快速凝固技术论文
快速凝固技术第一报金属材料快速凝固激光加工分析
快速凝固加工技术可以使微晶、非晶、准晶等非平衡新结构和其他功能材料快速凝固。该技术不仅可以提高传统金属的材料性能，还可以挖掘现有材料的性能，研究其他高性能材料。当今，快速凝固非平衡材料的理论研究和技术已成为材料科学和凝聚态物理的重点研究领域之一。实现金属材料快速凝固的基本方法是激光表面快速凝固，这也是凝固冷却方法中速度最快的方法。
金属材料；快速凝固；激光；
利用激光熔化金属材料表面，可以获得快速凝固后的表面材料，还可以具有组织特征。例如枝晶和显微组织的细化、低偏析或无偏析、准晶、溶质元素的高度过饱和固溶体等。、以及具有物理、化学或机械性质的表面材料。此外，在激光快速熔化材料表面的过程中，通过向熔池中添加合金元素可以获得许多零件基体，这些零件基体的成分、组织和性能完全不同，是具有精细、均匀特性的特殊表面冶金涂层材料。
快速凝固激光加工具有快速、灵活、易于自动化和热影响区小等特点，因此该技术在金属材料表面改性方面的应用基础和研究得到了迅速发展。而且，以快速凝固理论为基础的激光表面合金化技术和由其演化而来的激光表面工程技术也成为现代表面工程的新技术之一。这两种技术都可以设计和合成先进的涂层材料和高质量的零件。近年来，随着快速原型制造技术的发展，加工快速凝固激光材料的基本原理不断发展，两者结合后高性能金属零件的激光添加技术也发展迅速。高性能金属零件的激光添加技术已成为激光技术、材料科学、材料加工工程等学科的重点研究对象。该技术是将近净形复杂金属零件的材料设计、材料合成和快速成型相结合的制造技术，具有先进、知识化和数字化的特点。
1.钛合金快速凝固的激光熔覆技术。
在金属材料中，钛合金具有密度低、耐腐蚀、生物相容性好、比强度高等优点。，而且在航天、航空、兵器、船舶等领域需求量很大，所以钛合金得到了广泛的应用。但钛合金也有一些缺点，如耐磨性低、易粘连、摩擦系数高、高温高速摩擦、易燃等。但同时，钛合金在这些领域多作为摩擦磨损运动副的零件，其自身的缺点并不能影响应用效果。为了提高钛合金的耐磨性、阻燃性和摩擦系数，达到运动副零件完美摩擦磨损的效果，必须采用先进的表面工程技术来改变钛合金的表面缺陷。最经济灵活的方式是将钛合金零件的基材与固体冶金相结合，形成一种耐高温耐磨、耐腐蚀、阻燃性强的特殊材料。
将激光表面合金化与激光熔覆技术和耐磨材料表面改性层相结合，可以大大提高钛合金的耐磨性。此外，将快速凝固激光表面合金化技术与激光熔覆技术相结合，利用难熔金属化合物增强钛合金表面的高温耐磨涂层，达到快速凝固的效果。该方法也可应用于TC4、BT9、TA15等钛合金的高硬度、高耐磨性金属间化合物耐磨涂层材料的研制。在上述涂层结构中，它们都是金属间化合物，并且它们的硬度较高，并且温度和硬度之间的关系异常，并且存在金属键和价键存在的现象。经过研究发现，这些金属间化合物在室温或高温下的摩擦系数、磨粒磨损率、滑动磨损率和微动磨损率都很低，其耐磨性还能继续提高，甚至达到钛合金基体的100 ~ 700倍，而其摩擦系数却能降低一半。这些研究为钛合金作为摩擦副机械零件的应用提供了一种新方法。
二、金属材料快速凝固用激光制备特殊涂层的新材料。
一般来说，高温运动副零件的应用环境非常恶劣，大多用于航空航天发动机、收油设备、动力工程等。因此，这些高温运动副零件的部件性能要求极高，不仅要求耐高温、耐腐蚀、抗氧化、摩擦系数低，还要求生物相容性强。然而，这种多功能材料的新型涂层需要非常高质量的涂层制备技术。因此，近年来许多研究者将涂层制备技术与快速凝固激光熔覆技术相结合，开发出功能强大的新型涂层材料，不仅大大提高了这些新材料的各项性能，而且进一步发展了凝固激光熔覆涂层制备技术。
在装备先进技术的发动机中，需要许多高温高速部件，如航空装置、航天装置、集油设备等。、多功能的新型涂层材料具有耐高温、耐磨、抗氧化、低摩擦、摩擦兼容等特点，非常适合航空发动机等先进设备。此外，将快速凝固激光熔覆涂层的制备技术与耐磨材料的设计原理相结合，可以获得性能更好的新型激光熔覆涂层材料，如超高碳。其工艺性能良好，碳含量在9% ~ 12%之间，内部显微组织孤立。这种激光熔覆涂层新材料已作为高温高速滑动摩擦副的关键部件应用于我国先进航空发动机。
随着高温耐磨运动副零件的应用环境越来越恶劣，性能要求也越来越高。此时对过渡金属硅化物的化学性质提出了更高的要求，因为难熔金属硅化物在摩擦学、耐磨材料、表面工程等领域可以表现出许多优势，所以难熔金属硅化物成为新型多功能涂层材料的又一研究领域。经过科研人员的不懈探索，新型多功能涂层材料，如、和等，已经研制成功。这些金属硅化物具有优异的高温耐磨性、极高的耐热性和耐腐蚀性、低摩擦系数和摩擦相容性，它们可以相互配合，优化涂层激光熔覆制备技术。在常温金属和高温金属的干滑动试验中，金属硅化物涂层如，具有异常载荷、异常温度和不与金属摩擦粘附的特点。
三。金属材料的液-固界面结构及小平面生长机制。
在凝固理论的研究中，小平面的液固界面结构、生长形态、生长规律和生长机理一直是重点研究课题。作者在研究增强金属与金属间化合物的复合涂层材料时，以其为研究对象，研究了不同凝固冷却速率下其小平面的液固界面结构、生长形貌、生长规律和生长机制的差异。
结果表明，当冷却速率为非平衡凝固时，刻面的生长形貌非常分级，当没有达到最快凝固条件时，刻面的液固界面结构为三维网状枝晶。然而，当达到最快的凝固条件时，刻面的液-固界面结构是刻面花瓣状分枝团枝晶。但无论凝固冷却速率条件是否达标，即使凝固形貌不同，生长界面始终具有小面特征，这说明类似晶体的高因子小面晶体的液-固界面结构及其生长机制的基本特征在较宽的凝固冷却速率范围内不会随着凝固冷却速率的变化而变化。
第四，高性能金属材料的快速激光成形
高性能金属材料激光快速成型技术是近年来随着材料科学的不断发展而形成的新技术，也属于快速凝固技术的一种，是新材料制备技术与先进制造技术相结合而发展起来的。该技术的核心是快速凝固激光材料制备和加工技术。利用快速原型制造技术，可以在不使用任何模具和工装的情况下快速成型任意形状的零件。高性能金属零件的激光快速成型技术具有高度的灵活性、适应性和快速响应性，应用非常广泛。
结束语
随着高温耐磨运动副零件的应用环境越来越恶劣，性能要求也越来越高。利用激光熔化金属材料表面，可以获得快速凝固后的表面材料，还可以具有组织特征。快速凝固激光加工成形技术是利用金属的快速凝固效应制备新材料的新技术，也可以直接成形高性能金属材料。该技术在许多先进航空材料的表面改性、新型发动机涂层材料的合成、高质量涂层的制备等方面具有广阔的应用前景。
参考
樊雄。激光技术在金属材料加工技术中的应用分析[J].企业技术开发，2013，15: 23-24。
[2]田彦龙。激光技术在金属材料加工技术中的应用分析[J].科技创新与应用，2013，(10)。
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