快速凝固

快速凝固技术指凝固速度比常规铸造凝固速度大得多(一般>10mm/s)的凝固过程。一般指以大于105K/s~106K/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。

简介快速凝固技术指凝固速度比常规铸造凝固速度大得多(一般> 10mm /s)的凝固过程。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。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1。

内容主要包括急冷凝固(又称急冷淬火或熔体淬火)和大过冷凝固(large undercooling solidification)。

前者通过设法减少同一时刻凝固的熔体量，增加与冷却介质之间的传热速度来提高凝固的冷速(一般>10—10K/s)，雾化法制取粉末、熔体旋转(melt-spinning )法制取薄带均属急冷凝固。

后者则设法在尽可能接近均匀形核的凝固条件下使熔体在远低于平衡熔点的温度下凝固，凝固速度可达1—10m/s数量级，熔滴弥散法、电磁悬浮熔炼法等均为大过冷凝固方法2。

作用快速凝固可细化晶粒、相、有序畴等微观组织尺寸、减少成分偏析、形成新的亚稳相，通常可以改善材料的性能，还能制取在常规铸造条件下难以得到的高技术新材料。除了表面快速凝固(如激光表面熔化、等离子体表面熔化)之外，一般得到的快速凝固材料是粉末、薄带、薄片等低维材料，在作结构材料使用时还要经过适当的热压、热挤压、爆炸成型等方法制成所需尺寸的大块材料，成型过程中要正确选择温度、压力等工艺参数使快速凝固后的材料的微观组织和性能特点基本不变。近年来发展的雾化沉积(spray forming)技术已可以直接制成尺寸较大的快速凝固材料3。

快速凝固材料广义讲，凝固速度大于1cm/s(相应的冷却速度为10-10K/s)成的材料的通称。

材料变化快速凝固时，材料的显微结构与相组成发生明显变化：

1、固溶度扩展：液固界面高速推进，溶质原子来不及长程扩散而被正在凝固的相捕获，从而固溶度偏离平衡。

2、晶粒细化：大的过冷度和高的液固界面推移速度有利于高的形核率及低的长大速度，其结果组织明显细化，往往呈现微晶状态，

3、减少偏析：随着冷却速度的增加，显微结构由细小的枝晶结构向胞状结构及无特征晶粒发展，使化学均匀性提高，偏析减少。

4、亚稳相形成：大的过冷度有利于亚稳相成核，不利于稳定相成核，常出现很多亚稳相。

5、非晶态形成：当冷却速度足够高时(大于10K/s)，由于没有足够的时间进行晶粒长大，甚至无法成核，结晶被抑制，形成非晶态2。

特性这些组织结构上的变化，使材料具有一系列优异性能，硬度、韧性、耐磨性、抗氧化性、耐蚀性及良好的电化学性能和磁学性能4。

本词条内容贡献者为:

石季英 - 副教授 - 天津大学