一种Al‑40%Zn合金孪生枝晶的制备方法与流程

本发明属于金属材料的制备领域，具体涉及一种al-40%zn合金孪生枝晶的制备方法。

背景技术：

孪生枝晶，又称为羽毛状晶（featherygrains），也称之为双晶、孪晶、玄武岩状晶等，属于孪晶的一种（growthtwin）。最初发现于半连续铸造铝合金中，是完全不同于常见柱状晶和树枝晶的一种异常晶粒，被称为铸造中的第三类枝晶。之所以称之为羽毛状孪生枝晶，是由于这类枝晶在二维微观组织中其形貌与羽毛相似。研究表明孪生枝晶是在一定条件下得到的一种铸造组织，其最大生长的速度沿着轴向进行，与轴向平行的孪生枝晶具有最强的竞争力，所以其他方向的枝晶很容易被抑制。因而，其生长方向基本与轴向平行，具有强烈的各向异性，且在压力加工过程中不易发生变形和破碎，所以其对合金的微观组织和力学性能起到优化的作用。周尧和等人在上世纪八十年代对单束羽状晶与多束羽状晶的力学性能做过较为系统的工作，并分析了羽状晶层片间距对力学性能的影响，他们发现多束羽状晶相互交叉时形成的网状结构加强了试样在拉伸方向上的连续性，使得力学性能明显提高。因此在合金铸造过程中获得大面积孪生枝晶成为改善合金性能的关键，对它的研究在凝固理论研究和工业应用中有重要价值。

而在孪生枝晶的形成机制的研究中发现，由于孪生枝晶是在结晶前沿液体中的温度梯度十分陡峭、过冷带极为窄小的情况下生成的。因此，当熔体的过热温度很高，铸锭的冷却速度极快，热流从结晶面向单一方向进行扩散以及熔体中的有效活性质点极少时，孪生枝晶很容易产生。基于此，目前普遍研究认为高的温度梯度和强对流，是孪生枝晶产生的必要条件。如在al-zn合金中由于al具有弱的各向异性，在常规凝固过程中易形成粗糙界面，不存在强的生长竞争力，不利于孪生枝晶的形成，但通过研究发现，在一定特殊条件下，如高温度梯度和强烈对流环境中，也可以形成一定的孪生枝晶。定向凝固技术作为特殊的非平衡凝固技术，其凝固过程中具有较高的温度梯度、冷却速率和对流环境，为al-zn合金孪生枝晶的形成提供了制备条件。然而，目前研究表明al-zn合金中当zn含量达到40%时，孪生枝晶不再形成，这成为al-zn合金孪生枝晶制备过程的瓶颈。因此，能否在高zn含量al-zn合金中制备孪生枝晶成为材料制备的研究重点。

技术实现要素：

本发明的目的在于提供一种al-40%zn合金孪生枝晶的制备方法。

为实现上述目的，本发明采取的技术方案如下：

一种al-40%zn合金孪生枝晶的制备方法，该制备方法采用一定向凝固装置，该定向凝固装置包括抽拉杆、加热保温炉及位于其内腔之中的感应线圈、倒梯形石墨套、圆柱形坩埚、“凸”字形连接管、隔热套，连接管的小端与坩埚相适配、大端与抽拉杆相适配，加热保温炉的侧壁与其内腔分别连通设有ar气管和真空管，ar气管连接有ar气罐，真空管依次连接有分子泵、机械泵，加热保温炉的底部与其密封连接有结晶器，结晶器内盛满ga-in-sn合金液，结晶器上部位于加热保温炉内腔之中、剩余部分则位于加热保温炉外部，隔热套位于结晶器之上，石墨套位于隔热套之上，感应线圈围绕设在石墨套四周，感应线圈与设置在加热保温炉之外的感应电源相连接，坩埚位于石墨套之中，坩埚和抽拉杆通过连接管的小端插设在坩埚下端、大端套在抽拉杆的上端实现连接，抽拉杆从上至下依次密封贯穿隔热套、结晶器，抽拉杆底部与抽拉装置相连接；

制备步骤如下：

（1）、制备与坩埚形状相适配的圆柱形al-40%zn合金样品；

（2）、砂纸打磨、丙酮清洗样品，以去除表面的氧化层和杂质；将样品放入坩埚中，通过抽拉装置向下移动抽拉杆直至连接管的小端的底部刚好与隔热套的顶端平齐、大端则伸出隔热套并浸入结晶器内的ga-in-sn合金液中；

（3）、分别使用机械泵和分子泵抽真空，直至加热保温炉的真空度至7×10^-3pa以上，然后向加热保温炉内充入ar气形成保护气体环境，充ar气后加热保温炉内的真空度保持在350~400pa；

（4）、开启感应电源，通过感应线圈加热，加热到超过样品熔点80~150℃，此时处于感应线圈有效加热区的样品发生熔化，而处于感应线圈有效加热区之外的样品不发生熔化，保温（30~60min），使熔体温度均匀、稳定；

（5）、调整抽拉杆的抽拉速度为900~1100μm/s，开始抽拉进行定向凝固实验，将熔体自上而下拉进ga-in-sn合金液中实现定向凝固；

（6）、待熔体定向凝固后，再调整抽拉杆的抽拉速度为90~110mm/s，将整个样品完全拉进ga-in-sn合金液中进行淬火，同时关闭加热保温炉、打开炉门，待加热保温炉内的炉温自然冷却到室温后，通过抽拉装置向上移动抽拉杆，将整个样品完全顶出ga-in-sn合金液，取出，即得al-40%zn合金孪生枝晶。

较好地，调整抽拉杆的抽拉速度优选为1000μm/s

较好地，所述坩埚优选为高纯（99.9%al2o3）氧化铝刚玉管。

有益效果：

1、本发明选取al-40%zn合金作为制备孪生枝晶的合金系，不同于研究报道中低含量zn（30%zn以下）的al-zn合金体系，这一成分选择未被报道过。而在本发明之前现有研究（杨鲁岩,李双明,高卡,钟宏,傅恒志.铝合金中孪生枝晶的研究进展[j].稀有金属材料与工程,2015,44(07):001809-1814）认为当zn含量大于40%时，al-zn合金不可能制备出孪生枝晶的合金成分，因此本发明克服了技术偏见；

2、本发明中选择高zn含量al-zn合金（40%zn）的成分设计，采用了定向凝固技术，选取高的定向凝固抽拉速率（900~1100μm/s），利用定向凝固过程中形成熔体内的对流，成功制备了高zn含量al-zn合金孪生枝晶，为al-zn合金孪生枝晶的广泛制备提供试验依据。另外，通过本发明方法制得的孪生枝晶，组织内部只发生凝固反应，析出相简单，且整个操作过程简单，实验费用较低。

附图说明

图1：定向凝固成型装置：1-加热保温炉，2-感应线圈，3-石墨套，4-坩埚，5-连接管，6-隔热套，7-ar气管，8-真空管，9-结晶器，10-ga-in-sn合金液，11-抽拉杆，12-样品。

图2：实施例1制得的al-40%zn合金孪生枝晶的纵截面分析：（a）微观组织图；（b）为（a）中实线矩形框区域放大图；（c）为（b）中虚线矩形框区域所测试的ebsd极图。

图3：对照例1制得的al-40%zn合金普通柱状晶的纵截面分析：（a）微观组织图；（b）为（a）中虚线矩形框区域所测试的ebsd极图。

图4：对照例2制得的al-40%zn合金普通柱状晶的纵截面分析：（a）微观组织图；（b）为（a）中实线矩形框区域放大图；（c）为（b）中虚线矩形框区域所测试的ebsd极图。

具体实施方式

下面结合具体实施例对本发明做进一步的阐述，以下实施例中所用到的原料均为本领域常规化学品。

实施例1

一种al-40%zn合金孪生枝晶的制备方法，该制备方法采用一定向凝固装置，如图1所示，该定向凝固装置包括抽拉杆11、加热保温炉1及位于其内腔之中的感应线圈2、倒梯形石墨套3、圆柱形坩埚4（高纯（99.9%al2o3）氧化铝刚玉管）、“凸”字形连接管5、隔热套6，连接管5的小端与坩埚4相适配、大端与抽拉杆11相适配，加热保温炉1的侧壁与其内腔分别连通设有ar气管7和真空管8，ar气管7连接有ar气罐，真空管8依次连接有分子泵、机械泵，加热保温炉1的底部与其密封连接有结晶器9，结晶器9内盛满ga-in-sn合金液10，结晶器9上部位于加热保温炉1内腔之中、剩余部分则位于加热保温炉1外部，隔热套6位于结晶器9之上，石墨套3位于隔热套6之上，感应线圈2围绕设在石墨套3四周，感应线圈2与设置在加热保温炉1之外的感应电源相连接，坩埚4位于石墨套3之中，坩埚4和抽拉杆11通过连接管5的小端插设在坩埚4下端、大端套在抽拉杆11的上端实现连接，抽拉杆11从上至下依次密封贯穿隔热套6、结晶器9，抽拉杆11底部与抽拉装置相连接；

制备步骤如下：

（1）、按60∶40的质量比称取高纯(99.99%)al和zn金属，通过高频感应加热熔配、切割成与坩埚4形状相适配的圆柱形al-40%zn合金样品12；

（2）、砂纸打磨、丙酮清洗样品12，以去除表面的氧化层和杂质；将样品12放入坩埚4中，通过抽拉装置向下移动抽拉杆11直至连接管5的小端的底部刚好与隔热套6的顶端平齐、大端则伸出隔热套6并浸入结晶器9内的ga-in-sn合金液（质量百分比组成：ga10%、in45%、sn45%）10中；

（3）、分别使用机械泵和分子泵抽真空，直至加热保温炉1的真空度至7×10^-3pa，然后向加热保温炉1内充入ar气形成保护气体环境，充ar气后加热保温炉1内的真空度保持在400pa；

（4）、开启感应电源，通过感应线圈2加热，加热到超过样品12熔点80℃，此时处于感应线圈2有效加热区的样品12发生熔化，而处于感应线圈2有效加热区之外的样品12不发生熔化，保温30min，使熔体温度均匀、稳定；

（5）、调整抽拉杆11的抽拉速度为1000μm/s，开始抽拉进行定向凝固实验，将熔体自上而下拉进ga-in-sn合金液10中实现定向凝固；

（6）、待熔体定向凝固后，再调整抽拉杆11的抽拉速度为100mm/s，将整个样品12完全拉进ga-in-sn合金液10中进行淬火，同时关闭加热保温炉1、打开炉门，待加热保温炉1内的炉温自然冷却到室温后，通过抽拉装置向上移动抽拉杆11，将整个样品12完全顶出ga-in-sn合金液10，取出，即得al-40%zn合金孪生枝晶。

图2是al-40%zn合金孪生枝晶的纵截面分析：（a）微观组织图；（b）为（a）中实线矩形框区域放大图；（c）为（b）中虚线矩形框区域所测试的ebsd极图。图2（a）可以看出：试样内部形成了发达的羽毛状晶组织，孪生枝晶生长一致性明显。图2(b)中，孪生枝晶的一次枝晶干出现明显的对称界面，如实线所示，枝晶两侧关于此孪生界面对称生长，二次枝晶与孪生界面呈现约60°夹角。另外，图2(b)中枝晶具有明显的晶界。通过进一步的ebsd分析，如图2(c)所示，可确定所得枝晶组织为孪生枝晶，孪晶面为（111）面，枝晶一次枝晶干主轴及二次枝晶臂生长方向为<110>方向，这与gonzales和rappaz发现铝合金中zn元素含量的增加会改变固液界面能的各向异性，使得常规枝晶的生长方向由<100>变为<110>，有利于<110>方向孪生枝晶的形成这一结论一致。

对照例1

与实施例1的区别在于：定向凝固装置中省去倒梯形石墨套，并且制备步骤（5）中，调整抽拉杆11的抽拉速度为800μm/s，其它均同实施例1。

该对照例制得的产物的纵截面分析如图3所示：（a）微观组织图；（b）为（a）中虚线矩形框区域所测试的ebsd极图。图3（a）可以看出：试样内部并未形成羽毛状晶组织，al-40%zn合金微观组织为常规普通柱状晶组织，枝晶干和一次枝晶没有羽毛状孪生枝晶的特征。并且由于没有采用倒梯形石墨套和800μm/s的抽拉速度（低于本发明中的抽拉速度），不能产生熔体内部强烈的对流环境，柱状晶均沿着凝固热流方向垂直于淬火界面生长，没有图2中侧向生长的孪生枝晶出现，且普通柱状晶的二次枝晶与枝晶干不呈现60°夹角，如图3（a）所示。通过进一步的ebsd分析，如图3(b)所示，可确定所得枝晶组织为普通枝晶，没有孪生界面出现，枝晶一次枝晶干主轴生长方向为<100>方向，不是<110>方向。可以说明图3中所示为常规普通枝晶，不是孪生枝晶。

对照例2

与实施例1的区别在于：定向凝固装置中省去倒梯形石墨套，并且制备步骤（5）中，调整抽拉杆11的抽拉速度为1500μm/s，其它均同实施例1。

该对照例制得的产物的纵截面分析如图4所示：（a）微观组织图；（b）为（a）中实线矩形框区域放大图；（c）为（b）中虚线矩形框区域所测试的ebsd极图。本对照例实验过程中没有采用倒梯形石墨套，而采用1500μm/s的抽拉速速度（高于本发明中的抽拉速度）。图4（a）可以看出：试样内部组织为al-zn合金常规普通柱状晶组织，枝晶干和一次枝晶没有羽毛状孪生枝晶的形貌特征，柱状晶均沿着凝固热流方向垂直于淬火界面生长，柱状晶的二次枝晶与枝晶干夹角不是60°，如图4（b）所示。ebsd分析结果表明：枝晶一次枝晶干主轴生长方向为<100>方向，不是<110>方向，没有孪生界面出现，如图4(c)所示，可确定本对照例所得的枝晶组织为普通枝晶。

从实施例1以及对照例1-2可知：只有采用本发明中的抽拉速度和制备方案才能制备出al-40%zn合金孪生枝晶。在此说明的是：发明人通过创造性劳动，最终确定出本发明的技术方案，本发明也只是列举其中两个有代表性的对照例予以说明，但不是穷举。