[科普中國]-快速凝固

快速凝固技術指凝固速度比常規(guī)鑄造凝固速度大得多(一般>10mm/s)的凝固過程。一般指以大于105K/s~106K/s 的冷卻速率進行液相凝固成固相，是一種非平衡的凝固過程，通常生成亞穩(wěn)相(非晶、準晶、微晶和納米晶)，使粉末和材料具有特殊的性能和用途。

簡介快速凝固技術指凝固速度比常規(guī)鑄造凝固速度大得多(一般> 10mm /s)的凝固過程?？焖倌碳夹g得到的合金具有超細的晶粒度，無偏析或少偏析的微晶組織，形成新的亞穩(wěn)相和高的點缺陷密度等與常規(guī)合金不同的組織和結構特征。實現(xiàn)快速凝固的三種途徑包括：動力學急冷法；熱力學深過冷法；快速定向凝固法。由于凝固過程的快冷，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(xiàn)出一系列與常規(guī)合金不同的組織和結構特征1。

內容主要包括急冷凝固(又稱急冷淬火或熔體淬火)和大過冷凝固(large undercooling solidification)。

前者通過設法減少同一時刻凝固的熔體量，增加與冷卻介質之間的傳熱速度來提高凝固的冷速(一般>10—10K/s)，霧化法制取粉末、熔體旋轉(melt-spinning )法制取薄帶均屬急冷凝固。

后者則設法在盡可能接近均勻形核的凝固條件下使熔體在遠低于平衡熔點的溫度下凝固，凝固速度可達1—10m/s數(shù)量級，熔滴彌散法、電磁懸浮熔煉法等均為大過冷凝固方法2。

作用快速凝固可細化晶粒、相、有序疇等微觀組織尺寸、減少成分偏析、形成新的亞穩(wěn)相，通?？梢愿纳撇牧系男阅?，還能制取在常規(guī)鑄造條件下難以得到的高技術新材料。除了表面快速凝固(如激光表面熔化、等離子體表面熔化)之外，一般得到的快速凝固材料是粉末、薄帶、薄片等低維材料，在作結構材料使用時還要經過適當?shù)臒釅?、熱擠壓、爆炸成型等方法制成所需尺寸的大塊材料，成型過程中要正確選擇溫度、壓力等工藝參數(shù)使快速凝固后的材料的微觀組織和性能特點基本不變。近年來發(fā)展的霧化沉積(spray forming)技術已可以直接制成尺寸較大的快速凝固材料3。

快速凝固材料廣義講，凝固速度大于1cm/s(相應的冷卻速度為10-10K/s)成的材料的通稱。

材料變化快速凝固時，材料的顯微結構與相組成發(fā)生明顯變化：

1、固溶度擴展：液固界面高速推進，溶質原子來不及長程擴散而被正在凝固的相捕獲，從而固溶度偏離平衡。

2、晶粒細化：大的過冷度和高的液固界面推移速度有利于高的形核率及低的長大速度，其結果組織明顯細化，往往呈現(xiàn)微晶狀態(tài)，

3、減少偏析：隨著冷卻速度的增加，顯微結構由細小的枝晶結構向胞狀結構及無特征晶粒發(fā)展，使化學均勻性提高，偏析減少。

4、亞穩(wěn)相形成：大的過冷度有利于亞穩(wěn)相成核，不利于穩(wěn)定相成核，常出現(xiàn)很多亞穩(wěn)相。

5、非晶態(tài)形成：當冷卻速度足夠高時(大于10K/s)，由于沒有足夠的時間進行晶粒長大，甚至無法成核，結晶被抑制，形成非晶態(tài)2。

特性這些組織結構上的變化，使材料具有一系列優(yōu)異性能，硬度、韌性、耐磨性、抗氧化性、耐蝕性及良好的電化學性能和磁學性能4。

本詞條內容貢獻者為:

石季英 - 副教授 - 天津大學