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1、快速凝固技術(shù)摘要：快速凝固已成為-種具有挖掘金屬材料潛在性能與發(fā)展前景的開發(fā)新材料的重要手段，同時也成了凝固過程研允的一個特殊領(lǐng)域。過去對凝固過程的模擬考慮了在熔融狀態(tài)下的熱傳導(dǎo)和凝固過程潛熱的釋放，不考慮金屬在型腔內(nèi)必然存在的流動以及金屬在凝固過程中存在的流動。冃前快速凝固技術(shù)作為一種研制新型合金材料的技術(shù)己開始研究了合金在凝固時的各種組織形態(tài)的變化以及如何控制才能得到符合實際生活、生產(chǎn)要求的合金。著重于大的溫度梯度和快的凝固速度的快速凝固技術(shù)，正在走向逐步完善的階段。快速凝固技術(shù)一般指以大于105K/S-106
2、K/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(zhǔn)晶、微晶和納米晶），使粉末和材料具有特殊的性能和用途。快速凝固技術(shù)得到的合金具有超細(xì)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(jié)構(gòu)特征。由于凝固過程的快冷，起始形核過冷度大，生長速率高，使固液界而偏離平衡，因而呈現(xiàn)出一系列與常規(guī)合金不同的組織和結(jié)構(gòu)特征。詞:快速凝固理論研究組織特征快速凝固方法引言：隨著科學(xué)技術(shù)的發(fā)展，對金屬凝固技術(shù)的重視和深入研究，形成了許多種控制凝固組織的方法，其屮
3、快速凝固已成為一種具有挖掘金屬材料潛在性能與發(fā)展前景的開發(fā)新材料的重要手段，同時也成了凝固過程研究的一個特殊領(lǐng)域。過去對凝固過程的模擬考慮了在熔融狀態(tài)下的熱傳導(dǎo)和凝固過程潛熱的釋放,不考慮金屬在型腔內(nèi)必然存在的流動以及金屬在凝固過程中存在的流動。目前快速凝固技術(shù)作為一種研制新型合金材料的技術(shù)已開始研究了合金在凝固時的各種組織形態(tài)的變化以及如何控制才能得到符合實際生活、生產(chǎn)要求的合金。一凝固過程理論研究凝固過程中固液界面形態(tài)穩(wěn)定性理論成分過冷理論成分過冷理論起源于凝固過程中溶質(zhì)原子在固液界血上的富集。這種富集的結(jié)果是
4、在距固液界面前沿的液相中不同的距離內(nèi)具冇不同的溶質(zhì)濃度，可由式+表示。式中C為濃度;R為生長速度；D為溶質(zhì)擴散系數(shù)；z為距固液界面的距離。Chalmers等人在假設(shè)液相中無對流時，解上式得液相中溶質(zhì)濃度分布為G.=G〔l+（守）exp-（界）］式中CL為液相中溶質(zhì)濃度；C。為原始濃度；kO為溶質(zhì)平衡分配系數(shù)。在有対流情況下，Burtou等人得到液相中溶質(zhì)濃度分布為C：=Cs[l+(^7~)exp-(十幾)]式中Cs為固相中溶質(zhì)的濃度；§為流動邊界層厚度。Rutler與Chalmers認(rèn)為，出現(xiàn)成分過冷后，在平界面上
5、形成小的凸起，進而發(fā)展進入到大的成分過冷區(qū)內(nèi)，其凸起不斷長大，平的界面被破壞。Bilonis等人則認(rèn)為出現(xiàn)成分過冷后平界面上在位錯的周圍形成凹坑，凹坑發(fā)展為六角形溝槽，平界面從此被破壞?？に竞孟蚕壬鷮Τ煞诌^冷理論提出以下幾個問題：首先，由于沒考慮界面能的彫響，不能估計在平界面上出現(xiàn)凹凸時過冷度的變化；其次，只考慮了液體內(nèi)的溫度梯度，而沒有考慮固相中的溫度梯度；再次，用成分過冷理論無法描述失穩(wěn)后的界面狀態(tài)，也就是說成分過冷理論還不能十分準(zhǔn)確地描述凝固過程中固液界面的狀態(tài)。界面穩(wěn)定性動力學(xué)理論Mullins與Seker
6、kH簡稱為1-S)認(rèn)為凝固過程中的固液界面原木就不是平的界而，是存在有很小凹凸的曲面，這個凹凸的大小隨溫度與溶質(zhì)濃度的變化而變化，卜S將其稱為擾動,并假設(shè)這種擾動按正弦波的形式分布，英界面方程為z=6sin(3x)。式中§為擾動振幅：3為擾動頻率。這樣液相中的濃度及固液兩相中的溫度分布可由以下三個基本方程表示：式中Ts、T,.分別為固體與液體中的溫度；Ql、J分別為液體與固體中的熱擴散系數(shù)?？紤]到界面曲率的作用，界面的溫度為Ti=Tm+mCi-TmrK式中Ci為界面上的濃度；r=o/L,。為固液界而比表而能；
7、L為結(jié)晶潛熱；K*為界而曲率。假設(shè)Ti=T0+a8sin(3x),Ci=C0+b6sin(3x)。式中TO、CO分別為界面為平面時液體的溫度與濃度；a、b為常數(shù)。解方程⑴、(2)、(3),并利用邊界條件s/L(dTs/dz)i一AL/L(dTL/dz)i=DLCi(kO-1)(dC/dz)Z=V+d少dtsin(a)x)可得擾動頻率隨時間的變化關(guān)系為:d6一(r/d』P]-+血)[3,-(R/DJP、+2mGc[少一(R/D』]}dt~(gs-血)[2-(R/D^P]+2a)mGc式中少=R/Dl+7(^/2D￡
8、)2+w；p=1-k;gs=Gs久$/了丁=Gs+^￡)/2o式(4)即為凝固界而形態(tài)穩(wěn)定性動力學(xué)微分方程式。當(dāng)d§/dt>0時，擾動振幅隨時間而增大，界面處于不穩(wěn)定的狀態(tài)：d5/dt<0時,擾動逐漸消失，界面向平面發(fā)展；d6/dt=O時界面處于一種臨界的穩(wěn)定狀態(tài)。Kurz與Fisher對式、(4)進行處理后得到界面穩(wěn)定的條件為工mgGckQR2V/D^可見
