利用稳态磁场制备亚稳金属材料的方法及应用
【专利摘要】本发明公开了一种利用稳态磁场制备亚稳金属材料的方法及应用，在大于1T的稳态磁场下，并采用快速凝固方法，将金属熔体冷却至金属凝固时的固?液两相区对应的某一设定温度进行保温，在保温一定时间后，再将尚在进行初始凝固的金属材料体系快速放入淬火介质中进行淬火，在淬火工艺过程中，金属材料体系一直处于稳态磁场之中，从而获得亚稳金属材料。本发明利用磁场与金属材料的相互作用，在快速淬火过程中施加稳态磁场，制备亚稳金属材料。本发明方法与传统淬火技术相比，能够在相同的冷却条件下获得更快的冷速，对淬火设备要求低，应用前景广泛。此外，该技术设备工艺简单，有利于广泛应用。
【专利说明】
利用稳态磁场制备亚稳金属材料的方法及应用
技术领域
[0001 ]本发明涉及一种金属材料的制备方法及应用，特别是涉及一种亚稳金属材料的制备方法及应用，应用于金属材料加工领域。
【背景技术】
[0002]亚稳金属材料因其具有稳定金属材料所不具备的某些优异性能而受到广泛的关注和研究。这一方面是因为，利用稳定相—亚稳相—稳定相的相变过程，在不改变合金成分的条件下可以使稳定相的微观组织形态得到很大改善，从而提高合金的性能，这比设计研制一种新成分的合金更加快捷简单；另一方面，金属材料中的许多亚稳相都具有稳定相所没有的微观组织结构和性能，只要在使用状态下不存在使亚稳相稳定化转变的热激活条件，就可以长期使用由亚稳相增强的材料。
[0003]亚稳金属材料已经成为现代工业中重要的组成部分，如:航空航天用的铝合金或钢产品。为了研究和应用亚稳材料，人们已经开发了一些用于制备亚稳金属材料方法，如:快速凝固技术，气相沉积，高能辐射法，机械合金化，非晶退火法等。这些传统的方法，虽然能制备出亚稳金属材料，但是其体积都被限制在厘米级以下或者是只能形成很少的几种亚稳相，而且其制备方法对设备及加工条件要求苛刻，难以有进一步突破，例如:快速淬火法制备亚稳相需要极快的冷却速率，而为了提高冷速速率，往往只能牺牲产品的体积;快速凝固的箔片、条带、粉粒需经过极为复杂的紧实、烧结及塑性成型工艺过程，在后续加工中，急冷态的亚稳相及与之相适应的特殊性能常难以完全保持。这极大地限制了亚稳金属材料在实际工业生产中的广泛应用。这样的矛盾现象迫使人们寻求新的亚稳金属材料制备方法。因此，开发亚稳金属材料制备新技术成为亚稳材料领域亟待解决的技术问题。
【发明内容】
[0004]为了解决现有技术问题，本发明的目的在于克服已有技术存在的不足，提供一种利用稳态磁场制备亚稳金属材料的方法及应用，利用磁场与金属材料的相互作用，在快速淬火过程中施加稳态磁场，制备亚稳金属材料。本发明方法与传统淬火技术相比，能够在相同的冷却条件下获得更快的冷速，对淬火设备要求低，应用前景广泛。
[0005]为达到上述发明创造目的，本发明构思如下:
制备亚稳材料通常需要采用两步法制备，包括能量化过程及快速冻结过程。能量化过程即通过气化，溶解，辐射，塑性变形，加热等方式使材料转变为固态，液态及气态，材料系统的自由能增加。快速冻结过程是将完成能量化过程的处于高能态的材料进行快速冻结，以获得所需的亚稳材料。一般以冷却速率表征冻结快慢，因此，提高冷却速率已经成为制备亚稳材料的重要手段。采用施加磁场能够改变冷速速率，能改善亚稳材料制备方法，从而更容易获得亚稳材料。
[0006]根据上述发明构思，本发明采用下述技术方案:
一种利用稳态磁场制备亚稳金属材料的方法，在大于IT的稳态磁场下，采用快速凝固方法，将金属熔体冷却至金属凝固时的固-液两相区对应的某一设定温度进行保温，在保温一定时间后，再将尚在进行初始凝固的金属材料体系快速放入淬火介质中进行淬火，在淬火工艺过程中，金属材料体系一直处于稳态磁场之中，从而获得亚稳金属材料。本发明金属熔体首先在固液两相区某一温度保温一段时间，确保固/液两相达到热力学平衡条件，有利于提高亚稳定材料制备的质量，使制备过程更加可控。
[0007]作为本发明优选的技术方案，将金属熔体冷却至金属凝固时的固-液两相区对应的设定温度进行保温，保温时间?大于固-液两相达到热力学平衡条件所需要的时间，即:?> X 2ZD，其中是固相特征长度4是固相扩散系数。保温完成以后，再进行淬火工艺。
[0008]作为上述方案的进一步优选的技术方案，稳态磁场采用磁场强度为6τ的磁场。
[0009]作为上述方案的进一步优选的技术方案，将金属熔体冷却至金属凝固时的固-液两相区对应的设定温度进行保温3 h后，再进行淬火工艺。
[00?0] —种本发明利用稳态磁场制备亚稳金属材料的方法的应用，对Al_45wt%Cu合金实施了无磁场下的快速淬火处理，制备亚稳相凝固组织。
[0011]本发明与现有技术相比较，具有如下显而易见的突出实质性特点和显著优点:
1.相比传统淬火法制备亚稳材料，本发明在同样的快速淬火条件下，在合金熔体淬火过程中施加了稳态磁场，利用磁场提高金属熔体在淬火过程中的冷却速率，结合了快速凝固方法及磁场加工方法的优势，更容易制备亚稳金属材料；
2.本发明在不改变淬火设备的基础上，仅增加稳态磁场，设备工艺简单，有利于广泛应用。
【附图说明】
[0012]图1为本发明优选实施例磁场淬火实验装置结构示意图。
[0013]图2为本发明优选发明实施例和对比例的有无磁场淬火速率比较图。
[0014]图3为本发明优选发明实施例和对比例的有无磁场淬火组织微观照片比较图。
[0015]图4为本发明优选发明实施例的淬火试样的XRD图谱。
【具体实施方式】
[0016]本发明的优选实施例详述如下:
在本实施例中，参见图1?4，采用的合金为Al-45wt%Cu合金。将所述合金切割成Φ6πιπι*8mm的圆柱体试样，之后将所得到的Al-45wt%Cu合金试样放入图1所示磁场淬火实验装置中在6T稳态磁场的环境下进行快速淬火处理。本实施例中的磁场淬火装置如图1所示，包括样品支撑杆I，加热炉2，强磁体3以及淬火池4。本实施例并采用快速凝固方法，具体步骤:首先，以10°C/min的升温速率将试样由室温加热至750°C，保温40min;然后以5°C/min的速率将试样冷却至Al-45wt%Cu合金凝固时的固-液两相区对应的某一设定温度570 °C，保温3h，随后将将尚在进行初始凝固的试样快速放入淬火池中用水淬火，在淬火工艺过程中，试样一直处于稳态磁场之中，从而获得亚稳合金材料。本实施例在6T的稳态磁场环境下，将合金熔体缓慢冷却至固液两相区某一温度并保温一段时间，然后将合金熔体放入淬火介质中快速淬火。由于磁场改变冷却速率，磁场下将获得更大的冷速速率，从而更容易获得亚稳金属材料。本实施例通过在快速淬火过程中施加稳态磁场，提高金属熔体在淬火过程中的冷却速率，更容易获得亚稳金属材料。本实施例以Al-45wt%Cu合金淬火实验为例，在淬火过程施加磁场，冷却速度更快。且凝固组织中出现两种亚稳相，a-Al相，Al4Cu9相。相比传统的淬火技术，在相同淬火条件下，本实施例施加稳态磁场提高了冷速速率，更容易获得亚稳金属材料。此外，该技术设备工艺简单，有利于广泛应用。
[0017]对比例:
本对比例与实施例基本相同，特别之处在于:
在本实施例中，对Al-45wt%Cu合金实施了无磁场下的快速淬火处理。该处理工艺除稳态磁场强度为OT之外，其他工艺参数如加热温度，保温时间，淬火方式等均与上述实施例相同。
[0018]实验测试分析:
通过试验结果对比表明，上述实施例在6T磁场下的冷却速率明显大于无磁场下的冷却速率，如图2所示，上述实施例的冷却速率至少比对比例的冷却速率增加一倍以上。在图3中，扫描电镜显微组织观察表明:在快速淬火的过程中，上述实施例施加稳恒磁场使得试样中出现了大量的亚稳相，而无磁场下的快速淬火试样中并未出现亚稳相，如图3所示，A为初生相Al2Cu,B为淬火组织，C为Al4Cu9相。在图4中，XRD检测图谱表明:上述实施例在6T稳恒磁场下的快速淬火试样中存在两种亚稳相，即α-Α1相，Al4Cu9相，而对比例在无磁场下的快速淬火试样中未出现亚稳相，如图4所示。
[0019]上面结合附图对本发明实施例进行了说明，但本发明不限于上述实施例，还可以根据本发明的发明创造的目的做出多种变化，凡依据本发明技术方案的精神实质和原理下做的改变、修饰、替代、组合或简化，均应为等效的置换方式，只要符合本发明的发明目的，只要不背离本发明利用稳态磁场制备亚稳金属材料的方法及应用的技术原理和发明构思，都属于本发明的保护范围。
【主权项】
1.一种利用稳态磁场制备亚稳金属材料的方法，其特征在于:在大于IT的稳态磁场下，采用快速凝固方法，将金属熔体冷却至金属凝固时的固-液两相区对应的某一设定温度进行保温，在保温一定时间后，再将尚在进行初始凝固的金属材料体系快速放入淬火介质中进行淬火，在淬火工艺过程中，金属材料体系一直处于稳态磁场之中，从而获得亚稳金属材料。2.根据权利要求1所述利用稳态磁场制备亚稳金属材料的方法，其特征在于:将金属熔体冷却至金属凝固时的固-液两相区对应的设定温度进行保温，保温时间t大于固-液两相达到热力学平衡条件所需要的时间，即:? > X 2ZD，其中是固相特征长度4是固相扩散系数，保温完成以后，再进行淬火工艺。3.根据权利要求1或2所述利用稳态磁场制备亚稳金属材料的方法，其特征在于:稳态磁场采用磁场强度为6 T的磁场。4.根据权利要求1或2所述利用稳态磁场制备亚稳金属材料的方法，其特征在于:将金属熔体冷却至金属凝固时的固-液两相区对应的设定温度进行保温3 h后，再进行淬火工-H- O5.—种权利要求1所述利用稳态磁场制备亚稳金属材料的方法的应用，其特征在于:对Al-45wt%Cu合金实施了无磁场下的快速淬火处理，制备亚稳相凝固组织。
【文档编号】C22F1/057GK105970133SQ201610266188
【公开日】2016年9月28日
【申请日】2016年4月27日
【发明人】李传军, 任忠鸣, 何盛亚, 郭锐, 玄伟东, 贾尚华, 曹洋
【申请人】上海大学