材料成形理論基礎4章2016版

第四章液態金屬充型與宏觀凝固組織

4.1凝固溫度場、凝固方式及實現原則一、溫度場數學解析方法數學模型的建立求解幾何條件邊界條件初始條件第四章液態金屬充型與宏觀凝固組織

4.1凝固溫度場、凝固方式及實現原則

半無限大鑄件在鑄型中冷卻

溫度分布a)砂型b)金屬型a)b)第四章液態金屬充型與宏觀凝固組織

4.1凝固溫度場、凝固方式及實現原則數值計算法對數學模型進行離散連續的變化過程轉化為離散的數值點有限差分有限元第四章液態金屬充型與宏觀凝固組織

4.1凝固溫度場、凝固方式及實現原則試驗法

Al-42.4Zn合金溫度--時間曲線

鑄件斷面上的溫度場第四章液態金屬充型與宏觀凝固組織

4.1凝固溫度場、凝固方式及實現原則溫度場的影響因素金屬的導溫系數結晶潛熱金屬的凝固溫度

金屬性質的影響

鑄型性質的影響鑄型的蓄熱系數鑄型的預熱溫度

澆注條件的影響鑄件的壁厚鑄件的形狀

澆注溫度

鑄件結構的影響第四章液態金屬充型與宏觀凝固組織

4.1凝固溫度場、凝固方式及實現原則二、凝固方式

鑄件凝固動態曲線【x/R--t】坐標上液相邊界固相邊界應用厚大斷面球鐵1.凝固動態曲線第四章液態金屬充型與宏觀凝固組織

4.1

凝固溫度場、凝固方式及實現原則凝固區域結構

液-固部分傾出邊界

固-液部分補縮邊界凝固區結構示意圖

固相區

液相區第四章液態金屬充型與宏觀凝固組織

4.1凝固溫度場、凝固方式及實現原則凝固方式及影響因素

逐層凝固方式體積凝固方式中間凝固方式取決于凝固區域的寬度第四章液態金屬充型與宏觀凝固組織

4.1凝固溫度場、凝固方式及實現原則

逐層凝固方式

純金屬共晶合金合金結晶溫度范圍很小或溫度梯度很大

逐層凝固方式a)純金屬或共晶合金成分b)合金結晶溫度范圍很小或溫度梯度很大第四章液態金屬充型與宏觀凝固組織

4.1凝固溫度場、凝固方式及實現原則

體積凝固方式a)溫度梯度較小b)凝固溫度區間大

體積凝固（糊狀凝固）溫度梯度較平坦合金的結晶溫度范圍很寬凝固的某一段時間內，其凝固區域很寬，甚至貫穿整個鑄件斷面第四章液態金屬充型與宏觀凝固組織

4.1凝固溫度場、凝固方式及實現原則中間凝固方式

中間凝固方式合金的結晶溫度范圍較窄溫度梯度較大凝固區域介于前二者之間第四章液態金屬充型與宏觀凝固組織

4.1凝固溫度場、凝固方式及實現原則金屬凝固方式與金屬化學成分及外部冷卻條件的關系合金結晶溫度范圍的影響溫度梯度的影響第四章液態金屬充型與宏觀凝固組織

4.1凝固溫度場、凝固方式及實現原則一、窄結晶溫度范圍的合金純金屬和共晶合金逐層凝固方式激冷晶垂直于型壁的柱狀晶凝固前沿純金屬鑄件的凝固過程金屬的凝固方式與鑄件質量的關系第四章液態金屬充型與宏觀凝固組織

4.1凝固溫度場、凝固方式及實現原則一、窄結晶溫度范圍的合金窄結晶溫度范圍的合金逐層凝固方式凝固前沿不是平滑的鋸齒形窄結晶溫度范圍合金的凝固過程第四章液態金屬充型與宏觀凝固組織

4.1凝固溫度場、凝固方式及實現原則

逐層凝固方式的縮孔特點得到液體的補充產生分散性縮松的傾向性小在最后凝固的部位產生集中縮孔熱裂傾向性小充型能力好第四章液態金屬充型與宏觀凝固組織

4.1凝固溫度場、凝固方式及實現原則一、寬結晶溫度范圍的合金形成小晶體，布滿整個凝固區域過冷度小，數量少形成樹枝發達的粗大等軸晶寬結晶溫度范圍合金的凝固過程形成分散的縮孔，縮松熱裂傾向性大高溫強度低充型能力差第四章液態金屬充型與宏觀凝固組織

4.1凝固溫度場、凝固方式及實現原則體積凝固方式的縮松形成分散的縮孔，縮松熱裂傾向性大高溫強度低充型能力差第四章液態金屬充型與宏觀凝固組織

4.1凝固溫度場、凝固方式及實現原則三、中等結晶溫度范圍的合金中碳鋼高錳鋼一部分黃銅白口鐵中等結晶溫度范圍合金的凝固過程補縮特性介于窄結晶溫度和寬溫度范圍合金之間凝固初期

凝固方式近于窄結晶溫度范圍的合金一定時間后

凝固方式近似寬溫度范圍的合金第四章液態金屬充型與宏觀凝固組織

4.2凝固過程中的流動現象一、澆注和凝固過程中的液體流動第四章液態金屬充型與宏觀凝固組織

4.2凝固過程中的流動現象一、澆注和凝固過程中的液體流動強烈沖刷澆道和鑄型的型壁型腔內液體中的自然對流溫度差密度差溫度起伏

凝固收縮、液體收縮及重力等引起液體在枝晶間的流動

液體中的自然對流上部晶體的沉積已凝固層晶體的脫落分枝的熔斷及晶體的增殖第四章液態金屬充型與宏觀凝固組織

4.2凝固過程中的流動現象二、液體流動對鑄件結晶過程的影響頂部晶體的沉積頂部凝固層脫落或分枝下沉成為以后的晶核

a)鑄型示意圖b)鑄件宏觀組織第四章液態金屬充型與宏觀凝固組織

4.2凝固過程中的流動現象二、液體流動對鑄件結晶過程的影響型壁上晶體的脫落

a)型壁晶體的脫落b)晶體增殖過程型壁晶體縮頸沖刷作用下及溫度起伏下熔斷或脫落晶體增殖一個晶體碎化成幾部分，各自生長ab第四章液態金屬充型與宏觀凝固組織

4.3宏觀凝固組織特征與形成液體對型壁的沖刷Macrograhpsofcastingsproducedbydifferentpouringtechniquesa)pouredinthecenterofthegauzeandb)pouredbetweenthemouldwallandthegauze第四章液態金屬充型與宏觀凝固組織

4.2凝固過程中的流動現象二、液體流動對鑄件結晶過程的影響枝晶分枝的熔斷脫落

分枝出現縮頸溫度起伏下熔斷或脫落

枝晶分枝“縮頸”的形成a)b)c)分枝縮頸形成示意圖d)環已烷枝晶流體流動及其所引起的晶體或分枝的脫落，沉積和晶體增殖將大大增大流體中的有效晶核，促進等軸晶的獲得增加磁場消除液體金屬內部的對流和

溫度起伏第四章液態金屬充型與宏觀凝固組織

4.3宏觀凝固組織特征與形成鑄態組織鑄件的晶粒組織晶粒的形狀晶粒的尺寸晶粒的取向晶體的完整性鑄件中元素的分布偏析夾雜物第四章液態金屬充型與宏觀凝固組織

4.3宏觀凝固組織特征與形成

a)全部柱狀晶b)表面細等軸晶+內部柱狀晶c)表面細等軸晶+內部柱狀晶+中心等軸晶d)全部細等軸晶表面細晶區的形成內部柱狀晶中心等軸晶

abcd第四章液態金屬充型與宏觀凝固組織

4.3宏觀凝固組織特征與形成鑄錠第四章液態金屬充型與宏觀凝固組織

4.3宏觀凝固組織特征與形成表面細晶區的形成特點：無方向性細等軸晶形成機理

早期理論表面激冷作用(ChillZone)

激冷區大量形核形成表面細等軸晶后來的研究液體的流動對表面細等軸晶的形成起決定作用無對流時，即使冷卻速度很大也不會出現表面細晶區形成穩定的凝固層，晶體不易脫落表面細晶區大小的影響因素澆注溫度鑄型溫度鑄型導熱能力合金生核能力合金成分全部柱狀晶第四章液態金屬充型與宏觀凝固組織

4.3宏觀凝固組織特征與形成內部柱狀晶區的形成實質：表面層區晶體向內單向延伸生長，具有方向性。形成機理

對流減弱凝固層晶體脫落減少結晶潛熱的析出使界面前溫度升高溫度梯度較大，成分過冷區小表面細晶區的晶體轉為單向延伸生長生長方式擇優生長柱狀區形成的影響因素

固體的導熱系數液體的導熱系數澆注溫度

合金的結晶溫度范圍流體流動的抑制合金中有效質點的多少穿晶穿晶的形成界面前沿成分過冷小沒有新的晶核形成第四章液態金屬充型與宏觀凝固組織

4.3宏觀凝固組織特征與形成中心等軸晶區的形成實質：液體內部的獨立生核和長大形成機理

成分過冷理論過冷熔體非自發生核理論

1954年

WinegrandandChalmers

提出溶質再分配成分過冷過冷度大于非自發生核所需過冷生核長大第四章液態金屬充型與宏觀凝固組織

4.3宏觀凝固組織特征與形成成分過冷的局限性

很難解釋非勻質生核所需的微小過冷度為什么遲到柱狀晶區已充分長大以后才能生核無法解釋有關內部等軸晶形成的試驗現象第四章液態金屬充型與宏觀凝固組織

4.3宏觀凝固組織特征與形成中心等軸晶區的形成形成機理激冷等軸晶型壁脫落與游離理論

1963年Chalmers提出澆注過程及凝固初期激冷等軸晶自型壁脫落與游離促進等軸晶的形成澆注過程中澆注系統和型壁處形成大量晶核等軸晶從型壁脫落隨澆注液流分布整個鑄件少量熔化，大部分留下來成為等軸晶的晶核

澆注過程種激冷晶的游離第四章液態金屬充型與宏觀凝固組織

4.3宏觀凝固組織特征與形成中心等軸晶區的形成澆注完畢凝固的開始階段在型壁處形成的晶體由于密度差引起對流使型壁處產生的晶體脫落且游離到鑄件的內部a)晶體密度比熔體小的情況b)晶體密度比熔體大的情況純金屬幾乎得不到等軸晶合金濃度越大，越不容易得到柱狀晶而是等軸晶第四章液態金屬充型與宏觀凝固組織

型壁上晶體的脫落

a)型壁晶體的脫落b)晶體增殖過程型壁晶體縮頸沖刷作用下及溫度起伏下熔斷或脫落晶體增殖一個晶體碎化成幾部分，各自生長ab第四章液態金屬充型與宏觀凝固組織

4.3宏觀凝固組織特征與形成中心等軸晶區的形成形成機理枝晶熔斷及結晶雨理論

Jackson等人提出生長著的柱狀晶在凝固界面前方的熔斷、游離和增殖導致了內部等軸晶的形成SouthinandRosenhain

液面冷卻產生的晶粒下雨似地沉積到柱狀晶區前方的液體中，下落過程中發生熔斷和增殖。第四章液態金屬充型與宏觀凝固組織

4.3宏觀凝固組織特征與形成中心等軸晶區的形成研究的焦點

等軸晶晶核的來源等軸晶區的具體形成過程

每種理論都有自己的試驗根據都有其局限性

上述機理都是存在的它們的相對作用取決于凝固的實際條件一種條件下某種機理或幾種機理起主導作用第四章液態金屬充型與宏觀凝固組織

4.3宏觀凝固組織特征與形成鑄件結晶組織對鑄件性能的影響表面細晶區較薄對鑄件的性能影響較小柱狀晶擇優生長的細長晶體，比較粗大，晶界面積較小柱狀晶排列位向一致，具有明顯的方向性在柱狀晶與柱狀晶柱狀晶與等軸晶的交界處形成性能的弱面易形成熱裂

通常情況下鑄件不希望獲得粗大的柱狀晶特殊條件下采用定向凝固技術獲得全部單向排列的柱狀晶組織，提高鑄件的性能和可靠性第四章液態金屬充型與宏觀凝固組織

4.3宏觀凝固組織特征與形成鑄件結晶組織對鑄件性能的影響內部等軸晶晶粒位向各不相同晶界面積大偏析元素、非金屬夾雜物和氣體的分布分散等軸晶彼此嵌合結合比較牢固性能比較均勻沒有方向性

等軸晶發達,顯微縮松多凝固組織不夠致密性能降低細化等軸晶第四章液態金屬充型與宏觀凝固組織

4.3宏觀凝固組織特征與形成

獲得細等軸晶的措施等軸晶組織的獲得及細化第四章液態金屬充型與宏觀凝固組織

4.3宏觀凝固組織特征與形成澆注方式對鑄件組織的影響加強液體在澆注和凝固期間的流動利用液體對型壁的沖刷第四章液態金屬充型與宏觀凝固組織

4.3宏觀凝固組織特征與形成加強液體在澆注和凝固期間的流動利用液體對型壁的沖刷實驗所用模具示意圖SchematicdiagramofmoldusedMacrograhpsofcastingsproducedbydifferentpouringtechniquesa)Pouredinthecenterofthegauzeandb)pouredbetweenthemouldwallandthegauze第四章液態金屬充型與宏觀凝固組織

4.3宏觀凝固組織特征與形成增大冷卻速度及降低澆注溫度提高鑄型的冷卻能力不同冷卻速度的顯微組織（澆注溫度，左：720℃，右：605℃，(AZ91alloy)從下至上的顯微組織對應于1、2、3和4點）.Differnentmicrostructureswithvariedcoolingrates(Pouringtemperature,Left:720℃andright:605℃,fromthebottomtothetopcorrespondingto1,2,3and4pointsmeasured)第四章液態金屬充型與宏觀凝固組織

4.3宏觀凝固組織特征與形成增大冷卻速度及降低澆注溫度提高鑄型的冷卻能力冷卻速度對晶粒尺寸的影響Grainsizeasafunctionofcoolingrate第四章液態金屬充型與宏觀凝固組織

4.3宏觀凝固組織特征與形成增大冷卻速度及降低澆注溫度提高鑄型的冷卻能力（改變鑄型的預熱溫度）模具預熱溫度對宏觀晶粒尺寸影響(澆注溫度625℃)EffectofpreheatedtemperatureofmoldonmacrostructureofA356alloycastat625℃(a)100℃(b)300℃(c)500℃(d)550℃(e)600℃Grainsizeasafunctionofpreheattemperatureofmould第四章液態金屬充型與宏觀凝固組織

4.3宏觀凝固組織特征與形成用旋轉磁場使金屬液體轉動利用電磁場控制晶粒組織pureAl單相合金固溶體的初生相共晶合金不適合旋轉磁場中的液體切割磁力線旋轉的液體不斷沖刷鑄型和凝固層鑄件的不同部位獲得不同的組織第四章液態金屬充型與宏觀凝固組織

4.3宏觀凝固組織特征與形成金屬液流經震動的澆注槽或澆口杯金屬遇到溫度較低的澆口槽或澆口杯，形成固相或凝固層震動有利于晶體的脫落

用偏心輪使鑄型產生慣性震動使鑄型變速或不斷改變方向第四章液態金屬充型與宏觀凝固組織

孕育處理

在澆注之前或澆注過程中向液體金屬添加少量物質以達到細化晶粒、改善宏觀組織目的的一種工藝方法4.3宏觀凝固組織特征與形成

孕育（Inoculaiton)

變質(modification)孕育作用機理

外加晶核

澆注時向金屬液流中加入與欲細化相具有共格對應關系的高熔點物質或同類金屬的碎片作為有效質點促進非自發生核第四章液態金屬充型與宏觀凝固組織

4.3宏觀凝固組織特征與形成孕育作用機理采用生核劑

少量能與熔體中某元素組成穩定的化合物，此化合物與欲細化相具有界面共格對應、促進非自發生核少量能在液體中造成很大富集區，迫使結晶相提前彌散析出孕育衰退現象時間推移孕育作用很快減弱以致消失第四章液態金屬充型與宏觀凝固組織

4.3宏觀凝固組織特征與形成孕育作用機理

采用強成分過冷元素熔點低顯著降低合金的液相線溫度原子半徑大在金屬中固溶量很小阻礙晶體的生長

形成較大的成分過冷促進生核促進分枝形成縮頸，易于熔斷脫落

Tashis第四章液態金屬充型與宏觀凝固組織

4.3宏觀凝固組織特征與形成鑄件晶粒的局部細化

采用機械、物理的方法加強鑄件局部的液體運動表面細化在鑄型或熔模鑄造的蠟模表面涂刷含有生核劑的涂料，能使該鑄件的表面層內晶粒細化，提高其疲勞強度。Ni基和Co基合金熔模鑄造高合金鋼40%Fe3O420%TiC第四章液態金屬充型與宏觀凝固組織

Al合金晶粒細化

晶粒細化劑1.Al-Ti2.Al-Ti-B3.Al-Ti-C4.Al-Ti-B-Re5.Al-Ti-Sr6.Al-Ti-Be

晶粒細化機理包晶理論粒子理論а-Al晶體增殖理論包晶殘骸理論雙形核理論等這些理論都企圖解釋鋁合金晶粒細化機理，但是迄今為止，沒有一種理論能完全解釋所有的晶粒細化現象第四章液態金屬充型與宏觀凝固組織

Mg合金晶粒細化航空油泵殼體機匣機匣主殼體滑油泵隔板滑油泵隔蓋

汽車60多個汽車零件采用鎂合金，座椅骨架、儀表盤、轉向盤和轉向柱、輪圈、發動機氣缸蓋、變速器殼、離合器殼每年以15%增加移動電話、筆記本電腦外殼、精密儀器、照相機、麥克、耳機、CD機外殼及電視等家電的裝飾件等第四章液態金屬充型與宏觀凝固組織

Mg合金晶粒細化Mg-Zrbinaryphasediagram不含鋁的鎂合金（Mg-Zn,Mg-RE,Mg-Ca)采用Zr晶粒細化

а-Mg:α=0.32nm,

c=0.512nm

а-Zr

:α=0.323nm,c=0.514nm

兩者具有良好的共格關系，а-Zr能成為а

–Mg的結晶核心，鎂液中形成的大量的а-Zr彌散質點使晶粒顯著細化Zr以Mg-Zr中間合金的方式加入鎂合金未變質處理晶粒粗大第四章液態金屬充型與宏觀凝固組織

含鋁鎂合金過熱處理和碳素材料添加過熱處理(superheating)

加熱到液相線以上250-300℃，過熱10mins，然后以大于100℃/min的速度快冷到澆注溫度進行澆注。

過熱處理晶粒細化機理尚不清楚缺點過熱溫度高在鋼坩堝中鎂液與鐵發生反應，鐵滲透到鎂合金中降低鎂合金的耐蝕性第四章液態金屬充型與宏觀凝固組織

合金成分的影響

Mg-Al合金，高含鋁量（>8%）比低含鋁量的合金過熱晶粒細化效果更好

Fe和Mn的影響含Fe和Mn效果明顯少量Si利于過熱晶粒細化，Be、Zr、Ti不利于晶粒細化第四章液態金屬充型與宏觀凝固組織

加碳變質法

加入一定量的MgCO3、CaCO3、C2Cl6等含碳的化合物，高溫下分解還原出碳，碳與鋁生成大量彌散分布的Al4C3。Al3C4與δ-Mg同屬密排六方晶格，晶格常數與δ-Mg僅差4%，作為外來晶核，使基體晶粒細化。

MgCO3==MgO+CO2C2Cl6==C2Cl4+

Cl2

CO2+2Mg==2MgO+CC2Cl4+4Mg==4MgCl+2C3C+4Al==Al4C33C+4Al==Al4C3第四章液態金屬充型與宏觀凝固組織

4.4特種條件下凝固狀態與組織控制機理特種條件下凝固快速凝固定向凝固半固態外場與傳統的鑄件（鑄錠）凝固不同的條件第四章液態金屬充型與宏觀凝固組織

4.4特種條件下凝固狀態與組織控制機理

快速凝固

常規凝固的缺點

★組織上：

組織粗大，偏析嚴重，縮孔，縮松，應力★成分設計上:受到限制★性能上：低★原因：冷卻速度低（＜102K/s）第四章液態金屬充型與宏觀凝固組織

4.4特種條件下凝固狀態與組織控制機理快速凝固快速凝固的定義快速凝固技術：

是指從液相到固相的相變過程進行的非常快，從而獲得普通鑄件或鑄錠無法獲得的成分、相結構和顯微結構的過程。快速凝固過程偏離了平衡凝固狀態，不但可以克服傳統鑄造過程中的偏析、縮孔、疏松等缺陷，而且在獲得新的微觀組織結構和優異性能合金方面，具有巨大潛力。快速凝固合金已經廣泛應用于航空、航天、核工業、機械、電子等許多重要部門。第四章液態金屬充型與宏觀凝固組織

快速凝固的特征

偏析形成傾向減小無論溶質分配系數K>1還是K<1，實際溶質分配系數總是隨著凝固速率的增大向1趨近。非平衡相的形成平衡相被抑制，析出非平衡的亞穩定相細化凝固組織形核速率的增大而使晶粒細化，晶粒尺寸減小，獲得微晶、納米晶微觀凝固組織的變化絕對穩定的凝固條件下，可獲得無偏析的凝固組織；相同的成分在不同的冷卻條件下可獲得不同的組織非晶態的形成特殊的力學性能及物理性能冷卻速度/(K/S)受化學成分及工藝因素的影響常規顯微組織熔體改善的顯微組織新型顯微組織粗大的樹枝晶、共晶及其它顯微組織細化的樹枝晶、共晶及其它顯微組織擴大的固溶極限，超細晶粒，無偏析或少偏析，亞穩相直至非晶態組織及成分的均勻性100102104106108第四章液態金屬充型與宏觀凝固組織

1952年Falkenhagen的工作1950年許Turnbull的工作(熔滴彌散法)1960年Duwez著名實驗，學科的誕生60～70年代：非晶態功能材料（Pond和陳鶴壽）70～80年代：晶態結構與功能材料80年代中葉：準晶的出現(陳鶴壽)90年代：大塊非晶的發展（井上，張濤，Johnsonm）本世紀初開始：微晶、非晶、納米材料快速凝固發展史第四章液態金屬充型與宏觀凝固組織

快速凝固分類

主要包括兩大類，急冷凝固法與深過冷法急冷凝固法（模冷、霧化、表面熔化與沉積）單輥法、雙輥法、熔體旋轉法、氣體霧化法、水霧化法、離心霧化法、噴射沉積法、激光或電子束表面處理技術等。(通過鑄型的導熱能力，增大熱流的導出速率可使凝固界面快速推進，實現快速凝固）深過冷法大致可以分為兩類，（1）熔滴彌散法，即在細小熔滴中獲得大凝固過冷度的方法，包括乳化法、落管法、熔滴-基底法等；（2）較大體積熔體中獲得大的凝固過冷度，包括玻璃體包裹法、電磁懸浮熔煉法等。第四章液態金屬充型與宏觀凝固組織

1－細粉2－氣體3－氣源4－合金液5－真空感應加熱器6－噴嘴7－霧化室8－收集室9－粉末第四章液態金屬充型與宏觀凝固組織

（1）快速凝固粉末材料具有的基本特征：細小的亞結構（枝晶與包晶）極大的溶質過飽和度小的晶粒尺寸（2）粉末材料快速凝固技術的關鍵首先，要使液態金屬克服界面張力而分散成微小的顆粒（即霧化技術）；其次，在保證材料盡可能不發生氧化、污染的條件下獲得盡可能大的冷卻速率。

粉末尺寸和凝固速率是標志粉末材料快速凝固技術水平的主要指標。第四章液態金屬充型與宏觀凝固組織

離心霧化法旋轉電極霧化法1-真空計2-傳送帶3-電動機4-電刷5-電極6-送料7-旋轉器8-粉末收集室9-鎢電極工作原理：

將合金首先預制成棒狀電極，在預制電極高速旋轉的同時，采用等離子束或電弧使其端部熔化，熔化的合金液膜在離心力的作用下，立即被高速拋出發生霧化。

優點粉末純凈度高粉末為球體，尺寸均勻材料無污染

不足之處生產效率低設備及運行成本高粉末尺寸大第四章液態金屬充型與宏觀凝固組織

霧化基本原理：將熔融的合金液澆注在高速旋轉的圓杯或圓盤中，在離心力的作用下被高速拋出而發生霧化。圖c是將杯的側壁用多孔網代替，利用網的分散作用進行合金液的霧化旋轉圓杯/盤法a旋轉圓盤b旋轉圓杯

c旋轉多孔杯第四章液態金屬充型與宏觀凝固組織

美國Duwez于1960年首次采用濺射法獲得快速凝固組織，開始了快速凝固研究的歷史。濺射法的快凝原理：母合金在石英管種感應熔化，高壓室突然通入高壓氣流，高、低壓室產生沖擊波，熔體被分離成細小液滴，以每秒幾百米的速度噴射到銅模凝固成箔片。凝固冷速高達109K/s。濺射法示意圖1.高壓室2.聚酯薄膜3.感應線圈4.低壓室5.銅模第四章液態金屬充型與宏觀凝固組織

進入70年代，薄膜材料快速凝固技術得到迅速發展，并實現了連續批量生產。主要包括單輥法、雙輥法、溢流法、甩出法等。第四章液態金屬充型與宏觀凝固組織

單輥法（singleroller)又稱熔體旋轉法（Meltspinning)。a、b的區別在于熔體的噴嘴到單輥的距離不同。前者是合金液通過噴槍射到高速旋轉的激冷輥上，形成薄膜并快速凝固。后者在單輥與噴嘴之間形成一個熔池，熔池對合金液的流出有緩沖作用因而獲得更均勻的薄膜。a自由噴射甩出法b平面流動鑄造法1-激冷輥2-感應加熱爐3-排氣閥4-壓力表5-帶材6-噴嘴7-合金液8-激冷基底（單輥表面）第四章液態金屬充型與宏觀凝固組織

基本原理：將熔融合金液噴射到兩個反相高速旋轉的軋輥之間，并實現快速凝固。雙輥法快速凝固技術1-帶材2-合金液流3-加熱爐4-坩鍋5-漏出孔6-雙輥第四章液態金屬充型與宏觀凝固組織

雙輥法快速凝固技術優點：雙面冷卻，獲得帶材其兩面的表面質量相同并且均勻不足之處：存在類似于單輥法的各種工藝問題，其工藝過程控制的難度甚至更大。理論上雙輥法的冷速應大于單輥法，但工程實際并非如此兩個軋輥的平行度對帶材的質量影響很大只能制備毫米甚至更厚的帶材，而單輥法可制備數十到100m的薄帶第四章液態金屬充型與宏觀凝固組織

基本原理：利用特制的坩鍋與激冷單輥的配合，使合金液從坩鍋的特定形狀的邊沿溢出，并由高速旋轉的單輥拉成薄膜，獲得快速凝固帶材。溢流法實際上是單輥法快速凝固技術的一種改進。溢流法快速凝固第四章液態金屬充型與宏觀凝固組織

與單輥法相比，具有以下特點：采用坩鍋邊沿溢出的方式取代噴嘴的噴射方式，因而不存在噴射的紊流，流動更加平穩，利于獲得均勻的帶材可采用溶劑對合金液進行表面保護，因此可在非真空并無保護氣氛的條件下進行易氧化材料薄帶的快速凝固。第四章液態金屬充型與宏觀凝固組織

基本原理：首先將合金制成棒，并將其置于玻璃管中。端部采用感應加熱將合金及其表面玻璃管同時熔化，在一定的拉力下拉成很細的纖維，經過冷卻器的冷卻，經纏繞后獲得連續的線材。1-繞線機2-繞線導管3-冷卻器4-高頻加熱線圈5-玻璃管6-合金棒玻璃涂覆熔液紡績法（Taylor法）第四章液態金屬充型與宏觀凝固組織

基本原理：將熔融合金液通過噴嘴注入冷卻液中，通過導管使合金液流與冷卻液同步流動并被激冷，獲得快速凝固線材。成功用于多種合金直徑20～600m線材的制備。合金液流注入液體冷卻液法1-導流管2-噴嘴3-合金液4-感應加熱器5-穩流罩6-分散器7-導流管8-泵第四章液態金屬充型與宏觀凝固組織

深過冷快速凝固技術的主要原理，是采取一定的措施抑制合金液中固相的形核，從而達到很大的過冷度，使合金液中的大量熱量在凝固之前被排出，凝固過程中需要導出的熱流大大減少。其核心是抑制合金液中的異質形核。通過抑制大體積液態金屬異質形核并獲得深過冷的主要途徑，有熔融玻璃凈化法和懸浮熔煉法。第四章液態金屬充型與宏觀凝固組織

熔融玻璃凈化法該方法實現合金液深過冷的機理：（1）熔化合金液中的異質結晶核心通過物理或化學作用與熔融玻璃反應而被除去（2）熔融玻璃可使合金液與環境氣體隔離，防止表面氧化形成的氧化膜而起到異質形核作用。而熔融玻璃本身為玻璃態，不可能成為異質形核的基底（3）粘性的玻璃作為一種高阻尼隔離層，可以消除外界隨機振動的干擾，而這些干擾可能是促進均質形核的因素

消除異質核心

采用措施

懸浮線圈的結構與主要設計參數下部為主繞組，產生高頻磁場對試樣懸浮；上部為環形穩定控制繞組，抑制試樣的側向漂移。主繞組與控制繞組是反相串連的。由于二者的磁場方向相反，試樣就穩定地懸浮在熔煉線圈產生的高頻磁場中。懸浮線圈的設計主要是磁場懸浮力的計算，同時要考慮懸浮力與加熱功率的匹配。第四章液態金屬充型與宏觀凝固組織

非晶材料的特性高強度高硬度高耐腐蝕性良好的導電性優異的軟磁性較高的熱穩定性較低的表面活性應用：機械結構材料磁性材料聲學材料仿生材料光學材料體育器材電子材料第四章液態金屬充型與宏觀凝固組織

噴射沉積產品b德國PEAK公司c丹麥DanSpray公司a噴射沉積過程鋁合金錠合金鋼第四章液態金屬充型與宏觀凝固組織

*快速凝固組織特征*含氧量低（與鑄錠冶金比）*工藝簡單生產周期短*適用性強（柔性加工）*熱加工性能得到改善*半固態與近終形

第四章液態金屬充型與宏觀凝固組織

定向凝固定向凝固生產的背景

材料的使用性能是由其組織形態來決定的。因此．包括成分調整在內,人們通過控制

材料的制備過程以獲得理想的組織從而使材料具有所希望的使用性能，控制凝固過程已成為提高傳統材料的性能和開發新材料的重要途徑。

定向凝固技術由于能得到一些具有

特殊取向的組織和優異性能的材料，因而自它誕生以來得到了迅速的發展，目前已廣泛

地應用于高溫合金、半導體材料、磁性材料以及自身復合材料的生產。同時，由于定向凝固技術

的出現，也為凝固理論的研究和發展提供了實驗基礎(由于理論處理過程的簡單化)，因為

在定向凝固過程中溫度梯度和凝固速率這兩個重要的凝固參數能夠獨立變化，從而可以

分別研究它們對凝固過程的影響第四章液態金屬充型與宏觀凝固組織

定向凝固條件

保證金屬單向散熱，絕對避免在側面型壁生核及長出新晶體減小成分過冷提高澆注溫度提高鑄型溫度加熱固-液界面前沿的液體減小金屬液體的生核能力提高液體的純潔性減少氧化吸氧或夾雜第四章液態金屬充型與宏觀凝固組織

定向凝固

傳統的定向凝固技術

發熱劑金屬熔體固液界面結晶器鑄錠水冷銅盤冷卻水（一）發熱劑法

發熱劑法是定向凝固中最原始的一種方法，為了造成一個溫度梯度，零件模殼放在一個水冷銅底座上，并在頂部加發熱劑。成本低但無法保證重復性難以生產高質量的發

動機高溫合金葉片第四章液態金屬充型與宏觀凝固組織

定向凝固加熱器受熱體陶瓷模金屬液水冷銅底冷卻水（二）功率降低法

加熱時上下兩部分感應圈全部通電，在模殼內建立起所需要的溫度場，然后澆入過熱的合金溶液。

下部感應圈停電，調節輸入上部感應圈的功率，使之產生一個軸向溫度梯度。

這種工藝可達到的溫度梯度最小，在10oC/cm左右，制出的合金葉片長度受到限制，并且柱狀晶之間的平行度差第四章液態金屬充型與宏觀凝固組織

（三）快速凝固法第四章液態金屬充型與宏觀凝固組織

定向凝固（四）液態金屬冷卻法第四章液態金屬充型與宏觀凝固組織

定向凝固傳統定向凝固技術存在的問題

爐外法功率降低法快速凝固法

主要缺點是冷卻速度太慢，即使是液態金屬冷卻法，其冷卻速度仍

不夠高

這樣產生的一個弊端就是使得凝固組織有充分的時間長大、粗化，

以致產生嚴重的枝晶偏析，限制了材料性能的提高。造成冷卻速度慢的主要原因是凝固界面與液相中最高溫度面距離太遠，固液界面并不處于最佳位置，因此所獲得的溫度梯度不大，這樣為了保證界面前液相中沒有穩定的結晶核心的形成，所能允許的最大凝固速度就有限。第四章液態金屬充型與宏觀凝固組織

定向凝固為了進一步細化材料的組織結構，減輕甚至消除元素的微觀偏析，

有效地提高材料的

性能，就需提高凝固過程的冷卻速率。在定向凝固技術中，冷卻速率的提高，可以通過提高

凝固過程中固

液界面的溫度梯度和生長速率來實現。因而如何采用新工藝、新方

法去實現高溫度梯度和大生長速率的定向凝固，是當今眾多研究者

追求的目標。

第四章液態金屬充型與宏觀凝固組織

定向凝固試樣熔區加熱體隔熱板陶瓷管冷卻劑水浴器抽拉桿液態金屬冷卻法（一）區域重熔GTL=1270K/cm半固態成形半固態成形的特點應用范圍廣充形平穩、無湍流和噴濺加工溫度低，凝固收縮小，零件尺寸精度高，可實現凈近成形凝固時間短，提高生產率半固態成形模具壽命提高零件缺陷少可形成十分復雜的零件半固態成形

Technologiesforcomponentshaping半固態成形半固態加工技術的工業應用情況

國外應用現狀

美國歐洲日本國內應用現狀東南大學北京有色金屬研究總院北京科技大學哈爾濱工業大學東北大學清華大學沈陽金屬所重慶大學半固態成形

半固態加工成形的零件半固態成形半固態坯料的生產方法

機械攪拌法電磁攪拌法應變熔化法化學晶粒細化法形變熱處理法近液相線鑄造法雙螺桿半固態金屬流變注射成形法剪卻-冷卻-軋制法(Shear-coolingrool)

新MIT法冷卻斜槽法

NRP(NewRheocastingProcessing)法不同液體混合法半固態成形電磁攪拌法電磁攪拌法示意圖1.連續饋送合金液2.電磁攪拌圈3.合金液4.冷卻管5.鑄