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快速凝固技术

快速凝固技术是目前材料科学与工程领域最活跃的课题之一。它是通过对合

46K/s）

金熔体进行快速冷却（冷却速率大于10~10或遏制冷却过程中的非均匀形

核，使合金在大的过冷度下发生高生长速率（耳~100cm/s）的凝固。

冷却速率是决定合金凝固组织的关键因素，它不仅决定着凝固组织形态，而

且对组织中各相的析出次序、种类及数量都有重要的影响。所以较好地理解冷却速

率对合金凝固组织和性能的影响，在解释同一成分合金铸造出不同形状铸件时微观

组织的差异是相当有益的。传统的铸造工艺，由于凝固速度较低，合金在冷却过程

中的过冷度和凝固速度较小，因此常规铸造合金有着晶粒粗大、偏析严重

等严重缺陷。快速过冷技术无论对合金的成分设计还是还是对合金围观组织以及宏

观特性都有很大的影响。

一、快速凝固技术

快速凝固即由液相到固相的相变过程进行的非常快，从而得到普通铸件和铸锭

无法获得的成分、相结构和显微组织结构的过程。目前快速凝固技术已经在许多方

面显示出其优越性，与常规铸锭材料相比，快速凝固材料的偏析程度大幅度降低，

而且快速凝固材料的化学成分多比较均匀。应用快速凝固技术可以制备具有超高强

度、高耐蚀性和磁性的材料，非晶、准晶、微晶和纳米晶合金等。目前，快速凝固

技术已成为一种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。快速

凝固技术已开始应用于研究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。

二、快速凝固的基本原理和分类

从技术原理上讲，快速冷却主要有两种原理：急冷凝固技术和大过冷凝固技

术。

1、急冷凝固技术

急冷凝固技术又称熔体淬火技术，即提高熔体凝固时的传热速度从而提高凝固

时的冷却速度，使熔体的形核时间短、效率高，来不及在平衡熔点附近凝固，只能

在远离平衡熔点的较低温度下凝固。急冷凝固技术的核心是要提高凝固过程中熔体

的冷却速度。一个相对于环境放热的系统的冷却速度取决于该系统在单位

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时间内产生的热量和传出系统的热量。因此对金属凝固而言，提高系统的冷却速度

必须要求：第一，减少单位时间内金属凝固时所释放的热量；第二，提高凝固

过程中的散热速度。又因常规铸造凝固是熔体在体积很大的铸模中同时凝固、热

量不易迅速传出以及固态淬火主要是通过对流传热因而冷速不高，急冷凝固技术

的基本原则是设法把熔体分成尺寸很小的部分，增大熔体与冷却介质接触的面积，

并设法减小熔体与冷却介质的界面热阻。

急过冷凝固技术中根据熔体分离和冷却方式的不同，可以分为雾化技术、模冷

技术和表面处理技术三大类。

(1)模冷技术是通过高热导率材料衬底上薄层熔体的快速冷却开始，使合金熔体

中形成大的起始形核过冷度，从而实现高凝固速率。主要包括：枪法、活塞砧法、

熔体旋转法、平面流铸造法、熔体拉拽法、电子束急冷淬火法、熔体提取

法和急冷模法。

(2)雾化技术是使熔体在离心力、机械力或高速流体的冲击力等外力作用下，

分散成尺寸极小的雾状熔滴，并使其在与流体或冷却模接触后迅速冷却凝固。具体

分为：流体雾化法，离心雾化法和机械雾化法。

(3)表面处理技术是使待加工的材料或半成形、已成形的工件表面层实现快

速凝固的技术。它适用于对表面性能有特殊要求的材料或工件。主要有表面熔化和

表面喷涂沉积两类。

2、大过冷凝固技术

大过冷凝固技术即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，从而实现快速冷却。

因均匀形核所需的过冷度较大，所以，通过使