什么是快冷微晶合金?

什么是快冷微晶合金?

[拼音]：kuaileng weijing hejin

[外文]：rapidly solidified microcrystalline alloys

在快速凝固条件下获得的晶粒尺寸为微米数量级的金属或合金。液态金属以普通铸造方法凝固时的冷却速率通常在1℃/s以下。为了获得微晶结构，一般要求凝固冷却速率大于102～105℃/s。快速凝固可以很大地扩大多数合金的固溶范围，大幅度地减小偏析以及显著地细化晶粒尺寸。此外，快冷还能使合金中产生异常的亚稳相和特异结构，它们的存在对合金材料热处理性能有着极为重要的影响。快冷微晶合金是近年来发展起来的材料科学的新分支，它的出现也为金属的凝固和固态相变的研究开拓了一个新领域。

制备方法

制备快冷微晶合金方法的基本原理是把液态金属的热量尽快地传导出去，以达到快速凝固的效果。这样快冷条件所得到的微晶合金只能是尺寸很小的粉末、薄片或薄层。快冷微晶合金制备方法很多，概括起来可以分为三类：

（1）雾化法（如气体雾化、超声气体雾化、离心雾化等），其原理是把金属液流雾化成小液滴并使快速凝固成粉末。

（2）快冷制片法，即把液态金属喷射到热容量大、导热性好的金属基底上而得到微晶的条带或薄片。有些合金也可用此方法先制成非晶态金属的条带，再经过热处理晶化成微晶材料。

（3）金属自基底快冷法亦称上釉(glazing):即用激光、电子束或等离子体等技术，快速加热、熔化金属（合金）的表面薄层，然后依靠金属本身未熔的基底导热，使表面的液态金属薄层快速凝固，形成微晶合金层。上述各法，除表面上釉可以直接用于工程材料的表面处理，获得高强度、高硬度和耐磨蚀的表面外，其他方法得到的快冷微晶粉末或薄片，都要经过热挤压或热等静压加工，制成工程实用部件。

微晶金属（合金）的结构特征晶粒细化

快冷微晶金属(合金)的最突出的特点是它的微晶性。金属的晶粒尺寸通常随冷却速度的提高而细化，细化的程度视金属的不同而异。具有微米数量级晶粒的微晶金属，其晶粒尺寸一般在0.1～10μm之间，有的甚至可达 30┱(3nm)。金属材料的强度随晶粒尺寸的减小而提高，符合 Hall-Petch关系：σs＝σi+KD劇?/center>

式中σs为屈服强度;D为晶粒尺寸;σi，K为材料常数。快冷微晶的铁素体比普通铁素体的硬度约高三倍。图1为纯铁（铁素体组织）晶粒尺寸和硬度之间关系的实验结果。用快冷方法获得的微晶合金，再处于高温下时晶粒长大倾向也很小，如用离心雾化法制备的某些合金钢粉末，经热挤压后在1200℃长时间退火，其奥氏体晶粒尺寸仍然保持在20μm左右，而普通方法生产的钢，奥氏体晶粒却长到几百μm。此外，有些具有超细晶粒的微晶材料还具有极好的超塑性，从而有可能采用超塑性成形的工艺制造复杂形状的部件。

扩大固溶范围

快速凝固能有效地扩大绝大多数合金系的固溶范围，快冷遏制了溶质元素或富含溶质元素的第二相在凝固过程中析出。快冷对不同合金系扩大固溶范围的效果与原子的尺寸因子和点阵轴之比 c/a有关。表1为快速凝固对各种元素在铁中固溶极限的影响。对某些在铁中溶解度极小的元素如硼，快冷可以使其固溶度大大提高。特别是在奥氏体钢中硼的固溶度可以提高三个数量级。因此，快速凝固为提高合金的固溶强化效果、发展新型材料提供了新的手段。

减少偏析

快速凝固的又一特点是可以大幅度地减少合金的偏析。主要是减小枝晶间距，即两相邻初级枝晶轴间的距离。图2表示一种铝合金枝晶间距和冷却速度之间的关系。随着冷却速率(R)的提高，枝晶间距(d)减小，可用下式表示：

d＝aR-n

式中a、n为常数，其数值视合金的不同而改变（见表2）。

微晶合金的偏析结构的形态随着冷却速率的不断提高而按以下次序改变：

树枝状晶─→胞状（蜂窝状）晶─→无特征晶粒其偏析程度也依此次序减少。其中树枝状晶和胞状晶两种晶粒形态也存在于普通冷却条件下，而无特征晶粒是只在快冷微晶合金中存在的特异结构。如20Cr25Ni奥氏体钢，当冷却速率为108℃/s时，晶粒形态基本上看不到任何特征；当冷却速率为105℃/s时，出现明显的树枝晶偏析结构；冷却速率介于二者之间时，则得胞状晶结构。

此外，快冷微晶合金还具有快速凝固造成的高浓度的点缺陷和亚稳相等微观特征。所有这些特征都将对此后热处理中的固态相变过程及材料性能产生重要影响。

快冷微晶合金的应用

在铝合金中，各种元素的固溶度都很低，并随温度的降低而急剧下降，但如果采用快速凝固，使冷却速度高于103℃/s时，固溶度大大提高。如用金属基底激冷法 (冷却速度约106℃/s)得到的含锂1～3％的2024铝合金薄层，可具有极细的显微结构，克服了用普通铸锭法制造的这类合金中存在的严重偏析；与标准成分的2024合金相比，不仅强度和疲劳性能显著提高，而且韧性也得到改善。此外由于d性模量的提高和密度的减小，比d性模量可提高30％。如果采用喷雾法，可望制造出含锂量更高的铝合金，使铝合金的发展向前推进一步。

用于核聚变反应器壁的不锈钢，在工作过程中因产生的氦气扩散到材料内部的晶界，聚成气泡而变脆。通过快冷制造的不锈钢粉末，用粉末冶金方法成形后，不但晶界面积大，可容纳较多的氦气，而且细微弥散的碳化钛颗粒也成为氦气的汇聚中心，从而使材料可以长期工作而不变脆。

高温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，从而使合金性能下降。快冷可以提高合金化程度，增加合金的稳定性，并可控制合金的组织结构，因而用快冷微晶粉末制成高温合金是很有前途的一种工艺。用这种材料制造涡轮叶片比现有高温合金制造的叶片使用温度可提高100℃以上。

此外，激光上釉也是一种很有实用价值的表面处理技术，它不仅可以获得细晶粒结构的表面层，而且还可以在处理过程中加入合金元素使表面重新合金化，从而得到具有特殊性能的表面。最近已开始试验用激光熔化合金丝料一层一层地堆熔到金属基底上的办法来获得厚截面的具有微晶结构的快冷金属件。

参考书目

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.