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1、1 1第七章第七章第七章第七章 液态金属与气相的相互作用液态金属与气相的相互作用液态金属与气相的相互作用液态金属与气相的相互作用第七章第七章第七章第七章 液态金属与气相的相互作用液态金属与气相的相互作用液态金属与气相的相互作用液态金属与气相的相互作用第一节第一节 快速凝固快速凝固第二节第二节 失重条件下的凝失重条件下的凝固固第三节第三节 定向凝固定向凝固 2 2第七章第七章第七章第七章 液态金属与气相的相互作用液态金属与气相的相互作用液态金属与气相的相互作用液态金属与气相的相互作用第一节 快速凝固一、快速凝固简介一、快速凝固简介二、快速凝固方法二、快速凝固方法三、快速凝固显微组织三、快速凝固显
2、微组织四、金属玻璃四、金属玻璃3 3第七章第七章第七章第七章 液态金属与气相的相互作用液态金属与气相的相互作用液态金属与气相的相互作用液态金属与气相的相互作用一、快速凝固简介pp 快速凝固是指采用急冷技术或深过冷技术获得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。很高的凝固前沿推进速率的凝固过程。 界面推进速率大于界面推进速率大于10 mm/s冷却速率达到冷却速率达到1051010 K/s快快固固固固- -液界面的移动速率赶上或超过原子间扩散速率时，晶体液界面的移动速率赶上或超过原子间扩散速率时，晶体液界面的移动速率赶上或超过原子间扩散速率时，晶体液界面的移动速率
3、赶上或超过原子间扩散速率时，晶体将来不及转移成分，将来不及转移成分，将来不及转移成分，将来不及转移成分，界面固、液相成分不再平衡界面固、液相成分不再平衡界面固、液相成分不再平衡界面固、液相成分不再平衡。4 4第七章第七章第七章第七章 液态金属与气相的相互作用液态金属与气相的相互作用液态金属与气相的相互作用液态金属与气相的相互作用完全扩散平衡固-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、凝固中的固、液界面溶质液界面溶质成分成分5 5第七章第七章第七章第七章 液态金属与气相的相互作用液态金属与气相的相互作用液态金属与气相的相互作用液态金属与气相的相互作用6 6第七章第七章第七章第七章
4、液态金属与气相的相互作用液态金属与气相的相互作用液态金属与气相的相互作用液态金属与气相的相互作用快速凝固快速凝固的目的的目的超细组织超细组织过饱和固溶体过饱和固溶体亚稳相或新的结晶相亚稳相或新的结晶相微晶、纳米晶或金属玻璃微晶、纳米晶或金属玻璃形成形成获得优异的获得优异的 强度、塑性、强度、塑性、耐磨性、耐腐蚀性耐磨性、耐腐蚀性 等。等。7 7第七章第七章第七章第七章 液态金属与气相的相互作用液态金属与气相的相互作用液态金属与气相的相互作用液态金属与气相的相互作用二、快速凝固方法1 1、把金属或合金熔体、把金属或合金熔体、把金属或合金熔体、把金属或合金熔体分散成小液滴分散成小液滴分散成小液滴分
5、散成小液滴 也称之为雾化技术、乳化也称之为雾化技术、乳化也称之为雾化技术、乳化也称之为雾化技术、乳化技术或喷射成形技术，以技术或喷射成形技术，以技术或喷射成形技术，以技术或喷射成形技术，以使这些小液滴在凝固前达使这些小液滴在凝固前达使这些小液滴在凝固前达使这些小液滴在凝固前达到很大的过冷度。到很大的过冷度。到很大的过冷度。到很大的过冷度。雾化法的装置雾化法的装置 2 2、使液流保持一个很、使液流保持一个很、使液流保持一个很、使液流保持一个很小的截面小的截面小的截面小的截面，并与高效冷并与高效冷并与高效冷并与高效冷却（散热）器接触，如熔却（散热）器接触，如熔却（散热）器接触，如熔却（散热）器接触
6、，如熔体旋转法或薄截面连续铸体旋转法或薄截面连续铸体旋转法或薄截面连续铸体旋转法或薄截面连续铸造法。造法。造法。造法。 熔体旋转法熔体旋转法3 3、使材料的一个薄、使材料的一个薄、使材料的一个薄、使材料的一个薄层快速熔化并与无限层快速熔化并与无限层快速熔化并与无限层快速熔化并与无限大散热器紧密接触大散热器紧密接触大散热器紧密接触大散热器紧密接触，散热器通常是同一种材散热器通常是同一种材散热器通常是同一种材散热器通常是同一种材料或相关的材料，如电料或相关的材料，如电料或相关的材料，如电料或相关的材料，如电子或激光束表面脉冲子或激光束表面脉冲子或激光束表面脉冲子或激光束表面脉冲/ /移移移移动熔化
7、。动熔化。动熔化。动熔化。表面熔化法表面熔化法8 8第七章第七章第七章第七章 液态金属与气相的相互作用液态金属与气相的相互作用液态金属与气相的相互作用液态金属与气相的相互作用深深过冷法冷法深过冷法是另一类快速凝固方法，其核心是深过冷法是另一类快速凝固方法，其核心是深过冷法是另一类快速凝固方法，其核心是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消除合金液中的异质形核核心消除合金液中的异质形核核心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。中的异质形核核心。悬浮熔炼法
8、（电磁悬浮、静电悬浮、声悬浮）（电磁悬浮、静电悬浮、声悬浮）（电磁悬浮、静电悬浮、声悬浮）（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。的促进作用。9 9第七章第七章第七章第七章 液态金属与气相的相互作用液态金属与气相的相互作用液态金属与气相的相互作用液态金属与气相的相互作用三、快速凝固显微组织 凝固在很大的过冷度和很凝固在很大的过冷度和很高的冷却速率下进行，凝固高的冷却速率下进行，凝固组织中会出现非平衡相组织中会出现非平衡相 。 可以把温度梯度可以把温度梯度G和生长和生长速率速率R联系起来，用联系起来，用GR空
9、间空间表示显微组织的变化和枝晶表示显微组织的变化和枝晶间距（偏析间距）的变化：间距（偏析间距）的变化： 对铸件和铸锭，通常对铸件和铸锭，通常GR=10-3101K/s，但对雾，但对雾化法，化法，GR=102106K/s。相应地，偏析间距相应地，偏析间距从从1000m减小到减小到0.01m。1010第七章第七章第七章第七章 液态金属与气相的相互作用液态金属与气相的相互作用液态金属与气相的相互作用液态金属与气相的相互作用1111第七章第七章第七章第七章 液态金属与气相的相互作用液态金属与气相的相互作用液态金属与气相的相互作用液态金属与气相的相互作用四、金属玻璃pp金属玻璃（也称金属玻璃（也称金属玻
10、璃（也称金属玻璃（也称非晶态合金非晶态合金非晶态合金非晶态合金）是）是）是）是DuwezDuwezDuwezDuwez等人在等人在等人在等人在1960196019601960年首先年首先年首先年首先发现的，他们通过对熔融发现的，他们通过对熔融发现的，他们通过对熔融发现的，他们通过对熔融Au80Si20Au80Si20Au80Si20Au80Si20合金合金合金合金快速冷淬快速冷淬快速冷淬快速冷淬获得了获得了获得了获得了金属玻璃。金属玻璃。金属玻璃。金属玻璃。 金属玻璃保留了液态金属金属玻璃保留了液态金属金属玻璃保留了液态金属金属玻璃保留了液态金属的短程有序的类似原子簇的的短程有序的类似原子簇的
11、的短程有序的类似原子簇的的短程有序的类似原子簇的结构结构结构结构 ，微观组织中不存在晶，微观组织中不存在晶，微观组织中不存在晶，微观组织中不存在晶界、位错和偏析等缺陷，其界、位错和偏析等缺陷，其界、位错和偏析等缺陷，其界、位错和偏析等缺陷，其结构类似于普通玻璃结构类似于普通玻璃结构类似于普通玻璃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金属玻璃的拉伸强度可高达 3 4GPa，并具有很好的耐，并具有很好的耐腐蚀性能、优异的软磁性能、腐蚀性能、优异的软磁性能、优良的超导性能、较高的热稳优良的超导性能、较高的热稳定性和较低的表面活性，已经定性和较低的表面活
12、性，已经或可望应用于机械结构材料、或可望应用于机械结构材料、磁性材料、声学材料、仿生材磁性材料、声学材料、仿生材料、光学材料、体育器材以及料、光学材料、体育器材以及电子材料等多个方面。电子材料等多个方面。 1212第七章第七章第七章第七章 液态金属与气相的相互作用液态金属与气相的相互作用液态金属与气相的相互作用液态金属与气相的相互作用 能否发生玻璃化转变的影能否发生玻璃化转变的影响因素主要有冷却速率、形响因素主要有冷却速率、形核密度和材料特性。核密度和材料特性。 对应于一定的合金熔体，对应于一定的合金熔体，欲发生玻璃化转变需要有足欲发生玻璃化转变需要有足够高的冷却速率。够高的冷却速率。 131
13、3第七章第七章第七章第七章 液态金属与气相的相互作用液态金属与气相的相互作用液态金属与气相的相互作用液态金属与气相的相互作用第二节 失重条件下的凝固 失重条件（也称微重力条失重条件（也称微重力条失重条件（也称微重力条失重条件（也称微重力条件）的凝固与重力条件下完全件）的凝固与重力条件下完全件）的凝固与重力条件下完全件）的凝固与重力条件下完全不同，如无容器条件下的形核不同，如无容器条件下的形核不同，如无容器条件下的形核不同，如无容器条件下的形核以及由温度梯度（或密度梯度）以及由温度梯度（或密度梯度）以及由温度梯度（或密度梯度）以及由温度梯度（或密度梯度）引起的对流等，使得不同成分引起的对流等，使
14、得不同成分引起的对流等，使得不同成分引起的对流等，使得不同成分的液体能够长时间共存，因此的液体能够长时间共存，因此的液体能够长时间共存，因此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可以减少沿凝固方向的成分偏可以减少沿凝固方向的成分偏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析，还可以利用微重力条件制析，还可以利用微重力条件制析，还可以利用微重力条件制备难混熔偏晶合金。备难混熔偏晶合金。备难混熔偏晶合金。备难混熔偏晶合金。 地面条件空间条件1414第七章第七章第七章第七章 液态金属与气相的相互作用液态金属与气相的相互作用液态金属与气相的相互作用液态金属与气相的相互作用 失重
15、条件下材料的凝固实验在地面上可以通过失重条件下材料的凝固实验在地面上可以通过 悬浮熔炼悬浮熔炼 和和 落管技术落管技术 得到得到 。 不同过冷度（不同过冷度（T）下）下Cu84Co16合金电磁悬浮试样的背散射组织合金电磁悬浮试样的背散射组织富富Co相在富相在富Cu基体上均匀分基体上均匀分布布1515第七章第七章第七章第七章 液态金属与气相的相互作用液态金属与气相的相互作用液态金属与气相的相互作用液态金属与气相的相互作用第三第三节 定向凝固定向凝固pp定向凝固技术在共晶凝固、定向柱状晶生长和单晶铸造等定向凝固技术在共晶凝固、定向柱状晶生长和单晶铸造等定向凝固技术在共晶凝固、定向柱状晶生长和单晶铸
16、造等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。方面都有重要的意义。方面都有重要的意义。方面都有重要的意义。pp对于凝固温度范围宽的合金，定向凝固通过在铸件的不同对于凝固温度范围宽的合金，定向凝固通过在铸件的不同对于凝固温度范围宽的合金，定向凝固通过在铸件的不同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，糊状部位放置冷铁实现。这时凝固界面的温度梯度很大，糊状部位放置冷铁实现。这时凝固界面的温度梯度很大，糊状部位放置冷铁实现。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，凝固区域明
17、显减小，因此补缩得到改善，铸件完整性变好，凝固区域明显减小，因此补缩得到改善，铸件完整性变好，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。同时铸件的机械性能也得以提高。同时铸件的机械性能也得以提高。同时铸件的机械性能也得以提高。pp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变和抗热疲劳特性明显提高，这种技术常用于制造具有柱变和抗热疲劳特性明显提高，这种
18、技术常用于制造具有柱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。状晶结构或单晶的发动机叶片。状晶结构或单晶的发动机叶片。状晶结构或单晶的发动机叶片。 1616第七章第七章第七章第七章 液态金属与气相的相互作用液态金属与气相的相互作用液态金属与气相的相互作用液态金属与气相的相互作用 定向凝固装置的工作过程大致为：定向凝固装置的工作过程大致为：定向凝固装置的工作过程大致为：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材料在顶部的熔化室中熔化然后材料在顶部的熔化室中熔化然后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，浇注到模型中，模型在一
19、端急冷，浇注到模型中，模型在一端急冷，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可控拉伸装置保证了金属在模具可控拉伸装置保证了金属在模具可控拉伸装置保证了金属在模具中的定向凝固。中的定向凝固。中的定向凝固。中的定向凝固。定向凝固的单晶叶片是通过对多定向凝固的单晶叶片是通过对多定向凝固的单晶叶片是通过对多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。晶的螺旋选择生长凝固而成的。晶的螺旋选择生长凝固而成的。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等轴晶、柱状晶和单晶的发动机叶片比较 1717第七章第七章第七章第七章 液态金属与气相的相互作用液态金属与气相的相互作用液态金属与气相的相互作用液态金属与气相的相互作用1818
