粉末冶金快速凝固技术与材料.pdf
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1、粉末冶金快速凝固技术与材料?谢?明,刘建良,邓忠民,吕贤勇,施?安,郭忠燕,管伟民,郑福前(昆明贵金属研究所,云南?昆明?650221)?摘?要:以粉末冶金快速凝固技术和材料为线索,系统评述了快速凝固制粉技术的发展、材料特性以及在金属材料领域的应用,最终阐述了该领域的研究现状与发展前景。?关键词:快速凝固;技术;材料;应用中图分类号:TF122?5?文献标识码:A?文章编号:1006-0308(2000)03-0026-07Rapid Solidification Techniques and Materials in Powder MetallurgyXIE Ming,LIU Jian-li
2、ang,DEN Zhong-min,LU Xian-yong,SHI An,GUO Zhong-yan,GUAN Wei-min and ZHENG Fu-qian(Kunming Institute of PreciousMetals,Kunming,Yunnan 650221,China)ABSTRACT:Based on the information of rapid solidification techniques and materials utilized in powder metallurgy,the development ofrapid solidification t
3、echniques,thematerials characteristics and their applications in the field of metal materials were reviewed systematically.Thecurrent studies and future developments in this field were presented.KEY WORDS:rapid solidification;technique;materials;application1?前?言快速凝固技术及材料的研究始于 20 世纪 50 年代末,Pol.Duwez
4、和 H.willens 首次报道了合金被快速淬火冷却为玻璃态,如 Au70Si30非晶态合金。以后又相继发现了快速凝固生成非平衡结晶相和扩大固溶度极限,如 Cu-Ag,Ag-Ge 合金等。由于应用快速凝固技术不仅可以显著改善现有合金的微观组织结构和提高其性能,而且还可以研制在常规铸造条件下无法获得的具有优异性能的新型合金。本世纪 60 年代末期,平衡材料的研究基本上停止而非平衡材料则认为是寻找新型功能材料和结构材料的新途径。快速疑固材料的研究动态如图 1 所示,国内外有关的研究资料说明?1?,70 年代金属材料研究的重点是非晶态材料,以及热激活能对非晶态材料转变机理的研究。80 年代研究的重点
5、是微晶材料和纳米材料。90 年代非平衡材料领域的研究已集中在材料的应用方面,包括新设备、新工艺和新产品的开发,达到降低成本和规模化生产的目的。2?快速凝固理论的由来快速凝固一般指以大于 105-106K/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,往往生成亚稳相(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?2?。实现液态金属的快速凝固有两条途径:(1)传统的急冷快速凝固过程;(2)深过冷熔体的快速凝固。对于快速凝固粉末材料,直到现在还没有令人满意的理论,关键在于单个颗粒长大之前,制备足够多的晶粒。即一定的金属和合金成分,在相当大的冷却速率下,使其处于不平衡的亚稳
6、状态,从而26?2000 年 6月第 29 卷第 3期(总第 162 期)?云 南 冶 金YUNNAN METALLURGY?Jun.2000Vol.29.No.3(Sum 162)?收稿日期:1999?06?04?九五?攻关项目(95E11-3)作者简介:谢?明(1965),男,云南昆明人,高级工程师。图 1?快速凝固材料的研究动态Fig?1?Study trend of rapid solidificationmaterials得到快速凝固粉末(非晶、准晶),或者在枝晶以极快的速率长大时,析出的结晶潜热很大,以致于把二次枝晶和更高次的枝晶熔化分开,最终重新组合,获得微晶、纳米晶组织。因此,
7、快速凝固过程将呈现出许多与常规凝固不同的动力学特性。快速凝固粉末的制备目前国内外多采用水雾化,气体雾化,离心雾化和多辊雾化等,下面就气体雾化法金属液滴的快速凝固进行说明。在液态金属雾化过程中,微小液滴以对流、传导和辐射三种方式散热,但是主要以对流传热为主。金属液滴总的表面换热系数难以直接测定,根据对流传热方程?3?:h=2K/d+0?6(K4?3c2/?)1/6(v/d)1/2(2-1)h-热交换系数,K、?、c 和?分别是冷却介质的热传导系数、密度、比热和粘度,d-雾化液滴直径,v-液滴与冷却介质之间的相对运动速率。由(2-1)式可知,金属液滴的表面传热系数随着液滴尺寸的减小而增大,提高冷却
8、速率是实现这一过程的唯一手段。当液态金属过冷度达到临界冷度(Tc)时,则金属可完全实现快速凝固。凝固条件与材料的显微组织结构的对应关系如表 1 所示。表 1?冷却条件与冷却速率及组织特征的关系比较Tab?1?Comparison between cooling condition,cooling rate and microstructurs冷却条件冷却速率/(K?S-1)组织特征工业冷却速率砂型铸件和铸锭10-3-100平衡条件的晶粒组织,如粗树枝晶,共晶和其他结构。中等冷却速率薄带、模铸件、普通雾化粉末100-103精细显微结构,如细树枝晶,共晶和其他结构。快速凝固雾化细粉、喷雾沉积、电子
9、束或激光玻璃化处理103-106特殊显微结构,如扩大固溶度、微晶结构、亚稳结晶相、非晶结构。?因此,快速凝固定义为超出正常工业冷却速率范围,金属或合金熔液以?103K/s 的冷却速率形成非晶、准晶或微晶结构的过程。3?快速凝固粉末的制备技术采用快速凝固技术制备非晶、准晶或微晶粉末的方法有许多,大致可以分为以下几类:双流雾化、离心雾化、机械力雾化和多级组合雾化等?4?。下面分别介绍各种方法的特点及应用情况。3?1?双流雾化双流雾化是指通过雾化喷嘴产生高速高压工作介质气流,将熔体流粉碎成很细的液滴,并且通过对流、传导、辐射等散热方式快速凝固。雾化和冷却介质有气体和液体等。3?1?1?高压气体雾化该
10、方法是用亚音速或超音速的气体流去分散金属液体,使之雾化成为金属液滴的方法。雾化作用是借助雾化介质的动能而产生的,常用雾化介质为氮气、空气等。雾化喷嘴通常采用自由降落式和限制式,如图 2 所示。采用这种方法熔体的冷却速率可达到 102-103K/s,并且能够大规模生产平均粒度为 50-100?m 的各种金属和合金粉末。如果高压气体的雾化压力 3 MPa,粉末的冷却速率可达103 104K/s,粉末平均粒度达到?20?m。27谢?明等?粉末冶金快速凝固技术与材料图 2?高压气体雾化喷嘴示意图Fig?2?Schematic diagram of high-pressure gas atomizati
11、on nozzlea、自由降落式?b、限制式3?1?2?超声雾化法超声雾化器是拉瓦尔(Lavaner)喷嘴和哈特曼(Hartman)振动波管组合在一起的结构,既能产生2-3Ma 的超音速,又能产生 80-100Hz 超声波气流,具体喷嘴结构如图 3所示。其共振腔中气体的振动频率由下式表示:f=0?25C(l+0?3d),(3-1)C-雾化气体声速;l、d-分别为共振腔的长度和直径。该方法生产低熔点合金已达到工业化生产规模,对于高熔点合金仍然处于实验室阶段。超音速雾化的冷却速率可达 104-105K/s,雾化气体为氦气、氩气和氮气等,雾化气体的压力为 8?3 MPa,制备的铝粉最小平均粒度为 2
12、2?m。图 3?环缝式超音速雾化喷嘴示意图Fig?3?Schematic diagramof circular supersonicatomization nozzle?1?共振腔,2?发射腔,3?反射腔,?4?喷射腔,5?气体进腔管路.3?1?3?水雾化法液体雾化即高压水雾化,其压力一般为 8-20MPa,所生产的粉末较粗,其粒径在 75-200?m,冷却速率达 103-104K/s。目前,也有资料报道用这种方法制备了平均粒度小于 10?m 的粉末,已工业化生产。3?2?离心雾化法离心雾化的原理是,将熔化的金属或合金以溅射的形式甩出去,随后冷却成粉末颗粒。在冷却过程中一般都加上一定压力的气体
13、进行对流冷却。冷却速率超过 105K/s,粉末一般为片状和类球状。这种方法的生产效率高,成本低,可连续化规模生产。3?2?1?旋转圆盘法图 4?旋转盘雾化制粉示意图Fig?4?Schematic diagram of rotating plate atomizer?1?冷却气体,2?旋转雾化盘,3?粉末,4?金属熔体.如图4 所示,是利用机械旋转造成的离心力将金属液体击碎成液滴,然后冷凝成粉末的雾化方法,利用这种方法制备的铝合金、镍合金和钢铁等粉末平均粒度为 25-100?m,冷却速度达 104-105K/s,通过改变圆盘的转速1 500-35 000 r/min,可以调整粉末的粒度。由离心雾
14、化粉末粒度的理论关系式可知:转盘转速对粉末粒度起着明显作用,随着转速的增加粉末平均粒度显著减小。d=(6?/28?2000 年 6月第 29 卷第 3期(总第 162 期)?云 南 冶 金YUNNAN METALLURGY?Jun.2000Vol.29.No.3(Sum 162)?R)1/2/2?n,(3-2)d-粉末平均粒径;?-金属或合金液体表面张力;?-金属或合金熔体密度;R-旋转-甩出半径;n-旋转盘转速。3?2?2?旋转水雾化如图 5 所示,通过旋转水层将离心力传递到液滴上,再用旋转着的厚液层的能量破碎熔融的金属流,分散的液滴立即进入旋转水中,被厚水层传递的离心力加速。在此运动过程中
15、产生于液滴表面的蒸气覆盖层不断被水层带走,从而改善了热传导条件,提高了淬冷速率。在这种方法中水不但是雾化介质而且是淬冷介质,粉末的冷却速率可达 104-105K/s,粉末的平均粒度?50?m,粉末的粒形可以控制。图 5?旋转水雾化示意图Fig?5?Schematic diagram of rotating water atomizer1?旋转杯,2?淬冷介质,3?金属熔液漏嘴,4?金属熔液喷流,5?感应加热器.3?3?机械力作用雾化法这类雾化装置是通过机械力或电场力等其它作用力分离和雾化金属熔体,然后凝固成粉末。3?3?1?双辊或单辊雾化法图 6?单辊或双辊雾化法示意图Fig?6?Schema
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