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快速凝固技术论文
快速凝固技术论文 快速凝固技术论文篇一 浅析金属材料快速凝固激光加工成形 【摘要】快速凝固加工技术能使微晶、非晶、准晶等非平衡新型结构 及其它功能材料快速凝固。该技术不仅能提高传统金属的材料性能，还能挖掘现 存材料的性能加以利用，并且研究其他高性能材料。如今，快速凝固非平衡材料 的理论研究及其技术都已经成为了材料科学与凝聚态物理的重点研究领域之一。实现金属材料快速凝固的基本方法就是激光表面快速凝固，这也是在实现凝固冷 却方法中速度最快的一种方法。
【关键词】金属材料;快速凝固;激光;
利用激光熔化金属材料表面，可以得到快速凝固后的表面材料，并且 还能带有组织特征。例如枝晶及组织细化、低偏析或无偏析、准晶、溶质元素高 度过饱和固溶等，并且还能获得具有物理性能、化学性能或力学性能的表面材料。
此外，在利用激光将材料表面快速熔化的过程中，向熔池内添加合金元素，还能 获得许多零件基材，并且这些零件基材的成分、组织及性能都完全不同，是特种 表面冶金涂层材料，具有细小、均匀等特点。
快速凝固激光加工的过程十分迅速、灵活，且易于自动化、热影响区 小，因此利用该技术将金属材料表面改性的应用基础与研究都得到了迅速发展。
并且，以快速凝固理论作为研究基础，在其发展之上演变而来的激光表面合化金 技术与激光表面工程技术也成为了现代表面工程的新技术之一，这两种技术都能 将特征先进涂层材料与优质零件进行设计合成。近年来，随着快速原型制造技术 的发展，快速凝固激光材料的加工基本原理不断发展，两者相结合之后使高性能 金属零件激光添加技术也得到迅速发展。高性能金属零件激光添加技术成为了激 光技术、材料学科、材料加工工程等学科的重点研究对象。该技术是将材料设计、 材料合成与近净形复杂金属零件快速成形相结合的制造技术，具有先进性、知识 化、数字化等特点。
一、将钛合金快速凝固的激光熔覆技术在金属材料中，钛合金的优点十分多，例如密度低、耐蚀性高、生物 相容性好、比强度高等，而航天、航空、兵器、船舶等领域又十分需要这种材料， 因此钛合金得到了广泛应用。但是钛合金也有一些缺点，如耐磨性低、易粘着、 摩擦系数高、高温高速摩擦易燃等。但是同时，钛合金在这些领域大多是作为摩 擦磨损运动副零部件，不能让其自身的缺点影响到应用效果。而想要使钛合金的 耐磨性增高、阻燃性增高、摩擦系数降低，达到完美摩擦磨损运动副零部件的效 果，就必须采用先进的表面工程技术改变钛合金表面缺点。最经济灵活的方式是 将钛合金零件基材与牢固的冶金结合，形成具有高温耐磨、耐腐蚀、阻燃性强的 特殊材料。
利用激光表面所含的合金化与激光熔覆技术结合耐磨材料表面改性 层，可以将钛合金的耐磨性能大幅提高。此外，将快速凝固激光表面合金化技术 与激光熔覆技术相结合，利用难熔金属化合物能增强钛合金表面的高温耐磨涂层， 并且达到快速凝固效果。此种方法还可以应用于TC4、BT9、TA15等钛合金采研 制出 、 、 等高硬度且十分耐磨的金属间化合物耐磨涂层新材料。在上述的涂 层组织中，都是金属间化合物，它们的硬度较高，并且温度与硬度关系反常，有 金属键与共价键共存现象。经过研究，发现这些金属间化合物在室温条件或高温 条件下，摩擦系数、磨料磨损率、滑动磨损率及微动磨损率都非常低，并且其耐 磨性还能继续提高，甚至达到钛合金基材的100至700倍，而其摩擦系数可降低整 整一半。这些研究为作为摩擦副机械零部件的钛合金应用提供了新的方法。
二、金属材料快速凝固激光制备特种涂层新材料 一般而言，高温运动副零部件应用环境都是十分恶劣的，大多应用于 航空及航天发动机、石油采集设备、电力工程等方面，因此对这些高温运动副零 部件组成材料的性能要求极高，不仅需要强大的耐高温性能、耐腐蚀性能、抗氧 化性能、低摩擦系数，还需要较强的生物相容性。而这样的多功能材料新涂层需 要非常优质的涂层制备技术。因此，近年来许多研咳嗽苯 坎阒票讣际鹾涂焖倌 碳す馊鄹布际跸嘟岷希 芯砍鼍哂星看蠊δ艿耐坎阈虏牧希 唤稣庑┬虏牧系 母髦中阅芏即蟠筇岣撸 币步 徊椒⒄沽四 碳す馊鄹餐坎阒票讣际酢 在航空装置、航天装置、石油采集设备等先进技术装备的发动机中都 需要用到许多高温高速副零部件，而具有多功能的涂层新材料都具有耐高温、耐 磨损、抗氧化、低摩擦、摩擦相容等特点，因此十分适合航空发动机等先进装置 的条件。此外，将快速凝固激光熔覆涂层制备技术与耐磨材料的设计原理相结合， 还可以得到性能更加优异的激光熔覆涂层新材料，例如超高碳 。其工艺性能良好、碳含量在9%-12%之间，并且内部显微组织呈孤立分布的状态。此种激光熔 覆涂层新材料已经应用到我国的先进航空发动机中，作为关键高温高速滑动摩擦 副部件使用。
随着高温耐磨运动副零部件的应用环境越来越恶劣，对其性能要求也 越来越高。此时对于过渡金属硅化物的化学性质也提出了更高要求，因为难熔金 属硅化物在摩擦学、耐磨材料、表面工程等领域都能表现出其众多的优点，所以 难熔金属硅化物成为了多功能涂层新材料的又一研究领域。经过研究人员坚持不 懈的探索，终于成功研究出 、 、 、 等多功能涂层新材料，这些金属硅化物的 高温耐磨性优异、抗热性能和抗腐蚀性能极高、低摩擦系数及其摩擦相容性更是 符合标准，并且各性能之间还能相互配合，优化其涂层激光熔覆制备技术。在常 温金属及高温金属干滑动试验中， 、 等金属硅化物涂层具有反常载荷、反常温 度、与金属摩擦完全不粘着等特性。
三、金属材料小平面相液-固界面结构及其生长机制 在凝固理论研究中，小平面相的液-固界面结构、生长形态、生长规 律及生长机制一直都是重点研究课题。笔者在研究增强金属及金属间化合物的复 合涂层材料时，以 作为研究对象，研究在不同的凝固冷却速度下，它的小平面 相的液-固界面结构、生长形态、生长规律及生长机制有何不同。
结果表明，在冷却速度为 发非平衡凝固条件下，小平面相 的生长形 态十分分度，在没有达到最快速凝固条件时， 小平面相液-固界面结构为三维网 络树枝状;而在达到最快速凝固条件时， 小平面相液-固界面结构为小平面花瓣状 分枝团族树枝晶状。可是，不论凝固冷却速度条件是否达到标准，即使其凝固形 态不同，但其生长界面始终具有小平面特征，说明类似 晶体的高因子小面晶体 在较宽的凝固冷却速度范围以内，其小平面相液-固界面结构及其生长机制的基 本特征都不会随着凝固冷却速度的变化而产生变化。
四、高性能金属材料激光快速成形 高性能金属材料激光快速成形技术是近年来随着材料科学不断发展 形成的新技术，也属于快速凝固技术的一种，由新材料制备技术结合先进制造技 术研发而来。该技术的核心是快速凝固激光材料制备加工技术，利用快速原型制 造技术在没有任何模具与工装条件下即可快速成形任意形状的零件。高性能金属 零件激光快速成形技术具有高度的柔性、适应性及快速响应性，应用面十分宽广。结束语 随着高温耐磨运动副零部件的应用环境越来越恶劣，对其性能要求也 越来越高。利用激光熔化金属材料表面，可以得到快速凝固后的表面材料，并且 还能带有组织特征。快速凝固激光加工成形技术是利用金属快速凝固效应进行新 材料制备的新型技术，也可以进行高性能金属材料的直接成形。该技术在许多先 进航空材料的表面改性、发动机涂层新材料合成、优质涂层制备等方面都具有广 阔的应用前景。
快速凝固技术论文篇二 定向凝固技术的发展概况 摘要：简要回顾了传统定向凝固技术及其存在的问题，介绍了几种新 近发展起来的新型定向凝固技术，并指出了定向凝固技术今后的发展方向。
关键词：定向凝固;电磁约束;深过冷;单晶连铸;激光超高温度梯度;特 种定向凝固 所谓定向凝固[1]，是在凝固过程中采用强制手段，在凝固金属和未 凝固熔体中建立起特定方向的温度梯度，从而使熔体沿着与热流相反的方向凝固， 获得具有特定取向柱状晶的技术。该技术较好地控制了凝固组织的晶粒取向，消 除了横向晶界，大大提高了材料的纵向力学性能。
1.传统定向凝固技术的发展过程 传统的定向凝固技术经历了由发热铸型法(EP法)、功率降低法(PD法)、 快速凝固法(HRS法)、液态金属凝固法(LMC法)、流态床冷却法(FBQ法)等的发展 过程。
这些方法所获得的冷却速度都是很有限的。首先是冷却速度太慢，使 得凝固组织有充分的时间长大、粗化，以致产生严重的枝晶偏析，限制了材料性 能的提高;其次，是凝固界面与液相中最高温度面距离太远，固液界面并不处于 最佳位置，因此所获得的温度梯度不大，这样为了保证界面前液相中没有稳定的 结晶核心的形成，所能允许的最大凝固速度就有限。为了更进一步提高材料的各项使用性能和综合性能，有必要对传统定向凝固技术进行改造。在充分吸收其他 凝固技术如快速凝固等优点基础上出现了许多新型的定向凝固技术。
2.新型定向凝固技术 2.1电磁约束成形定向凝固法(DSEMS法)[2] 其原理是利用电磁感应加热使合金熔融，然后用在金属熔体表层部分 产生的电磁压力来约束已熔化的金属熔体成形，同时,由于冷却介质与铸件表面 有的直接接触, 铸件固相的冷却能力得到增强,使得固液界面附近熔体内可以产 生很高的温度梯度,使凝固组织超细化。但该技术涉及电磁流体力学、冶金、凝 固以及自动控制等多学科领域，目前还处于研究阶段。
2.2深过冷定向凝固(DUDS法) 过冷熔体中的定向凝固首先由B.Lux 等在1981年提出，其基本原理是 将装有试样的坩埚装在一个高频线圈中循环加热，通过蒸发与分解或加入净化剂 去除、吸附和钝异质核心，从而获得深过冷的合金熔体;然后再将坩埚的底部激 冷，让合金熔体底部先形核，晶体自下而上生长，形成定向排列的树枝晶骨架， 残余的金属液向已有的枝晶骨架上凝固，最终获得了定向凝固组织。深过冷熔体 凝固速度很快，凝固时间很短，可大幅度提高生产效率，改善组织和性能。
2.3单晶连铸技术[3] 单晶连铸技术，即O.C.C法。其基本原理是：将结晶器的温度保持在 熔体的凝固温度以上，绝对避免熔体在型壁上形核，熔体的凝固只在脱离结晶器 的瞬间进行。随着铸锭不断离开结晶器， 晶体的生长方向沿热流的反方向进行。
O.C.C法可以得到完全单方向凝固的无限长柱状组织;铸件气孔、夹渣等缺陷较少;
组织致密，消除了横向晶界。
2.4激光超高温度梯度快速定向凝固法(LRM法)[4] 利用激光表面熔凝技术实现超高温度梯度快速定向凝固。其关键在 于：在激光熔池内获得与激光扫描方向一致的温度梯度;根据合金凝固特性选择 适当的工艺参数以获得胞晶组织。激光能量高度集中的特性，使,其温度梯度可 高达106K/m,速度可高达24mm/s,冷却速度，较区熔液态金属冷却法大大提高(约 为三个数量级)。2.5特种定向凝固技术[5] 2.5.1侧向约束下的定向凝固 侧向约束下的定向凝固考虑到沿凝固方向，制品的截面形状与大小发 生变化时对凝固过程和组织的影响。以施加侧向约束使试样截面突然减小，模拟 叶片的变截面时得到的单晶镍基高温合金凝固组织为例。随着试样截面的突然减 小，合金凝固组织由发达的粗枝状很快转化为细的胞状。随着凝固的继续进行， 胞晶间距逐渐增加，之后胞晶间距趋于恒定，凝固进入新的稳态。最后当试样截 面由小突然增大时，凝固状态也由胞状很快转化为粗枝状。对存在截面变化的实 际单晶合金铸件，在生产过程中不应采用恒定的铸型抽拉速度，而应在其整个凝 固过程中适时调节抽拉速度及其他冷却条件，以获得组织和成分均匀的单晶合金 铸件。
2.5.2对流下的定向凝固 对流下的定向凝固主要利用加速坩埚旋转技术装置(ACRT)。在加速 旋转过程中液相强迫对流，由于极大的改变热质传输过程而引起了界面形貌的显 著变化。在一般定向凝固条件下，合金组织中枝晶发达，糊状区宽度变大。ACRT 状态下的糊状凝固区宽度较静态下的要小得多。对Al-Si共晶合金，在定向凝固 开始时就让坩埚旋转，则强烈的对流导致Si相得断裂。Si碎片可进一步破碎并生 长，最后形成块状Si共晶组织。施加坩埚的变速旋转，则Si相在坩埚加速旋转阶 段变得更加规则。只有当坩埚旋转方式与定向凝固参数合理配合时，才能获得理 想的定向组织。在通常情况下，提高GTL/υ的值，当GTL过高时，Si相虽然定向 生长，但粗化现象明显。
2.5.3二维定向凝固 二维定向凝固(bi-directional solidification)的概念是J.Brigme于20世纪 80年代初提出来的，主要用于制备高性能叶片和圆盘件。对圆盘件而言，二维定 向凝固的主要原理是控制热流方向，使得金属由边缘向中心定向生长，最后获得 具有径向柱状晶(宏观)和枝晶轴(微观)组织的材料。目前利用这种方法已制备出 铝合金样件和高温镍基合金的样件。
2.6存在的问题及展望虽然定向凝固技术能获得小偏析甚至无偏析的超细化的组织等，具有 广阔的应用前景，但仍有一些问题要解决。
第一，激光超高温度梯度定向凝固技术的凝固组织是从基体外延生长 的，界面上不同位置的生长方向也不相同，在对凝固组织进行定量分析时造成困 难。
第二，深过冷还需解决在不同过冷度条件下，过冷熔体激发形核后晶 体的生长方式和组织形成规律;
确定适用于形成枝晶阵列微观组织的试验条件 和工艺因素。
第三，快速定向凝固技术只适合于制备一维或二维小尺度材料，在应 用上受到一定限制。如何解决大体积深过冷熔体激发快速定向凝固技术，利用该 技术获得具有一定外形的零件。
综上述说，合理调节温度梯度和过冷度是定向凝固发展的一个方向。
另外，采取不同控制措施以获得细小的定向组织，便成为新一代定向凝固技术发 展的又一方向。在今后较长一段时间内，材料加工技术的研究将倾向于：性能设 计与工艺设计的一体化和材料设计、制备、成型与加工处理的全过程中队材料组 织性能和形状尺寸进行精确控制等方面。
