快速凝固
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2023年2月19日发(作者：多肉的作文)快速凝固技术的研究进展
摘要：快速凝固技术是当材料科学与工程中研究比较活跃的领域之一，目前已
成为一种金属材料潜在性能与开发新材料的重要手段。快速凝固技术得到的合
金与常规合金有着不同的组织和结构特征，对材料科学和其它学科的理论研究
以及开展实际生产应用起了重要的作用。介绍了快速凝固技术的原理和特点、
主要方法和在实际中的应用和存在的问题。
关键词：快速凝固技术；合金；应用；存在问题
1引言
随着对金属凝固技术的重视和深入研究，形成了许多种控制凝固组织的方
法，其中快速凝固已成为一种具有挖掘金属材料潜在性能与发展前景的开发新
材料的重要手段，同时也成了凝固过程研究的一个特殊领域[1]。过去常规铸造
合金之所以会出现晶粒粗大，偏析严重、铸造性能差等缺陷的主要原因是合金
凝固时的过冷度和凝固速度很小，这是由于它们凝固时的冷速很小而引起的。
要消除铸造合金存在的这些缺陷，突破研制新型合金的障碍，核心是要提高熔
体凝固时的过冷度，从而提高凝固速度，因此出现了快速凝固技术。
目前，快速凝固技术作为一种研制新型合金材料的技术已开始研究了合金
在凝固时的各种组织形态的变化以及如何控制才能得到符合实际生活、生产要
求的合金。着重于大的温度梯度和快的凝固速度的快速凝固技术，正在走向逐
步完善的阶段。
2快速凝固技术
1960年美国的Duwez等用铜辊快淬法，首次使液态合金在大于107K/S的冷却
速度下凝固，在Cu—Si合金中发现了无限固溶的连续固溶体；在Ag—Ge合金中
出现新的亚稳相；在Au—Si合金中形成非晶结构。在快速冷却所形成的亚稳结
晶组织中，出现了一系列前所未见的重要的结构特征，表现出各种各样比常规
合金优异的使用性能[2]。此后，快速凝固技术和理论得到迅速发展，成为材料
科学与工程研究的一个热点。
快速凝固是指通过对合金熔体的快速冷却(≥104～106K/s)或非均质形核被
遏制，使合金在很大过冷度下，发生高生长速率(≥1～100cm/s)凝固[3]。通过快
速凝固技术获取的粉末和材料会具有特殊的性能和用途。由于它是一种非平衡
的凝固过程[4]，详细的说就是凝固过程中的快冷、起始形核过冷度大，生长速
率高，促使固液界面偏离平衡，生成亚稳相(非晶、准晶、微晶和纳米晶)，从
而会使常规合金呈现出一系列不同的组织和结构[5]。
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[6]：
(1)细化凝固组织，使晶粒细化。结晶过程是一个不断形核和晶核不断长大
的过程。随凝固速度增加和过冷度加深，可能萌生出更多的晶核，而生长的时
间极短，致使某些合金的晶粒度可细化到0.1μm以下。
(2)减小偏析。很多快速凝固合金仍树枝晶结构，但枝晶臂间距可能有
0.25μm。在某些合金中可能发生平面型凝固，从而获得完全均匀的显微结构。
(3)扩大固溶极限。过饱和固溶快速凝固可显著扩大溶质元素的固溶极限。
因此既可以通过保持高度过饱和固溶以增加固溶强化作用，也可以使固溶元素
随后析出，提高其沉淀强化作用．
(4)快速凝固可导致非平衡相结构产生，包括新相和扩大已有的亚稳相范围。
(5)形成非晶态。适当选择合金成分，以降低熔点和提高玻璃态的转变温度
T
g
(T
g
/T
M
>0.5)，这样合金就可能失去长程有序结构，而成为玻璃态或称非晶态。
(6)高的点缺陷密度。固态金属中点缺陷密度随着温度的上升而增大，其关
系式为：C=exp（—Q
F
/RT）式中，C为点缺陷密度，Q
F
为摩尔缺陷形成能。金
属熔化以后，由于原子有序程度的突然降低，液态金属中的点缺陷密度要比固
态金属高很多，在快速凝固过程中，由于温度的骤然下降而无法恢复到正常的
平衡状态，则会较多的保留在固态金属中，造成了高的点缺陷密度。
3快速凝固技术的主要方法
3.1动力学急冷快速凝固技术
动力学急冷快速凝固就是设法减小同一时刻凝固的熔体体积与其散热表面
积之比。设法减小熔体与热传导性能很好的冷却介质的界面热阻，同时通过提
高铸型的导热能力、增大热流的导出速率，就可使凝固界面快速推进实现快速
凝固[7]。其中熔体的凝固冷速、凝固速率和过冷度是由系统向环境的传热速度
和熔体体积等因素控制的，进一步说明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。
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、电子柬急冷淬火法、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。
在忽略液相过热的条件下，单向凝固速率R取决于固相中的温度梯度ΔT
TS
，
即：
R=
λ
s
∙∆