第四讲-急冷方法-非平衡材料课件.ppt

1、1.4急冷方法急冷方法在这类方法中，快速凝固是通过熔体与急冷基底之间在这类方法中，快速凝固是通过熔体与急冷基底之间的接触传热获得的。包括：急冷模法、活塞砧法、双辊的接触传热获得的。包括：急冷模法、活塞砧法、双辊急冷法、熔体自旋法、水自旋法、急冷法、熔体自旋法、水自旋法、Taylor制线法、熔体制线法、熔体提取法、熔体拖拉法、熔体溢流法。提取法、熔体拖拉法、熔体溢流法。1.4.1急冷模法急冷模法这种方法靠真空或压力加真空的综合作用将液态金属这种方法靠真空或压力加真空的综合作用将液态金属挤入急冷铜模中的小截面空腔内。在厚度为挤入急冷铜模中的小截面空腔内。在厚度为0.7mm处的处的冷却速度为冷却速度

2、为104 KS1，而，而0.2mm厚度处的冷却速度为厚度处的冷却速度为107 KS1（其独特优点可获得预定截面的线材）。（其独特优点可获得预定截面的线材）。1.4.2 活塞砧技术活塞砧技术：105 KS1冷速。冷速。1.4.3 1.4.3 双辊急冷法双辊急冷法(与双辊雾化相似，用碳涂层包覆与双辊雾化相似，用碳涂层包覆双辊减少热传导双辊减少热传导)该工艺是将熔体液流在两个反向旋转的导热轧辊之该工艺是将熔体液流在两个反向旋转的导热轧辊之间轧制。熔体液流垂直地下落在两个轧辊的辊隙之间间轧制。熔体液流垂直地下落在两个轧辊的辊隙之间。可。可制备厚度约为制备厚度约为10200m10200m的薄片的薄片。其

3、急冷速度接近。其急冷速度接近105 KS1，通过精密地控制工艺参数，通过精密地控制工艺参数(包括轧辊材料包括轧辊材料、直径、辊隙和转速、直径、辊隙和转速)，可制备非常长的薄带。优化工，可制备非常长的薄带。优化工艺参数以获得最佳效果。模拟结果表明：最重要的工艺参数以获得最佳效果。模拟结果表明：最重要的工艺参数是辊隙、轧辊角速度、原料的加速度、材料的艺参数是辊隙、轧辊角速度、原料的加速度、材料的物理性能。为了得到连续的箔片，射流速度与轧辊转物理性能。为了得到连续的箔片，射流速度与轧辊转速的比值应在速的比值应在0.51.00.51.0之间。之间。轧辊应足够坚硬，表面必须按高精度公差加工，一轧辊应足够

4、坚硬，表面必须按高精度公差加工，一般用淬硬钢、镀铬钢、铜或黄铜制成，两轧辊直径为般用淬硬钢、镀铬钢、铜或黄铜制成，两轧辊直径为515cm515cm，在，在2090kg2090kg范围的压力下紧靠在一起范围的压力下紧靠在一起(薄带容薄带容易变形易变形)，在辊芯和轮缘之间安装一个硅橡胶减震垫或，在辊芯和轮缘之间安装一个硅橡胶减震垫或施加弹簧载荷，使轧辊在互相接触的情况下运转施加弹簧载荷，使轧辊在互相接触的情况下运转(这样这样薄带就不会受到过大的压力，可以将变形减小到最低薄带就不会受到过大的压力，可以将变形减小到最低程度程度)。在 连 续 工 作 时 可 用 液 氮 冷 却 轧 辊，转 速 可 在在

5、 连 续 工 作 时 可 用 液 氮 冷 却 轧 辊，转 速 可 在1006000rpm1006000rpm之间变化。之间变化。存在一个严重的问题：熔体与轧辊的接触长度很短存在一个严重的问题：熔体与轧辊的接触长度很短，不易获得非晶相，易得到大尺寸非平衡晶体相。轧，不易获得非晶相，易得到大尺寸非平衡晶体相。轧辊的使用寿命也是一个问题。辊的使用寿命也是一个问题。非晶态急冷制箔装置非晶态急冷制箔装置典型工艺参数典型工艺参数:工作室气氛工作室气氛：真空、空气、惰性气体或活泼气体。：真空、空气、惰性气体或活泼气体。喷射压力喷射压力：熔体从坩埚喷射是通过气体加压来完：熔体从坩埚喷射是通过气体加压来完成，一

6、般使用成，一般使用570KPa的喷射压力。的喷射压力。轮速：轮速：增加轮速可形成更薄的带材。增加轮速可形成更薄的带材。喷嘴端部与转轮之间的距离喷嘴端部与转轮之间的距离：一般为：一般为3mm左右。左右。最佳熔体射流喷射方向是在射流冲击轮面处与最佳熔体射流喷射方向是在射流冲击轮面处与法线成法线成615。但产品的宽度受限制，一般只有但产品的宽度受限制，一般只有5mm左右。左右。离心熔体自旋法离心熔体自旋法：在：在CBMSCBMS基础上发展起来的，总结了基础上发展起来的，总结了优势，克服了局限性，制备薄带的冷速在优势，克服了局限性，制备薄带的冷速在108 KS1。平面流铸造法平面流铸造法：在：在CBM

7、SCBMS基础上发展的，带厚度在基础上发展的，带厚度在20100m20100m内变化，冷速为内变化，冷速为106KS1。1.4.5 1.4.5 水自旋法水自旋法：(该方法是熔体旋转技术的变形，它不是将液流喷射到旋该方法是熔体旋转技术的变形，它不是将液流喷射到旋转圆筒的表面，而是将熔体液流射进旋转水中。转圆筒的表面，而是将熔体液流射进旋转水中。)熔融金熔融金属射流通过一石英喷嘴属射流通过一石英喷嘴(直径为直径为80200m)80200m)射入液体层射入液体层(一一般为水般为水)，该冷却层依靠离心力的作用在直径为，该冷却层依靠离心力的作用在直径为400600mm400600mm的旋转滚筒的内表面形

8、成。冷却介质和熔体射流的速度分的旋转滚筒的内表面形成。冷却介质和熔体射流的速度分别用旋转滚筒和喷射气体压力控制。别用旋转滚筒和喷射气体压力控制。(与快速自旋杯工艺与快速自旋杯工艺相似相似)。(通过确保射流在受扰动之前凝固通过确保射流在受扰动之前凝固)。可以制备线。可以制备线材，产品为具有圆截面的连续丝线，冷速在材，产品为具有圆截面的连续丝线，冷速在105KS1。工艺参数：喷嘴端部与冷却介质表面的距离、喷射角度、工艺参数：喷嘴端部与冷却介质表面的距离、喷射角度、冷却介质层的深度和冷却介质温度。冷却介质层的深度和冷却介质温度。1.4.6 Taylor1.4.6 Taylor制线法制线法：(用于制备

9、具有均匀横截面的细线用于制备具有均匀横截面的细线)，熔化玻璃管中，熔化玻璃管中的金属棒，玻璃由于与熔化金属接触而软化，因而可的金属棒，玻璃由于与熔化金属接触而软化，因而可以抽拉，在金属凝固过程中充当一连续的模具坩埚，以抽拉，在金属凝固过程中充当一连续的模具坩埚，可保证线的规则形状和直径。可保证线的规则形状和直径。这项技术的一个关键是包套材料对熔融金属应具有这项技术的一个关键是包套材料对熔融金属应具有足够的化学稳定性，同时其软化温度应与金属熔点一足够的化学稳定性，同时其软化温度应与金属熔点一致。致。直径为直径为50502m2m的线材冷速在的线材冷速在104KS1106KS1。存在一个问题：合金材

10、料被玻璃包套污染。存在一个问题：合金材料被玻璃包套污染。1.4.7 1.4.7 熔体提取法熔体提取法如前所述，熔体旋转法可以连续生产纤维和薄带如前所述，熔体旋转法可以连续生产纤维和薄带，然而，材料的相容性，然而，材料的相容性(即熔体与坩埚、喷嘴或液即熔体与坩埚、喷嘴或液流稳定包套之间的相容性流稳定包套之间的相容性)随着熔体温度和活性的随着熔体温度和活性的增加而变得更为严重。熔体提取法克服了其中的一增加而变得更为严重。熔体提取法克服了其中的一些问题。熔体提取法与熔体旋转法的明显区别在于些问题。熔体提取法与熔体旋转法的明显区别在于它没有喷嘴和液体射流，它是一种用具有合适形状它没有喷嘴和液体射流，它

11、是一种用具有合适形状的旋转热提取盘外缘与熔融金属接触的工艺。金属的旋转热提取盘外缘与熔融金属接触的工艺。金属在接触面上凝固并粘附在盘上停留短时间在接触面上凝固并粘附在盘上停留短时间(毫秒数毫秒数量级量级)，然后自然脱离甩出，然后自然脱离甩出，形成丝线或纤维形成丝线或纤维。有。有坩埚熔体提取法坩埚熔体提取法(熔体装在坩埚内熔体装在坩埚内)和和悬滴熔体提取悬滴熔体提取法法(去除坩埚，熔化棒料端部来制取熔融悬滴去除坩埚，熔化棒料端部来制取熔融悬滴)。Clean,quiet MeltMelt surfacesurface WiperWiper Rotating extracting Rotating

12、extracting discdisc FilamentFilament InductionInduction Furnace(Furnace(感应炉感应炉)Molten metalMolten metal bath bath Melt stockMelt stock heat sourceheat source Pendant dropPendant drop(生产大截面材料生产大截面材料)(生产细小的纤维生产细小的纤维)该工艺的重要参数：熔化系统、转盘驱动机该工艺的重要参数：熔化系统、转盘驱动机构、转盘几何形状和性能、加料系统、熔体的构、转盘几何形状和性能、加料系统、熔体的表面化学性质。表

13、面化学性质。直径约直径约20cm的盘可控转速为的盘可控转速为2002000rpm-平稳，可以平稳，可以1.515m/s的速度生产纤维丝。的速度生产纤维丝。(转盘转盘必须用水冷却必须用水冷却)冷速冷速102KS1 103KS1。制作盘的材料包括铝、制作盘的材料包括铝、Cu(常用常用)、黄铜、各、黄铜、各种钢、种钢、Ni和和Mo。纤维丝的形状可通过盘的几何形状和盘速、纤维丝的形状可通过盘的几何形状和盘速、浸入深度等提取参数控制。浸入深度等提取参数控制。1.4.8 1.4.8 熔体拖拉法熔体拖拉法熔融金属从一喷嘴中被拖拉到一个水冷的旋转圆熔融金属从一喷嘴中被拖拉到一个水冷的旋转圆筒上。产品厚度可从筒

14、上。产品厚度可从25m 1000m25m 1000m，冷速冷速10,6KS1 103KS1。制备的线或带的尺寸实质。制备的线或带的尺寸实质上取决于圆筒的圆周速度、熔融金属的粘度、熔融上取决于圆筒的圆周速度、熔融金属的粘度、熔融金属相对于转筒的表面张力。同时也依赖于保护性金属相对于转筒的表面张力。同时也依赖于保护性气氛的特性和熔融金属的过热度。气氛的特性和熔融金属的过热度。该方法用于生产铝、钢、磁铁、焊料和其它合金该方法用于生产铝、钢、磁铁、焊料和其它合金。(这是一项简单、低成本的技术，特别适合小批量这是一项简单、低成本的技术，特别适合小批量生产。生产。)1.4.9 1.4.9 熔体溢流法熔体溢

15、流法1.5快速凝固材料的特性快速凝固材料的特性1.5.1组织结构特性组织结构特性：快速凝固技术为亚稳态材料的制：快速凝固技术为亚稳态材料的制备创造了条件。第一种是成分亚稳（如过饱和固溶体备创造了条件。第一种是成分亚稳（如过饱和固溶体）；第二种是结构亚稳（如非晶、准晶）；第三种是）；第二种是结构亚稳（如非晶、准晶）；第三种是形态亚稳（如微晶、纳米晶和弥散相等）。具体效果形态亚稳（如微晶、纳米晶和弥散相等）。具体效果如下：如下：1、扩大了亚稳固溶度，快速凝固时固、扩大了亚稳固溶度，快速凝固时固/液界面前进速率液界面前进速率大，发生溶质原子扩散，扩大了亚稳固溶度。大，发生溶质原子扩散，扩大了亚稳固溶

16、度。2、形成新的亚稳相。、形成新的亚稳相。3、生成非晶、准晶、微晶和纳米晶。由于快速凝固，、生成非晶、准晶、微晶和纳米晶。由于快速凝固，晶粒可小至微米级，甚至纳米级。对某些材料可得到晶粒可小至微米级，甚至纳米级。对某些材料可得到非晶、准晶组织。非晶、准晶组织。4、消除偏析。快速凝固可获得组织均匀和高度弥散的、消除偏析。快速凝固可获得组织均匀和高度弥散的第二相，充分抑制了合金元素的偏聚，克服了传统冶第二相，充分抑制了合金元素的偏聚，克服了传统冶金方法的不足。金方法的不足。1.52性能特性性能特性 提高材料的力学性能：快速凝固技术有效地细化提高材料的力学性能：快速凝固技术有效地细化了晶粒、显微组织

17、，以及形成高度弥散的第二相，这了晶粒、显微组织，以及形成高度弥散的第二相，这对提高材料的室温高温强度，改善疲劳性能是有益的对提高材料的室温高温强度，改善疲劳性能是有益的。提高耐磨性：快速凝固合金的硬度大幅度提高，提高耐磨性：快速凝固合金的硬度大幅度提高，从而提高其耐磨性。从而提高其耐磨性。提高耐蚀性：快速凝固可获得成分组织均匀和高提高耐蚀性：快速凝固可获得成分组织均匀和高度弥散的第二相，抑制了合金元素的偏聚，改善了耐度弥散的第二相，抑制了合金元素的偏聚，改善了耐蚀性。蚀性。提高磁性能：由于快速凝固粉末尺寸小，具有单提高磁性能：由于快速凝固粉末尺寸小，具有单磁畴结构和矫顽力高的特性，用作磁记录材

18、料可以提磁畴结构和矫顽力高的特性，用作磁记录材料可以提高信噪比，改善图像质量。高信噪比，改善图像质量。提高触媒效率：由于快速凝固获得微细粉末，其提高触媒效率：由于快速凝固获得微细粉末，其比表面积大大增加，并且具有很大的表面积与体积比比表面积大大增加，并且具有很大的表面积与体积比，在反应中活性增强，明显地提高了催化效率。，在反应中活性增强，明显地提高了催化效率。1.6快速凝固粉末材料及其应用快速凝固粉末材料及其应用 快速凝固粉末快速凝固粉末，如：非晶、准晶和微晶粉末可用，如：非晶、准晶和微晶粉末可用于制作防腐耐磨涂层材料；塑料、微电子领域导电膜于制作防腐耐磨涂层材料；塑料、微电子领域导电膜的添加

19、剂；各种温、湿、气、光、热传感器材料；多的添加剂；各种温、湿、气、光、热传感器材料；多孔过虑材料和焊接钎料等。孔过虑材料和焊接钎料等。快速凝固结构材料快速凝固结构材料，如高温高强铝合金，如高温高强铝合金Al-Li,Al-Fe-Mo,Al-Fe-V,Al-Cr-Zr等；高强在，耐蚀铜合金等；高强在，耐蚀铜合金Cu-Mn-Al,Cu-Sn-Ni等；耐磨、耐蚀工具钢等；耐磨、耐蚀工具钢Fe-Mo-Cr-B-Si,Fe-Mn-Ni 等，广泛应用于航空航天、汽车等，广泛应用于航空航天、汽车、冶金和化工等行业。、冶金和化工等行业。快速凝固功能材料快速凝固功能材料，如：磁性材料，形状记忆合金，如：磁性材料，

20、形状记忆合金，耐蚀高强高导电性铜基电极材料和银基电工合金等，耐蚀高强高导电性铜基电极材料和银基电工合金等，广泛应用于军工、电器和电工等工业。，广泛应用于军工、电器和电工等工业。非晶、准晶、微晶粉末及材料纳米晶材料磁性材料和催化剂非晶、准晶、微晶粉末及材料纳米晶材料磁性材料和催化剂 快速凝固粉末快速凝固粉末 微电子浆料、防腐涂层材料、医药、生物、化工过滤、微电子浆料、防腐涂层材料、医药、生物、化工过滤、电工合金材料广告、印刷涂料储气、智能材料电工合金材料广告、印刷涂料储气、智能材料 1.7存在的问题及其发展方向存在的问题及其发展方向存在的问题有存在的问题有：快速凝固工艺不稳定；快速凝固工艺不稳定

21、；快速凝固粉末固结成型工艺有待改进；快速凝固粉末固结成型工艺有待改进；还没有形成系统、完整的快速凝固理论；还没有形成系统、完整的快速凝固理论；新型快速凝固粉末及材料的研究和开发有待于进一步加强新型快速凝固粉末及材料的研究和开发有待于进一步加强。发展方向：发展方向：快速凝固技术会向着实用于工业化大批量生产的方向发展快速凝固技术会向着实用于工业化大批量生产的方向发展，即生产过程可控，产品质量提高，生产成本降低等；，即生产过程可控，产品质量提高，生产成本降低等；应用快速凝固技术将生产出更多的新型合金。如喷射成型应用快速凝固技术将生产出更多的新型合金。如喷射成型（非晶、准晶和微晶）材料，微电子材料用浆

22、料，防腐涂层材（非晶、准晶和微晶）材料，微电子材料用浆料，防腐涂层材料和塑料添加剂，粉末冶金电接触材料和电极材料等方面的研料和塑料添加剂，粉末冶金电接触材料和电极材料等方面的研究均属于该领域的前沿课题；究均属于该领域的前沿课题；与快速凝固和快速凝固合金有关的理论研究将会取得进展与快速凝固和快速凝固合金有关的理论研究将会取得进展；在快速凝固材料发展的同时，其各种制备技术也将会不断在快速凝固材料发展的同时，其各种制备技术也将会不断涌现。涌现。总结：快速凝固技术的比较总结：快速凝固技术的比较快速凝固技术和产品参数 技术技术产品类型产品类型典型尺寸（典型尺寸（m）典型冷速典型冷速(KS-1)备注备注气

23、体雾化气体雾化光洁、球形粉末光洁、球形粉末直径直径50150102103使用惰性气体（氮气、氢气）使用惰性气体（氮气、氢气）防氧化防氧化水雾化水雾化粗糙、不规则粉末粗糙、不规则粉末直径直径75200102104吨级生产规模吨级生产规模超声气体雾化超声气体雾化光洁、球形粉末光洁、球形粉末直径直径1050高达高达106尺寸分布范围窄，高效率尺寸分布范围窄，高效率离心雾化离心雾化光洁、球形粉末光洁、球形粉末直径直径2580105低含氧量，粉末清洁低含氧量，粉末清洁电子束急冷法电子束急冷法伸长的薄片伸长的薄片厚度厚度40100104107用于活性金属用于活性金属旋转电极法旋转电极法光洁、球形粉末光洁、

24、球形粉末直径直径125200102低冷却速度，低污染低冷却速度，低污染快速自旋杯法快速自旋杯法形状多样，从球形到不形状多样，从球形到不规则规则直径可能小于直径可能小于50104106尺寸分布范围窄尺寸分布范围窄穿孔旋转杯法穿孔旋转杯法针状颗粒针状颗粒长长10005000直径直径1000101非常经济非常经济可溶气体雾化法可溶气体雾化法球形粉末球形粉末直径直径20100101102非常清洁、无卫星颗粒的粉非常清洁、无卫星颗粒的粉末末电流体力学雾化法电流体力学雾化法粉末、片或涂层粉末、片或涂层直径直径0.01100107粉末尺寸控制极好粉末尺寸控制极好双辊雾化法双辊雾化法形状多样，从球形到不形状多

25、样，从球形到不规则规则厚厚200105106经济经济“枪枪”技术技术箔片箔片厚厚0.110106108应用广泛应用广泛喷射沉积喷射沉积厚沉积体厚沉积体厚度大于厚度大于1mm103106制备厚截面产品的快捷途径制备厚截面产品的快捷途径等离子体喷射沉积等离子体喷射沉积沉积体粘合结实沉积体粘合结实厚度大于厚度大于1mm小于小于107具有制备近终形产品的潜力具有制备近终形产品的潜力急冷法急冷法楔形或筒状楔形或筒状0104应用广泛应用广泛活塞砧技术活塞砧技术急冷片急冷片直径直径50mm，厚度，厚度5300104106广泛应用的实验室技术广泛应用的实验室技术自由飞行熔体旋转自由飞行熔体旋转法法圆截面细丝圆

26、截面细丝直径直径100200丝线丝线102104应用范围局限应用范围局限急冷块熔体自旋法急冷块熔体自旋法方截面带方截面带厚度厚度10100宽度可达宽度可达3mm105107应用极为广泛应用极为广泛平面流铸造法平面流铸造法熔体拖拉法熔体拖拉法方形宽带方形宽带厚度厚度20100宽度可达宽度可达300mm105106应用广泛应用广泛水自旋法水自旋法圆截面丝线圆截面丝线直径直径60200105106应用广泛应用广泛Taylor制线法制线法圆截面丝线圆截面丝线直径直径20100103106熔休很可能被污染熔休很可能被污染坩埚熔体提取坩埚熔体提取/悬滴悬滴熔体提取法熔体提取法纤维丝纤维丝厚度厚度20100105106可用于活性金属可用于活性金属熔体溢流法熔体溢流法扇形纤维扇形纤维厚度厚度2025大于大于106应用广泛应用广泛