快速凝固技术
刘松 20130820110
定义：快速凝固技术一般指以大于105 K/s~106 K/s的冷却速率进行液相凝固成固
相，是一种非平衡的凝固过程，通常生成亚稳相(非晶、准晶、微晶和纳米晶)，使粉末和材料具有特殊的性能和用途。快速凝固技术得到的合金具有超细的晶粒度，无偏析或少偏析的微晶组织，形成新的亚稳相和高的点缺陷密度等与常规合金不同的组织和结构特征。
一．满足快速凝固（RS）的条件及途径
条件
（1）金属液分散成液流或者液滴，至少在一个方向上尺寸极小，以便散热。 （2）具有传热的冷却介质。 途径
（1）大的冷却速度。对于尺寸足够小的冷却铸件，界面散热成为控制冷却的主要环节。增大散热强度，使熔体以极大的速率降温，即可实现快速凝固。
（2）大的生长速度。提高铸型的导热能力，增加热流导出速度，凝固界面快速推进，熔体与基体为一体，传热主要靠导热。
二.实现快速凝固的三种途径
包括：动力学急冷法；热力学深过冷法；快速定向凝固法。由于凝固过程的快冷，起始形核过冷度大，生长速率高，使固液界面偏离平衡，因而呈现出一系列与常规合金不同的组织和结构特征。
2.1动力学急冷快速凝固技术
根据熔体分离和冷却方式的不同，可以分为雾化技术、模冷技术和表面熔化及沉淀技术三大类。①模冷技术。主要包括：枪法、双活塞法、熔体旋转法、平面流铸造法、电子束急冷淬火法、熔体提取法和急冷模法。②雾化技术。具体分为：流体雾化法、离心雾化法和机械雾化法。③表面熔化与沉积技术。主要有离子体喷涂沉积法和激光表面重熔法两种。动力学急冷快速凝固技术简称熔体急冷技术，其原理可以概括为：设法减小同一时刻凝固的熔体体积与其散热表面积之比，并设法减小熔体与热传导性能很好的冷却介质的界面热阻以及主要通过传导的方式散热。通过提高铸型的导热能力，增大热流的导出速率可以使凝固界面快速推进，从而实现快速凝固。在忽略液相过热的条件下，单向凝固速率 R 取决于固相中的
?s?TTS温度梯度 ΔTTS，即：R=Ps?h式中：λs:固相热导率； Δh:凝固潜热； Ps:固相密度；
ΔTTS：温度梯度，由凝固层的厚度δ和铸件与铸型的界面温度Ti决定。 对凝固层内的温度分布作线性近似，可得：
?s?TTS?TK-Ti? *??R=Ps?h???。式中：TK：凝固界面温度 在应用熔体急冷凝固技术的各种方法时，熔体的传热过程是：固液界面前沿熔体的温度 TL>0，而已凝固的固相一侧的温度梯度 ΔTs<0，因而过热熔体的热能和熔化潜热只能通过固相向环境释放，这时热流方向与固、液界面移动的方向相反，因而这类快速凝固过程的进行以及相应的凝固冷速、凝固速率和过冷度等都是由系统向环境的传热速度和熔体体积等因素控制的。目前，主要的快速凝固技术（包括离心雾化法在内）都是通过薄层液态金属与高导热系数的冷衬底之间的紧密相贴来实现极快的导热传热。影响温度场及冷却速度的主要因素就是金属、衬底界面的状况及金属试样的厚度。
2.2.热力学深过冷快速凝固
热力学深过冷是指通过各种有效的净化手段避免或消除金属或合金液中的异质晶核的形核作用，增加临界形核功，抑制均质形核作用，使得液态金属或合金获得在常规凝固条件下难以达到的过冷度。对于深过冷熔体，其凝固过程不受外部散热条件所控制，生长速度可以达到甚至超过激冷凝固过程中的晶体生长速度。熔体深过冷却获得，理论上不受液态金属体积限制。因此，深过冷是实现三维大体积液态金属快速凝固最为有效的途径。
（1）热力学深过冷熔体的凝固特征。过冷熔体处于热力学的亚稳状态，一旦发生晶体形核，其晶体的生长速度主要取决于过冷度的大小，基本不受外部冷却条件的控制。如果过冷度足够大，熔体的凝固将远离平衡凝固，从而使深过冷熔体的凝固机制和微观组织表现出与传统凝固不同的特点。主要表现在：①晶粒尺寸的细化，这是深过冷的一个明显特征。②形成新的亚稳相，深过冷液态金属凝固过程中亚稳相的形成已被许多的研究所证实，并可划分为晶态亚稳相、微晶亚稳相、准晶态亚稳相和金属玻璃。③无偏析凝固，深过冷条件下，熔体的凝固速度很高，并有可能达到固液界面绝对稳定速度而保持平界面的凝固方式。同时，由于固液界面上的原子扩散速度远小于凝固速度，界面上几乎不发生溶质原再分配，实际的溶质分配系数近似等于1，所有的溶质均被“陷落”在生长的固相内，使凝固过程成为一种无偏析凝固。④定向生长特征，深过冷合金液的自由枝晶生长表现出定向凝固形貌的特征，并且可以认为在过冷熔体中实现定向凝固是可能的，但必须在过冷熔体的某一部位施加一个小的温度梯度。
（2）热力学深过冷获得技术实验方法分类。①大体积液态金属的深过冷，主要有熔融玻璃净化法，循环过热法和熔融玻璃净化法 + 循环过热法；②微小金属液滴的深过冷，包括乳化热分析法、落管法和无容器电磁悬浮熔炼法；③其他形状金属液态的深过冷—— — 熔体急冷法，可分为：气枪法、雾化沉积法、熔体旋转法、锤砧法、单辊法。
2.3 快速定向凝固法
由于在快速定向凝固过程中大的凝固速率将导致固液界面的下凹从而影响定向凝固组织以及凝固过程的稳定性。要实现快速的定向凝固过程必须提高定向凝固设备的温度梯度，但是超高的温度梯度又给设备带来一定的麻烦，所以合理调节温度梯度和过冷度是快速定向凝固的一个方向。
得到快速定向凝固速度的方法有两种
(1) 提高固液界面的温度梯度结合快速定向凝固技术提出了激光超高温度梯度快速定向凝固。?
(2) 提高过冷度来提高凝固速率。在快速定向凝固的基础上发展出深过冷熔体激发快速定向凝固。
三．快速凝固的特点。
（1）凝固速度快，从而可以使金属在液态中的溶解度得到扩大，这样是其材料的密度有所改变，材料各部位的组织更加的紧密，改变金属中各元素的所含比例，从而可以改变该材料的性质，使其达到某种用途的需求。
（2）由于凝固的速度比一般铸造的快，这样得到的凝固结晶会更加的细小，晶粒的分布更加的均匀，一定程度减少了杂质的混入，提高材料的质量，由于晶粒组织的优化，该材料的力学，化学性质会得到提高，从而使其得到更广的运用。
（3）由于快速凝固给材料带来的溶解度的扩大，更加精细的晶粒的析出，从而赋予了材料的高强度，高韧度，以及高耐腐蚀性。这是快速凝固技术能在工业领域得到广泛运用的硬道理。
（4）除了金属的快速凝固，还有一种快速凝固非晶态合金。其特点和上类似，可以使材料具有极高的强度，硬度。又因为其实处于非晶态，它在具有高强度的同时也具有较好的韧性。同时，因为非晶态这种特殊形态，可以使材料具有良好的半导体性能，这是传统铸造方法所不能达到的。
四．总结
快速凝固过程中，冷却速度大大超过一般的凝固过程，传统的传热学模型已经不适合，需要考虑导热系数和弛豫时间等因素的作用。快速凝固技术的主要分为是动力学急冷、热力学急冷以及快速定向凝固法，根据相应的基本理论，发展出了许多能制备出性能优良非平衡凝固材料的快速凝固技术。