快速凝固

快速凝固技術指凝固速度比常規鑄造凝固速度大得多(一般> 10mm /s)的凝固過程。快速凝固技術得到的合金具有超細的晶粒度，無偏析或少偏析的微晶組織，形成新的亞穩相和高的點缺陷密度等與常規合金不同的組織和結構特徵。實現快速凝固的三種途徑包括：動力學急冷法；熱力學深過冷法；快速定向凝固法。由於凝固過程的快冷，起始形核過冷度大，生長速率高，使固液界面偏離平衡，因而呈現出一系列與常規合金不同的組織和結構特徵 ^[1]  。

主要包括急冷凝固(又稱急冷淬火或熔體淬火)和大過冷凝固(large undercooling solidification)。

前者通過設法減少同一時刻凝固的熔體量，增加與冷卻介質之間的傳熱速度來提高凝固的冷速(一般>10—10K/s)，霧化法制取粉末、熔體旋轉(melt-spinning )法制取薄帶均屬急冷凝固。

後者則設法在儘可能接近均勻形核的凝固條件下使熔體在遠低於平衡熔點的温度下凝固，凝固速度可達1—10m/s數量級，熔滴彌散法、電磁懸浮熔鍊法等均為大過冷凝固方法 ^[2]  。

快速凝固可細化晶粒、相、有序疇等微觀組織尺寸、減少成分偏析、形成新的亞穩相，通常可以改善材料的性能，還能製取在常規鑄造條件下難以得到的高技術新材料。除了表面快速凝固(如激光表面熔化、等離子體表面熔化)之外，一般得到的快速凝固材料是粉末、薄帶、薄片等低維材料，在作結構材料使用時還要經過適當的熱壓、熱擠壓、爆炸成型等方法製成所需尺寸的大塊材料，成型過程中要正確選擇温度、壓力等工藝參數使快速凝固後的材料的微觀組織和性能特點基本不變。近年來發展的霧化沉積(spray forming)技術已可以直接製成尺寸較大的快速凝固材料 ^[3]  。

廣義講，凝固速度大於1cm/s(相應的冷卻速度為10-10K/s)成的材料的通稱。

快速凝固時，材料的顯微結構與相組成發生明顯變化：

1、固溶度擴展：液固界面高速推進，溶質原子來不及長程擴散而被正在凝固的相捕獲，從而固溶度偏離平衡。

2、晶粒細化：大的過冷度和高的液固界面推移速度有利於高的形核率及低的長大速度，其結果組織明顯細化，往往呈現微晶狀態，

3、減少偏析：隨着冷卻速度的增加，顯微結構由細小的枝晶結構向胞狀結構及無特徵晶粒發展，使化學均勻性提高，偏析減少。

4、亞穩相形成：大的過冷度有利於亞穩相成核，不利於穩定相成核，常出現很多亞穩相。

5、非晶態形成：當冷卻速度足夠高時(大於10K/s)，由於沒有足夠的時間進行晶粒長大，甚至無法成核，結晶被抑制，形成非晶態 ^[2]  。

這些組織結構上的變化，使材料具有一系列優異性能，硬度、韌性、耐磨性、抗氧化性、耐蝕性及良好的電化學性能和磁學性能 ^[4]  。