[發明專利]利用軸向均恒磁場制備功能梯度材料的方法及其定向凝固裝置

在審

• 申請號: 201810475102.7
• 申請日: 2018-05-17
• 公開（公告）號: CN108655375A
• 公開（公告）日: 2018-10-16
• 發明（設計）人: 李喜;胡少東;侯龍;韓翠;鄧康
• 申請（專利權）人: 上海大學
• 主分類號: B22D27/04
• 分類號: B22D27/04;B22D27/02;C30B29/52;C30B30/04;C30B28/06
• 代理公司: 上海上大專利事務所(普通合伙) 31205
• 代理人: 顧勇華

本發明公開了一種利用軸向均恒磁場制備功能梯度材料的方法及其定向凝固裝置，利用超導梯度強磁體產生的軸向磁場的磁場強度范圍不大于5T，利用磁場誘發的熱電磁力作用在合金熔體上，產生熱電磁流動，由于合金熔體中析出相的含量隨溫度的下降而增加和定向凝固過程中溫度梯度的存在，熔體經過低溫處時，有利于析出相的析出和已經析出的相快速生長，導致析出相體積分數超過該合金平衡凝固時析出相的體積分數，隨著定向凝固的進行，剩余熔體中溶質含量減少，甚至變成貧溶質熔體，最終以共晶合金的成分凝固，形成一種上部為共晶、下部為初生相和共晶相的功能梯度材料，為利用軸向均恒磁場進行特殊材料制備提供了新的工藝方向。

技術領域

本發明涉及一種制備梯度材料的方法及定向熔鑄裝置，特別是涉及一種具有梯度組織的金屬材料的工藝和凝固裝置，應用于金屬凝固組織控制技術領域。

背景技術

功能梯度材料是一種組織和性能連續或準連續變化的非均質功能復合材料。由于材料的成分和組織結構在幾何空間上連續變化，性能在幾何空間上也是連續的變化。這種新型材料可以滿足極端需求，比如航空航天和核能發電所需的零部件。

目前制備梯度功能材料的方法主要有粉末冶金發、等離子噴涂法、氣相乘積法和激光熔覆法等，但是這些工藝存在各種不同的缺點，如所獲得的功能梯度材料尺寸小、性能差或成本高等。

發明內容

為了解決現有技術問題，本發明的目的在于克服已有技術存在的不足，提供一種利用軸向均恒磁場制備功能梯度材料的方法及其定向凝固裝置，能進行金屬原位功能梯度復合材料的制備，利用磁場誘發的熱電磁力作用在合金熔體上，產生熱電磁流動，由于合金熔體中析出相的含量隨溫度的下降而增加和定向凝固過程中溫度梯度的存在，熔體經過低溫處時，有利于析出相的析出和已經析出的相快速生長，導致析出相體積分數超過該合金平衡凝固時析出相的體積分數，隨著定向凝固的進行，剩余熔體中溶質含量減少，甚至變成貧溶質熔體，最終以共晶合金的成分凝固，形成一種上部為共晶、下部為初生相和共晶相的功能梯度材料，為制備功能梯度材料提供了一種全新的技術，也為利用軸向均恒磁場進行特殊材料制備提供了新的工藝方向。

為達到上述目的，本發明采用如下技術方案：

一種利用軸向均恒磁場制備功能梯度材料的方法，包括如下步驟：

a.原料制備：

按照待制備的功能梯度材料的合金成分，選取純金屬作為原料，在真空感應懸浮爐內進行反復熔煉，使其成分均勻化，然后將合金熔體用石英管進行負壓吸鑄，獲得成分均勻的原始合金棒；

b.定向凝固設備安裝：

將定向凝固裝置放入軸向均恒磁場中，磁場中心附近的磁場強度在不大于5T的范圍內連續可調，將在步驟a中制備的原始合金棒表面處理干凈，裝入相應尺寸的剛玉坩堝中，將剛玉坩堝固定在定向凝固的拉桿上端，剛玉坩堝隨拉桿在加熱爐內上下移動，通過控制定向凝固的抽拉系統以設定的抽拉速度進行定向凝固，定向凝固的方向平行于軸向磁場的方向，同時調整加熱爐在磁場中的位置，當剛玉坩堝內合金融化后，使剛玉坩堝內合金的凝固界面保持在均恒磁場區；

c.功能梯度材料制備：

固定好在所述步驟b中設置的定向凝固設備后，向加熱爐內通入惰性氣體作為保護氣體，然后啟動加熱裝置，按照不大于10℃/min的預設的加熱速度進行升溫，升到不高于1600℃的指定的溫度后，然后開啟磁場發生裝置，在磁場的作用下，并在至少30分鐘后使剛玉坩堝內原始合金棒完全融化形成均勻化的金屬熔體，然后開啟定向凝固抽拉系統，按照不高于20μm/s的抽拉速率進行定向凝固，直到剛玉坩堝內的合金熔體都抽拉到裝有冷卻介質的淬火池內，然后從淬火池中取出定向凝固的合金棒，即得到功能梯度材料。

作為本發明優選的技術方案，所制備的功能梯度材料為鋁合金，并且鋁合金中鋁的質量百分比含量為不高于88wt.％。