專利名稱：一種組織/成分均勻分布偏晶合金的制備方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及一種能夠制備出組織/成分均勻分布偏晶合金的方法，屬于凝固領(lǐng)域，其中包含有制備該種合金的裝置。
背景技術(shù)：
作為一種應(yīng)用極為廣泛的合金種類，偏晶合金由于其特殊的凝固特性使其優(yōu)良的性能無(wú)法發(fā)揮。當(dāng)合金中第二相均勻分布于基體時(shí)，可用于制備性能優(yōu)異的軸瓦材料、電觸頭材料、電化學(xué)材料、超導(dǎo)材料以及電子封裝材料等。然而該類合金的一個(gè)突出特點(diǎn)——第二相含量超過(guò)一定值后，合金凝固過(guò)程中將出現(xiàn)無(wú)需過(guò)冷的液液兩相分離，并且兩液相密度差較大，在地球重力環(huán)境中得到分層組織，形成嚴(yán)重的重力偏析，這樣的層狀組織無(wú)法實(shí)現(xiàn)該類合金優(yōu)異的物理、化學(xué)性能。鑒于此，針對(duì)成分均勻分布偏晶合金的制備方法進(jìn)行了眾多研究，形成了以下五大類制備方法微重力凝固法、快速凝固法、定向凝固法、攪拌凝固法以及粉末冶金法?？陀^而言，上述方法均存在一定的不足，例如，微重力的實(shí)現(xiàn)非常困難，而太空制備成本巨大，并且就目前研究結(jié)果來(lái)看，即使在微重力環(huán)境下進(jìn)行偏晶合金的凝固仍舊不能方便的得到均勻組織；快速凝固法則只能在小體積材料上顯示出其優(yōu)越性，大塊材料的快速冷卻實(shí)現(xiàn)起來(lái)比較困難；而定向凝固法的試樣大多不具有各向同性的性質(zhì)；攪拌凝固法不能夠得到整體均勻的凝固組織，在攪拌結(jié)束后，試樣頂部和底部仍存在明顯的偏析區(qū)域；粉末冶金法雖然沒(méi)有試樣尺寸和各向異性的限制，但是在制粉階段的氧化難以避免，因此壓制成型的壓坯很容易由于氧化膜的存在而影響其疲勞性能；而其燒結(jié)過(guò)程不可能采用全液相燒結(jié)，因此其力學(xué)性能較凝固法仍有很大差距。另外，一種通過(guò)強(qiáng)磁場(chǎng)和交變電場(chǎng)復(fù)合制備均質(zhì)偏晶合金的方法也于近期被發(fā)明，這是一種較為有潛力的均質(zhì)偏晶合金制備方法，但該種方法中由于要引入強(qiáng)大的交變電流，交變電流的焦耳熱效應(yīng)，仍然影響凝固過(guò)程，控制不當(dāng)將仍然出現(xiàn)比重偏析。而本專利所涉及的是另一種全新而有效的組織/成分均勻分布偏晶合金的制備方法。

發(fā)明內(nèi)容
鑒于目前各類制備方法存在的一些問(wèn)題，本發(fā)明旨在提供一種全新的在常規(guī)重力背景下獲得組織/成分均勻分布偏晶合金的制備方法。為達(dá)到上述要求，本發(fā)明構(gòu)思如下
由于熱力學(xué)上液液兩相的分離無(wú)法避免，那么本發(fā)明通過(guò)控制其凝固的動(dòng)力學(xué)過(guò)程， 從而達(dá)到獲得均勻分布凝固組織的目的。本發(fā)明通過(guò)超聲場(chǎng)和磁場(chǎng)的復(fù)合作用來(lái)完成對(duì)該類合金凝固過(guò)程的控制。首先，在偏晶合金凝固過(guò)程中施加適當(dāng)強(qiáng)度的超聲波，利用超聲場(chǎng)的空化效應(yīng)將偏晶合金凝固中析出的粗大第二相液滴破碎成為細(xì)小的液滴。根據(jù)Stokes 定律可知，第二相熔滴的沉降速度與其直徑的平方成反比，也就是說(shuō)，當(dāng)?shù)诙嗳鄣沃睆浇档鸵话霑r(shí)，其沉降速度將降低四倍，因此，通過(guò)降低第二相熔滴直徑的方法抑制偏晶合金中的比重偏析極為有利；此外，超聲場(chǎng)的施加還將使即將融合的第二相熔滴分開，阻止其凝并，因而也可以抑制第二相熔滴粒徑的增大；與此同時(shí)，在強(qiáng)靜磁場(chǎng)的背景下，利用強(qiáng)靜磁場(chǎng)對(duì)導(dǎo)電熔體中第二相液滴運(yùn)動(dòng)的抑制作用，以及對(duì)導(dǎo)電熔體流動(dòng)制動(dòng)的效應(yīng)，不但可以抑制第二相液滴的下沉(或上浮)，同樣也可以減緩較小第二相液滴的再粗化。由于第二相熔滴粒徑的細(xì)化和強(qiáng)磁場(chǎng)的抑制效應(yīng)的復(fù)合作用，可以顯著降低第二相熔滴的沉降速度甚至接近完全抑制其沉降，從而可以在常規(guī)重力背景(g=9. 8m/s2)下以常規(guī)的冷卻速度(10_2 -IO3oC /s)制備出組織/成分均勻分布的偏晶合金材料。此外，超聲場(chǎng)對(duì)于基體組織也有一定的晶粒細(xì)化效應(yīng)，這可以進(jìn)一步的提高材料凝固組織的晶粒細(xì)化程度，顯著降低成分偏析，大幅度提聞偏晶合金材料的綜合性能。本發(fā)明采用下述技術(shù)方案
一種組織/成分均勻分布偏晶合金的制備方法，其特征是在合金的凝固過(guò)程中通過(guò)強(qiáng)磁場(chǎng)復(fù)合超聲波反應(yīng)裝置同時(shí)施加超聲場(chǎng)和強(qiáng)磁場(chǎng)，抑制液液兩相分離動(dòng)力學(xué)過(guò)程以獲組織/成分均勻分布的偏晶合金材料。采用化學(xué)純的Bi和Zn為原料，按照一定的質(zhì)量百分比稱量后，一并裝入剛玉坩堝中，將坩堝底部與超聲波變幅桿上端緊密接觸，并置于事先放置于超導(dǎo)磁體的強(qiáng)磁場(chǎng)區(qū)域中的加熱爐中，整套裝置稱為強(qiáng)磁場(chǎng)復(fù)合超聲波反應(yīng)裝置。所述的強(qiáng)磁場(chǎng)復(fù)合超聲波反應(yīng)裝置由水冷套I、超導(dǎo)磁體2、超聲波電源3、超聲波換能器4、變幅桿5、加熱爐6、控溫裝置7、熱電偶8、坩堝9、合金預(yù)制試樣10、惰性氣體吹入管11、惰性氣體排出管14、加熱連接導(dǎo)線15組成。超導(dǎo)磁體的磁感應(yīng)強(qiáng)度可在
O.l-20Tesla范圍變化；超導(dǎo)磁體的室溫口徑為50mm — 800mm ;施加的強(qiáng)磁場(chǎng)采用電磁鐵技術(shù)、Bitter技術(shù)、或者混合磁體技術(shù)產(chǎn)生。施加的超聲波功率可以為O. Ι-lOOKw，頻率可以為ΙΟΚΗζ-ΙΟΟΚΗζ。將裝有偏晶合金的坩堝與超聲波變幅桿置于超導(dǎo)磁體區(qū)域中的加熱裝置中，需確保合金試樣中心與強(qiáng)磁場(chǎng)勻強(qiáng)區(qū)中心線重合，強(qiáng)磁場(chǎng)由超導(dǎo)技術(shù)產(chǎn)生；調(diào)節(jié)強(qiáng)磁場(chǎng)發(fā)生裝置使磁感應(yīng)強(qiáng)度在O. 1-20T之間，然后開啟加熱元件的控溫裝置，將溫度控制在650-700°C之間，保溫2小時(shí)以確保合金熔體充分混勻；關(guān)閉加熱元件，同時(shí)打開超聲波電源，控制超聲波功率在O. I-IOOKw之間，控制頻率在ΙΟΚΗζ-ΙΟΟΚΗζ之間，偏晶合金試樣在惰性氣體保護(hù)氣氛下隨爐冷卻凝固，確保強(qiáng)磁場(chǎng)和超聲波復(fù)合作用于偏晶合金試樣；當(dāng)試樣溫度降至偏晶合金全部凝固溫度以下50°C時(shí)關(guān)閉超聲電源，關(guān)閉超導(dǎo)磁體，合金繼續(xù)冷卻至室溫后取出。本發(fā)明中，試樣冷卻速度由惰性氣體吹入管來(lái)保證，惰性氣體為純氮?dú)?、純氬氣?純氦氣、純二氧化碳?xì)怏w或其混合氣體，或者為不與合金熔體和爐體發(fā)生反應(yīng)的安全氣體； 超聲波變幅桿可以由304不銹鋼制成，也可以由鈦合金制成，還可以用陶瓷桿等非金屬耐火材料及金屬和非金屬?gòu)?fù)合材料制成；變幅桿可以底部與坩堝接觸，也可以從側(cè)面與坩堝接觸，還可以從頂部插入合金熔體；超導(dǎo)磁體產(chǎn)生的磁場(chǎng)可以是勻強(qiáng)磁場(chǎng)，也可以是梯度磁場(chǎng)；本發(fā)明既可以適用于偏晶合金、過(guò)偏晶合金，也適合于招合金、銅合金、鎂合金、鋅合金、 鐵合金以及其他合金系的具有比重偏析或成分偏析或通道偏析傾向合金的組織/成分的均勻化控制；與此同時(shí)，強(qiáng)磁場(chǎng)復(fù)合超聲波反應(yīng)裝置還可以與連鑄結(jié)晶器中的凝固過(guò)程結(jié)合，從而可以制備出大尺寸組織/成分均勻的偏晶合金材料、易偏析合金材料。將偏晶合金的凝固過(guò)程放置于超聲場(chǎng)和強(qiáng)磁場(chǎng)的復(fù)合場(chǎng)中，利用超聲場(chǎng)空化效應(yīng)和強(qiáng)磁場(chǎng)對(duì)于導(dǎo)電熔體中第二相運(yùn)動(dòng)的抑制以及對(duì)流制動(dòng)效應(yīng)，共同作用于合金的凝固過(guò)程，抑制了偏晶合金兩液相分離的動(dòng)力學(xué)過(guò)程，因此與現(xiàn)有技術(shù)相比具有如下明顯特點(diǎn)和優(yōu)勢(shì)
1、在凝固過(guò)程中施加超聲場(chǎng)，其空化效應(yīng)可以有效的減小第二相液滴的半徑，第二相液滴半徑的減小將顯著降低液滴運(yùn)動(dòng)速度，因而能有效改善合金凝固組織的偏析情況；
2、超聲場(chǎng)的空化效應(yīng)還將避免第二相熔滴的stokes沉降和Marangoni凝并,而這兩種凝并方式對(duì)第二相熔滴直徑增大有直接的相關(guān)作用，因此超聲場(chǎng)的施加將使這兩種粗化效應(yīng)得到抑制，從而進(jìn)一步降低第二相熔滴的直徑，減緩第二相熔滴的比重偏析；
3、利用強(qiáng)磁場(chǎng)對(duì)其內(nèi)導(dǎo)電熔體中第二相液滴運(yùn)動(dòng)的抑制作用可以更加有效的抑制第二相液滴的碰撞粗化以及沉降(或上浮)運(yùn)動(dòng)，減小偏析，改善合金凝固組織；
4、強(qiáng)磁場(chǎng)的引入，還將對(duì)其內(nèi)導(dǎo)電熔體的運(yùn)動(dòng)起到制動(dòng)效應(yīng)，而偏晶合金液液兩相分離后，熔體的流動(dòng)是促進(jìn)第二相液滴粗化的一大因素，強(qiáng)磁場(chǎng)對(duì)熔體的制動(dòng)，將進(jìn)一步抑制第二相液滴的粗化，減小偏析；
5、由于第二相熔滴粒徑的細(xì)化和強(qiáng)磁場(chǎng)的抑制效應(yīng)的復(fù)合作用，可以顯著降低第二相熔滴的沉降速度甚至接近完全抑制其沉降，從而可以在常規(guī)重力背景(g=9.8m/s2)下以常規(guī)的冷卻速度(1(T2-103°C /s)制備出組織/成分均勻分布的偏晶合金材料。6、超聲場(chǎng)在破碎第二相液滴成為直徑較小液滴的同時(shí),還作用于基體熔液,細(xì)化基體的凝固組織，使得合金性能進(jìn)一步的提高；
7、由于強(qiáng)磁場(chǎng)的發(fā)生裝置采用了超導(dǎo)線圈，因此即使產(chǎn)生高達(dá)14T磁感應(yīng)強(qiáng)度時(shí)的耗電量也微乎其微，因此本發(fā)明所涉及的裝置具有能耗低的特性。


附圖I是強(qiáng)磁場(chǎng)復(fù)合超聲波反應(yīng)裝置圖。具體實(shí)施例
本發(fā)明的一個(gè)優(yōu)選實(shí)施例是參見附圖I。按照質(zhì)量比為9 1的比例分別稱量總量250g的化學(xué)純鉍粒和鋅粒。將稱量好的 Zn粒和Bi粒混合物置于內(nèi)徑為30mm，高IOOmm的剛玉坩堝中，采用真空感應(yīng)熔煉爐，并在正壓的惰性氣體保護(hù)下將合金熔煉成預(yù)制試樣。將裝有預(yù)制試樣的坩堝裝入強(qiáng)磁場(chǎng)復(fù)合超聲波反應(yīng)裝置中。強(qiáng)磁場(chǎng)復(fù)合超聲波反應(yīng)裝置由水冷套I、超導(dǎo)磁體2、超聲波電源3、超聲波換能器4、變幅桿5、加熱爐6、控溫裝置7、熱電偶8、坩堝9、合金預(yù)制試樣10、惰性氣體吹入管11、惰性氣體排出管14、加熱連接導(dǎo)線15組成。將合金預(yù)制試樣10裝入坩堝9中，#堝9底部與變幅桿5緊密接觸，將變幅桿5和坩堝9置于加熱爐6中，給超導(dǎo)磁體2的水冷套I通入冷卻水。調(diào)節(jié)超導(dǎo)磁體2，使得磁感應(yīng)強(qiáng)度為10T，磁力線12方向?yàn)樨Q直向上，調(diào)節(jié)控溫裝置7，通過(guò)加熱連接導(dǎo)線15和熱電偶8，控制加熱爐6，將合金預(yù)制試樣10的溫度加熱到700°C后保溫2小時(shí)，此溫度高于合金預(yù)制試樣10的全混勻溫度，在擴(kuò)散作用下，合金將在保溫時(shí)間內(nèi)充分混勻。關(guān)閉控溫裝置7后，調(diào)節(jié)超聲波電源3，使得超聲波功率為2Kw，頻率為21KHz，超聲波聲流方向13 為豎直向上，同時(shí)打開惰性氣體吹入管11吹入惰性氣體對(duì)合金預(yù)制試樣10進(jìn)行冷卻，保持降溫速率為10-15°C /min，加熱爐中的惰性氣體由惰性氣體排出14排出。在強(qiáng)磁場(chǎng)和超聲波的復(fù)合作用下，正在凝固的合金預(yù)制試樣10中的大直徑第二相熔滴16將逐步破碎成較小的熔滴17，并形成彌散分布的第二相熔滴18，最終與合金主體熔體19 一并凝固。當(dāng)合金預(yù)制試樣10降至200°C后，關(guān)閉超聲波電源3，停止超聲處理，關(guān)閉超導(dǎo)磁體2 ;繼續(xù)通氣冷卻，至室溫關(guān)閉惰性氣體，取出合金預(yù)制試樣10，去除坩堝9，即可得到250g左右，組織/成分均勻分布的Zn-10wt%Bi過(guò)偏晶合金材料。
權(quán)利要求
1.一種組織/成分均勻分布偏晶合金的制備方法，其特征是在合金的凝固過(guò)程中通過(guò)強(qiáng)磁場(chǎng)復(fù)合超聲波反應(yīng)裝置同時(shí)施加超聲場(chǎng)和強(qiáng)磁場(chǎng)，抑制液液兩相分離動(dòng)力學(xué)過(guò)程以獲組織/成分均勻分布的偏晶合金材料。
2.根據(jù)權(quán)利要求I所述方法，其特征是所述的強(qiáng)磁場(chǎng)復(fù)合超聲波反應(yīng)裝置由水冷套(I)、超導(dǎo)磁體(2)、超聲波電源(3)、超聲波換能器(4)、變幅桿(5)、加熱爐(6)、控溫裝置(7)、熱電偶(8)、坩堝(9)、合金預(yù)制試樣(10)、惰性氣體吹入管(11)、惰性氣體排出管(14)、加熱連接導(dǎo)線(15)組成。
3.根據(jù)權(quán)利要求I所述方法，其特征是施加的磁場(chǎng)為采用超導(dǎo)技術(shù)產(chǎn)生的強(qiáng)磁場(chǎng)，其磁感應(yīng)強(qiáng)度可在O. 1-20T范圍變化；超導(dǎo)磁體的室溫口徑為50mm — 800mm ;施加的強(qiáng)磁場(chǎng)米用電磁鐵技術(shù)、Bitter技術(shù)、或者混合磁體技術(shù)產(chǎn)生。
4.根據(jù)權(quán)利要求I所述方法，其特征是施加的超聲波功率為O.I-IOOKw,頻率為 ΙΟΚΗζ-ΙΟΟΚΗζο
5.根據(jù)權(quán)利要求I所述方法，其特征是該方法適用于鋁合金、銅合金、鎂合金、鋅合金、 或鐵合金以及具有比重偏析或成分偏析或通道偏析傾向的合金。
6.根據(jù)權(quán)利要求2所述方法，其特征是所述的變幅桿(5)由304不銹鋼制成，或者由鈦合金制成，或者用陶瓷桿非金屬耐火材料和金屬或非金屬?gòu)?fù)合材料制成；變幅桿底部與坩堝接觸，或者從側(cè)面與坩堝接觸，或者從頂部插入合金熔體。
7.根據(jù)權(quán)利要求I所述方法，其特征是超導(dǎo)磁體(2)產(chǎn)生的磁場(chǎng)或者是勻強(qiáng)磁場(chǎng)，或者是梯度磁場(chǎng)。
8.根據(jù)權(quán)利要求I所述方法，其特征是試樣冷卻速度由惰性氣體吹入管(11)來(lái)保證， 惰性氣體為純氮?dú)?、純氬氣、純氦氣、或純二氧化碳?xì)怏w，或者它們的混合氣體，或者為不與合金熔體和爐體發(fā)生反應(yīng)的安全氣體。
9.根據(jù)權(quán)利要求I所述方法，其特征是在常規(guī)重力背景g=9.8m/s2和常規(guī)冷卻速度 IO^2-IO3oC /s下采用凝固的方法制備出大尺寸的組織/成分均勻分布的偏晶合金材料或易偏析合金材料。
10.根據(jù)權(quán)利要求I所述方法，其特征是強(qiáng)磁場(chǎng)復(fù)合超聲波反應(yīng)裝置與連鑄結(jié)晶器中的凝固過(guò)程結(jié)合。
全文摘要
本發(fā)明涉及一種制備組織/成分均勻分布偏晶合金的方法。本發(fā)明通過(guò)超聲場(chǎng)和強(qiáng)磁場(chǎng)的復(fù)合來(lái)完成對(duì)該類合金凝固過(guò)程的控制，進(jìn)而在常規(guī)重力背景(g=9.8m/s2)中以常規(guī)冷卻速度(10-2-103℃/s)制備出組織/成分均勻分布的偏晶合金、易偏析合金材料。發(fā)明中的強(qiáng)磁場(chǎng)復(fù)合超聲波反應(yīng)裝置，由水冷套(1)、超導(dǎo)磁體(2)、超聲波電源(3)、超聲波換能器(4)、變幅桿(5)、加熱爐(6)、控溫裝置(7)、熱電偶(8)、坩堝(9)、合金預(yù)制試樣(10)、惰性氣體吹入管(11)、惰性氣體排出管(14)、加熱連接導(dǎo)線(15)組成。本發(fā)明與微重力法、快速凝固法、粉末冶金法相比，具有成本低廉、效果穩(wěn)定、適用于大尺寸試樣、制備試樣力學(xué)性能優(yōu)異等優(yōu)點(diǎn)，同時(shí)具有顯著的工業(yè)應(yīng)用前景。
文檔編號(hào)B22D27/20GK102601350SQ20111042921
公開日2012年7月25日 申請(qǐng)日期2011年12月20日 優(yōu)先權(quán)日2011年12月20日
發(fā)明者李甫, 王江, 鐘云波 申請(qǐng)人:上海大學(xué), 上?？党摄~業(yè)集團(tuán)有限公司, 鐘云波