快速凝固技術論文

　　快速凝固技術一般指以大於105 K/s~106 K/s 的冷卻速率進行液相凝固成固相，是一種非平衡的凝固過程，下面是小編為大家精心推薦的，希望能夠對您有所幫助。

　　篇一

　　淺析金屬材料快速凝固鐳射加工成形

　　【摘要】快速凝固加工技術能使微晶、非晶、準晶等非平衡新型結構及其它功能材料快速凝固。該技術不僅能提高傳統金屬的材料效能，還能挖掘現存材料的效能加以利用，並且研究其他高效能材料。如今，快速凝固非平衡材料的理論研究及其技術都已經成為了材料科學與凝聚態物理的重點研究領域之一。實現金屬材料快速凝固的基本方法就是激光表面快速凝固，這也是在實現凝固冷卻方法中速度最快的一種方法。

　　【關鍵詞】金屬材料;快速凝固;鐳射;

　　利用鐳射熔化金屬材料表面，可以得到快速凝固後的表面材料，並且還能帶有組織特徵。例如枝晶及組織細化、低偏析或無偏析、準晶、溶質元素高度過飽和固溶等，並且還能獲得具有物理效能、化學效能或力學效能的表面材料。此外，在利用鐳射將材料表面快速熔化的過程中，向熔池內新增合金元素，還能獲得許多零件基材，並且這些零件基材的成分、組織及效能都完全不同，是特種表面冶金塗層材料，具有細小、均勻等特點。

　　快速凝固鐳射加工的過程十分迅速、靈活，且易於自動化、熱影響區小，因此利用該技術將金屬材料表面改性的應用基礎與研究都得到了迅速發展。並且，以快速凝固理論作為研究基礎，在其發展之上演變而來的激光表面合化金技術與激光表面工程技術也成為了現代表面工程的新技術之一，這兩種技術都能將特徵先進塗層材料與優質零件進行設計合成。近年來，隨著快速原型製造技術的發展，快速凝固鐳射材料的加工基本原理不斷髮展，兩者相結合之後使高效能金屬零件鐳射新增技術也得到迅速發展。高效能金屬零件鐳射新增技術成為了鐳射技術、材料學科、材料加工工程等學科的重點研究物件。該技術是將材料設計、材料合成與近淨形複雜金屬零件快速成形相結合的製造技術，具有先進性、知識化、數字化等特點。

　　一、將鈦合金快速凝固的鐳射熔覆技術

　　在金屬材料中，鈦合金的優點十分多，例如密度低、耐蝕性高、生物相容性好、比強度高等，而航天、航空、兵器、船舶等領域又十分需要這種材料，因此鈦合金得到了廣泛應用。但是鈦合金也有一些缺點，如耐磨性低、易粘著、摩擦係數高、高溫高速摩擦易燃等。但是同時，鈦合金在這些領域大多是作為摩擦磨損運動副零部件，不能讓其自身的缺點影響到應用效果。而想要使鈦合金的耐磨性增高、阻燃性增高、摩擦係數降低，達到完美摩擦磨損運動副零部件的效果，就必須採用先進的表面工程技術改變鈦合金表面缺點。最經濟靈活的方式是將鈦合金零件基材與牢固的冶金結合，形成具有高溫耐磨、耐腐蝕、阻燃性強的特殊材料。

　　利用激光表面所含的合金化與鐳射熔覆技術結合耐磨材料表面改性層，可以將鈦合金的耐磨效能大幅提高。此外，將快速凝固激光表面合金化技術與鐳射熔覆技術相結合，利用難熔金屬化合物能增強鈦合金表面的高溫耐磨塗層，並且達到快速凝固效果。此種方法還可以應用於TC4、BT9、TA15等鈦合金採研製出 、 、 等高硬度且十分耐磨的金屬間化合物耐磨塗層新材料。在上述的塗層組織中，都是金屬間化合物，它們的硬度較高，並且溫度與硬度關係反常，有金屬鍵與共價鍵共存現象。經過研究，發現這些金屬間化合物在室溫條件或高溫條件下，摩擦係數、磨料磨損率、滑動磨損率及微動磨損率都非常低，並且其耐磨性還能繼續提高，甚至達到鈦合金基材的100至700倍，而其摩擦係數可降低整整一半。這些研究為作為摩擦副機械零部件的鈦合金應用提供了新的方法。

　　二、金屬材料快速凝固鐳射製備特種塗層新材料

　　一般而言，高溫運動副零部件應用環境都是十分惡劣的，大多應用於航空及航天發動機、石油採集裝置、電力工程等方面，因此對這些高溫運動副零部件組成材料的效能要求極高，不僅需要強大的耐高溫效能、耐腐蝕效能、抗氧化效能、低摩擦係數，還需要較強的生物相容性。而這樣的多功能材料新塗層需要非常優質的塗層製備技術。因此，近年來許多研?a href='//' target='_blank'>咳嗽苯?坎闃票訃際鹺塗燜倌?碳す餿鄹布際蹕嘟岷希?芯砍鼉哂星看蠊δ艿耐坎閾虜牧希?喚穌廡┬虜牧系母髦中閱芏即蟠筇岣擼??幣步?徊椒⒄沽四?碳す餿鄹餐坎闃票訃際酢?/p>

　　在航空裝置、航天裝置、石油採集裝置等先進技術裝備的發動機中都需要用到許多高溫高速副零部件，而具有多功能的塗層新材料都具有耐高溫、耐磨損、抗氧化、低摩擦、摩擦相容等特點，因此十分適合航空發動機等先進裝置的條件。此外，將快速凝固鐳射熔覆塗層製備技術與耐磨材料的設計原理相結合，還可以得到效能更加優異的鐳射熔覆塗層新材料，例如超高碳 。其工藝效能良好、碳含量在9%-12%之間，並且內部顯微組織呈孤立分佈的狀態。此種鐳射熔覆塗層新材料已經應用到我國的先進航空發動機中，作為關鍵高溫高速滑動摩擦副部件使用。

　　隨著高溫耐磨運動副零部件的應用環境越來越惡劣，對其效能要求也越來越高。此時對於過渡金屬矽化物的化學性質也提出了更高要求，因為難熔金屬矽化物在摩擦學、耐磨材料、表面工程等領域都能表現出其眾多的優點，所以難熔金屬矽化物成為了多功能塗層新材料的又一研究領域。經過研究人員堅持不懈的探索，終於成功研究出 、 、 、 等多功能塗層新材料，這些金屬矽化物的高溫耐磨性優異、抗熱效能和抗腐蝕效能極高、低摩擦係數及其摩擦相容性更是符合標準，並且各效能之間還能相互配合，優化其塗層鐳射熔覆製備技術。在常溫金屬及高溫金屬幹滑動試驗中， 、 等金屬矽化物塗層具有反常載荷、反常溫度、與金屬摩擦完全不粘著等特性。

　　三、金屬材料小平面相液-固介面結構及其生長機制

　　在凝固理論研究中，小平面相的液-固介面結構、生長形態、生長規律及生長機制一直都是重點研究課題。筆者在研究增強金屬及金屬間化合物的複合塗層材料時，以 作為研究物件，研究在不同的凝固冷卻速度下，它的小平面相的液-固介面結構、生長形態、生長規律及生長機制有何不同。

　　結果表明，在冷卻速度為 發非平衡凝固條件下，小平面相 的生長形態十分分度，在沒有達到最快速凝固條件時， 小平面相液-固介面結構為三維網路樹枝狀;而在達到最快速凝固條件時， 小平面相液-固介面結構為小平面花瓣狀分枝團族樹枝晶狀。可是，不論凝固冷卻速度條件是否達到標準，即使其凝固形態不同，但其生長介面始終具有小平面特徵，說明類似 晶體的高因子小面晶體在較寬的凝固冷卻速度範圍以內，其小平面相液-固介面結構及其生長機制的基本特徵都不會隨著凝固冷卻速度的變化而產生變化。

　　四、高效能金屬材料鐳射快速成形

　　高效能金屬材料鐳射快速成形技術是近年來隨著材料科學不斷髮展形成的新技術，也屬於快速凝固技術的一種，由新材料製備技術結合先進製造技術研發而來。該技術的核心是快速凝固鐳射材料製備加工技術，利用快速原型製造技術在沒有任何模具與工裝條件下即可快速成形任意形狀的零件。高效能金屬零件鐳射快速成形技術具有高度的柔性、適應性及快速響應性，應用面十分寬廣。

　　結束語

　　隨著高溫耐磨運動副零部件的應用環境越來越惡劣，對其效能要求也越來越高。利用鐳射熔化金屬材料表面，可以得到快速凝固後的表面材料，並且還能帶有組織特徵。快速凝固鐳射加工成形技術是利用金屬快速凝固效應進行新材料製備的新型技術，也可以進行高效能金屬材料的直接成形。該技術在許多先進航空材料的表面改性、發動機塗層新材料合成、優質塗層製備等方面都具有廣闊的應用前景。

　　參考文獻

　　[1]樊熊.金屬材料加工工藝中鐳射技術應用分析[J].企業技術開發，2013，15：23-24.

　　[2]田延龍.鐳射技術在金屬材料加工工藝中的應用探析[J].科技創新與應用，2013，***10***.

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