快速凝固技术在合金制备中的应用

刘艳 冯婧

摘要：传统铸造合金常常会出现晶粒粗大，偏析严重，铸造性能不好等缺陷，产生缺陷的主要原因是合金凝固时的过冷度和凝固度很小，要消除铸造合金存在的这些缺陷，关键是要提高熔体凝固时的过冷度，提高冷却速度。本文介绍了合金制备的快速凝固技术及其应用。

关键词：快速凝固技术；合金制备；应用

一 前言

急冷凝固技术是Duwez在1960年首先创立的一种研制新型合金的冶金技术。这一技术的主要特点是设法把熔体分成尺寸很小的部分，并减小熔体体积和液体与冷却介质接触的散热面积之比，从而使熔体被冷却介质迅速冷却而凝固。杜韦兹应用急冷凝固技术第一次制取了非晶态的An-Si合金，冷却速度达到106～109K/s，过冷度可达102K数量级，相应的凝固速度也可达到10～102cm/s[1]。与常规铸造技术相比，急冷凝固技术所达到的冷速、过冷度、凝固速度得到了很大程度地提高。1967年他又发明了离心急冷法，后经BedellChen和Miler等人的不断改进和完善，于1974年发展成单辊急冷法和双辊轧制法[2]。杜韦兹等人的贡献主要有两点：第一是提出并实现了合金快速凝固冷却的方法；第二是研究了快速凝固对合金的组成和显微组织的影响。

二 快速凝固基本原理

快速凝固技术是指在急速冷却或在深度过冷的条件下，使液态材料在偏离平衡状态下结晶，以获得传统铸造或铸锭冷却速率下所不能获得的成分、相结构和显微结构，以及相应的性能[3]。因此，比起传统凝固过程，快速凝固技术在工艺和材料方面都具有很大的吸引力，主要表现在以下三个方面[4]：

（1） 快速凝固可增大合金中溶质的溶解度，形成过饱和固溶体、非平衡晶体及非晶体。合金在平衡凝固时，溶质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。在快速凝固过程中，随着合金熔体过冷度的增大，界面前沿溶质原子的扩散在很大程度上受到抑制，溶质截留效应显著，从而导致固溶体中溶质含量远高于平衡相图上的最大固溶度极限，形成亚稳态的固溶度扩展的固溶体，从而提高了合金的固溶度，既可以更好的实现合金元素的固溶强化作用，还可以起到沉淀硬化的作用；

（2） 均匀和细化合金微观组织，能够很大程度上消除金属中的偏析现象，使其更易于热处理和加工。快速凝固技术大大提高了凝固时的形核速率，而极短的凝固时间又使晶粒不可能充分长大，加之又会发生枝晶臂熔断现象，因而在快速凝固条件下能够形成非常细小的凝固组织，可获得微晶甚至纳米晶，并且晶粒尺寸十分均匀。制品使用寿命延长，甚至使原来只能用于铸态而不能加工的金属制品变成可锻或超塑性的；

（3） 使金属制品更加接近最终形状，或直接成型。节省大量的成型工序花费，如减少压力加工量、金属切削量等。

快速凝固可以使用不同的方法和相应的设备与装置，但从技术原理上讲，实现快速凝固主要有3种途径[4]：（1）动力学急冷法；（2）热力学深过冷法；（3）快速定向凝固法。

三 快速凝固技术的应用

利用快速凝固技术可以获得非晶，超微晶和微晶材料，这些材料具有一些常规制备方法与工艺下得到的材料所不具备的性能，比如，高强度、高韧性、高导电性、良好的耐蚀性和高温氧化能力，因此，快速凝固技术是一项研制新型合金的冶金技术。

快速凝固技术可分为急冷凝固技术和大过冷凝固技术两大类，在急冷凝固技术中根据熔体分离和冷却方式不同又可分成模冷技术，雾化技术和表面熔化与沉积技术[5]三类。

模冷技术的主要特点是首先把熔体分离成连续或不连续的、截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（或称基底：Substrate）迅速接触而冷却凝固。

雾化技术的主要特点是使熔体在离心力、机械力或高速流体冲击力等外力作用下分散成尺寸极小的雾状熔滴在与流体或冷模接触中迅速冷却凝固。

表面熔化与沉积技术的主要特点则是用高密度能束扫描工件表面使其表面层熔化或者把熔滴噴射导到工件或基底的表面，然后通过熔体或熔滴向工件或基底内部迅速传热而冷却凝固。

快速凝固技术在获得新的微观组织结构，新的合金和新的加工工艺方面几乎具有无限的潜力，它已经成为延至21世纪各个工业和技术部门急需的新型合金材料的一项重要技术，它的发展为提升传统金属材料的性能提供了新的契机，快速凝固材料具有优异的物理化学性能，在国防、机械、化工等多个领域都有很好的发展前景。

参考文献：

[1] 王智慧.非晶Cu-P钎料钎焊过程的组织转变及扩散行为研究[D].兰州理工大学，2008年12月.

[2] 张荣生，刘海洪.快速凝固技术[M].北京，冶金工业出版社，1994.

[3] 陈光，傅恒志等.非平衡凝固新型金属材料[M].北京，科学出版社，2004.

[4] 张承甫，肖理明，黄志光.凝固理论与凝固技术[M].武汉，华中工学院出版社，1985.

[5] 邓延波，赵荣涛等.快速凝固技术在铝合金中的应用[J].科技信息，2012（25）.