快速凝固技術在合金制備中的應用

劉艷 馮婧

摘要：傳統鑄造合金常常會出現晶粒粗大，偏析嚴重，鑄造性能不好等缺陷，產生缺陷的主要原因是合金凝固時的過冷度和凝固度很小，要消除鑄造合金存在的這些缺陷，關鍵是要提高熔體凝固時的過冷度，提高冷卻速度。本文介紹了合金制備的快速凝固技術及其應用。

關鍵詞：快速凝固技術；合金制備；應用

一 前言

急冷凝固技術是Duwez在1960年首先創立的一種研制新型合金的冶金技術。這一技術的主要特點是設法把熔體分成尺寸很小的部分，并減小熔體體積和液體與冷卻介質接觸的散熱面積之比，從而使熔體被冷卻介質迅速冷卻而凝固。杜韋茲應用急冷凝固技術第一次制取了非晶態的An-Si合金，冷卻速度達到106～109K/s，過冷度可達102K數量級，相應的凝固速度也可達到10～102cm/s[1]。與常規鑄造技術相比，急冷凝固技術所達到的冷速、過冷度、凝固速度得到了很大程度地提高。1967年他又發明了離心急冷法，后經BedellChen和Miler等人的不斷改進和完善，于1974年發展成單輥急冷法和雙輥軋制法[2]。杜韋茲等人的貢獻主要有兩點：第一是提出并實現了合金快速凝固冷卻的方法；第二是研究了快速凝固對合金的組成和顯微組織的影響。

二 快速凝固基本原理

快速凝固技術是指在急速冷卻或在深度過冷的條件下，使液態材料在偏離平衡狀態下結晶，以獲得傳統鑄造或鑄錠冷卻速率下所不能獲得的成分、相結構和顯微結構，以及相應的性能[3]。因此，比起傳統凝固過程，快速凝固技術在工藝和材料方面都具有很大的吸引力，主要表現在以下三個方面[4]：

（1） 快速凝固可增大合金中溶質的溶解度，形成過飽和固溶體、非平衡晶體及非晶體。合金在平衡凝固時，溶質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。在快速凝固過程中，隨著合金熔體過冷度的增大，界面前沿溶質原子的擴散在很大程度上受到抑制，溶質截留效應顯著，從而導致固溶體中溶質含量遠高于平衡相圖上的最大固溶度極限，形成亞穩態的固溶度擴展的固溶體，從而提高了合金的固溶度，既可以更好的實現合金元素的固溶強化作用，還可以起到沉淀硬化的作用；

（2） 均勻和細化合金微觀組織，能夠很大程度上消除金屬中的偏析現象，使其更易于熱處理和加工。快速凝固技術大大提高了凝固時的形核速率，而極短的凝固時間又使晶粒不可能充分長大，加之又會發生枝晶臂熔斷現象，因而在快速凝固條件下能夠形成非常細小的凝固組織，可獲得微晶甚至納米晶，并且晶粒尺寸十分均勻。制品使用壽命延長，甚至使原來只能用于鑄態而不能加工的金屬制品變成可鍛或超塑性的；

（3） 使金屬制品更加接近最終形狀，或直接成型。節省大量的成型工序花費，如減少壓力加工量、金屬切削量等。

快速凝固可以使用不同的方法和相應的設備與裝置，但從技術原理上講，實現快速凝固主要有3種途徑[4]：（1）動力學急冷法；（2）熱力學深過冷法；（3）快速定向凝固法。

三 快速凝固技術的應用

利用快速凝固技術可以獲得非晶，超微晶和微晶材料，這些材料具有一些常規制備方法與工藝下得到的材料所不具備的性能，比如，高強度、高韌性、高導電性、良好的耐蝕性和高溫氧化能力，因此，快速凝固技術是一項研制新型合金的冶金技術。

快速凝固技術可分為急冷凝固技術和大過冷凝固技術兩大類，在急冷凝固技術中根據熔體分離和冷卻方式不同又可分成模冷技術，霧化技術和表面熔化與沉積技術[5]三類。

模冷技術的主要特點是首先把熔體分離成連續或不連續的、截面尺寸很小的熔體流，然后使熔體流與旋轉或固定的、導熱良好的冷模（或稱基底：Substrate）迅速接觸而冷卻凝固。

霧化技術的主要特點是使熔體在離心力、機械力或高速流體沖擊力等外力作用下分散成尺寸極小的霧狀熔滴在與流體或冷模接觸中迅速冷卻凝固。

表面熔化與沉積技術的主要特點則是用高密度能束掃描工件表面使其表面層熔化或者把熔滴噴射導到工件或基底的表面，然后通過熔體或熔滴向工件或基底內部迅速傳熱而冷卻凝固。

快速凝固技術在獲得新的微觀組織結構，新的合金和新的加工工藝方面幾乎具有無限的潛力，它已經成為延至21世紀各個工業和技術部門急需的新型合金材料的一項重要技術，它的發展為提升傳統金屬材料的性能提供了新的契機，快速凝固材料具有優異的物理化學性能，在國防、機械、化工等多個領域都有很好的發展前景。

參考文獻：

[1] 王智慧.非晶Cu-P釬料釬焊過程的組織轉變及擴散行為研究[D].蘭州理工大學，2008年12月.

[2] 張榮生，劉海洪.快速凝固技術[M].北京，冶金工業出版社，1994.

[3] 陳光，傅恒志等.非平衡凝固新型金屬材料[M].北京，科學出版社，2004.

[4] 張承甫，肖理明，黃志光.凝固理論與凝固技術[M].武漢，華中工學院出版社，1985.

[5] 鄧延波，趙榮濤等.快速凝固技術在鋁合金中的應用[J].科技信息，2012（25）.