复习思考题8-3 快速凝固对金属的结构有何影响?

答:大量研究表明,快速凝固使金属材料发生了一些前所未有的结构变化。主要有:形成超细组织;形成溶解度比通常情况下大得多的过饱和固溶体,固溶体中合金元素的含量大大超过平衡相图上合金元素的极限溶解度;形成亚稳相或新的结晶相;形成微晶、纳米晶或金属玻璃。通过形成不同的组织结构,特别是亚稳相、微晶、纳米晶或金属玻璃,可以获得优异的强度、塑性、耐磨性、耐蚀性等,从而满足各种实际应用的需要。

8-4 采用急冷技术的快速凝固方法主要分几类?分别试述它们的工艺特点。

答:在急冷凝固技术中根据熔体分离和冷却方式的不同又可以分成模冷技术、雾化技术和表面熔化与沉积技术三类。

模冷技术主要是使熔体与冷模接触并以传导的方式散热,根据这个特点,模冷技术可分为双活塞^[1]法、熔体旋转法、平面流铸造法、电子束急冷淬火法、熔体提取法及急冷模法等。优点:熔体的凝固冷速较高,产品的微观组织结构和性能也比较均匀。缺点:用模冷技术生产的急冷合金产品作为结构材料使用时还要首先粉碎后才能经固结成形加工成大块材料。

雾化技术指采取某种措施将熔体分离雾化,同时通过对流的方式冷凝。该技术主要包括超声雾化、离心雾化和机械雾化^[2]三类方法。优点:采用雾化技术制成的产品主要是粉末,可以不用粉碎而直接固结成形为大块材料或工件,因此生产成本较低,便于大批量生产。缺点:由于熔体在凝固过程中一般不与或只在冷凝过程中的部分时间内与冷模接触,主要还是以对流方式冷却,因此凝固冷速一般不如模冷技术高。

表面熔化技术主要应用激光束、电子束或等离子束等作为高密度能束聚焦并迅速逐行扫描工件表面,使工件表层熔化,熔化层深一般为。表面喷涂沉积技术应用较多的是等离子体喷涂沉积技术。与模冷技术、雾化技术相比,表面熔化与沉积技术具有凝固冷速高、工艺流程短、生产速度快、应用比较方便等特点,但是这种方法仅限用于工件的表面强化。

8-5 试述定向凝固工艺的优点及其在工业上的作用。

答:定向凝固又称定向结晶,是使金属或合金在熔体中定向生长晶体的一种工艺方法。由金属学原理可知,晶界处原子排列不规则、杂质多、扩散快,因此在高温受力条件下,晶界是较薄弱的地方,裂纹常常是沿垂直于受力方向的横向晶界扩展,甚至断裂。如果采取定向凝固方式,使晶粒沿受力方向生长,消除横向晶界,则能大大提高材料的性能。

定向凝固技术常用于制备柱状晶和单晶合金。定向凝固技术已在涡轮与叶片生产、磁性材料等方面取得了应用。例如涡轮叶片在高温工作过程中常呈晶界断裂,特别容易在沿与主应力相垂直的晶界上发生,通过定向凝固技术,可使叶片中的晶界与主应力相平行,从而使叶片的使用寿命显著地提高。