快速凝固技術(shù)在合金制備中的應(yīng)用

劉艷 馮婧

摘要：傳統(tǒng)鑄造合金常常會(huì)出現(xiàn)晶粒粗大，偏析嚴(yán)重，鑄造性能不好等缺陷，產(chǎn)生缺陷的主要原因是合金凝固時(shí)的過(guò)冷度和凝固度很小，要消除鑄造合金存在的這些缺陷，關(guān)鍵是要提高熔體凝固時(shí)的過(guò)冷度，提高冷卻速度。本文介紹了合金制備的快速凝固技術(shù)及其應(yīng)用。

關(guān)鍵詞：快速凝固技術(shù)；合金制備；應(yīng)用

一 前言

急冷凝固技術(shù)是Duwez在1960年首先創(chuàng)立的一種研制新型合金的冶金技術(shù)。這一技術(shù)的主要特點(diǎn)是設(shè)法把熔體分成尺寸很小的部分，并減小熔體體積和液體與冷卻介質(zhì)接觸的散熱面積之比，從而使熔體被冷卻介質(zhì)迅速冷卻而凝固。杜韋茲應(yīng)用急冷凝固技術(shù)第一次制取了非晶態(tài)的An-Si合金，冷卻速度達(dá)到106～109K/s，過(guò)冷度可達(dá)102K數(shù)量級(jí)，相應(yīng)的凝固速度也可達(dá)到10～102cm/s[1]。與常規(guī)鑄造技術(shù)相比，急冷凝固技術(shù)所達(dá)到的冷速、過(guò)冷度、凝固速度得到了很大程度地提高。1967年他又發(fā)明了離心急冷法，后經(jīng)BedellChen和Miler等人的不斷改進(jìn)和完善，于1974年發(fā)展成單輥急冷法和雙輥軋制法[2]。杜韋茲等人的貢獻(xiàn)主要有兩點(diǎn)：第一是提出并實(shí)現(xiàn)了合金快速凝固冷卻的方法；第二是研究了快速凝固對(duì)合金的組成和顯微組織的影響。

二 快速凝固基本原理

快速凝固技術(shù)是指在急速冷卻或在深度過(guò)冷的條件下，使液態(tài)材料在偏離平衡狀態(tài)下結(jié)晶，以獲得傳統(tǒng)鑄造或鑄錠冷卻速率下所不能獲得的成分、相結(jié)構(gòu)和顯微結(jié)構(gòu)，以及相應(yīng)的性能[3]。因此，比起傳統(tǒng)凝固過(guò)程，快速凝固技術(shù)在工藝和材料方面都具有很大的吸引力，主要表現(xiàn)在以下三個(gè)方面[4]：

（1） 快速凝固可增大合金中溶質(zhì)的溶解度，形成過(guò)飽和固溶體、非平衡晶體及非晶體。合金在平衡凝固時(shí)，溶質(zhì)原子在固相中溶解度降低，被排到未凝固的液相中，形成粗大的偏析相，降低材料的性能。在快速凝固過(guò)程中，隨著合金熔體過(guò)冷度的增大，界面前沿溶質(zhì)原子的擴(kuò)散在很大程度上受到抑制，溶質(zhì)截留效應(yīng)顯著，從而導(dǎo)致固溶體中溶質(zhì)含量遠(yuǎn)高于平衡相圖上的最大固溶度極限，形成亞穩(wěn)態(tài)的固溶度擴(kuò)展的固溶體，從而提高了合金的固溶度，既可以更好的實(shí)現(xiàn)合金元素的固溶強(qiáng)化作用，還可以起到沉淀硬化的作用；

（2） 均勻和細(xì)化合金微觀組織，能夠很大程度上消除金屬中的偏析現(xiàn)象，使其更易于熱處理和加工?？焖倌碳夹g(shù)大大提高了凝固時(shí)的形核速率，而極短的凝固時(shí)間又使晶粒不可能充分長(zhǎng)大，加之又會(huì)發(fā)生枝晶臂熔斷現(xiàn)象，因而在快速凝固條件下能夠形成非常細(xì)小的凝固組織，可獲得微晶甚至納米晶，并且晶粒尺寸十分均勻。制品使用壽命延長(zhǎng)，甚至使原來(lái)只能用于鑄態(tài)而不能加工的金屬制品變成可鍛或超塑性的；

（3） 使金屬制品更加接近最終形狀，或直接成型。節(jié)省大量的成型工序花費(fèi)，如減少壓力加工量、金屬切削量等。

快速凝固可以使用不同的方法和相應(yīng)的設(shè)備與裝置，但從技術(shù)原理上講，實(shí)現(xiàn)快速凝固主要有3種途徑[4]：（1）動(dòng)力學(xué)急冷法；（2）熱力學(xué)深過(guò)冷法；（3）快速定向凝固法。

三 快速凝固技術(shù)的應(yīng)用

利用快速凝固技術(shù)可以獲得非晶，超微晶和微晶材料，這些材料具有一些常規(guī)制備方法與工藝下得到的材料所不具備的性能，比如，高強(qiáng)度、高韌性、高導(dǎo)電性、良好的耐蝕性和高溫氧化能力，因此，快速凝固技術(shù)是一項(xiàng)研制新型合金的冶金技術(shù)。

快速凝固技術(shù)可分為急冷凝固技術(shù)和大過(guò)冷凝固技術(shù)兩大類，在急冷凝固技術(shù)中根據(jù)熔體分離和冷卻方式不同又可分成模冷技術(shù)，霧化技術(shù)和表面熔化與沉積技術(shù)[5]三類。

模冷技術(shù)的主要特點(diǎn)是首先把熔體分離成連續(xù)或不連續(xù)的、截面尺寸很小的熔體流，然后使熔體流與旋轉(zhuǎn)或固定的、導(dǎo)熱良好的冷模（或稱基底：Substrate）迅速接觸而冷卻凝固。

霧化技術(shù)的主要特點(diǎn)是使熔體在離心力、機(jī)械力或高速流體沖擊力等外力作用下分散成尺寸極小的霧狀熔滴在與流體或冷模接觸中迅速冷卻凝固。

表面熔化與沉積技術(shù)的主要特點(diǎn)則是用高密度能束掃描工件表面使其表面層熔化或者把熔滴噴射導(dǎo)到工件或基底的表面，然后通過(guò)熔體或熔滴向工件或基底內(nèi)部迅速傳熱而冷卻凝固。

快速凝固技術(shù)在獲得新的微觀組織結(jié)構(gòu)，新的合金和新的加工工藝方面幾乎具有無(wú)限的潛力，它已經(jīng)成為延至21世紀(jì)各個(gè)工業(yè)和技術(shù)部門急需的新型合金材料的一項(xiàng)重要技術(shù)，它的發(fā)展為提升傳統(tǒng)金屬材料的性能提供了新的契機(jī)，快速凝固材料具有優(yōu)異的物理化學(xué)性能，在國(guó)防、機(jī)械、化工等多個(gè)領(lǐng)域都有很好的發(fā)展前景。

參考文獻(xiàn)：

[1] 王智慧.非晶Cu-P釬料釬焊過(guò)程的組織轉(zhuǎn)變及擴(kuò)散行為研究[D].蘭州理工大學(xué)，2008年12月.

[2] 張榮生，劉海洪.快速凝固技術(shù)[M].北京，冶金工業(yè)出版社，1994.

[3] 陳光，傅恒志等.非平衡凝固新型金屬材料[M].北京，科學(xué)出版社，2004.

[4] 張承甫，肖理明，黃志光.凝固理論與凝固技術(shù)[M].武漢，華中工學(xué)院出版社，1985.

[5] 鄧延波，趙榮濤等.快速凝固技術(shù)在鋁合金中的應(yīng)用[J].科技信息，2012（25）.