快速凝固铝合金的组织与性能

　　速凝固技术，过去对凝固过程的模拟只考虑在熔融状态下的热传导和凝固过程中潜热的释放，很少考虑金属熔体在型腔内必然存在的流动以及金属熔体在凝固过程中存在的流动。目前，快速凝固技术作为一种研制新型合金材料的技术一开始研究合金在凝固时的各种组织形态的变化以及如何控制才能到符合实际生活，生产要求的合金着重研究高的温度梯度和快的凝固速度的快速凝固技术正在走向逐步完善阶段。

　　快速凝固原理及凝固组织，快速凝固是指通过对合金熔体的快速冷却(≥104-106k/s)，或非均质形核备遏制，是合金在很大过冷度下，发生高生长速率(≥1-100cm/s)凝固。由于凝固过程的快冷，起始形核过冷度大，生长速率高是古冶界面偏离平衡，因而呈现出一系列于常规合金不同的组织和结构特征，加快冷却速度和凝固速率所应起的组织及结构特征可以近似用表来表示。本实验利用真空系统下的金属熔液快速凝固装置，获得高真空后，充入一定压力的惰性气体，熔炼铝合金在熔融状态下以细直径金属液柱方式喷射到铜模具中，液流发生横向铺展并在纯铜模具中快速凝固。由于整个过程的浇注时间在很大程度上被分散、延迟，热耗散可以快速、充分进行，从而可获得层状铝合金。

　　非晶材料简介

　　非晶合金具有长程无序、短程有序的结构，与晶态合金相比，具备许多特有的性能，如高硬度、高强度、高电阻、耐蚀及耐磨等，为材料科研工作者开发高性能的功能材料和结构材料提供了巨大的潜力。

　　块体非晶合金形成的成分和结构条件影响非晶形成能力的因素有，合金中原子的键合特征、电子结构、原子尺寸的相对大小、各组元的相对含量、合金的热力学性质以及相应的晶态结构等。一般情况，如果某种物质对应的晶体结构很复杂，原子之间的键合较强，并且有特定的指向，其形成非晶结构在动力学上要容易一些。

　　对非晶形成的可能性Inoue总结了3条实验规律：(1)合金由3种以上组元构成、(2)各组元原子尺寸差别较大?一般大于12%、(3)3个组元具有负的混合热。从液态到形成非晶态，原子结构几乎不发生变化，各组成元素之间一般具有大于12%的原子尺寸差异和负的混合热，这样能够形成紧密随机堆垛结构，能够增大固液界面能，抑制结晶形核，也增大了长程范围内原子的重排困难性，抑制了晶体的生长，从而形成非晶态结构。块体非晶合金材料的制备方法在早期，非晶材料的制备，首先采用快速凝固法制备非晶粉末，然后用粉末冶金方法将粉末压制或粘结成型。20世纪90年代初发现了具有极低临界冷却速率的合金系列，可以直接从液相获得块体非晶固体。目前，块体非晶合金的制备方法基本可划分为直接凝固法和粉末固结成形法。形成能力和宽的过冷液相区ΔTx，并且形成一种与传统非晶合金不同的新型非晶态组织，其特点为，原子呈高度密堆排列，产生新的区域原子组构，存在相互吸引的长程均匀性。Takeuchi等计算了351种三元非晶态合金系及其二元子系统的混合焓(ΔH)和错配熵(ΔS/KB)，进一步完善了Inoue准则。Inoue准则被普遍接受，并依据它发现了许多能形成大块非晶的合金系，如Mg基、Al基、Fe基、Zr基、La基、Ti基、Cu基等。直接凝固法具体包括，水淬法、铜模铸造法、吸入铸造法、高压铸造、磁悬浮熔炼、单向熔化法等。粉末固结成形法该方法是利用非晶合金特有的在过冷液相区间的超塑成形能力，将非晶粉末加压固结成形。粉末固结成形法只需制备低维形状的非晶粉末，因此可以在一定程度上突破块体非晶合金尺寸上的限制，是一种极有前途的块体非晶合金的制备方法[6]。进行非晶粉末固结成形的粉末冶金技术通常有热压烧结(HP)、热等静压烧结(HIP)等。除传统的粉末冶金技术外?最近有报道利用放电等离子烧结(SparkPlasmaSintering,SPS)技术将非晶粉末致密化制备块体非晶合金材料。

　　SPS技术是利用外加脉冲强电流形成的电场清洁粉末颗粒表面氧化物和吸附的气体，并活化粉末颗粒表面，提高颗粒表面的扩散能力，再在外加压力下利用强电流短时加热粉体进行快速烧结致密化。其消耗的电能仅为传统烧结工艺的1/5~1/3。SPS技术具有如下优点:烧结温度低(比HP和HIP低200~300℃)、烧结时间短(只需3~10min)?而HP和HIP需要120~300min)、单件能耗低，烧结机理特殊?赋予材料新的结构与性能，烧结体密度高，显微组织均匀是一种近净成形技术操作简单。SPS技术作为一种近年来迅速发展的新兴快速烧结技术，是一种很有前途的非晶粉末固结技术。由于其具有烧结温度低、烧结时间短、能够快速固结粉末制备致密的块体材料。

　　因此，SPS技术可以应用于制备需要抑制晶化形核的非晶块体材料。其烧结机理是在极短的时间内，粉末间放电，快速熔化，在压力作用下非晶粉末还没来得及晶化就已经发生烧结。而后通过很快的冷却速度，非晶态结构被保存下来?从而得到致密的块体非晶态合金。Shen和Inoue利用SPS技术制备出了直径为20mm、厚度为5mmFe65Co10Ga5P12C4B4大块铁基非晶合金，其相对密度高达99.7%，且具有良好的软磁性能。韩国的Taek-SooKim利用SPS技术制备出了Cu54Ni6Zr22Ti18铜基非晶合金。