快速凝固合金的變化與用途研究

潘海成　陳業高　張安民　張俊

【摘 要】快速凝固技術作為一種新型合金制備技術，可以獲得更細小的組織結構、更均勻地分布或形成具有非晶結構的新材料。介紹了快速凝固過程中固溶度擴展、偏析減小、亞穩相形成和組織細化等幾個方面的組織和結構特征。綜述了快速凝固技術的原理和方法及其在開發新材料及改進工藝方面的用途。指出了理論研究的主要問題。

【關鍵詞】快速凝固;非晶結構;固溶度;偏析

中圖分類號： TG111.4 文獻標識碼： A文章編號： 2095-2457（2019）35-0044-002

DOI：10.19694/j.cnki.issn2095-2457.2019.35.019

Study on the Change and Application of Rapid Solidification Alloy

PAN Hai-chen CHEN Ye-gao ZHANG An-min ZHANG Jun

（Suqian College， Suqian Jiangsu 223800， China）

【Abstract】The more tiny organizational structure， the more uniform distribution and the formation of new materials with amorphous structure can be achieved by rapid solidification as a new type of alloy preparation technology. Several aspects of the organization and structure features such as the extension of solid solubility， the decreases of segregation， the formation of metastable phase and the refinement of microstructure were introduced. The principle and methods of rapid solidification technology and its application of developing new materials and improving process was summarized. The main problems of the research were pointed out.

【Key words】Rapid solidification; Amorphous structure; Solid solubility; Segregation

快速凝固技術是制備新材料的重要方法[1-2]，將為材料科學領域的研究注入新的活力。20世紀60年代初，P.Duwez[3]等人研究發現某些共晶合金在平衡條件下本應生成雙相混合物，但當液態合金以足夠快的冷卻速度凝固時，可能生成過飽和固溶體、非平衡晶體，甚至能生成非晶體。從此快速凝固成為凝聚態物理和材料科學領域研究的熱點課題之一[4-10]。快速凝固技術突破了傳統工藝的局限，著眼于大的過冷度和高的冷卻速度以獲得更細小的組織結構、更均勻地分布或形成具有類似于玻璃結構的新材料，為生產高性能材料和開發新材料提供了一條新的途徑。快速凝固合金的凝固進程非常快，可獲得普通鑄件無法獲得的成分、相結構和性能。根據熔體處理和快冷方式的不同分為多種方法，加工的產品特點多樣化，可應用于不同的領域。

1 快速凝固合金的變化

1.1 組織變化

合金凝固過程的快冷引起起始形核過冷度大，生長速率高使固液界面偏離平衡，因而呈現出一系列與常規合金不同的組織和結構特征。具體的組織變化體現在溶質固溶擴展、均勻細化和形成亞穩相等相互聯系的幾個方面。

（1）溶質固溶度擴展。快速凝固可以擴大平衡溶解度極限，隨著合金熔體冷卻速率或過冷度的增大，界面前沿溶質原子的擴散在很大程度上受到抑制，導致新相不能及時析出，從而在最終組織中固溶體相的溶質含量高于平衡相圖上的最大固溶度，形成亞穩態的過飽和固溶體，這在表1的研究結果中就有所體現。

（2）組織均勻細化。合金的結晶過程與過冷度密切相關。大的冷卻速度或過冷度在凝固過程中可以促進形核及細化晶粒。而且隨著冷卻速度的增大，凝固界面前沿的溶質富集和再分配愈加明顯，造成的成分過冷和原本的熱過冷條件，使合金的晶粒尺寸更加減小，甚至獲得微晶和納米晶。同時合金凝固過程中擴散不充分引起溶質的遷移和分配系數將偏離平衡狀態，形成溶質截留效應，大大減小了合金顯微偏析的形成。在凝固界面絕對穩定或溶質完全截流時，整個合金幾乎不存在偏析。隨著凝固速度的增大，固液界面將發生“完全擴散平衡-局域界面平衡-亞穩局域界面平衡-界面非平衡”的轉變[11]。

（3）形成亞穩相。快速凝固合金具有很大的凝固速度和過冷度，實際相變過程與平衡條件下相比有較大的差異，平衡相的析出被抑制，常析出非平衡的亞穩相。這些亞穩相的晶體結構可能與平衡相圖上相鄰的某一中間相結構極為相似，可以看作是快速冷卻和大過冷度下中間相濃度擴展的結果。亞穩相的出現會明顯改善材料的性能[12-14]。許敏[15]等研究了快速凝固Mg-Zn-Y合金，獲得準晶相并與長周期有序堆垛結構相存在一定的組合及轉變機制，可提高合金綜合性能。表1列出了幾種典型的二元鎂合金中合金元素在α-Mg固溶體中的亞穩擴展和形成的亞穩相[16]及其成分范圍[17]。

表1 某些合金的固溶擴展和形成的亞穩相

1.2 快速凝固合金的性能變化

快速凝固合金組織結構的改善，大大提高了合金的綜合力學性能。與常規鑄造合金相比，快速凝固合金的室溫強度、延展性、高溫力學性能和耐腐蝕性能都有很大改善。以研究快速凝固ZK60鎂合金的性能為代表，合金的抗拉強度可達430Mpa，基體中彌散分布著細小的Al3Zr質點，材料熱穩定性極好，比鑄造冶金有了很大提高。

2 快速凝固技術方法與用途

2.1 快速凝固技術的方法

快速凝固工藝主要有急冷技術、深過冷技術和表面快速熔凝技術等幾種。其中急冷技術根據熔體分散方式和冷卻方式的不同可以分成霧化技術、模冷技術和表面熔化與沉積技術三大類[18]，可獲得粉末、箔片、薄帶、纖維和薄膜狀產品。深過冷技術根據處理液相方式的不同可分為乳化法、微小液滴法、落管法和電磁懸浮熔化法等多種。表面快速熔凝技術根據表面熔化方式的不同也有激光表面熔凝技術等多種。

2.2 快速凝固技術的用途

應用快速凝固技術，合金組織和性能變化，可以開發材料更廣泛的功能和應用，開發角度包括凝固組織的微細化、過飽和固溶體和非晶相的出現等。凝固組織越微細，得到高強度和超塑性材料的可能性就越大，也有可能通過再結晶來制備單晶材料;過飽和固溶體結構可得到高強度材料，并且可通過熱處理獲得各種性質的材料;非晶材料不僅具有特殊的力學性能，同時也可獲得特殊的物理和化學性能，如超導特性、軟磁特性及耐腐蝕特性。例如，非晶合金取代硅鋼片制作的變壓器內耗減小，解決了變壓器在特殊條件下使用時的發熱問題。

航空工業需要低密度鋁合金和鎂合金，采用快速凝固技術可以改善組織和力學性能，發揮輕質鋁鎂合金的巨大作用。快速凝固鋁鎂合金的密度大幅度降低。特別是在鋁合金中加入適量的鈹，則其用途更為可貴[19-20]。采用快速凝固粉末制備工具鋼，可細化碳化物并消除其宏觀偏析因而可提高質量和使用性能。快速凝固技術給高溫合金、貴金屬合金和磁性材料等領域帶來更多的優勢，使其產品成分均勻，抗氧化性能提高，有利于擴展合金的應用范圍。

3 結束語

快速凝固技術作為一種新型合金制備技術，目前已在鐵、鎳、鈷、鎂、鋁、銅等合金系、宇航材料、電子儀表材料及超導材料上進行了大量工作，取得了不少成果，大大推動了材料學科某些基礎理論的發展。但是快速凝固理論研究的主要問題是冷卻速度或過冷度，盡管采用實驗實測法和理論凝固模擬法對冷卻速度或過冷度進行了一定的研究，但還存在著許多問題和不足，因此還有很多重要的理論和實驗工作要做。

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