③自此，快速凝固亚稳效应被有目的地用来制备高性能材料
快速凝固技术的分类及基本原理
快速凝固技术的分类
急
不同学者对快速凝固方法作了不同的分类，
冷
➢Jones(1982)根据熔体分离与冷却方式不同而分成三类：
凝
（i） 熔体急冷前破碎成液滴的喷射方法——雾化技术；
快
固
（ii） 熔体急冷时保持其连续性的急冷方法——模冷技术；
快速凝固技术
前言
快速凝固1960年开始出现 快速凝固是一项新型材料制备技术，既是一种生产手段,又 是一种探索新材料的研究方法，受到了普遍的重视 对现有牌号合金，可以显著地改善其组织结构，充分挖掘 其性能潜力，也可以研制在常规铸造条件下无法得到的、具 有优异性能的新型材料 近年来，不但开拓了一个崭新的学术领域，而且向市场提 供了具有特殊性能的新材料 快速凝固技术和快速凝固合金的研究已成为了材料科学的 一个重要分支，并在实际生产中得到了广泛的应用，具有广 阔的应用前景
在不同的急冷方法中，B可与A和C组合（离心雾化法、熔体旋转法），也可仅与C组合（熔体提取法）
常规 铸造
冶炼炉
在时间上有时也“分割”熔体，但 “分割”不强烈，熔化潜热多集中释 放
铸模
熔体液流与冷却介质的组合形式，以及相应的工艺过程
熔体液流与冷却介质各采用三个选择： 分离熔体选择——细小液滴、近圆断面的细流、极薄矩形断面液流 散热介质选择——气体、液体、固体
➢高速高频气流由装配在雾化喷嘴上的 激波管产生
➢可有效破碎液流，粉末更细（平均约 20μm），粒度均匀（尺寸分布窄）， 平均冷速可达105 K/s
➢可以成功地用于生产铝、超合金、TiAl粉
离心雾化技术
液态金属在高速旋转的容器（盘、杯、坩埚、平板或凹板）的边缘上破碎、雾化的 技术。液态金属从坩埚或从熔化的母合金棒端浇注到旋转器上，在离心力的作用下， 熔融金属被甩向容器边缘雾化，喷射出金属雾滴，雾滴在飞行过程中球化并凝固。 整个过程（熔化、雾化、凝固）在惰性气体环境中完成
快速凝固发展的由来
追溯快速凝固发展，其原始动力源于解决铸件（锭）偏析的需 要。因此，虽然有的技术DUWEZ的“枪”以前就已发明，早 可视为快速凝固技术的前身。然而，目前大家公认的是，快速 凝固起源于DUWEZ的“枪”技术 1960年DUWEZ的“枪”技术开创了一个新纪元
①冷速可达106k/s
②首次系统报道快凝组织结构、形貌、大小的变化规律
急冷凝固技术的基本原理
或改变熔体形状，或分散熔体，避免大量熔化潜热集中释放，并改善熔体与冷却介 质的热接触状况，实现快速热交换，并散热，达到快冷和快凝的目的
急冷凝固技术的设备组成
B是急冷设备的核心，对冷速起关键作用
急冷 凝固
熔化装置 A
熔化合金
分离装置 B
在时间或空间上 “分割”熔体
冷却装置 C
传出熔体热量
➢利用两个反向高速旋转辊轮将 金属液流雾化。经过双辊时需防 凝固（用碳涂层包裹两辊），液 态金属从辊下方排出，形成涡凹， 并以液滴形式甩出，并迅速落入 水浴，凝固
➢冷速达１０５－１０６Ｋ／ｓ， 可制备金属薄片、箔以及不规则 或球形颗粒。效率低
➢将熔体液流在两个反向旋转的导热轧辊之间轧制，熔体液流垂直下落在两辊之间， 可制备１０－２００μm的薄片，冷速达１０５Ｋ／ｓ。精控工艺参数，可制备非 常长的薄带
旋桨代平盘
➢粉末多呈球形，尺寸约20-80μm， 冷速104-106K/s
➢已用于制备镍、铝、钛和超合金粉
Pratt & Whitney 的快速凝固速率— 离心雾化（RSR-CAP）工艺
离心雾化法
➢静止电极和带电旋转坩埚 之间产生电弧，熔化金属
➢在离心力作用下，熔融 金属被甩出坩埚边缘雾化， 并喷射出金属液态颗粒
快速凝固雾化法
旋转离心雾化的一种，又称快速凝固速率—离心雾化工艺，
（Rapidly Solidification Rate-Centrifugal Atomization Process）
➢液流自坩埚底浇至高速旋转的水冷 水平盘，液态金属被机械打碎、雾化， 从旋转盘边缘甩出，液滴在飞行过程
中凝固
➢可 加 氦 气 流 喷 吹 ， 加 速 冷 却 ， （ 水 流等亦然），也防氧化。也有人已螺
➢已用于生产钛合金粉
旋转电极雾化法
➢欲被雾化的棒料快速旋转，同时棒料一 端被一个非自耗钨电极产生的电弧熔化， 融化的金属从旋棒上甩出，在与惰性气 体室室壁碰撞之前凝固，成粉
➢粉末多呈球形，表面质量好，尺寸大， 大于200μm，冷速～10２Ｋ／ｓ
➢已用于雾化活泼的金属，如高纯、低氧 的Ｔｉ、Ｚｒ、Ｎｂ、Ｔａ、Ｖ等金属 及其合金，以及Ｎｉ和Ｃｏ的超合金。 易出现钨污染，可用钛阴极或等离子体 弧、激光、电子束来熔化棒料
不同雾化技术，雾化机制不尽相同,可以大致分为几类: 双流雾化、旋转离心雾化、机械雾化等
产品形式：粉末、碎片、箔片
流体雾化（Fluid Atomization）
气体雾化法
➢过程：两束或多束气体射流介质传递 动能，将金属液流破碎，细小的液滴在 飞行中通过对流或辐射散热凝固成粉
➢工艺参数：射流距离、射流压力、喷 嘴结构、气体和金属流速和质量流率、 金属过热度、气液交汇角、金属表面张 力和金属融化温度范围
➢已 被 大 规 模 应 用 于 工 具 钢 、 低合金钢、铜、锡、铁粉等等 （水雾化钢和超合金,活泼元素 易氧化，O%≥1000ppm，而 气 体 雾 化 ， O%~100ppm ） 有时，也可以油代水，以降 O%
超声气体雾化法（Ultra-sonic Gas Atomization）
➢是气体雾化法之一，方法类似于普通 气体雾化，只不过是雾化气体射流速度 高，最高达2.5马赫，而且声波频率高， 达80~100kHz；(常规气体雾化射流以 连续方式流动，而超声雾化射流则以 80~100Hz的频率振动。)
常规铸造工艺存在的主要问题
（1）成分偏析：存在于枝晶范围 （0.1~0.0001cm数量级）的微观偏析 和存在于整个铸件或铸锭范围 （~1cm, 乃至1m）的宏观偏析 （2）晶粒粗大，大小不一，析出相 颗粒粗大，形状各异
（3）在合金设计时，受极限平衡固 溶度制约
（4）存在铸造缺陷，集中缩孔大
提高冷却速率是细化组织，消除成分偏析的有效手段
随产品尺寸（至少一维）减小，冷速增大，产品中枝晶壁间距缩短，第二相（杂 质和孔洞）细化，分布均匀化，获得组织均匀的合金 但是从液态到固态，到底以什么样的冷速冷却，才算达到快速凝固，尚不确定
快速凝固的定义
对于急冷凝固技术（冷却速率大小是重要标志，关系到产 品的显微结构和均匀性），但是对于如何从冷却速率来界定 急冷凝固和常规凝固，尚未统一的认识
其它雾化技术
真空雾化法 （Vacuum Atomization）:又称可溶气体雾化
➢坩埚内液态金属在压力下过饱和溶 解气体（氮、氩、氢等），突然向真 空开放，气体膨胀，脱溶，金属雾化
➢用氢雾化Ｎｉ、Ｃｕ、Ｃo、Ｆｅ 和Ａｌ基合金，粉末多呈球形，表面洁净，纯度高，但冷速低， ～１０２Ｋ／ｓ
内容
➢快速凝固概论
➢快速凝固的起源及发展 ➢快速凝固基本原理及分类 ➢快速凝固工艺、设备与产品特征 ➢快速凝固粉末致密化工艺 ➢快速凝固的亚稳效应 ➢快速凝固在晶态材料的研制开发中的应用
实现快速凝固的途径
“动力学”法
急冷凝固技术（Rapidly Quenching Technology, RQT） （或称 熔体淬火技术（Melt Quenching Technology, MQT）） 提高熔体凝固时传热速度，来增大冷速，从而提高过冷度和凝固速率，使熔体形 核时间短，来不及在熔点附近凝固，而在远离平衡点的较低温度凝固，实现快冷 和快凝
有人认为 T 102 ~ 104 k / s 有人认为 T 105 k / s
然而，几乎所有有关冷速的数据都十分相近，原因在于：很少直接测量， 都是通过测凝固后枝晶臂间距后估算出来的
因此，有人将快速凝固定义为: 由液相到固相的冷却速率相当快，从而获得了传统铸件或铸 锭冷却条件下所不能获得的成分、相结构或显微结构
➢应用：高合金钢、铝合金、超合金、 钛合金等（活泼金属粉末采用惰性气体 雾化）
粉末多成球形。凝固冷速取决于颗粒尺 寸和雾化介质的类型，通常，尺寸愈小， 气体愈轻，冷速愈高
水雾化法（Water Atomization）
➢以 水 射 流 代 替 气 体 射 流 外 ， 其余与气体雾化相似
➢颗 粒 多 呈 不 规 则 形 ， 但 冷 速 可达102-104K/s
➢而冷却速度取决于对流、辐射、传导等的导热速率 ➢在理想冷却过程中 ， dT/dt=104z
式中dT/dt—凝固速度，z—截面厚度 ➢故熔化金属必须被分散，至少一维方向上足够小，具有大比表面积，而且最大 程度地增加熔体与冷却介质之间的接触，以减小热阻，利于散热
急冷凝固技术中获得高冷速的基本原则
➢设法减少同一时刻凝固的熔体体积 ➢设法增大熔体散热表面积与体积之比 ➢设法减少熔体与热传导性能好的冷却介质的界面热阻 ➢尽可能主要以传导方式散热
模冷技术 激光表面处理
雾化技术
雾化法不是一个很新颖的技术，但却是工业生产中最常见的快凝方法 基本原理：将连续的金属熔体在离心力、机械力或高速流体(气体或液体)冲击力
等外力作用下分散破碎成尺寸极细小的雾化熔滴，并使熔滴在与流体或冷模接触 中迅速冷却凝固，凝固后成呈粉末
主要工艺方法：（根据熔炼方法、分离方式、冷却介质和冷却形式不尽相同） 气体雾化法;水雾化法;超声气体雾化法;紧偶合气体雾化法; 高速旋转筒雾化法;滚筒雾化法;穿孔旋转杯法;旋转离心雾化法; 快速凝固雾化法;真空雾化法;旋转电极雾化法;双轧辊雾化法; 电—流体力学雾化法;火花电蚀雾化法
“静力学”法
大过冷技术（Large Undercooling Technology, LUT）