利用超声空化工艺制备合金材料的方法及所得合金材料与流程

本发明涉及冶金技术领域，特别涉及一种利用超声空化工艺制备合金材料的方法及所得细晶合金材料。

背景技术：

合金制品的组织和性能的优劣，首先取决于铸锭的原始组织。细晶组织的铸锭与粗晶组织的铸锭相比，具有一系列的优点：机械加工时的切削量减少，成品率提高；具有均匀细小的组织的铸锭，铸造应力小，使得铸锭的塑性形变能力提高；用细晶组织铸锭制成的半成品，具有更高的机械性能；所以对合金进行组织细化处理是十分必要的。

传统的冶金作用的组织细化处理方法主要是添加少量细化剂。随着合金制造业和加工工业的不断进步与发展，晶粒细化剂也获得了不断改进。然而，细化剂的添加在晶粒细化过程中仍存在不足，当熔体中含有某些特定元素时，会失去细化效果，即发生“中毒”现象。

通过物理作用方法进行组织细化处理主要采用电磁搅拌。然而，电磁搅拌对熔体铸造温度要求严格，需要控制铸造温度，确保在此温度下，能使感应线圈下方和中心部分的晶粒和枝晶胞的大小很相近。

近年来，液态结构转变的发现与研究，为液-固依存关系的认知提供了一个新契机。在材料生产和科研实际中，人们对合金液态结构有了较深入的认识，特别是发现了外力诱导的液-液相结构转变现象，并且认识到液-液相结构转变与材料性能方面存在着液-固相组织遗传性。通过使熔体液相结构发生转变，获得凝固组织均匀细化的合金材料，改善材料的力学性能、工艺性能和服役稳定性能。

如何实现熔体液-液相结构转变来制备细晶合金产品，在具体工程应用和工艺上生产，仍是一个难点。

技术实现要素：

本发明的目的在于提供一种制备合金材料的方法，该方法避免了传统方法的不足，解决了传统方法中存在的工艺繁杂、设备要求高、易引入杂质，并且细化组织不均匀、组织受热易长大、组织在服役过程中不稳定、组织不可遗传等问题，同时该方法设备简单、工艺流程短、效率高、成本低，适合工业化生产。

为了实现以上目的，本发明提供了以下技术方案：

一种制备合金材料的方法，包括：

对熔融态合金进行超声空化破碎处理，之后定型形成合金材料；

在所述超声空化破碎处理中，超声波分散设备的频率为100～1000khz，产生的冲击波和微射流的速度为30～110m/s，使所述熔融态合金的运动加速度达到30～100倍重力加速度。

上述方法利用超声波分散设备在熔体中产生空化泡，再利用空化泡崩裂时产生的瞬态高温高压，以及高速冲击波和微射流，保证了更大的剪切力和更高的剪切速度，实现了对熔体中的类固型原子团簇进行反复的破碎分散，使熔体中可以直接作为临界晶核的原子团簇减少或消失，熔体中的短程有序结构被打破，发生不可逆转变，熔体中的固有形核基底变得弥散细小，形核基底密度增加，实现熔体的液-液相结构转变，通过后续工艺对发生液-液相结构转变的熔体进行处理，以此制备晶核均匀弥散、单一分布、组织细化的最佳性能熔体结构转变合金材料。

超声分散的工艺条件对上述过程非常关键，频率宜采用100～1000khz，从而产生的冲击波和微射流的速度达到30～110m/s，使类固型原子团簇在空化泡崩裂时产生的冲击波和微射流带动下达到最大线速度。根据加速度公式a＝v²/r，使类固型原子团簇(即熔融态合金)的加速度达到30～100倍重力加速度；在高速剪切力的作用下，类固型原子团簇被挤压、破碎，使熔体中可以直接作为临界晶核的原子团簇减少或消失，熔体中的短程有序结构被打破，发生不可逆转变，熔体中的固有形核基底变得弥散细小，形核基底密度增加，实现熔体的液-液相结构转变。超声空化分散过程的时长通常为20～120min以内，直至形成的熔体均匀、稳定，熔体中的组织更加细小且无序。

进一步地，熔融态合金可以直接通过熔化块体合金获得，或者将单一金属块体按比例配好后熔化获得；所述的合金包括但不限于锡合金、铋合金、铟合金、铝合金、铜合金等。合金熔炼过程中，根据不同合金的稳定性及抗氧化性，可选择在空气、氮气、氩气或其它气氛条件下进行熔炼。

进一步地，在所述超声空化破碎处理过程中温度保持在所述合金的液相线以上，使熔体整体温度均匀稳定。

进一步地，所述定型包括：

冷却制成合金锭材，然后将所述锭材拉制成条材、丝材；

或者，将熔融态合金雾化成合金粉末；

或者，将熔融态合金浇铸制成合金棒材、板材，或者加工成异型件。

进一步地，所述合金为锡锑合金，所述超声波分散设备的频率为800khz。

进一步地，所述合金为铋锑合金，所述超声波分散设备的频率为750khz。

进一步地，所述合金为铝锶合金，所述超声波分散设备的频率为1000khz。

附图说明

通过阅读下文优选实施方式的详细描述，各种其他的优点和益处对于本领域普通技术人员将变得清楚明了。附图仅用于示出优选实施方式的目的，而并不认为是对本发明的限制。而且在整个附图中，用相同的参考符号表示相同的部件。在附图中：

图1是本发明提供的制备熔体结构转变合金的方法流程示意图；

图2是本发明提供的合金制备方法中空化泡生长过程图；

图3是图2所述空化泡的半径在不同阶段的变化图；

图4是对比例1和实施例1制备的材料的显微组织照片；

图5是对比例2和实施例2制备的材料的显微组织照片；

图6是对比例3和实施例3制备的材料的显微组织照片。

具体实施方式

下面将结合实施例对本发明的实施方案进行详细描述，但是本领域技术人员将会理解，下列实施例仅用于说明本发明，而不应视为限制本发明的范围。实施例中未注明具体条件者，按照常规条件或制造商建议的条件进行。所用原药、试剂或仪器未注明生产厂商者，均为可以通过市售购买获得的常规产品或者可以根据现有技术制备得到。

实施例1

如图1所示的流程：

将4kg的sn-5％sb合金置于熔炼-超声空化一体化设备的石墨熔炼炉内，在氩气气氛保护下加热至300℃，使合金完全熔化，形成均匀的液相熔体；将熔体温度升高至550℃，保持熔体整体温度均匀；开启超声空化设备调整频率至800khz，进行60min的超声空化破碎分散，在此过程中空化泡产生，生长过程如图2所示，经历了气泡生成、气泡生长、气泡爆破、新微核生成等过程，在此期间气泡的粒径变化如图3所示；之后关闭超声空化设备；将熔体浇入铁模中进行冷却，得到熔体结构转变sn-5％sb合金锭材，之后将锭材拉制，得到熔体结构转变sn-5％sb合金丝材，得到如图4所示的组织。

对比例1

将4kg的sn-5％sb合金置于熔炼-超声空化一体化设备的石墨熔炼炉内，在氩气气氛保护下加热至300℃，使合金完全熔化，形成均匀的液相熔体；将熔体温度升高至550℃，保持熔体整体温度均匀；经过60min保温后，将熔体浇入铁模中进行冷却，得到常规sn-5％sb合金锭材，之后将锭材拉制，得到常规sn-5％sb合金丝材，得到如图4所示的组织。

比较实施例1和对比例1，可以明显地看出，实施例1的组织比对比例1的组织更加细小、均匀。

实施例2

将3kg的bi-10％sb合金置于熔炼-超声空化一体化设备的石墨熔炼炉内，在氩气气氛保护下加热至400℃，使合金完全熔化，形成均匀的液相熔体；将熔体温度升高至700℃，保持熔体整体温度均匀；开启超声空化设备调整频率至750khz；经过90min超声空化破碎分散后，关闭超声空化设备；将熔体浇入砂型模具中进行空冷，得到熔体结构转变bi-10％sb合金棒材，得到如图5所示的组织。

对比例2

将3kg的bi-10％sb合金置于熔炼-超声空化一体化设备的石墨熔炼炉内，在氩气气氛保护下加热至400℃，使合金完全熔化，形成均匀的液相熔体；将熔体温度升高至700℃，保持熔体整体温度均匀；经过90min保温后，将熔体浇入砂型模具中进行空冷，得到常规bi-10％sn合金棒材，得到如图5所示的组织。

比较实施例2和对比例2，可以明显地看出，实施例2的组织比对比例2的组织更加细小、均匀。

实施例3

将10kg的al-18％si合金置于熔炼-超声空化一体化设备的石墨熔炼炉内，在氮气气氛保护下加热至760℃，使合金完全熔化，形成均匀的液相熔体；将熔体温度升高至950℃，保持熔体整体温度均匀；开启超声空化设备调整频率至1000khz；经过30min超声空化破碎分散后，关闭超声空化设备；将熔体浇入铁模中进行冷却，得到熔体结构转变al-18％si合金铸造异形件，得到如图6所示的组织。

对比例3

将10kg的al-18％si合金置于熔炼-超声空化一体化设备的石墨熔炼炉内，在氮气气氛保护下加热至760℃，使合金完全熔化，形成均匀的液相熔体；将熔体温度升高至950℃，保持熔体整体温度均匀；经过30min保温后，将熔体浇入铁模中进行冷却，得到常规al-18％si合金铸造异形件，得到如图6所示的组织。

比较实施例3和对比例3，可以明显地看出，实施例3的组织比对比例3的组织更加细小、均匀。

以上所述，仅为本发明较佳的具体实施方式，但本发明的保护范围并不局限于此，任何熟悉本技术领域的技术人员在本发明揭露的技术范围内，可轻易想到的变化或替换，都应涵盖在本发明的保护范围之内。因此，本发明的保护范围应以所述权利要求的保护范围为准。