快速凝固合金的变化与用途研究

潘海成　陈业高　张安民　张俊

【摘 要】快速凝固技术作为一种新型合金制备技术，可以获得更细小的组织结构、更均匀地分布或形成具有非晶结构的新材料。介绍了快速凝固过程中固溶度扩展、偏析减小、亚稳相形成和组织细化等几个方面的组织和结构特征。综述了快速凝固技术的原理和方法及其在开发新材料及改进工艺方面的用途。指出了理论研究的主要问题。

【关键词】快速凝固;非晶结构;固溶度;偏析

中图分类号： TG111.4 文献标识码： A文章编号： 2095-2457（2019）35-0044-002

DOI：10.19694/j.cnki.issn2095-2457.2019.35.019

Study on the Change and Application of Rapid Solidification Alloy

PAN Hai-chen CHEN Ye-gao ZHANG An-min ZHANG Jun

（Suqian College， Suqian Jiangsu 223800， China）

【Abstract】The more tiny organizational structure， the more uniform distribution and the formation of new materials with amorphous structure can be achieved by rapid solidification as a new type of alloy preparation technology. Several aspects of the organization and structure features such as the extension of solid solubility， the decreases of segregation， the formation of metastable phase and the refinement of microstructure were introduced. The principle and methods of rapid solidification technology and its application of developing new materials and improving process was summarized. The main problems of the research were pointed out.

【Key words】Rapid solidification; Amorphous structure; Solid solubility; Segregation

快速凝固技术是制备新材料的重要方法[1-2]，将为材料科学领域的研究注入新的活力。20世纪60年代初，P.Duwez[3]等人研究发现某些共晶合金在平衡条件下本应生成双相混合物，但当液态合金以足够快的冷却速度凝固时，可能生成过饱和固溶体、非平衡晶体，甚至能生成非晶体。从此快速凝固成为凝聚态物理和材料科学领域研究的热点课题之一[4-10]。快速凝固技术突破了传统工艺的局限，着眼于大的过冷度和高的冷却速度以获得更细小的组织结构、更均匀地分布或形成具有类似于玻璃结构的新材料，为生产高性能材料和开发新材料提供了一条新的途径。快速凝固合金的凝固进程非常快，可获得普通铸件无法获得的成分、相结构和性能。根据熔体处理和快冷方式的不同分为多种方法，加工的产品特点多样化，可应用于不同的领域。

1 快速凝固合金的变化

1.1 组织变化

合金凝固过程的快冷引起起始形核过冷度大，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。具体的组织变化体现在溶质固溶扩展、均匀细化和形成亚稳相等相互联系的几个方面。

（1）溶质固溶度扩展。快速凝固可以扩大平衡溶解度极限，随着合金熔体冷却速率或过冷度的增大，界面前沿溶质原子的扩散在很大程度上受到抑制，导致新相不能及时析出，从而在最终组织中固溶体相的溶质含量高于平衡相图上的最大固溶度，形成亚稳态的过饱和固溶体，这在表1的研究结果中就有所体现。

（2）组织均匀细化。合金的结晶过程与过冷度密切相关。大的冷却速度或过冷度在凝固过程中可以促进形核及细化晶粒。而且随着冷却速度的增大，凝固界面前沿的溶质富集和再分配愈加明显，造成的成分过冷和原本的热过冷条件，使合金的晶粒尺寸更加减小，甚至获得微晶和纳米晶。同时合金凝固过程中扩散不充分引起溶质的迁移和分配系数将偏离平衡状态，形成溶质截留效应，大大减小了合金显微偏析的形成。在凝固界面绝对稳定或溶质完全截流时，整个合金几乎不存在偏析。随着凝固速度的增大，固液界面将发生“完全扩散平衡-局域界面平衡-亚稳局域界面平衡-界面非平衡”的转变[11]。

（3）形成亚稳相。快速凝固合金具有很大的凝固速度和过冷度，实际相变过程与平衡条件下相比有较大的差异，平衡相的析出被抑制，常析出非平衡的亚稳相。这些亚稳相的晶体结构可能与平衡相图上相邻的某一中间相结构极为相似，可以看作是快速冷卻和大过冷度下中间相浓度扩展的结果。亚稳相的出现会明显改善材料的性能[12-14]。许敏[15]等研究了快速凝固Mg-Zn-Y合金，获得准晶相并与长周期有序堆垛结构相存在一定的组合及转变机制，可提高合金综合性能。表1列出了几种典型的二元镁合金中合金元素在α-Mg固溶体中的亚稳扩展和形成的亚稳相[16]及其成分范围[17]。

表1 某些合金的固溶扩展和形成的亚稳相

1.2 快速凝固合金的性能变化

快速凝固合金组织结构的改善，大大提高了合金的综合力学性能。与常规铸造合金相比，快速凝固合金的室温强度、延展性、高温力学性能和耐腐蚀性能都有很大改善。以研究快速凝固ZK60镁合金的性能为代表，合金的抗拉强度可达430Mpa，基体中弥散分布着细小的Al3Zr质点，材料热稳定性极好，比铸造冶金有了很大提高。

2 快速凝固技术方法与用途

2.1 快速凝固技术的方法

快速凝固工艺主要有急冷技术、深过冷技术和表面快速熔凝技术等几种。其中急冷技术根据熔体分散方式和冷却方式的不同可以分成雾化技术、模冷技术和表面熔化与沉积技术三大类[18]，可获得粉末、箔片、薄带、纤维和薄膜状产品。深过冷技术根据处理液相方式的不同可分为乳化法、微小液滴法、落管法和电磁悬浮熔化法等多种。表面快速熔凝技术根据表面熔化方式的不同也有激光表面熔凝技术等多种。

2.2 快速凝固技术的用途

应用快速凝固技术，合金组织和性能变化，可以开发材料更广泛的功能和应用，开发角度包括凝固组织的微细化、过饱和固溶体和非晶相的出现等。凝固组织越微细，得到高强度和超塑性材料的可能性就越大，也有可能通过再结晶来制备单晶材料;过饱和固溶体结构可得到高强度材料，并且可通过热处理获得各种性质的材料;非晶材料不仅具有特殊的力学性能，同时也可获得特殊的物理和化学性能，如超导特性、软磁特性及耐腐蚀特性。例如，非晶合金取代硅钢片制作的变压器内耗减小，解决了变压器在特殊条件下使用时的发热问题。

航空工业需要低密度铝合金和镁合金，采用快速凝固技术可以改善组织和力学性能，发挥轻质铝镁合金的巨大作用。快速凝固铝镁合金的密度大幅度降低。特别是在铝合金中加入适量的铍，则其用途更为可贵[19-20]。采用快速凝固粉末制备工具钢，可细化碳化物并消除其宏观偏析因而可提高质量和使用性能。快速凝固技术给高温合金、贵金属合金和磁性材料等领域带来更多的优势，使其产品成分均匀，抗氧化性能提高，有利于扩展合金的应用范围。

3 結束语

快速凝固技术作为一种新型合金制备技术，目前已在铁、镍、钴、镁、铝、铜等合金系、宇航材料、电子仪表材料及超导材料上进行了大量工作，取得了不少成果，大大推动了材料学科某些基础理论的发展。但是快速凝固理论研究的主要问题是冷却速度或过冷度，尽管采用实验实测法和理论凝固模拟法对冷却速度或过冷度进行了一定的研究，但还存在着许多问题和不足，因此还有很多重要的理论和实验工作要做。

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