快速凝固技术的应用
机103班 田玉之 1010012084
摘要
：快速凝固指的是在比常规工艺过程中快得多的冷却速度下，金属或合金
以极快的速度从液态转变为固态的过程。快速凝固技术得到的合金与常规合金有
着不同的组织和结构特征，对材料科学和其它学科的理论研究以及开展实际生产
应用起了重要的作用。
Rapid solidification refers to than conventional process much faster
cooling rate, metal or alloy in order to speed the transition from the
liquid state to the solid state process. Rapid solidification technology
of alloy and the conventional alloy has different organization and
structure features, materials science and other disciplines of
theoretical research and practical application of production
关键词
：快速凝固；镁合金；铝合金
引言
：
随着科学技术的发展，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。
各种应用:
一 快速凝固技术在镁合金中的应用
镁合金是所有结构金属中最轻的一种, 具有比重小, 比强度、比刚度高，耐
冲击等一系列优点, 在汽车、电子电器、航空航天等领域具有广阔的应用前景,
但镁合金的加工成形性能及耐蚀性能较差, 大大限制了其发展. 目前, 国内在
高性能镁合金的管、棒、板、型材及一些结构件方面基本上还是空白, 而传统的
铸造冶金方法又难以满足材料的性能要求. 因此, 研究新的制备工艺和加工技
术是发展高性能型材和结构件的必然之路. 快速凝固镁合金将成为未来变形镁
合金的主要制备工艺. 70 年代初, 快速凝固实验表明, 镁基合金具有明显的
非晶形成能力, 非晶态镁合金主要是通过快速凝固合金熔体制备, 非晶态镁合
金的力学性能优异, 是潜在的结构材料. 除力学性能外, 非晶态镁合金的抗腐
蚀性和储氢性能优良, 是一种很有发展前途的新型材料。
二 快速凝固技术在铝合金上的应用
以快速凝固耐热铝合金替代Ti合金在飞机和导弹上应用,可以明显地减轻飞
行器质量,降低成本,以飞机发动机为例,实现以铝代钛,可以减轻质量15%～25% ,
降低成本30%～ 50% ,提高运载量15%～20%,经济效益十分可观。为了能在150～
350℃温度范围内用低密度、低价格的铝合金代替钛合金,过去的20年内,快速凝
固耐热铝合金受到广泛重视。近十几年来,科研工作者们对耐热铝合金进行了大
量的研究, 相继开发了一系列快速凝固耐热铝合金。A l—Fe—V —Si系耐热铝
合金具有良好的室温和高温强度、塑性、热稳定性和断裂韧性以及耐腐蚀性能,
近 20年来广泛应用于航空航天领域.快速凝固A l—Fe—V —Si 系耐热铝合金首
先是由美国A llied2Signal铝业公司的金属及陶瓷材料研究所采用其专利技术
——平面流铸造法研究开发的。目前该合金已成为研制最为成熟的高性能耐热铝
合金, 对它的研究也成为耐热铝合金开发研究的热点.利用传统的快速凝固ö粉
末冶金(RSöPM)工艺制备的Al—Fe—V —Si系耐热铝合金, 在组织上获得了单一
的、弥散分布的球状耐热相Al12(Fe,V )3Si,该相具有良好的热稳定性,研究表明
即使在480℃下保温100 h ,仍未发现明显的粗化现象,从而保证材料在室温和高
温条件下均有较高的强度。因此,自20世纪80年代末以来,该系列的耐热铝合金已
在航空航天等领域获得了广泛的应用。20世纪90年代国内外的研究人员开始应用
喷射成型技术制备Al—Fe—V —Si系耐热铝合金,以期达到提高性能降低生产成
本的目的。随着航空航天事业的发展,对作为结构件材料的铝合金的工作温度提
出了越来越高的要求, A l—Fe—V —Si 系合金具有良好的综合性能,而且可以
根据需要调整 Fe, V , Si含量，控制强化相体积分数,获得不同性能的组合。因
此，对Al—Fe—V —Si系耐热铝合金的研究制备和开发应用受到了国内外的普遍
关注。
三 用大过冷凝固技术制备材料
大过冷凝固技术的核心是利用金属本身的特点实现快速凝固的方法之一。其主要
有快速蒸汽冷凝技术、快速卸压淬火等。
1 蒸汽快速冷凝法(ERC法)
ERC法是借助于低温液体将蒸发的金属蒸汽快速冷凝，在其聚结之前沉积到
捕集器中或旋流收集器中。利用此法制得的金属粉末颗粒尺寸极细，而且粒度分
布非常均匀。
2 快速卸压淬火
快速卸压淬火是一种有效的新的快速凝固方法，在适当的初始温度和压力下
对熔体快速卸压达到固化，由于不受材料自身的热传导性质的限制，因而可获得
大块亚稳材料甚至非晶，实现了快速凝固的原理，并对亚稳相的产生及非晶化成
因提供了热力学上的合理解释。
大过冷凝固技术的特点是在熔体中形成尽可能接近均匀形核的凝固条件，从
而在形核前获得大的过冷度。熔体主要是通过导热性差的介质传热或以辐射传热
的方式冷却。目前，采用此技术制取的合金的尺寸、数量都很小，而且不能连续
生产。因此，要使其不仅在理论上和实验研究中得到广泛应用，而且像急冷凝固
技术那样应用于实际生产还需要做进一步的改进。
总结：
目前，关于快速凝固技术的研究着重于母合金熔融后分成微小的熔滴，然后再通过冷的
基体进行散热冷却，所解决的是传热问题。但从快速凝固各种技术现存的问题看，
解决这些问题时不目前，关于快速凝固技术的研究着重于母合金熔融后分成微小
的熔滴，然后再通过冷的能靠单一的方法，它是一个系统工程，应从合金本身、
金属液的净化、外部强制冷却手段等方面同时采取措施才行。为使快速凝固合金
的研制工作走上完善的科学设计的道路，还有一系列的理论研究及实验测试工作
有待进一步开展：计算和实测更多的二元及多元亚稳平衡相图，包括T0线的走
向；亚稳合金熔体中热物理参量及它们与温度之间的关系需要更多的实验测定工
作；关于高生长速率下的胞状晶生长及枝晶向胞晶转变的实验观察和模型化工
作；深入分析高生长速率下温度依从的扩散系数及界面附着动力学对枝晶和胞晶
生长以及对界面形貌稳定性的影响；定量表述化学成分及熔体热历史对非均质形
核的影响；相组成及显微结构与各种使用性能之间的关系。最终采用计算机辅助
工程(CAE)的手段，对快速凝固过程实现计算机模拟和定量分析，对合金化学成
分及快速凝固工艺参数实现定量设计。
参考文献
1 《材料导报：纳米与新材料专辑》 2010年 第2期 作者：王艳丽 郭学锋 黄
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2 《广西大学学报（自然科学版）》 ISTIC PKU -2007年z1期 梁玮 劳远侠 徐
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3 《有色金属与稀土应用》 2010年 第4期 作者：贾宇
4 《材料科学与工程》 2001年 张瑞丰，沈宁福