[發(fā)明專利]一種組織/成分均勻分布偏晶合金的制備方法

無效

• 申請?zhí)枺?/td>: 201110429216.6
• 申請日: 2011-12-20
• 公開（公告）號: CN102601350A
• 公開（公告）日: 2012-07-25
• 發(fā)明（設(shè)計）人: 鐘云波;王江;李甫
• 申請（專利權(quán)）人: 上海大學(xué);鐘云波;上海康成銅業(yè)集團(tuán)有限公司
• 主分類號: B22D27/02
• 分類號: B22D27/02;B22D27/20;B22D11/115
• 代理公司: 上海上大專利事務(wù)所(普通合伙) 31205
• 代理人: 顧勇華

技術(shù)領(lǐng)域

本發(fā)明涉及一種能夠制備出組織/成分均勻分布偏晶合金的方法，屬于凝固領(lǐng)域，其中包含有制備該種合金的裝置。

技術(shù)背景

作為一種應(yīng)用極為廣泛的合金種類，偏晶合金由于其特殊的凝固特性使其優(yōu)良的性能無法發(fā)揮。當(dāng)合金中第二相均勻分布于基體時，可用于制備性能優(yōu)異的軸瓦材料、電觸頭材料、電化學(xué)材料、超導(dǎo)材料以及電子封裝材料等。然而該類合金的一個突出特點(diǎn)——第二相含量超過一定值后,合金凝固過程中將出現(xiàn)無需過冷的液液兩相分離，并且兩液相密度差較大，在地球重力環(huán)境中得到分層組織，形成嚴(yán)重的重力偏析，這樣的層狀組織無法實(shí)現(xiàn)該類合金優(yōu)異的物理、化學(xué)性能。

鑒于此，針對成分均勻分布偏晶合金的制備方法進(jìn)行了眾多研究，形成了以下五大類制備方法：微重力凝固法、快速凝固法、定向凝固法、攪拌凝固法以及粉末冶金法。客觀而言，上述方法均存在一定的不足，例如，微重力的實(shí)現(xiàn)非常困難，而太空制備成本巨大，并且就目前研究結(jié)果來看，即使在微重力環(huán)境下進(jìn)行偏晶合金的凝固仍舊不能方便的得到均勻組織；快速凝固法則只能在小體積材料上顯示出其優(yōu)越性，大塊材料的快速冷卻實(shí)現(xiàn)起來比較困難；而定向凝固法的試樣大多不具有各向同性的性質(zhì)；攪拌凝固法不能夠得到整體均勻的凝固組織，在攪拌結(jié)束后，試樣頂部和底部仍存在明顯的偏析區(qū)域；粉末冶金法雖然沒有試樣尺寸和各向異性的限制，但是在制粉階段的氧化難以避免，因此壓制成型的壓坯很容易由于氧化膜的存在而影響其疲勞性能；而其燒結(jié)過程不可能采用全液相燒結(jié)，因此其力學(xué)性能較凝固法仍有很大差距。另外，一種通過強(qiáng)磁場和交變電場復(fù)合制備均質(zhì)偏晶合金的方法也于近期被發(fā)明，這是一種較為有潛力的均質(zhì)偏晶合金制備方法，但該種方法中由于要引入強(qiáng)大的交變電流，交變電流的焦耳熱效應(yīng)，仍然影響凝固過程，控制不當(dāng)將仍然出現(xiàn)比重偏析。而本專利所涉及的是另一種全新而有效的組織/成分均勻分布偏晶合金的制備方法。

發(fā)明內(nèi)容

鑒于目前各類制備方法存在的一些問題，本發(fā)明旨在提供一種全新的在常規(guī)重力背景下獲得組織/成分均勻分布偏晶合金的制備方法。

為達(dá)到上述要求，本發(fā)明構(gòu)思如下：

由于熱力學(xué)上液液兩相的分離無法避免，那么本發(fā)明通過控制其凝固的動力學(xué)過程，從而達(dá)到獲得均勻分布凝固組織的目的。本發(fā)明通過超聲場和磁場的復(fù)合作用來完成對該類合金凝固過程的控制。首先，在偏晶合金凝固過程中施加適當(dāng)強(qiáng)度的超聲波，利用超聲場的空化效應(yīng)將偏晶合金凝固中析出的粗大第二相液滴破碎成為細(xì)小的液滴。根據(jù)Stokes定律可知，第二相熔滴的沉降速度與其直徑的平方成反比，也就是說，當(dāng)?shù)诙嗳鄣沃睆浇档鸵话霑r，其沉降速度將降低四倍,因此，通過降低第二相熔滴直徑的方法抑制偏晶合金中的比重偏析極為有利；此外，超聲場的施加還將使即將融合的第二相熔滴分開，阻止其凝并，因而也可以抑制第二相熔滴粒徑的增大；與此同時，在強(qiáng)靜磁場的背景下，利用強(qiáng)靜磁場對導(dǎo)電熔體中第二相液滴運(yùn)動的抑制作用，以及對導(dǎo)電熔體流動制動的效應(yīng)，不但可以抑制第二相液滴的下沉（或上浮），同樣也可以減緩較小第二相液滴的再粗化。由于第二相熔滴粒徑的細(xì)化和強(qiáng)磁場的抑制效應(yīng)的復(fù)合作用，可以顯著降低第二相熔滴的沉降速度甚至接近完全抑制其沉降，從而可以在常規(guī)重力背景(g=9.8m/s²)下以常規(guī)的冷卻速度（10^-2?-10³℃/s）制備出組織/成分均勻分布的偏晶合金材料。此外，超聲場對于基體組織也有一定的晶粒細(xì)化效應(yīng)，這可以進(jìn)一步的提高材料凝固組織的晶粒細(xì)化程度，顯著降低成分偏析，大幅度提高偏晶合金材料的綜合性能。

本發(fā)明采用下述技術(shù)方案：

一種組織/成分均勻分布偏晶合金的制備方法，其特征是在合金的凝固過程中通過強(qiáng)磁場復(fù)合超聲波反應(yīng)裝置同時施加超聲場和強(qiáng)磁場，抑制液液兩相分離動力學(xué)過程以獲組織/成分均勻分布的偏晶合金材料。

采用化學(xué)純的Bi和Zn為原料，按照一定的質(zhì)量百分比稱量后，一并裝入剛玉坩堝中，將坩堝底部與超聲波變幅桿上端緊密接觸，并置于事先放置于超導(dǎo)磁體的強(qiáng)磁場區(qū)域中的加熱爐中，整套裝置稱為強(qiáng)磁場復(fù)合超聲波反應(yīng)裝置。