快速凝固技術對鑄件微觀組織的影響研究

摘要:文章就快速凝固技術以及快速凝固技術對鑄件微觀組織的影響機理進行了探討。

關鍵詞:快速凝固 鑄件 組織

快速凝固技術的概念起源于P.杜威茲。追溯快速凝固發展的動力，主要來自普通鑄錠或鑄件的偏析。偏析可以分為兩類:小范圍內的偏析(微觀偏析)和大范圍內的偏析(宏觀偏析)。前者發生在枝晶范圍內，約1/10～1/10000μm數量級。后者發生在整個鑄錠或鑄件尺寸范圍內，達厘米甚至米數量級。

微觀偏析只有在鑄造組織受化學試劑腐蝕后才露出來。組織受腐蝕程度的不同，即說明存在著合金元素的濃度梯度。一般枝晶臂間距與凝固冷卻速率密切相關。對于已研究的各種工程合金材料，枝晶臂間距與冷卻速率成反比關系。一般可以通過工業高溫熱處理使偏析溶質充分均勻化。對于普通鑄品，因為凝固緩慢，有充分時間和空間進行擴散，而產生宏觀偏析。即使長時間高溫均勻化熱處理，組分的濃度梯度仍然存在，因此宏觀偏析成為工業生產中的一大難題。

1快速凝固技術

通常用由液態到固態的某一確定冷卻速率值(如大于105℃/S)來定義快速凝固。快速凝固即指增加凝固時的冷卻速率，能縮短其枝晶臂間距。枝晶臂間距越小，第二相(夾雜和顯微孔洞)也越細小，分布也越均勻，從而可獲得顯微結構均勻的合金。

通過縮短凝固時間，使凝固過程中金屬內部為生成粗晶組織或偏析組織的時間和空間條件均不具備，從而得到均勻的金相組織。

1.1 急冷凝固技術 急冷凝固技術的核心是要提高凝固過程中熔體的冷速，從熱傳輸的基本原理可以知道，一個相對于環境放熱的系統的冷速取決于該系統在單位時間內產生的熱量和傳出系統的熱量，因此對金屬凝固而言，提高系統的冷速必須要求:第一，減少單位時間內金屬凝固時產生的熔化潛熱;第二，提高凝固過程中的傳熱速度。根據這兩個基本要求，并針對常規鑄造凝固時熔體在體積很大的鑄模中同時凝固、熱量不易迅速傳出和固態淬火時主要通過對流傳熱因而冷速不高等問題，急冷凝固技術的基本原理是設法減小同一時刻凝固的熔體體積并減小熔體體積與其散熱表面積之比，并設法減小熔體與熱傳導性能很好的冷卻介質的界面熱阻以及主要通過傳導的方式散熱。

1.2 大過冷凝固技術 與急冷凝固技術相比，大過冷凝固技術的原理比較簡單，就是要在熔體中形成盡可能接近均勻形核的凝固條件，從而獲得大的凝固過冷度。通常在熔體凝固過程中促進非均勻形核的形核媒質主要來自熔體內部和容器壁，因此大過冷技術就是主要從這兩個方面設法消除形核媒質。減少或消除熔體內部的形核媒質主要是通過把熔體彌散成熔滴的途徑，從而產生接近均勻形核的條件。另一方面，減少或消除由容器壁引入的形核媒質主要是設法把熔體與容器壁隔開甚至在熔化與凝固過程中不用容器。

2 快速凝固對鑄件顯微組織的影響

快速凝固的顯微組織雖已細化，但仍具有通常凝固產物的晶粒，枝狀晶和共晶組織等的基本性質，不過在組成上已有變化。由于這些相具有亞穩性，它們在凝固后的冷卻過程中，甚至在儲存期間可能發生分解。這樣的現象在單輥噴帶、液態拉拔和雙輥等方法中可能出現，其原因是凝固金屬離開冷卻面后仍有較高的溫度，而且冷卻速度也不夠快。在一層疊一層的沉積凝固物中，由于先前的沉積層受后來沉積的熱處理作用么會有這種情況出現，因此在作機理研究時，要特別當心區別凝固作用和固態的變化。

2.1 晶粒組織 快速凝固合金的晶粒大小主要與凝固冷速有關，晶粒尺寸一般隨冷速增加而減小。它們之間有下列具體關系:

式中d是晶粒平均直徑，單位μm，B，m是與合金成分有關的常數。電子能透過的冷淬槍制備的薄片邊緣具有伸長或等軸晶粒，粒度可小至0.01μm，而更多的是0.1μm，占有整個薄片厚度。顯然，這樣的粒度是通常的凝固速度所達不到的，固態下的再結晶也只能勉強達到。冷淬槍樣品中心的多層部分是柱狀晶，每層互相錯入，形成很好的接觸。活塞法制備的單層等厚薄片中的組織是柱狀晶過渡到等軸晶，這和鑄錠中常見的柱狀晶與近冷卻面的等軸部分為鄰相似。急冷薄帶的結晶狀態基本上是柱狀晶，它和上表面之間或有或無等軸晶帶。表面熔化和快速凝固處理所形成的結晶特征是平行于上表面并沿處理點移動方向柱狀晶得到發展。霧化凝固顆粒中有多種結晶狀態，從少量等軸晶或柱狀晶(粒度約等于顆粒直徑)到大量的細化等軸晶。

2.2 成分 在快速凝固合金中成分均勻化或偏析減小表現在兩個方面，一方面是溶質元素不均勻分布或偏析的范圍明顯減小。通常采用產生樹枝晶偏析的二次枝晶臂間距作為成分偏析范圍或偏析距離的的標志，而快速凝固合金由于晶粒明顯細化，所以偏析范圍從一般鑄態合金的幾毫米到幾十微米減小到0.1~0.25μm。枝狀晶間距d和冷卻速度的關系為: d=a

式中d為枝狀晶間距。b≈，a≈50μm(K/s)b。可以看出，枝狀晶間距d隨著冷速增加明顯減小。另一方面，由于快速凝固后固液界面前出現非平衡溶質分配或溶質捕獲現象，使合金的成分不均勻程度或偏析程度大大減小。

2.3 缺陷密度 與鑄態合金相比，快速凝固合金中的空位、位錯等缺陷密度有較大增加。由于液態合金中空位形成能比固態合金的空位形成能小得多，所以液態合金中的空位濃度比固態合金高得多，快速凝固時大部分空位來不及析出而留在固態合金中;另一方面，由于凝固速度很高，晶體長大過程中也容易形成空位，因而使快速凝固合金一般有很高的空位濃度。例如快速凝固Pb的空位濃度比固態淬火時的空位濃度高5倍。同時，由于合金在快速凝固過程中受到較大的熱應力，空位聚集崩塌后會形成位錯環，這些因素都使快速凝固合金中的位錯密度特別是位錯環密度比一般鑄態合金增加很多。此外，快速凝固合金的層錯密度也很高。尤其在Cu、Ni、Ag、Au與Al、Zn、Cd、Sn組成的二元合金中層錯密度更高一些。快速凝固合金中空位濃度和位錯、層錯密度的這些特點對合金的溶質擴散，相變以及性能都會產生重要影響。

2.4 亞穩相 合金在快速凝固后形成許多新的亞穩相是其微觀組織的結構的一個主要特點。亞穩相是指在相空間中于一定的溫度、壓力、成分等狀態條件下吉布斯自由能G比穩定相或平衡相高的相，但是亞穩相不像不穩相那樣會在任意小的能量起伏作用下自發的轉變成穩定相或其他亞穩相，而是必須在外界環境作用下經過熱激活越過勢壘才能轉變成穩定相或其他亞穩相。

2.5 在固態冷卻過程中微觀組織結構的變化 合金在快速凝固后固態冷卻時的冷速比凝固過程中的冷速要小，但是與一般固態淬火的冷速比較還是要大的多。所以快速凝固合金凝固后冷卻的過程實際上相當于進行了冷速很高的固態淬火處理，因而有可能產生于通常固態淬火類似、但又有所不同的固態相變。

3 結論

快速凝固合金由于微觀組織結構的尺寸與鑄態合金相比明顯細化合均勻化，所以具有很好的晶界強化與韌化作用，避免了一些有害相的產生，消除了微裂紋萌生的隱患，改善了合金的力學性能和物理性能。另外，快速凝固合金的微觀組織結構特點還使它們具有一些常規鑄態合金所沒有的獨特物理性能。但是當前快速凝固技術還存在一些問題，例如工藝還不完善，對亞穩相的認識不全面等，這些均有待于解決。

參考文獻:

[1]程天一，章守華.快速凝固技術與新型合金[M].宇航出版社.1990.11.

[2]張榮生.快速凝固技術[M].冶金工業出版社.1994.6.

[3]李月珠.快速凝固技術和材料[M].國防工業出版社.1993.11.