（Vacuum Atomization）/可溶气体雾化法可溶气体雾化法 l坩坩埚埚内内液液态态金金属属在在压压力力下下过过饱饱和和溶溶解解气气体体（氮氮、氩氩、氢氢等等），突突然然向向真真空空开开放放，气气体体膨膨胀胀，脱溶，金属雾化脱溶，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，632 2、电子束急冷法（）、电子束急冷法（）慢慢速速旋旋转转的的柱柱状状棒棒料料由由几几束束电电子子束束逐逐滴滴熔熔化化，液液滴滴滴滴入入旋旋转转盘盘中中央央，甩甩出，撞水冷铜模，急冷，折射出，撞水冷铜模，急冷，折射有时也称电子束旋转盘法，归属于雾化技术有时也称电子束旋转盘法，归属于雾化技术电电子子束束急急冷冷法法，控控制制基基底底角角度度和和旋旋转转速速度度，使使液液滴滴落落入入旋旋转转盘盘后后，在在高高角角速度和离心力的作用下，拉长成薄片速度和离心力的作用下，拉长成薄片64电电子子束束急急冷冷法法不不需需要要任任何何形形式式的的坩坩埚埚，是是在在真真空空条条件件下下用用电电子子束束聚聚焦焦后后加加热热垂垂直直悬悬挂挂的的合合金金棒棒下下端端，被被加加热热的的部部分分熔熔化化后后在在重重力力作作用用下下滴滴到到沿沿合合金金棒棒为为轴轴心心的的高高速速旋旋转转的的铜铜盘盘上上冷冷凝凝成成箔箔片片，并并在在离离心心力力作作用用下下甩甩出出。可可避避免免合合金金污染。污染。箔箔片片厚厚度度与与冷冷速速主主要要由由铜铜盘盘旋旋转转速速率率决决定定。典典型型冷冷速速可可达达1，甚至达，甚至达10107 7/s /s 653 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熔熔融融金金属属颗颗粒粒落落入入装装了了旋旋转转液液体体（水水）的的杯杯中中，液液体体在在内内壁壁成成液液体体层层，提提高高冷冷速速，兼兼雾雾化器作用化器作用l粉粉末末尺尺寸寸分分布布范范围围窄窄，细细粉粉多多，呈呈球球形形，表表面面质质量量好好。冷速可达冷速可达-661.4.2 1.4.2 液液态急冷法急冷法 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。67 自由喷射熔液自旋工艺原理示意图和熔潭示意图自由喷射熔液自旋工艺原理示意图和熔潭示意图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-喷嘴喷嘴冷却速率可达：冷却速率可达：105107C/S，降低金属，降低金属质量流率和增加辊速将使薄带产品变薄质量流率和增加辊速将使薄带产品变薄而提高冷却速率。广泛用于制取而提高冷却速率。广泛用于制取Al、Fe、Ni、Cu、Pb等合金材料薄带等合金材料薄带（1）自由喷射溶液自旋法）自由喷射溶液自旋法68 平面流铸工艺原理示意图和形成的熔潭示意图平面流铸工艺原理示意图和形成的熔潭示意图（2）平面流铸法）平面流铸法69平面流铸法的特点：平面流铸法的特点：优点：点：p平面流平面流铸熔潭小于自由熔潭小于自由喷射溶液自旋工射溶液自旋工艺的熔潭，熔潭的熔潭，熔潭的的稳定性大大增加定性大大增加，又因，又因为平面流平面流铸制取的制取的带材很薄，材很薄，避免了由于熔潭自由表面不避免了由于熔潭自由表面不稳定而引起的湍定而引起的湍动喷射；射；p熔潭和冷却熔潭和冷却辊轮表面接触良好、表面接触良好、稳定，冷却速率的波定，冷却速率的波动很小，很小，均匀性增加均匀性增加，冷却速率提高冷却速率提高，从而有利于改善条，从而有利于改善条带的表面的表面质量保量保证尺寸均一性和尺寸均一性和组织均匀性。均匀性。70缺点：缺点：p喷嘴嘴辊轮间隙距离太窄小，各工隙距离太窄小，各工艺参数参数间相互依附，相互依附，相互影响使平面流相互影响使平面流铸生生产过程更加程更加难以控制，以控制，对平平面流面流铸熔熔谭的研究也更加的研究也更加难以以进行。行。冷却速率与自由喷射熔液类似、与薄带产品的厚度有关，冷却速率与自由喷射熔液类似、与薄带产品的厚度有关，采用平面流铸工艺铸造采用平面流铸工艺铸造1015mm宽宽非晶薄带非晶薄带的生产条件的生产条件已经比较成熟，产品品质和带厚可通过调整已经比较成熟，产品品质和带厚可通过调整质量流率、质量流率、辊轮速率、激冷辊轮的表面状况和热接触特征、系统的辊轮速率、激冷辊轮的表面状况和热接触特征、系统的几何尺寸几何尺寸等工艺参数予以控制等工艺参数予以控制711.4.3 1.4.3 束流表束流表层急冷法急冷法采用采用激光激光、电子束、粒子束子束、粒子束进行表面行表面层快速熔凝。快速熔凝。只改只改变组织，不改，不改变成分成分表面上釉，表面非晶化等表面上釉，表面非晶化等即改即改变成分，又改成分，又改变组织表面合金化、表面表面合金化、表面喷涂后激光快速熔凝、离涂后激光快速熔凝、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72工工艺过程：程：以很高能量密度的以很高能量密度的激光束激光束（约107W/cm2）在很短的）在很短的时间内（内（10-1210-3s）与金属交互作用，）与金属交互作用，这样高的能量足以使金属高的能量足以使金属表面局部区域很快加表面局部区域很快加热到几千到几千摄氏度以上，使之熔化或者气化，氏度以上，使之熔化或者气化，随后通随后通过尚尚处于冷于冷态的基座金属的吸的基座金属的吸热和和传热作用，使很薄的作用，使很薄的表面熔化表面熔化层又很快凝固，冷却速率达又很快凝固，冷却速率达105109K/S。73提高冷却速率的最重要的两个因素：提高冷却速率的最重要的两个因素：p增大被吸收增大被吸收热流密度流密度p缩短交互作用短交互作用时间eg：热流密度增大流密度增大10倍或交互作用倍或交互作用时间减少减少为原来的原来的1/100，都相当于使熔池深度减小都相当于使熔池深度减小为原来的原来的1/10，凝固速率增加，凝固速率增加10倍，倍，液相中温度梯度提高液相中温度梯度提高10倍和冷却速率提高倍和冷却速率提高100倍。倍。741.5 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）水雾化法化法制备的粉末形状不太规则2）气）气雾化法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）喷雾沉沉积法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。75关键：l获得细而稳定的熔液流柱l采用一定的冷却介质对该熔液进行激冷l连续生产上还要实现线材的连续卷取1.5.2 金属线材的快速凝固金属线材的快速凝固目前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、旋转水纺线法和传送带法76合金棒加入玻璃管中，端部采用合金棒加入玻璃管中，端部采用感应加热将合金及其表面玻璃管感应加热将合金及其表面玻璃管同时熔化，在一定的拉力下拉制同时熔化，在一定的拉力下拉制成很细的纤维，经过冷却器的激成很细的纤维，经过冷却器的激冷成线并缠绕在绕线管上冷成线并缠绕在绕线管上。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要求要求：合金的熔点与玻璃的软化：合金的熔点与玻璃的软化点接近并对玻璃能润湿。点接近并对玻璃能润湿。77优点优点：容易成型连续等径、表面质量好的线材。容易成型连续等径、表面质量好的线材。缺点缺点：生产效率很低，不适于生产大批量工业用生产效率很低，不适于生产大批量工业用线材。线材。1）玻璃包覆熔融纺线法）玻璃包覆熔融纺线法78图1-6Kavesh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-泵优点优点：装置简单。装置简单。缺点缺点：液流稳定性差，流速较低液流稳定性差，流速较低且难于控制速率，不能连续生产且难于控制速率，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在垂直导流管中获得与合金液流在垂直导流管中获得与合金液流同步流动的冷却液流，将熔融合同步流动的冷却液流，将熔融合金液通过喷嘴注入冷却液中并被金液通过喷嘴注入冷却液中并被激冷，成功用于多种合金直径为激冷，成功用于多种合金直径为20600m线材的制备线材的制备79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，操作原理和装置简单，操作方便，可实现连续生产。方便，可实现连续生产。缺点：液流稳定性对线材成型液流稳定性对线材成型有一定影响。有一定影响。3）回转水纺线法）回转水纺线法使中心轴与水平面平行放使中心轴与水平面平行放置的鼓高速旋转，鼓内凹置的鼓高速旋转，鼓内凹槽加入冷却水，在离心力槽加入冷却水，在离心力的作用下，冷却水在鼓内的作用下，冷却水在鼓内壁形成环形水池并随旋转壁形成环形水池并随旋转鼓同步旋转，采用喷枪将鼓同步旋转，采用喷枪将熔融合金液沿鼓内一侧顺熔融合金液沿鼓内一侧顺流喷入水中激冷获得快速流喷入水中激冷获得快速凝固的线材。凝固的线材。80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-压缩机优点优点：综合了合金液注：综合了合金液注入冷却法和旋转液体法，入冷却法和旋转液体法，可实现连续生产可实现连续生产缺点缺点：装置复杂，工艺：装置复杂，工艺参数调控较难，传送速参数调控较难，传送速率不快。率不快。4）传送带法）传送带法811.5.3金属金属带材的快速凝固材的快速凝固 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1）单辊法）单辊法（熔体甩出法）（熔体甩出法）优点：优点：尺寸均匀、尺寸均匀、厚度均匀、长达几厚度均匀、长达几米至几十米的连续米至几十米的连续薄带，设备比较简薄带，设备比较简单、工艺过程容易单、工艺过程容易控制，具有很高的控制，具有很高的连续生产效率连续生产效率82图图1-10 单辊法制备复合带材单辊法制备复合带材1-单辊；单辊；2、5-合金液；合金液；3、4-坩埚；坩埚；6-感应加热器；感应加热器；7-复合薄带复合薄带单辊法制备复单辊法制备复合带材合带材83单辊法法实施中存在的技施中存在的技术问题：（1）单辊需要以需要以200010000r/min的高速旋的高速旋转，保，保证转速速均匀性高、径向跳均匀性高、径向跳动非常小，以控制薄膜的均匀性非常小，以控制薄膜的均匀性（2）为了防止合金液的氧化，整个了防止合金液的氧化，整个过程要在真空或惰性气程要在真空或惰性气体保体保护下下进行行（3）液流必）液流必须在在单辊上均匀成膜，液流的出口上均匀成膜，液流的出口设计及流速及流速的控制精度要求极高的控制精度要求极高84图图1-11 非晶合金带材生产线示意图非晶合金带材生产线示意图1-熔化、保温炉熔化、保温炉;2-中间包中间包;3-喷嘴喷嘴;4-单辊单辊,直径约直径约2000mm;5-厚度测量装置厚度测量装置852）双）双辊法法图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-双辊优点优点：双面冷却，：双面冷却，所得带材两面的表所得带材两面的表面质量相同且均匀面质量相同且均匀关键：关键：温度、冷却条件、温度、冷却条件、两个冷却辊的平行度两个冷却辊的平行度86 （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图1-14双辊法制备带材快速凝固模型87 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-合金熔液合金熔液双辊法制备复双辊法制备复合带材合带材冷却速度高冷却速度高883）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与单辊法相比：与单辊法相比：（1）以坩埚边沿溢出方式替）以坩埚边沿溢出方式替代喷嘴，避免了喷射产生的代喷嘴，避免了喷射产生的紊流，紊流，合金液流动更加平稳，合金液流动更加平稳，有利于获得均匀的带材有利于获得均匀的带材（2）可采用溶剂对合金熔液）可采用溶剂对合金熔液进行表面保护，可在进行表面保护，可在非真空非真空无保护的气氛下获得易氧化无保护的气氛下获得易氧化的薄带的薄带89 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-冷却长度冷却长度溢流法制备复合带材溢流法制备复合带材901.5.4金属体材的快速凝固金属体材的快速凝固 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1）喷射沉积法）喷射沉积法关键：关键：提高冷却速度并保持提高冷却速度并保持凝固速率的稳定。凝固速率的稳定。91图1-19喷射沉积法制备坯材1-感应加热坩埚；2-喷嘴；3-圆柱沉积坯；4-沉积室；5-排气管；6-循环分离器喷射沉积法连续生喷射沉积法连续生产合金坯材产合金坯材922）大块非晶态合金）大块非晶态合金l单向熔化法向熔化法图图1-21 单向熔化法示意图单向熔化法示意图93l连续铸轧图图1-22 连续铸轧示意图连续铸轧示意图94l分步冷却分步冷却连续铸造法造法图图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953）大块纳米晶合金）大块纳米晶合金l深深过冷技冷技术制制备块状状纳米材料米材料获得大的得大的过冷度的方法：冷度的方法：熔融玻璃熔融玻璃净化法化法:玻璃包覆玻璃包覆净化化剂：B2O3循循环过热法、无容器法、无容器电磁磁悬浮熔浮熔炼法、落管技法、落管技术、熔融、熔融玻璃自分离玻璃自分离净化法、气氛学化法、气氛学净化法化法963）大块纳米晶合金）大块纳米晶合金l非晶晶化法制非晶晶化法制备大大块纳米晶合金米晶合金非晶态固体的获得非晶态固体的获得晶化晶化熔体激冷、高速直流溅射、熔体激冷、高速直流溅射、等离子流雾化、固态反应等离子流雾化、固态反应法、法、单辊单辊/双辊旋淬法双辊旋淬法热模压实、热模压实、热挤压、热挤压、高温高压高温高压烧结烧结973）大块纳米晶合金）大块纳米晶合金l聚合物化学与高温材料加工法聚合物化学与高温材料加工法块状状纳米材料米材料落管技落管技术:高温高高温高压固相淬火法固相淬火法981.6 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99一、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。100铝合金材料快速凝固微晶铝合金卓有成效的进展是快速凝固微晶铝合金卓有成效的进展是降低质量降低质量，提提高弹性模量、增加强度、保持耐蚀性、改善高温性能高弹性模量、增加强度、保持耐蚀性、改善高温性能，同，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。101快速凝固铝合金实例快速凝固铝合金实例快速凝固高强度合金已用于快速凝固高强度合金已用于飞机等飞行器飞机等飞行器的制造。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飞机的门传动装飞机的门传动装置的置的绞链绞链，波音757飞机102102快速凝固高温铝合金由于快速凝固高温铝合金由于重量轻、价格低重量轻、价格低，可作为超音速运，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宇宙输机、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。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103 铝铝-锂锂合合金金延延性性和和断断裂裂韧韧性性不不佳佳的的原原因因主主要要是是变变形形时时(Al3Li)(Al3Li)沉沉淀