快冷微晶合金，在快速凝固條件下獲得的晶粒尺寸為微米數量級的金屬或合金，它是近年來發展起來的材料科學的新分支，它的出現也為金屬的凝固和固態相變的研究開拓了一個新領域。
基本介紹
- 中文名：快冷微晶合金
- 所需條件：快速凝固條件
- 晶粒尺寸：微米數量級
- 所屬分類：材料科學
介紹
在快速凝固條件下獲得的晶粒尺寸為微米數量級的金屬或合金。液態金屬以普通鑄造方法凝固時的冷卻速率通常在1℃/s以下。為了獲得微晶結構,一般要求凝固冷卻速率大於102～105℃/s。快速凝固可以很大地擴大多數合金的固溶範圍，大幅度地減小偏析以及顯著地細化晶粒尺寸。此外，快冷還能使合金中產生異常的亞穩相和特異結構，它們的存在對合金材料熱處理性能有著極為重要的影響。快冷微晶合金是近年來發展起來的材料科學的新分支，它的出現也為金屬的凝固和固態相變的研究開拓了一個新領域。
製備方法製備快冷微晶合金方法的基本原理是把液態金屬的熱量儘快地傳導出去，以達到快速凝固的效果。這樣快冷條件所得到的微晶合金只能是尺寸很小的粉末、薄片或薄層。快冷微晶合金製備方法很多，概括起來可以分為三類：①霧化法（如氣體霧化、超聲氣體霧化、離心霧化等），其原理是把金屬液流霧化成小液滴並使快速凝固成粉末。②快冷製片法，即把液態金屬噴射到熱容量大、導熱性好的金屬基底上而得到微晶的條帶或薄片。有些合金也可用此方法先製成非晶態金屬的條帶，再經過熱處理晶化成微晶材料。③金屬自基底快冷法亦稱上釉(glazing):即用雷射、電子束或電漿等技術,快速加熱、熔化金屬（合金）的表面薄層,然後依靠金屬本身未熔的基底導熱，使表面的液態金屬薄層快速凝固，形成微晶合金層。上述各法，除表面上釉可以直接用於工程材料的表面處理，獲得高強度、高硬度和耐磨蝕的表面外，其他方法得到的快冷微晶粉末或薄片，都要經過熱擠壓或熱等靜壓加工，製成工程實用部件。
微晶金屬（合金）的結構特徵晶粒細化 快冷微晶金屬(合金)的最突出的特點是它的微晶性。金屬的晶粒尺寸通常隨冷卻速度的提高而細化，細化的程度視金屬的不同而異。具有微米數量級晶粒的微晶金屬，其晶粒尺寸一般在0.1～10μm之間，有的甚至可達 30┱(3nm)。金屬材料的強度隨晶粒尺寸的減小而提高，符合 Hall-petch關係：
σs=σi+KD劇?/center>
式中σs為屈服強度;D為晶粒尺寸;σi,K為材料常數。快冷微晶的鐵素體比普通鐵素體的硬度約高三倍。圖1為純鐵（鐵素體組織）晶粒尺寸和硬度之間關係的實驗結果。用快冷方法獲得的微晶合金,再處於高溫下時晶粒長大傾向也很小,如用離心霧化法製備的某些合金鋼粉末，經熱擠壓後在1200℃長時間退火，其奧氏體晶粒尺寸仍然保持在20μm左右，而普通方法生產的鋼,奧氏體晶粒卻長到幾百μm。此外,有些具有超細晶粒的微晶材料還具有極好的超塑性，從而有可能採用超塑性成形的工藝製造複雜形狀的部件。 擴大固溶範圍 快速凝固能有效地擴大絕大多數合金系的固溶範圍，快冷遏制了溶質元素或富含溶質元素的第二相在凝固過程中析出。快冷對不同合金系擴大固溶範圍的效果與原子的尺寸因子和點陣軸之比c/a有關。表1為快速凝固對各種元素在鐵中固溶極限的影響。對某些在鐵中溶解度極小的元素如硼，快冷可以使其固溶度大大提高。特別是在奧氏體鋼中硼的固溶度可以提高三個數量級。因此，快速凝固為提高合金的固溶強化效果、發展新型材料提供了新的手段。 減少偏析 快速凝固的又一特點是可以大幅度地減少合金的偏析。主要是減小枝晶間距，即兩相鄰初級枝晶軸間的距離。圖2表示一種鋁合金枝晶間距和冷卻速度之間的關係。隨著冷卻速率(R)的提高,枝晶間距(d)減小,可用下式表示：d=aR-n
式中a、n為常數,其數值視合金的不同而改變（見表2）。 微晶合金的偏析結構的形態隨著冷卻速率的不斷提高而按以下次序改變：
樹枝狀晶─→胞狀（蜂窩狀）晶─→無特徵晶粒其偏析程度也依此次序減少。其中樹枝狀晶和胞狀晶兩種晶粒形態也存在於普通冷卻條件下，而無特徵晶粒是只在快冷微晶合金中存在的特異結構。如20Cr25Ni奧氏體鋼,當冷卻速率為108℃/s時，晶粒形態基本上看不到任何特徵；當冷卻速率為105℃/s時,出現明顯的樹枝晶偏析結構；冷卻速率介於二者之間時，則得胞狀晶結構。
此外，快冷微晶合金還具有快速凝固造成的高濃度的點缺陷和亞穩相等微觀特徵。所有這些特徵都將對此後熱處理中的固態相變過程及材料性能產生重要影響。
快冷微晶合金的套用在鋁合金中，各種元素的固溶度都很低，並隨溫度的降低而急劇下降，但如果採用快速凝固,使冷卻速度高於103℃/s時，固溶度大大提高。如用金屬基底激冷法 (冷卻速度約106℃/s)得到的含鋰1～3%的2024鋁合金薄層,可具有極細的顯微結構,克服了用普通鑄錠法製造的這類合金中存在的嚴重偏析；與標準成分的2024合金相比，不僅強度和疲勞性能顯著提高，而且韌性也得到改善。此外由於彈性模量的提高和密度的減小，比彈性模量可提高30%。如果採用噴霧法，可望製造出含鋰量更高的鋁合金，使鋁合金的發展向前推進一步。
用於核聚變反應器壁的不鏽鋼，在工作過程中因產生的氦氣擴散到材料內部的晶界，聚成氣泡而變脆。通過快冷製造的不鏽鋼粉末，用粉末冶金方法成形後，不但晶界面積大，可容納較多的氦氣，而且細微彌散的碳化鈦顆粒也成為氦氣的匯聚中心，從而使材料可以長期工作而不變脆。
高溫合金的合金化程度很高，合金元素的偏析往往形成有害合金相，從而使合金性能下降。快冷可以提高合金化程度，增加合金的穩定性，並可控制合金的組織結構，因而用快冷微晶粉末製成高溫合金是很有前途的一種工藝。用這種材料製造渦輪葉片比現有高溫合金製造的葉片使用溫度可提高100℃以上。
此外，雷射上釉也是一種很有實用價值的表面處理技術，它不僅可以獲得細晶粒結構的表面層，而且還可以在處理過程中加入合金元素使表面重新合金化，從而得到具有特殊性能的表面。最近已開始試驗用雷射熔化合金絲料一層一層地堆熔到金屬基底上的辦法來獲得厚截面的具有微晶結構的快冷金屬件。
參考書目
R. Mehrabian，B. H. Kear & M. Cohen eds .，Rapid Solidification Processing-Principles and Technologies,Claitor's Publ.Division,Baton Rouge,Louisiana,1980.
B. Cantor, ed.,Rapidly Quenched Metals Ⅲ ,Proceedings of 3rd International Conference on Rapidly Quenched Metals，The Metals Society,London,1978.
T.Masumoto & K.Suzuki，eds.,Proceedings of 4th International Conference on Rapidly Quenched Metals,Japan Institute of Metals,Sendai,1982.快冷微晶合金 - 配圖
製備方法製備快冷微晶合金方法的基本原理是把液態金屬的熱量儘快地傳導出去，以達到快速凝固的效果。這樣快冷條件所得到的微晶合金只能是尺寸很小的粉末、薄片或薄層。快冷微晶合金製備方法很多，概括起來可以分為三類：①霧化法（如氣體霧化、超聲氣體霧化、離心霧化等），其原理是把金屬液流霧化成小液滴並使快速凝固成粉末。②快冷製片法，即把液態金屬噴射到熱容量大、導熱性好的金屬基底上而得到微晶的條帶或薄片。有些合金也可用此方法先製成非晶態金屬的條帶，再經過熱處理晶化成微晶材料。③金屬自基底快冷法亦稱上釉(glazing):即用雷射、電子束或電漿等技術,快速加熱、熔化金屬（合金）的表面薄層,然後依靠金屬本身未熔的基底導熱，使表面的液態金屬薄層快速凝固，形成微晶合金層。上述各法，除表面上釉可以直接用於工程材料的表面處理，獲得高強度、高硬度和耐磨蝕的表面外，其他方法得到的快冷微晶粉末或薄片，都要經過熱擠壓或熱等靜壓加工，製成工程實用部件。
微晶金屬（合金）的結構特徵晶粒細化 快冷微晶金屬(合金)的最突出的特點是它的微晶性。金屬的晶粒尺寸通常隨冷卻速度的提高而細化，細化的程度視金屬的不同而異。具有微米數量級晶粒的微晶金屬，其晶粒尺寸一般在0.1～10μm之間，有的甚至可達 30┱(3nm)。金屬材料的強度隨晶粒尺寸的減小而提高，符合 Hall-petch關係：
σs=σi+KD劇?/center>
式中σs為屈服強度;D為晶粒尺寸;σi,K為材料常數。快冷微晶的鐵素體比普通鐵素體的硬度約高三倍。圖1為純鐵（鐵素體組織）晶粒尺寸和硬度之間關係的實驗結果。用快冷方法獲得的微晶合金,再處於高溫下時晶粒長大傾向也很小,如用離心霧化法製備的某些合金鋼粉末，經熱擠壓後在1200℃長時間退火，其奧氏體晶粒尺寸仍然保持在20μm左右，而普通方法生產的鋼,奧氏體晶粒卻長到幾百μm。此外,有些具有超細晶粒的微晶材料還具有極好的超塑性，從而有可能採用超塑性成形的工藝製造複雜形狀的部件。 擴大固溶範圍 快速凝固能有效地擴大絕大多數合金系的固溶範圍，快冷遏制了溶質元素或富含溶質元素的第二相在凝固過程中析出。快冷對不同合金系擴大固溶範圍的效果與原子的尺寸因子和點陣軸之比c/a有關。表1為快速凝固對各種元素在鐵中固溶極限的影響。對某些在鐵中溶解度極小的元素如硼，快冷可以使其固溶度大大提高。特別是在奧氏體鋼中硼的固溶度可以提高三個數量級。因此，快速凝固為提高合金的固溶強化效果、發展新型材料提供了新的手段。 減少偏析 快速凝固的又一特點是可以大幅度地減少合金的偏析。主要是減小枝晶間距，即兩相鄰初級枝晶軸間的距離。圖2表示一種鋁合金枝晶間距和冷卻速度之間的關係。隨著冷卻速率(R)的提高,枝晶間距(d)減小,可用下式表示：d=aR-n
式中a、n為常數,其數值視合金的不同而改變（見表2）。 微晶合金的偏析結構的形態隨著冷卻速率的不斷提高而按以下次序改變：
樹枝狀晶─→胞狀（蜂窩狀）晶─→無特徵晶粒其偏析程度也依此次序減少。其中樹枝狀晶和胞狀晶兩種晶粒形態也存在於普通冷卻條件下，而無特徵晶粒是只在快冷微晶合金中存在的特異結構。如20Cr25Ni奧氏體鋼,當冷卻速率為108℃/s時，晶粒形態基本上看不到任何特徵；當冷卻速率為105℃/s時,出現明顯的樹枝晶偏析結構；冷卻速率介於二者之間時，則得胞狀晶結構。
此外，快冷微晶合金還具有快速凝固造成的高濃度的點缺陷和亞穩相等微觀特徵。所有這些特徵都將對此後熱處理中的固態相變過程及材料性能產生重要影響。
快冷微晶合金的套用在鋁合金中，各種元素的固溶度都很低，並隨溫度的降低而急劇下降，但如果採用快速凝固,使冷卻速度高於103℃/s時，固溶度大大提高。如用金屬基底激冷法 (冷卻速度約106℃/s)得到的含鋰1～3%的2024鋁合金薄層,可具有極細的顯微結構,克服了用普通鑄錠法製造的這類合金中存在的嚴重偏析；與標準成分的2024合金相比，不僅強度和疲勞性能顯著提高，而且韌性也得到改善。此外由於彈性模量的提高和密度的減小，比彈性模量可提高30%。如果採用噴霧法，可望製造出含鋰量更高的鋁合金，使鋁合金的發展向前推進一步。
用於核聚變反應器壁的不鏽鋼，在工作過程中因產生的氦氣擴散到材料內部的晶界，聚成氣泡而變脆。通過快冷製造的不鏽鋼粉末，用粉末冶金方法成形後，不但晶界面積大，可容納較多的氦氣，而且細微彌散的碳化鈦顆粒也成為氦氣的匯聚中心，從而使材料可以長期工作而不變脆。
高溫合金的合金化程度很高，合金元素的偏析往往形成有害合金相，從而使合金性能下降。快冷可以提高合金化程度，增加合金的穩定性，並可控制合金的組織結構，因而用快冷微晶粉末製成高溫合金是很有前途的一種工藝。用這種材料製造渦輪葉片比現有高溫合金製造的葉片使用溫度可提高100℃以上。
此外，雷射上釉也是一種很有實用價值的表面處理技術，它不僅可以獲得細晶粒結構的表面層，而且還可以在處理過程中加入合金元素使表面重新合金化，從而得到具有特殊性能的表面。最近已開始試驗用雷射熔化合金絲料一層一層地堆熔到金屬基底上的辦法來獲得厚截面的具有微晶結構的快冷金屬件。
參考書目
R. Mehrabian，B. H. Kear & M. Cohen eds .，Rapid Solidification Processing-Principles and Technologies,Claitor's Publ.Division,Baton Rouge,Louisiana,1980.
B. Cantor, ed.,Rapidly Quenched Metals Ⅲ ,Proceedings of 3rd International Conference on Rapidly Quenched Metals，The Metals Society,London,1978.
T.Masumoto & K.Suzuki，eds.,Proceedings of 4th International Conference on Rapidly Quenched Metals,Japan Institute of Metals,Sendai,1982.快冷微晶合金 - 配圖
