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1、金属凝固原理题目：快速凝固的理论研究及其在材料制备中应用专业：材料工程学号：2013730030 姓名：刘丽娜快速凝固的理论研究及其在材料制备中应用摘要：快速凝固已成为一种具有挖掘金属材料潜在性能与发展前景的开发新材料的重要手 段，同时也成了凝固过程研究的一个特殊领域。过去对凝固过程的模拟考虑了在熔融状态下 的热传导和凝固过程潜热的释放，不考虑金属在型腔内必然存在的流动以及金属在凝固过程 中存在的流动。目前快速凝固技术作为一种研制新型合金材料的技术已开始研究了合金在凝 固时的各种组织形态的变化以及如何控制才能得到符合实际生活、生产要求的合金。着重于 大的温度梯度和快的凝固速度的快速凝固技术，正
2、在走向逐步完善的阶段。快速凝固技术一般指以大于105K/s-106K/s的冷却速率进行液相凝固成固相，是一种非 平衡的凝固过程，通常生成亚稳相（非晶、准晶、微晶和纳米晶），使粉末和材料具有特殊的 性能和用途。快速凝固技术得到的合金具有超细的晶粒度，无偏析或少偏析的微晶组织，形 成新的亚稳相和高的点缺陷密度等与常规合金不同的组织和结构特征。由于凝固过程的快 冷，起始形核过冷度大，生长速率高，使固液界面偏离平衡，因而呈现出一系列与常规合金 不同的组织和结构特征。关键词：快速凝固理论研究组织特征快速凝固方法一引言随着对金属凝固技术的重视和深入研究，形成了许多种控制凝固组织的方法，其中快 速凝固已成为
3、一种具有挖掘金属材料潜在性能与发展前景的开发新材料的重要手段同时 也成了凝固过程研究的一个特殊领域。过去对凝固过程的模拟考虑了在熔融状态下的热传导 和凝固过程潜热的释放，不考虑金属在型腔内必然存在的流动以及金属在凝固过程中存在 的流动。目前快速凝固技术作为一种研制新型合金材料的技术已开始研究了合金在凝固时的 各种组织形态的变化以及如何控制才能得到符合实际生活、生产要求的合金。着重于大的温 度梯度和快的凝固速度的快速凝固技术，正在走向逐步完善的阶段。快速凝固技术一般指以大于105K/s106K/s的冷却速率进行液相凝固成固相，是一种 非平衡的凝固过程，通常生成亚稳相（非晶、准晶、微晶和纳米晶），
4、使粉末和材料具有特殊 的性能和用途。快速凝固技术得到的合金具有超细的晶粒度，无偏析或少偏析的微晶组织， 形成新的亚稳相和高的点缺陷密度等与常规合金不同的组织和结构特征。由于凝固过程的快 冷，起始形核过冷度大，生长速率高，使固液界面偏离平衡，因而呈现出一系列与常规合金 不同的组织和结构特征。二凝固过程理论研究2.1凝固过程中固液界面形态稳定性理论2.1.1成分过冷理论成分过冷理论起源于凝固过程中溶质原子在固液界面上的富集。这种富集的结果是在距固液界面前沿的液相中不同的距离内具有不同的溶质浓度，可由式 错误！未找到引用源。表示。式中C为浓度；R为生长速度；D为溶质扩散系数；z为距固 液界面的距离。
5、Chalmers等人在假设液相中无对流时，解上式得液相中溶质浓度分布为Cl = C1+（错误！未找到引用源。）错误！未找到引用源。式中CL为液相中溶质浓度；C为原 始浓度；k0为溶质平衡分配系数。在有对流情况下，Burtou等人得到液相中溶质浓度分布 为Cl = Cs1+（错误！未找到引用源。）错误！未找到引用源。式中Cs为固相中溶质的浓度; 6为流动边界层厚度。Rutler与Chalmers认为，出现成分过冷后，在平界面上形成小的凸起，进而发展进入 到大的成分过冷区内，其凸起不断长大，平的界面被破坏。Bilonis等人则认为出现成分过 冷后平界面上在位错的周围形成凹坑，凹坑发展为六角形沟槽，
6、平界面从此被破坏。郡司好 喜先生对成分过冷理论提出以下几个问题：首先，由于没考虑界面能的影响，不能估计在平 界面上出现凹凸时过冷度的变化；其次，只考虑了液体内的温度梯度，而没有考虑固相中的 温度梯度；再次，用成分过冷理论无法描述失稳后的界面状态，也就是说成分过冷理论还不 能十分准确地描述凝固过程中固液界面的状态。 2.1.2界面稳定性动力学理论Mullins与Sekerka（简称为M-S）认为凝固过程中的固液界面原本就不是平的界面，是存 在有很小凹凸的曲面，这个凹凸的大小随温度与溶质浓度的变化而变化，M-S将其称为扰动， 并假设这种扰动按正弦波的形式分布，其界面方程为z=6 sin（ 3 x）
7、。式中6为扰动振幅； 3为扰动频率。这样液相中的浓度及固液两相中的温度分布可由以下三个基本方程表示： 错误！未找到引用源。（1）错误！未找到引用源。（2）错误！未找到引用源。（3）式中Ts、Tl分别为固体与液体中的温度；a l、a s分别为液体与固体中的热扩散系数。考虑 到界面曲率的作用，界面的温度为Ti=Tm + mCi-TnF K*。式中Ci为界面上的浓度；二O /L, O为固液界面比表面能；L为结晶潜热；K*为界面曲率。假设Ti=T0+a 6 sin（ 3 x） , Ci=C0 +b6 sin（ 3 x）。式中T0、C0分别为界面为平面时液体的温度与浓度；a、b为常数。解方 程（1）、（
8、2）、（3），并利用边界条件As/L(3Ts/3z)i - AL/LdTL/dz)i =DLCi(kO-l)(dC/dz) i = V + d姑心可得扰动频率随时间的变化关系为：dS _- (R/DLP (gL + 法)W - 刊 + 2mGc -就/Djdt 0 一史)”一 CR/AJP + 2amGc式中错误！未找到引用源。3 ；错误！未找到引用源。；错误！未找到引用源。；错误!未找到引用源。式（4）即为凝固界面形态稳定性动力学微分方程式。当d6 /dt0时，扰动振幅随时间而增大，界面处于不稳定的状态；d6 /dt 7figGc可见只用成分过冷理论不能判断固液界面的稳定性。实际上在用成分过
9、冷理论判断出固液界 面失稳时，固液界面早已处于失稳的状态。Sato8用铝合金均验证了M-S理论的正确性。最近王自东等人提出了固液界面形态稳定非线性动力学理论，该理论是借助M-S理论的 基本思路，对界面曲率K*做全面的数学展开，通过相应的非线性处理，得到的扰动振幅随 时间的变化规律为当错误！未找到引用源。时+ K/D 皿 + （fc -1） 7/D站 _+ 为此)纯 + (fc -1) V/Ddt mG。(七仙石 + 兀已仙 i.) + (礼 GJ 仙日 + (K 1) V/ D如+矿底)+2渔3 +四)_琮顷土鼎mwc + 7/7） 批&（i）c + （土 - Y）V/D当错误！未找到引用源。
10、时dS _ V 5(5 + (fc -1) V/Ddt 7fiGc+ ?迁3) + Q 占 G)(nc + (_K 1) V/D孟瓦(叱 + V/ a5 + Al Gl (也 + V/ aL)+担g式中错误！未找到引用源。，错误！未找到引用源。，错误！未找到引用源。在此基础上作者对这个控制单相合金凝固界面形态非线性动力学方程进行了全面的讨 论，但目前还没有大量的实验支持。2.2快速凝固过程中溶质分配模型研究在快速凝固条件下，固液界面溶质分配行为不能用传统的理论来描述，必须建立新理论。 在以往的研究中，人们广泛采用局域平衡假设，但Baker和Cahn对快速凝固所发现的溶质捕 获现象否定了这一观点
11、。Aziz认为，对二元合金单向凝固行为的全面描述需要四个方程，既界面处固相和液相成 分之间的关系方程;生长速率与界面局部条件的相关方程;描述溶质排放和潜热释放的方程。 这四个方程的联立解可获知体系的凝固行为。根据Cahn的观点，Aziz应用化学速率理论描述 溶质在0t0.5），这样就可能失去长程有序结构，而成为玻璃态或称非晶态。（6）高的点缺陷密度。固态金属中点缺陷密度随着温度的上升而增大，其关系式为： C=exp（- QF/RT）式中，C为点缺陷密度，QF为摩尔缺陷形成能。金属熔化以后，由于原子有序程度 的突然降低，液态金属中的点缺陷密度要比固态金属高很多，在快速凝固过程中，由于温度 的骤然
12、下降而无法恢复到正常的平衡状态，则会较多的保留在固态金属中，造成了高的点缺 陷密度。四快速凝固的方法以及在材料加工制备中的应用4.1表面熔凝技术表面熔凝技术的特点是用高密度能束扫描工件表面，使其表层熔化，熔体通过向下面冷 的工件基体迅速传热而凝固，该技术主要应用在材料表面改性方面。4.1. 1激光熔凝技术采用近于聚焦的激光束照射材料表面层，使其熔化，依靠向基材散热而自身冷却、快速 凝固.在熔凝层中形成的铸态组织非常细密，能使材料性能得到改善，增强材料表层的耐磨 性和耐蚀性。激光表面熔凝技术的应用基本上不受材料种类的限制，可获得较深（可达2-3mm）的高性 能敷层，易实现局部处理，对基体的组织、性能、
