热力学深过冷快速凝固热力学深过冷是指通过各种有效的净化手段.ppt

问题提出快速凝固简介快速凝固的研究开始于20世纪50年代末60年代初，是在比常规工艺过程快得多的冷却速度或大得多的过冷度下，合金以极快的凝固速率由液态转变为固态的过程。定义：快速凝固是指采用急冷技术或深过冷技术获得很高的凝固前沿推进速率的凝固过程。快速凝固方法动力学急冷法雾化技术模冷技术热力学深过冷快速凝固热力学深过冷方法乳化法的基本思想是在惰性环境（惰性基础或惰性悬浮溶液）中，随着液体分散程度的提高，有效形核衬底逐渐被孤立于少数液滴中，大部分液滴保持分离并且不包含异质核心，这部分液滴将会表现出深过冷行为，其原理见下图。两相区法：将合金熔体过热，然后冷却至固液两相区，使也想在先析出相的包裹下结晶而获得深过冷。
电磁悬浮熔炼法：通过选择合适的线圈形状及输出频率，使试样在电磁力作用下处于悬浮装态，再通入He、Ar、H2等保护气氛，通过感应加热熔化，控制凝固从而实现深过冷。
落管法：通过电磁悬浮熔炼、电子束或其他方法熔化金属，随后金属熔体在真空或通入保护性气体的管中自由下落冷却凝固。自由下落过程中，金属或合金液避免与器壁相接触，同时又具有微重力凝固的特征，因而可以获得深过冷。
微重力法：利用太空中微重力场和高真空条件，使液态金属自由悬浮于空中实现无坩埚凝固，从而获得深过冷。循环过热法：在非晶态坩埚或形核触发作用较小的坩埚中对纯金属或合金进行“加热熔化----过热保护----冷却凝固”循环处理，金属中的异质形核核心通过熔化、分解和蒸发等途径消失或钝化从而失去衬底作用获得熔体的深过冷。
熔融玻璃净化法：在熔融玻璃的包覆下进行熔炼，液态金属中的夹杂物在被玻璃熔体物理吸附的同时，还可以与玻璃中的某些组元相互作用形成低熔点化合物进入溶剂中，达到消除异质核心的目的。
化学净化法：通过界面与气体间的化学反应使部分氧化物质点还原、抑制界面处氧化物质点的增加速率来获得深过冷。
复合净化法：
（1）循环过热与悬浮熔炼相结合工艺
（2）熔融玻璃自分离净化法
（3）其他方法非平衡凝固基本现象、规律和理论分析非平衡凝固的现象非平衡反应基本现象针对快速凝固中的带状组织Coriell和Sekerka首先提出了包括非平衡效应的界面稳定性模型，指出稳定生长的界面可以发展成不稳定的震荡形态，而且这种震荡只能发生在界面前沿。
Jonsson则认为带状组织是溶质拖动的结果。Carrard等的模型考虑了胞枝组织向平界面组织的转变，是一个唯像模型，可以定性描述带状组织的形成和生长，其缺陷是没有考虑潜热效应。
Karma和Sarkissian建立的是一个数值模型，为了问题的可解性不得不对包晶生长区界面的扰动幅度进行限制。在模型中考虑了潜热效应，潜热导致了生长界面前沿再辉现象的出现，他们认为在带状组织出现的生长速度范围内，由潜热产生的影响是巨大的，这样再辉造成的界面前沿温度的变化与外界温度梯度变化造成的温度变化相比大得多，也就是说界面前沿的温度变化主要是由结晶潜热控制，这意味着带间距与温度梯度的相干性较小。而Carma认为带间距与温度梯度成反比。Jonsson认为带间距主要由热扩散系数决定，扩散系数越大，亮带越宽。快速凝固属于不同程度的界面非平衡过程，其特征是平衡或亚稳平衡状态图已不能给出界面处的温度和成分，界面上的溶质分配系数偏离平衡值，组元在界面液、固两侧中的化学位不相等，溶质在某一相中的含量可超过状态图所允许的限度，即发生“溶质截留”。然而在界面非平衡的凝固过程中，在某一界面温度是可能形成的固相的成分范围，仍受自由能函数的约束，即液-固相变所引起的自由能变化（∆GLS）必须符合∆GLS≤0的条件。右图右侧是二元固溶体类合金的平衡状态相图，在液相线与固相线之间以虚线示出的是T0线，在线上同样成分的液相和固相其自由能相等，对于界面上成分为的液相，其T0线温度为T1,而平衡液相线温度为T3。图的左侧是在T3，T2，T1三个不同界面温度下，固相及液相的自由能与成分之间的函数关系。从热力学的基本规快速凝固的生长动力学固液界面的绝对稳定性快速凝固枝晶或包晶生长新型金属（合金）材料非晶态合金的制备工艺准晶态合金纳米材料上图是Fe-B-Si合金晶化过程中形核速率与温度的关系。从形核和长大的速率与温度的关系可以看出，在非晶和合金晶化过程中存在一个形核速率大而晶核长大速率小的温度范围。在此温度区内退火有利于得到细小晶粒，已形成纳米晶体。
（2）有序原子集团沉积机制制备纳米材料的工艺：非晶晶化法制备纳米晶合金的工艺相对比较简单，且易于控制，能够制备出化学成分准确的块体纳米晶材料，从而避免复杂的固态成行过程所引起的晶粒长大及空洞缺陷等问题。非晶晶化通常在等温条件下（低于正常的晶化温度）或恒速升温过程中进行，大多数情况下采用工艺上便于控制的等温退火方法以避免纳米晶的继续长大。等温退火工艺为：用较快速