专利名称：一种组织/成分均匀分布偏晶合金的制备方法
技术领域：
本发明涉及一种能够制备出组织/成分均匀分布偏晶合金的方法，属于凝固领域，其中包含有制备该种合金的装置。
背景技术：
作为一种应用极为广泛的合金种类，偏晶合金由于其特殊的凝固特性使其优良的性能无法发挥。当合金中第二相均匀分布于基体时，可用于制备性能优异的轴瓦材料、电触头材料、电化学材料、超导材料以及电子封装材料等。然而该类合金的一个突出特点——第二相含量超过一定值后，合金凝固过程中将出现无需过冷的液液两相分离，并且两液相密度差较大，在地球重力环境中得到分层组织，形成严重的重力偏析，这样的层状组织无法实现该类合金优异的物理、化学性能。鉴于此，针对成分均匀分布偏晶合金的制备方法进行了众多研究，形成了以下五大类制备方法微重力凝固法、快速凝固法、定向凝固法、搅拌凝固法以及粉末冶金法。客观而言，上述方法均存在一定的不足，例如，微重力的实现非常困难，而太空制备成本巨大，并且就目前研究结果来看，即使在微重力环境下进行偏晶合金的凝固仍旧不能方便的得到均匀组织；快速凝固法则只能在小体积材料上显示出其优越性，大块材料的快速冷却实现起来比较困难；而定向凝固法的试样大多不具有各向同性的性质；搅拌凝固法不能够得到整体均匀的凝固组织，在搅拌结束后，试样顶部和底部仍存在明显的偏析区域；粉末冶金法虽然没有试样尺寸和各向异性的限制，但是在制粉阶段的氧化难以避免，因此压制成型的压坯很容易由于氧化膜的存在而影响其疲劳性能；而其烧结过程不可能采用全液相烧结，因此其力学性能较凝固法仍有很大差距。另外，一种通过强磁场和交变电场复合制备均质偏晶合金的方法也于近期被发明，这是一种较为有潜力的均质偏晶合金制备方法，但该种方法中由于要引入强大的交变电流，交变电流的焦耳热效应，仍然影响凝固过程，控制不当将仍然出现比重偏析。而本专利所涉及的是另一种全新而有效的组织/成分均匀分布偏晶合金的制备方法。
发明内容
鉴于目前各类制备方法存在的一些问题，本发明旨在提供一种全新的在常规重力背景下获得组织/成分均匀分布偏晶合金的制备方法。为达到上述要求，本发明构思如下
由于热力学上液液两相的分离无法避免，那么本发明通过控制其凝固的动力学过程， 从而达到获得均匀分布凝固组织的目的。本发明通过超声场和磁场的复合作用来完成对该类合金凝固过程的控制。首先，在偏晶合金凝固过程中施加适当强度的超声波，利用超声场的空化效应将偏晶合金凝固中析出的粗大第二相液滴破碎成为细小的液滴。根据Stokes 定律可知，第二相熔滴的沉降速度与其直径的平方成反比，也就是说，当第二相熔滴直径降低一半时，其沉降速度将降低四倍，因此，通过降低第二相熔滴直径的方法抑制偏晶合金中的比重偏析极为有利；此外，超声场的施加还将使即将融合的第二相熔滴分开，阻止其凝并，因而也可以抑制第二相熔滴粒径的增大；与此同时，在强静磁场的背景下，利用强静磁场对导电熔体中第二相液滴运动的抑制作用，以及对导电熔体流动制动的效应，不但可以抑制第二相液滴的下沉(或上浮)，同样也可以减缓较小第二相液滴的再粗化。由于第二相熔滴粒径的细化和强磁场的抑制效应的复合作用，可以显著降低第二相熔滴的沉降速度甚至接近完全抑制其沉降，从而可以在常规重力背景(g=9. 8m/s2)下以常规的冷却速度(10_2 -IO3oC /s)制备出组织/成分均匀分布的偏晶合金材料。此外，超声场对于基体组织也有一定的晶粒细化效应，这可以进一步的提高材料凝固组织的晶粒细化程度，显著降低成分偏析，大幅度提闻偏晶合金材料的综合性能。本发明采用下述技术方案
一种组织/成分均匀分布偏晶合金的制备方法，其特征是在合金的凝固过程中通过强磁场复合超声波反应装置同时施加超声场和强磁场，抑制液液两相分离动力学过程以获组织/成分均匀分布的偏晶合金材料。采用化学纯的Bi和Zn为原料，按照一定的质量百分比称量后，一并装入刚玉坩埚中，将坩埚底部与超声波变幅杆上端紧密接触，并置于事先放置于超导磁体的强磁场区域中的加热炉中，整套装置称为强磁场复合超声波反应装置。所述的强磁场复合超声波反应装置由水冷套I、超导磁体2、超声波电源3、超声波换能器4、变幅杆5、加热炉6、控温装置7、热电偶8、坩埚9、合金预制试样10、惰性气体吹入管11、惰性气体排出管14、加热连接导线15组成。超导磁体的磁感应强度可在
O.l-20Tesla范围变化；超导磁体的室温口径为50mm — 800mm ;施加的强磁场采用电磁铁技术、Bitter技术、或者混合磁体技术产生。施加的超声波功率可以为O. Ι-lOOKw，频率可以为ΙΟΚΗζ-ΙΟΟΚΗζ。将装有偏晶合金的坩埚与超声波变幅杆置于超导磁体区域中的加热装置中，需确保合金试样中心与强磁场匀强区中心线重合，强磁场由超导技术产生；调节强磁场发生装置使磁感应强度在O. 1-20T之间，然后开启加热元件的控温装置，将温度控制在650-700°C之间，保温2小时以确保合金熔体充分混匀；关闭加热元件，同时打开超声波电源，控制超声波功率在O. I-IOOKw之间，控制频率在ΙΟΚΗζ-ΙΟΟΚΗζ之间，偏晶合金试样在惰性气体保护气氛下随炉冷却凝固，确保强磁场和超声波复合作用于偏晶合金试样；当试样温度降至偏晶合金全部凝固温度以下50°C时关闭超声电源，关闭超导磁体，合金继续冷却至室温后取出。本发明中，试样冷却速度由惰性气体吹入管来保证，惰性气体为纯氮气、纯氩气、 纯氦气、纯二氧化碳气体或其混合气体，或者为不与合金熔体和炉体发生反应的安全气体； 超声波变幅杆可以由304不锈钢制成，也可以由钛合金制成，还可以用陶瓷杆等非金属耐火材料及金属和非金属复合材料制成；变幅杆可以底部与坩埚接触，也可以从侧面与坩埚接触，还可以从顶部插入合金熔体；超导磁体产生的磁场可以是匀强磁场，也可以是梯度磁场；本发明既可以适用于偏晶合金、过偏晶合金，也适合于招合金、铜合金、镁合金、锌合金、 铁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倾向合金的组织/成分的均匀化控制；与此同时，强磁场复合超声波反应装置还可以与连铸结晶器中的凝固过程结合，从而可以制备出大尺寸组织/成分均匀的偏晶合金材料、易偏析合金材料。将偏晶合金的凝固过程放置于超声场和强磁场的复合场中，利用超声场空化效应和强磁场对于导电熔体中第二相运动的抑制以及对流制动效应，共同作用于合金的凝固过程，抑制了偏晶合金两液相分离的动力学过程，因此与现有技术相比具有如下明显特点和优势
1、在凝固过程中施加超声场，其空化效应可以有效的减小第二相液滴的半径，第二相液滴半径的减小将显著降低液滴运动速度，因而能有效改善合金凝固组织的偏析情况；
2、超声场的空化效应还将避免第二相熔滴的stokes沉降和Marangoni凝并,而这两种凝并方式对第二相熔滴直径增大有直接的相关作用，因此超声场的施加将使这两种粗化效应得到抑制，从而进一步降低第二相熔滴的直径，减缓第二相熔滴的比重偏析；
3、利用强磁场对其内导电熔体中第二相液滴运动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)运动，减小偏析，改善合金凝固组织；
4、强磁场的引入，还将对其内导电熔体的运动起到制动效应，而偏晶合金液液两相分离后，熔体的流动是促进第二相液滴粗化的一大因素，强磁场对熔体的制动，将进一步抑制第二相液滴的粗化，减小偏析；
5、由于第二相熔滴粒径的细化和强磁场的抑制效应的复合作用，可以显著降低第二相熔滴的沉降速度甚至接近完全抑制其沉降，从而可以在常规重力背景(g=9.8m/s2)下以常规的冷却速度(1(T2-103°C /s)制备出组织/成分均匀分布的偏晶合金材料。6、超声场在破碎第二相液滴成为直径较小液滴的同时,还作用于基体熔液,细化基体的凝固组织，使得合金性能进一步的提高；
7、由于强磁场的发生装置采用了超导线圈，因此即使产生高达14T磁感应强度时的耗电量也微乎其微，因此本发明所涉及的装置具有能耗低的特性。
附图I是强磁场复合超声波反应装置图。具体实施例
本发明的一个优选实施例是参见附图I。按照质量比为9 1的比例分别称量总量250g的化学纯铋粒和锌粒。将称量好的 Zn粒和Bi粒混合物置于内径为30mm，高IOOmm的刚玉坩埚中，采用真空感应熔炼炉，并在正压的惰性气体保护下将合金熔炼成预制试样。将装有预制试样的坩埚装入强磁场复合超声波反应装置中。强磁场复合超声波反应装置由水冷套I、超导磁体2、超声波电源3、超声波换能器4、变幅杆5、加热炉6、控温装置7、热电偶8、坩埚9、合金预制试样10、惰性气体吹入管11、惰性气体排出管14、加热连接导线15组成。将合金预制试样10装入坩埚9中，#埚9底部与变幅杆5紧密接触，将变幅杆5和坩埚9置于加热炉6中，给超导磁体2的水冷套I通入冷却水。调节超导磁体2，使得磁感应强度为10T，磁力线12方向为竖直向上，调节控温装置7，通过加热连接导线15和热电偶8，控制加热炉6，将合金预制试样10的温度加热到700°C后保温2小时，此温度高于合金预制试样10的全混匀温度，在扩散作用下，合金将在保温时间内充分混匀。关闭控温装置7后，调节超声波电源3，使得超声波功率为2Kw，频率为21KHz，超声波声流方向13 为竖直向上，同时打开惰性气体吹入管11吹入惰性气体对合金预制试样10进行冷却，保持降温速率为10-15°C /min，加热炉中的惰性气体由惰性气体排出14排出。在强磁场和超声波的复合作用下，正在凝固的合金预制试样10中的大直径第二相熔滴16将逐步破碎成较小的熔滴17，并形成弥散分布的第二相熔滴18，最终与合金主体熔体19 一并凝固。当合金预制试样10降至200°C后，关闭超声波电源3，停止超声处理，关闭超导磁体2 ;继续通气冷却，至室温关闭惰性气体，取出合金预制试样10，去除坩埚9，即可得到250g左右，组织/成分均勻分布的Zn-10wt%Bi过偏晶合金材料。
权利要求
1.一种组织/成分均匀分布偏晶合金的制备方法，其特征是在合金的凝固过程中通过强磁场复合超声波反应装置同时施加超声场和强磁场，抑制液液两相分离动力学过程以获组织/成分均匀分布的偏晶合金材料。
2.根据权利要求I所述方法，其特征是所述的强磁场复合超声波反应装置由水冷套(I)、超导磁体(2)、超声波电源(3)、超声波换能器(4)、变幅杆(5)、加热炉(6)、控温装置(7)、热电偶(8)、坩埚(9)、合金预制试样(10)、惰性气体吹入管(11)、惰性气体排出管(14)、加热连接导线(15)组成。
3.根据权利要求I所述方法，其特征是施加的磁场为采用超导技术产生的强磁场，其磁感应强度可在O. 1-20T范围变化；超导磁体的室温口径为50mm — 800mm ;施加的强磁场米用电磁铁技术、Bitter技术、或者混合磁体技术产生。
4.根据权利要求I所述方法，其特征是施加的超声波功率为O.I-IOOKw,频率为 ΙΟΚΗζ-ΙΟΟΚΗζο
5.根据权利要求I所述方法，其特征是该方法适用于铝合金、铜合金、镁合金、锌合金、 或铁合金以及具有比重偏析或成分偏析或通道偏析倾向的合金。
6.根据权利要求2所述方法，其特征是所述的变幅杆(5)由304不锈钢制成，或者由钛合金制成，或者用陶瓷杆非金属耐火材料和金属或非金属复合材料制成；变幅杆底部与坩埚接触，或者从侧面与坩埚接触，或者从顶部插入合金熔体。
7.根据权利要求I所述方法，其特征是超导磁体(2)产生的磁场或者是匀强磁场，或者是梯度磁场。
8.根据权利要求I所述方法，其特征是试样冷却速度由惰性气体吹入管(11)来保证， 惰性气体为纯氮气、纯氩气、纯氦气、或纯二氧化碳气体，或者它们的混合气体，或者为不与合金熔体和炉体发生反应的安全气体。
9.根据权利要求I所述方法，其特征是在常规重力背景g=9.8m/s2和常规冷却速度 IO^2-IO3oC /s下采用凝固的方法制备出大尺寸的组织/成分均匀分布的偏晶合金材料或易偏析合金材料。
10.根据权利要求I所述方法，其特征是强磁场复合超声波反应装置与连铸结晶器中的凝固过程结合。
全文摘要
本发明涉及一种制备组织/成分均匀分布偏晶合金的方法。本发明通过超声场和强磁场的复合来完成对该类合金凝固过程的控制，进而在常规重力背景(g=9.8m/s2)中以常规冷却速度(10-2-103℃/s)制备出组织/成分均匀分布的偏晶合金、易偏析合金材料。发明中的强磁场复合超声波反应装置，由水冷套(1)、超导磁体(2)、超声波电源(3)、超声波换能器(4)、变幅杆(5)、加热炉(6)、控温装置(7)、热电偶(8)、坩埚(9)、合金预制试样(10)、惰性气体吹入管(11)、惰性气体排出管(14)、加热连接导线(15)组成。本发明与微重力法、快速凝固法、粉末冶金法相比，具有成本低廉、效果稳定、适用于大尺寸试样、制备试样力学性能优异等优点，同时具有显著的工业应用前景。
文档编号B22D27/20GK102601350SQ20111042921
公开日2012年7月25日 申请日期2011年12月20日 优先权日2011年12月20日
发明者李甫, 王江, 钟云波 申请人:上海大学, 上海康成铜业集团有限公司, 钟云波