Cu‑Nb原位复合材料的气体保护固液混合凝固装置的制作方法

本发明属于金属复合材料制备技术领域。特别涉及一种Cu-Nb原位复合材料的气体保护固液混合凝固装置。

背景技术：

Cu-Nb复合材料作为强磁场应用材料，其苛刻的应用环境(强磁场、超高温高应力等)要求材料同时具有良好的强度、导电和导热性能。现有的研究表明，当组织结构达到纳米尺寸时，Cu-Nb复合材料可获得高强度、高导电性。提高纳米尺度下Cu-Nb界面的稳定性，深入分析研究材料强化机制是未来Cu-Nb复合材料研究领域亟待解决的问题之一。在实际应用领域，国内的某强脉冲实验室投入使用并突破了90T强磁场大关，但是目前仍然存在一些技术瓶颈有待进一步研究和解决。例如，仍无法实现大批量化，生产周期长，拉拔过程径向受力差异导致Nb纤维硬化程度不均一等。为解决Cu-Nb合金材料制备领域存在的技术问题，本发明公布了在气体保护下的Cu-Nb原位复合材料的固液混合凝固装置，能够直接制备出晶粒尺寸为1-20μm的合金坯料，能够大大提高这种合金丝材、薄带材料的制备效率。

技术实现要素：

本发明的目的是提供了一种Cu-Nb原位复合材料的气体保护固液混合凝固装置，其特征在于，所述固液混合凝固装置由坩埚、超声搅拌装置、氩气管道、送料装置、快速冷却装置五个部分组成。在浇注装置壳体12外面包覆保温材料及外壳2，上端盖15密封盖在保温材料及外壳2上，浇注装置壳体12侧壁上部和下部对称安装陶瓷螺栓3，保温坩埚4通过密封底座5放置在浇注装置壳体12内，超声波搅拌装置7通过密封环6固定在保温坩埚4底部，两组加热单元9固定在保温坩埚4侧壁内并连接电源10；送料管14均布在上端盖15上，Nb粉末13通过插入送料管14内的加料导轨17进入保温坩埚4；在上端盖15上分别插入热电偶1和氩气管道11；热电偶1连接电源10，氩气管道11连接氩气瓶16；所述快速冷却装置包括在金属模具24壁内设置冷却通道23，浇注冒口21固定在金属模具24上端，浇注冒口21中央为浇注通道25；浇注模具22放在金属模具24内，冷却液26与冷却通道23接通，用冷却液循环快速冷却，使合金液迅速冷却至凝固。

一种固液混合凝固装置使Cu-Nb原位复合材料混合固液快速凝固的方法。其特征在于，具体步骤为：

(1)首先将纯Cu和纯Nb原料按照预先设置的配比放入保温坩埚4内，并且对其进行加热至熔化，并且保温；

(2)通过氩气管道11向熔化的合金液8表面吹入氩气，以防止合金液表面氧化和搅拌时发生飞溅；

(3)将Nb粉末13通过通过插入送料管14内的加料导轨17推入合金液8表面，同时打开超声波搅拌装置的电源，将合金液8与Nb粉末13充分搅拌混合均匀；

(4)合金液8与Nb粉末13充分混合后，将其从快速冷却装置浇注冒口21中央的浇注通道25浇注到浇注模具22内，采用冷却液循环快速冷却，使合金液迅速冷却至凝固。

本发明的有益效果是通过本发明提供的装置可以制备出铸态初始晶粒细小均匀的Cu-Nb原位复合材料坯料。由于采用快速冷却凝固，合金坯料中的Nb可以尽可能多的溶解于基体之中，形成过饱和固溶体。能够直接制备出晶粒尺寸为1-20μm的合金坯料，能够更加容易地通过冷变形制备出高导电性能、高强度的Cu-Nb合金材料制品，既能够提高这种材料的性能，又能够扩展这种材料制品的规格和应用领域。

附图说明

图1为固-液凝固铸造的金属液保温及浇注装置经过示意图，图中:1为热电偶；2为保温材料外壳；3为陶瓷螺栓；4为保温坩埚；5为密封底座；6为密封环；7为超声波搅拌装置；8为金属液；9为加热单元；10为电源；11为氩气管道；12为浇注装置壳体；13为金属粉末；14为为送料管；15为上端盖；16为氩气瓶；17为加料导轨。

图2为浇注模及快速凝固装置结构示意图。图中:21为浇注冒口；22为浇注模具；23为冷却通道；24为金属模具；25为浇注通道；26为冷却液。

具体实施方式

本发明提供了一种Cu-Nb原位复合材料的气体保护固液混合凝固装置，下面结合附图和对实施例本发明进行说明。

图1所示为固-液凝固铸造的金属液保温及浇注装置经过示意图，图2所示为浇注模及快速凝固装置结构示意图。图1所示的固液混合凝固装置由坩埚、超声搅拌装置、氩气管道、送料装置、快速冷却装置五个部分组成。在浇注装置壳体12外面包覆保温材料及外壳2，上端盖15密封盖在保温材料及外壳2上，浇注装置壳体12侧壁上部和下部对称安装陶瓷螺栓3，保温坩埚4通过密封底座5放置在浇注装置壳体12内，超声波搅拌装置7通过密封环6固定在保温坩埚4底部，两组加热单元9固定在保温坩埚4侧壁内并连接电源10；送料管14均布在上端盖15上，Nb粉末13通过插入送料管14内的加料导轨17进入保温坩埚4；在上端盖15上分别插入热电偶1和氩气管道11；热电偶1连接电源10，氩气管道11连接氩气瓶16。

图2所示的快速冷却装置包括在金属模具24壁内设置冷却通道23，浇注冒口21固定在金属模具24上端，浇注冒口21中央为浇注通道25；浇注模具22放在金属模具24内，冷却液26与冷却通道23接通，用冷却液循环快速冷却，使合金液迅速冷却至凝固。

Cu-Nb原位复合材料的气体保护固液混合凝固装置的工作原理：具体步骤为：

(1)首先将纯Cu和纯Nb原料按照预先设置的配比放入图1中的保温坩埚4内，并且对其进行加热至熔化，并且保温；加热过程由热电偶1和加热单元9进行控制和记录，浇注装置壳体12外面包覆保温材料及外壳2，上端盖15能够起到熔体保温，提高加热效率的作用，图1中陶瓷螺栓3则是保温材料及外壳2和保温坩埚4之间的固定零件；

(2)通过氩气管道11向熔化的合金液8表面吹入氩气，以防止合金液表面氧化和搅拌时发生飞溅；

(3)将Nb粉末13通过插入送料管14内的加料导轨17推入合金液8表面，同时打开超声波搅拌装置7的电源10，将合金液8与Nb粉末13充分搅拌混合均匀；图1中的密封底座5和密封环6则起到固定和保护7超声波振子的作用。

(4)合金液8与Nb粉末13充分混合后，将其从图2中的快速冷却装置浇注冒口21中央的浇注通道25浇注到浇注模具22内，采用冷却液循环快速冷却，使合金液迅速冷却至凝固。