快速凝固技術(shù)論文

　　快速凝固技術(shù)一般指以大于105 K/s~106 K/s 的冷卻速率進(jìn)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快速凝固技術(shù)論文，希望能夠?qū)δ兴鶐椭?/p>

　　快速凝固技術(shù)論文篇一

　　淺析金屬材料快速凝固激光加工成形

　　【摘要】快速凝固加工技術(shù)能使微晶、非晶、準(zhǔn)晶等非平衡新型結(jié)構(gòu)及其它功能材料快速凝固。該技術(shù)不僅能提高傳統(tǒng)金屬的材料性能，還能挖掘現(xiàn)存材料的性能加以利用，并且研究其他高性能材料。如今，快速凝固非平衡材料的理論研究及其技術(shù)都已經(jīng)成為了材料科學(xué)與凝聚態(tài)物理的重點(diǎn)研究領(lǐng)域之一。實(shí)現(xiàn)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(shí)現(xiàn)凝固冷卻方法中速度最快的一種方法。

　　【關(guān)鍵詞】金屬材料;快速凝固;激光;

　　利用激光熔化金屬材料表面，可以得到快速凝固后的表面材料，并且還能帶有組織特征。例如枝晶及組織細(xì)化、低偏析或無偏析、準(zhǔn)晶、溶質(zhì)元素高度過飽和固溶等，并且還能獲得具有物理性能、化學(xué)性能或力學(xué)性能的表面材料。此外，在利用激光將材料表面快速熔化的過程中，向熔池內(nèi)添加合金元素，還能獲得許多零件基材，并且這些零件基材的成分、組織及性能都完全不同，是特種表面冶金涂層材料，具有細(xì)小、均勻等特點(diǎn)。

　　快速凝固激光加工的過程十分迅速、靈活，且易于自動(dòng)化、熱影響區(qū)小，因此利用該技術(shù)將金屬材料表面改性的應(yīng)用基礎(chǔ)與研究都得到了迅速發(fā)展。并且，以快速凝固理論作為研究基礎(chǔ)，在其發(fā)展之上演變而來的激光表面合化金技術(shù)與激光表面工程技術(shù)也成為了現(xiàn)代表面工程的新技術(shù)之一，這兩種技術(shù)都能將特征先進(jìn)涂層材料與優(yōu)質(zhì)零件進(jìn)行設(shè)計(jì)合成。近年來，隨著快速原型制造技術(shù)的發(fā)展，快速凝固激光材料的加工基本原理不斷發(fā)展，兩者相結(jié)合之后使高性能金屬零件激光添加技術(shù)也得到迅速發(fā)展。高性能金屬零件激光添加技術(shù)成為了激光技術(shù)、材料學(xué)科、材料加工工程等學(xué)科的重點(diǎn)研究對象。該技術(shù)是將材料設(shè)計(jì)、材料合成與近凈形復(fù)雜金屬零件快速成形相結(jié)合的制造技術(shù)，具有先進(jìn)性、知識化、數(shù)字化等特點(diǎn)。

　　一、將鈦合金快速凝固的激光熔覆技術(shù)

　　在金屬材料中，鈦合金的優(yōu)點(diǎn)十分多，例如密度低、耐蝕性高、生物相容性好、比強(qiáng)度高等，而航天、航空、兵器、船舶等領(lǐng)域又十分需要這種材料，因此鈦合金得到了廣泛應(yīng)用。但是鈦合金也有一些缺點(diǎn)，如耐磨性低、易粘著、摩擦系數(shù)高、高溫高速摩擦易燃等。但是同時(shí)，鈦合金在這些領(lǐng)域大多是作為摩擦磨損運(yùn)動(dòng)副零部件，不能讓其自身的缺點(diǎn)影響到應(yīng)用效果。而想要使鈦合金的耐磨性增高、阻燃性增高、摩擦系數(shù)降低，達(dá)到完美摩擦磨損運(yùn)動(dòng)副零部件的效果，就必須采用先進(jìn)的表面工程技術(shù)改變鈦合金表面缺點(diǎn)。最經(jīng)濟(jì)靈活的方式是將鈦合金零件基材與牢固的冶金結(jié)合，形成具有高溫耐磨、耐腐蝕、阻燃性強(qiáng)的特殊材料。

　　利用激光表面所含的合金化與激光熔覆技術(shù)結(jié)合耐磨材料表面改性層，可以將鈦合金的耐磨性能大幅提高。此外，將快速凝固激光表面合金化技術(shù)與激光熔覆技術(shù)相結(jié)合，利用難熔金屬化合物能增強(qiáng)鈦合金表面的高溫耐磨涂層，并且達(dá)到快速凝固效果。此種方法還可以應(yīng)用于TC4、BT9、TA15等鈦合金采研制出 、 、 等高硬度且十分耐磨的金屬間化合物耐磨涂層新材料。在上述的涂層組織中，都是金屬間化合物，它們的硬度較高，并且溫度與硬度關(guān)系反常，有金屬鍵與共價(jià)鍵共存現(xiàn)象。經(jīng)過研究，發(fā)現(xiàn)這些金屬間化合物在室溫條件或高溫條件下，摩擦系數(shù)、磨料磨損率、滑動(dòng)磨損率及微動(dòng)磨損率都非常低，并且其耐磨性還能繼續(xù)提高，甚至達(dá)到鈦合金基材的100至700倍，而其摩擦系數(shù)可降低整整一半。這些研究為作為摩擦副機(jī)械零部件的鈦合金應(yīng)用提供了新的方法。

　　二、金屬材料快速凝固激光制備特種涂層新材料

　　一般而言，高溫運(yùn)動(dòng)副零部件應(yīng)用環(huán)境都是十分惡劣的，大多應(yīng)用于航空及航天發(fā)動(dòng)機(jī)、石油采集設(shè)備、電力工程等方面，因此對這些高溫運(yùn)動(dòng)副零部件組成材料的性能要求極高，不僅需要強(qiáng)大的耐高溫性能、耐腐蝕性能、抗氧化性能、低摩擦系數(shù)，還需要較強(qiáng)的生物相容性。而這樣的多功能材料新涂層需要非常優(yōu)質(zhì)的涂層制備技術(shù)。因此，近年來許多研究人員將涂層制備技術(shù)和快速凝固激光熔覆技術(shù)相結(jié)合，研究出具有強(qiáng)大功能的涂層新材料，不僅這些新材料的各種性能都大大提高，同時(shí)也進(jìn)一步發(fā)展了凝固激光熔覆涂層制備技術(shù)。

　　在航空裝置、航天裝置、石油采集設(shè)備等先進(jìn)技術(shù)裝備的發(fā)動(dòng)機(jī)中都需要用到許多高溫高速副零部件，而具有多功能的涂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(diǎn)，因此十分適合航空發(fā)動(dòng)機(jī)等先進(jìn)裝置的條件。此外，將快速凝固激光熔覆涂層制備技術(shù)與耐磨材料的設(shè)計(jì)原理相結(jié)合，還可以得到性能更加優(yōu)異的激光熔覆涂層新材料，例如超高碳 。其工藝性能良好、碳含量在9%-12%之間，并且內(nèi)部顯微組織呈孤立分布的狀態(tài)。此種激光熔覆涂層新材料已經(jīng)應(yīng)用到我國的先進(jìn)航空發(fā)動(dòng)機(jī)中，作為關(guān)鍵高溫高速滑動(dòng)摩擦副部件使用。

　　隨著高溫耐磨運(yùn)動(dòng)副零部件的應(yīng)用環(huán)境越來越惡劣，對其性能要求也越來越高。此時(shí)對于過渡金屬硅化物的化學(xué)性質(zhì)也提出了更高要求，因?yàn)殡y熔金屬硅化物在摩擦學(xué)、耐磨材料、表面工程等領(lǐng)域都能表現(xiàn)出其眾多的優(yōu)點(diǎn)，所以難熔金屬硅化物成為了多功能涂層新材料的又一研究領(lǐng)域。經(jīng)過研究人員堅(jiān)持不懈的探索，終于成功研究出 、 、 、 等多功能涂層新材料，這些金屬硅化物的高溫耐磨性優(yōu)異、抗熱性能和抗腐蝕性能極高、低摩擦系數(shù)及其摩擦相容性更是符合標(biāo)準(zhǔn)，并且各性能之間還能相互配合，優(yōu)化其涂層激光熔覆制備技術(shù)。在常溫金屬及高溫金屬干滑動(dòng)試驗(yàn)中， 、 等金屬硅化物涂層具有反常載荷、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-固界面結(jié)構(gòu)及其生長機(jī)制

　　在凝固理論研究中，小平面相的液-固界面結(jié)構(gòu)、生長形態(tài)、生長規(guī)律及生長機(jī)制一直都是重點(diǎn)研究課題。筆者在研究增強(qiáng)金屬及金屬間化合物的復(fù)合涂層材料時(shí)，以 作為研究對象，研究在不同的凝固冷卻速度下，它的小平面相的液-固界面結(jié)構(gòu)、生長形態(tài)、生長規(guī)律及生長機(jī)制有何不同。

　　結(jié)果表明，在冷卻速度為 發(fā)非平衡凝固條件下，小平面相 的生長形態(tài)十分分度，在沒有達(dá)到最快速凝固條件時(shí)， 小平面相液-固界面結(jié)構(gòu)為三維網(wǎng)絡(luò)樹枝狀;而在達(dá)到最快速凝固條件時(shí)， 小平面相液-固界面結(jié)構(gòu)為小平面花瓣?duì)罘种F(tuán)族樹枝晶狀。可是，不論凝固冷卻速度條件是否達(dá)到標(biāo)準(zhǔn)，即使其凝固形態(tài)不同，但其生長界面始終具有小平面特征，說明類似 晶體的高因子小面晶體在較寬的凝固冷卻速度范圍以內(nèi)，其小平面相液-固界面結(jié)構(gòu)及其生長機(jī)制的基本特征都不會(huì)隨著凝固冷卻速度的變化而產(chǎn)生變化。

　　四、高性能金屬材料激光快速成形

　　高性能金屬材料激光快速成形技術(shù)是近年來隨著材料科學(xué)不斷發(fā)展形成的新技術(shù)，也屬于快速凝固技術(shù)的一種，由新材料制備技術(shù)結(jié)合先進(jìn)制造技術(shù)研發(fā)而來。該技術(shù)的核心是快速凝固激光材料制備加工技術(shù)，利用快速原型制造技術(shù)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。高性能金屬零件激光快速成形技術(shù)具有高度的柔性、適應(yīng)性及快速響應(yīng)性，應(yīng)用面十分寬廣。

　　結(jié)束語

　　隨著高溫耐磨運(yùn)動(dòng)副零部件的應(yīng)用環(huán)境越來越惡劣，對其性能要求也越來越高。利用激光熔化金屬材料表面，可以得到快速凝固后的表面材料，并且還能帶有組織特征?？焖倌碳す饧庸こ尚渭夹g(shù)是利用金屬快速凝固效應(yīng)進(jìn)行新材料制備的新型技術(shù)，也可以進(jìn)行高性能金屬材料的直接成形。該技術(shù)在許多先進(jìn)航空材料的表面改性、發(fā)動(dòng)機(jī)涂層新材料合成、優(yōu)質(zhì)涂層制備等方面都具有廣闊的應(yīng)用前景。

　　參考文獻(xiàn)

　　[1]樊熊.金屬材料加工工藝中激光技術(shù)應(yīng)用分析[J].企業(yè)技術(shù)開發(fā)，2013，15：23-24.

　　[2]田延龍.激光技術(shù)在金屬材料加工工藝中的應(yīng)用探析[J].科技創(chuàng)新與應(yīng)用，2013，(10).

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