第六章 特殊条件下的凝固与成形

第一节快速凝固第二节失重条件下的凝固第三节定向凝固第一节快速凝固一、快速凝固简介二、快速凝固方法三、快速凝固显微组织四、金属玻璃一、快速凝固简介•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。界面推进速率大于10mm/s冷却速率达到105~1010K/s快固-液界面的移动速率赶上或超过原子间扩散速率时，晶体将来不及转移成分，界面固、液相成分不再平衡。完全扩散平衡固-液界面局部平衡非稳定界面局部平衡界面不平衡凝固中的固、液界面溶质成分快速凝固的目的超细组织过饱和固溶体亚稳相或新的结晶相微晶、纳米晶或金属玻璃形成获得优异的强度、塑性、耐磨性、耐腐蚀性等。二、快速凝固方法1、把金属或合金熔体分散成小液滴也称之为雾化技术、乳化技术或喷射成形技术，以使这些小液滴在凝固前达到很大的过冷度。液态金属气体雾化法的装置2、使液流保持一个很小的截面，并与高效冷却（散热）器接触，如熔体旋转法或薄截面连续铸造法。加热线圈旋转辊坩埚及金属急冷条带熔体旋转法3、使材料的一个薄层快速熔化并与无限大散热器紧密接触，散热器通常是同一种材料或相关的材料，如电子或激光束表面脉冲/移动熔化。表面熔化法深过冷法深过冷法是另一类快速凝固方法，其核心是:消除合金液中的异质形核核心。熔融玻璃净化法通过熔融玻璃对合金液的净化作用，消除合金液中的异质形核核心。悬浮熔炼法（电磁悬浮、静电悬浮、声悬浮）通过无容器熔炼消除合金熔体与容器接触对形核的促进作用。三、快速凝固显微组织凝固在很大的过冷度和很高的冷却速率下进行，凝固组织中会出现非平衡相。可以把温度梯度G和生长速率R联系起来，用GR空间表示显微组织的变化和枝晶间距（偏析间距）的变化：TdtdTdtdxdxdTGR对铸件和铸锭，通常GR=10-3~101K/s，但对雾化法，GR=102~106K/s。相应地，偏析间距λ从1000μm减小到0.01μm。1T1T2T＜图6-4Ni–10at.%Cu在过冷度为a）89K，b）150K，c）174K和d）260K时的凝固组织（光学显微镜照片）四、金属玻璃•金属玻璃（也称非晶态合金）是Duwez等人在1960年首先发现的，他们通过对熔融Au80Si20合金快速冷淬获得了金属玻璃。金属玻璃保留了液态金属的短程有序的类似原子簇的结构，微观组织中不存在晶界、位错和偏析等缺陷，其结构类似于普通玻璃。快速凝固的Al-Fe-V-Si合金组织金属玻璃的拉伸强度可高达3～4GPa，并具有很好的耐腐蚀性能、优异的软磁性能、优良的超导性能、较高的热稳定性和较低的表面活性，已经或可望应用于机械结构材料、磁性材料、声学材料、仿生材料、光学材料、体育器材以及电子材料等多个方面。能否发生玻璃化转变的影响因素主要有冷却速率、形核密度和材料特性。对应于一定的合金熔体，欲发生玻璃化转变需要有足够高的冷却速率。第二节失重条件下的凝固失重条件（也称微重力条件）的凝固与重力条件下完全不同，如无容器条件下的形核以及由温度梯度（或密度梯度）引起的对流等，使得不同成分的液体能够长时间共存，因此可以减少沿凝固方向的成分偏析，还可以利用微重力条件制备难混熔偏晶合金。不同条件下Al-Cu合金的轴向Cu含量分布曲线地面条件空间条件失重条件下材料的凝固实验在地面上可以通过悬浮熔炼和落管技术得到。不同过冷度（ΔT）下Cu84Co16合金电磁悬浮试样的背散射组织富Co相在富Cu基体上均匀分布第三节定向凝固•定向凝固技术在共晶凝固、定向柱状晶生长和单晶铸造等方面都有重要的意义。•对于凝固温度范围宽的合金，定向凝固通过在铸件的不同部位放置冷铁实现。这时凝固界面的温度梯度很大，糊状凝固区域明显减小，因此补缩得到改善，铸件完整性变好，同时铸件的机械性能也得以提高。•定向凝固的合金柱状晶粒结构使得材料沿凝固方向的抗蠕变和抗热疲劳特性明显提高，这种技术常用于制造具有柱状晶结构或单晶的发动机叶片。定向凝固装置的工作过程大致为：材料在顶部的熔化室中熔化然后浇注到模型中，模型在一端急冷，可控拉伸装置保证了金属在模具中的定向凝固。定向凝固的单晶叶片是通过对多晶的螺旋选择生长凝固而成的。柱状晶、螺旋选择器及生长的单晶等轴晶、柱状晶和单晶的发动机叶片比较