大过冷凝固技术的核心,是在熔体中设法消除可以作为非均匀形核媒质的杂质或容器壁的影响,形成尽可能接近均匀形核的凝固条件,从而在形核前获得很大的凝固过冷度,如图6-28所示。大过冷凝固技术的具体方法有两类,即小体积大过冷凝固法和较大体积大过冷凝固法。

1.小体积大过冷凝固法

又称为熔滴弥散法,即在细小熔滴中达到大凝固过冷度的方法,包括乳化法、熔滴-基底法和落管法等。

图6-28　大过冷凝固技术示意图

(a)熔滴乳化法 (b)熔滴-基底法 (c)嵌入熔体法 (d)玻璃体包裹法

(1)乳化法

将熔融的金属弥散在某种不与之互溶的载流体中,通过高速机械搅拌,使其破碎成小乳滴(直径为1～10μm),随后凝固成粉末。载流体常用有机油或熔盐,如图6-29(a)所示。乳化法一般能得到0.3～0.4Tm的大过冷度,Tm是合金熔体的熔点(K)。

(2)熔滴-基底法

与乳化法类似,但弥散的熔滴是在冷模上凝固的,因此其过冷度更大,如图6-29(b)所示。

图6-29　小体积大过冷凝固法示意图

(a)乳化法 (b)熔滴-基底法
1.容器 2.载流体 3.熔滴 4.基底

(3)落管法(www.daowen.com)

合金熔滴熔化后,从长达100cm左右、真空度为10-3Pa、竖放的真空管上端自由下落而凝固,熔体在凝固过程中可不与任何介质或容器壁接触而达到较大的过冷度。

例如Co-34.2%Sn合金,采用高纯Co(99.999%)和Sn(99.999%)配制而成,样品约为0.5g,放入底部开有直径为0.3mm小孔的直径16mm,长150mm的石英试管中,再将试管置入落管顶部,抽真空至2.0×10-4 Pa后反充高纯He(99.995%)和Ar(99.999%)的混合气体至1.013×105Pa。用高频感应熔炼装置加热样品至熔点以上200K并保温5～10min,然后向石英管中通入高压氩气,使液态合金分散成许多微小液滴下落。在自由下落过程中,液滴尺寸越小,含有异质晶核的几率就越小,因而获得的过冷度也越大。

2.大体积大过冷凝固法

是在较大体积熔体中获得大的凝固过冷度的方法,包括玻璃体包裹法、二相区法和电磁悬浮熔化法等。

(1)玻璃体包裹法

是用以流体形式存在的无机玻璃体把大块熔体与容器壁分隔开来,使其凝固时不受容器壁的影响,用其可制取几百克重的快速凝固合金。

(2)两相区法

又称为嵌入熔体法,是把合金加热到固、液两相区,控制温度使熔体体积占20%,停止加热使两相彼此温度达到平衡,然后将样件淬火凝固。此时熔体不与空气和容器接触。其热量通过固相传出,可得到较大过冷度。但是在玻璃体包裹法中,合金熔化时仍要与容器接触,而二相区法熔体也与先凝固的固相接触,可能形成非均匀核心,因此它们获得过冷度较乳化法小,如图6-30所示。

图6-30　大体积大过冷凝固法示意图

(a)两相区法 (b)玻璃体包裹法
1.固相 2.熔体 3.容器 4.玻璃体

(3)电磁悬浮熔化法

该法是将直径为几毫米的块状合金放入电磁线圈中,依靠电磁场的悬浮力,使样品始终处于悬浮态,并在惰性气氛中感应熔化和断电后凝固。熔体在凝固过程中不与任何介质或容器壁接触。