在橫向磁場下制備梯度材料的方法及定向凝固裝置制造方法
【專利摘要】本發(fā)明公開了一種在橫向磁場下制備梯度材料的方法，通過在定向凝固過程中引入橫向磁場，在固液界面前沿枝晶上形成熱電磁力和與之方向相反的熱電磁流動效應(yīng)，在這種效應(yīng)的作用下，溶質(zhì)向凝固坯殼一側(cè)偏聚，枝晶向凝固坯殼另一側(cè)偏聚，形成枝晶組織和共晶組織梯度分布的梯度材料。本發(fā)明還公開了一種定向凝固裝置，由保護(hù)氣氛輸入管、水冷夾套、加熱爐、控溫裝置、淬火池、剛玉管、拉桿組成和超導(dǎo)強(qiáng)磁體裝置組成，產(chǎn)生的橫向靜磁場產(chǎn)生的靜磁場強(qiáng)度范圍為0~1T，使超導(dǎo)強(qiáng)磁體裝置產(chǎn)生的磁場強(qiáng)度的方向與金屬熔體的定向凝固方向相互垂直，并使金屬熔體在定向凝固過程中的固液界面始終位于超導(dǎo)強(qiáng)磁體裝置產(chǎn)生的穩(wěn)恒磁場區(qū)域。
【專利說明】在橫向磁場下制備梯度材料的方法及定向凝固裝置
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001]本發(fā)明涉及一種功能復(fù)合材料制備工藝和裝置，特別是涉及一種梯度復(fù)合材料工藝和裝置，應(yīng)用于復(fù)合材料組織控制【技術(shù)領(lǐng)域】。
【背景技術(shù)】
[0002]梯度功能材料(FunctionallyGradientMaterials:FGM)作為一種組織、結(jié)構(gòu)、特性參數(shù)和物理、化學(xué)、生物等單一或復(fù)合性能都呈連續(xù)變化，以適應(yīng)不同環(huán)境，實現(xiàn)某一特殊功能的一類新型復(fù)合材料，被廣泛應(yīng)用到核能、生物醫(yī)學(xué)、機(jī)械、石油化工、信息、民用及航空航天領(lǐng)域。
[0003]目前梯度功能材料的制備方法按原料的形態(tài)可分為氣相法、液相熔融態(tài)法和固相粉末法三種。其主要制備梯度功能材料的方法主要有:化學(xué)氣相沉積法、物理蒸發(fā)法、等離子噴涂法、顆粒梯度排列法、自蔓延高溫合成法、液膜直接成型法、薄膜浸滲成型法、增加熔凝固法以及激光涂覆等。這些制備方法在很大程度上滿足了人們對梯度功能材料的需求，但是這些制備工藝受工藝所限，大多制備方法僅能用來制備成形薄膜或小塊體材料，影響了梯度材料在工業(yè)領(lǐng)域的應(yīng)用。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0004]為了解決現(xiàn) 有技術(shù)問題，本發(fā)明的目的在于克服已有技術(shù)存在的不足，提供一種在橫向磁場下制備梯度材料的方法及定向凝固裝置，與傳統(tǒng)制備梯度功能材料的方法對t匕，本發(fā)明方法通過在定向凝固過程中引入橫向磁場，在固液界面前沿枝晶上形成熱電磁力和與之方向相反的熱電磁流動效應(yīng)，在這種效應(yīng)的作用下，溶質(zhì)向凝固坯殼一側(cè)偏聚，枝晶向凝固坯殼另一側(cè)偏聚，形成枝晶組織和共晶組織梯度分布的梯度材料。
[0005]為達(dá)到上述發(fā)明創(chuàng)造目的，本發(fā)明采用下述技術(shù)方案:
一種在橫向磁場下制備梯度材料的方法，包括以下步驟:
a.選擇純度至少為99.99%的高純合金原料，配制成合金在真空爐中熔煉，同時對合金熔體施加電磁攪拌接近I小時，使合金原料充分合金化后，將合金熔體用石英管進(jìn)行真空負(fù)壓吸鑄，得到成分均勻的合金棒材，并將所得到的合金棒材封裝在剛玉管中；
b.將定向凝固裝置放入橫向靜磁場中，橫向靜磁場產(chǎn)生的靜磁場強(qiáng)度范圍為0-ιτ,將在上述步驟a中裝有合金棒材的剛玉管豎直安裝于定向凝固裝置的拉桿上端，使剛玉管能在加熱爐中抽拉作豎直移動，當(dāng)加熱爐加熱使剛玉管內(nèi)的合金棒材的下段熔化后，開啟抽拉系統(tǒng)牽引拉桿，控制以設(shè)定的拉速速率進(jìn)行定向凝固，使剛玉管內(nèi)的合金棒材的下段首先進(jìn)入定向凝固裝置中，使剛玉管內(nèi)的合金熔體定向凝固方向與橫向靜磁場的磁場方向垂直，并使剛玉管內(nèi)的合金熔體凝固界面前沿液相的溫度梯度隨加熱爐溫度保持線性變化，同時在拉桿抽拉過程中還需保持剛玉管內(nèi)的合金固液界面處于穩(wěn)恒磁場區(qū)域內(nèi)；
c.當(dāng)牽引拉桿抽拉至使剛玉管內(nèi)的合金熔體穩(wěn)定凝固時，將在上述步驟b中裝有合金棒材的剛玉管迅速拉入Ga-1n-Sn淬火池中進(jìn)行淬火，得到合金凝固組織發(fā)生梯度分布改變的定向凝固枝晶組織。
[0006]作為本發(fā)明的一種優(yōu)選的技術(shù)方案，在制備Sn-Pb合金梯度材料時，包括以下步驟:首先，在上述步驟a中，選擇純度至少為99.99%的高純合金原料，配制成合金成分為Sn-20wt%Pb的Sn-Pb合金在真空爐中熔煉，同時對Sn-Pb合金熔體施加電磁攪拌，使Sn-Pb合金原料充分合金化后，將Sn-Pb合金熔體用石英管進(jìn)行真空負(fù)壓吸鑄，得到成分均勻的Sn-Pb合金體系的棒材，并將所得到的Sn-Pb合金棒材封裝在剛玉管中；然后，在上述步驟b中，控制Sn-Pb合金在定向凝固過程中的加熱爐中心爐溫為600°C，并使剛玉管內(nèi)的Sn-Pb合金熔體的固液界面前沿的溫度梯度為52K/cm，當(dāng)加熱使剛玉管內(nèi)的Sn-Pb合金熔化并保溫接近0.5小時后，再開啟抽拉系統(tǒng)以接近5 μ m/s的抽拉速率使剛玉管內(nèi)的Sn-Pb合金熔體進(jìn)行定向凝固；最后，在上述步驟c中，將上述步驟b中裝有Sn-Pb合金棒材的剛玉管迅進(jìn)行淬火，得到具有梯度分布組織的定向凝固枝晶組織。
[0007]作為本發(fā)明的另一種優(yōu)選的技術(shù)方案，制備Al-Cu合金梯度材料時，包括以下步驟:首先，在上述步驟a中，選擇純度至少為99.99%的高純合金原料，配制成合金成分為Al-40wt%Cu的Al-Cu合金在真空爐中熔煉，同時對Al-Cu合金熔體施加電磁攪拌，使Al-Cu合金原料充分合金化后，將Al-Cu合金熔體用石英管進(jìn)行真空負(fù)壓吸鑄，得到成分均勻的Al-Cu合金體系的棒材，并將所得到的Al-Cu合金棒材封裝在剛玉管中；然后，在上述步驟b中，控制Al-Cu合金在定向凝固過程中的加熱爐中心爐溫為900°C，并使剛玉管內(nèi)的Al-Cu合金熔體的固液界面前沿的溫度梯度為68K/cm，當(dāng)加熱使剛玉管內(nèi)的Al-Cu合金熔化并保溫接近0.5小時后，再開啟抽拉系統(tǒng)以接近5 μ m/s的抽拉速率使剛玉管內(nèi)的Al-Cu合金熔體進(jìn)行定向凝固；最后，在上述步驟c中，將上述步驟b中裝有Al-Cu合金棒材的剛玉管迅進(jìn)行淬火，得到具有梯度分布組織的定向凝固枝晶組織。
[0008]一種實施本發(fā)明在橫向磁場下制備梯度材料的方法的定向凝固裝置，由保護(hù)氣氛輸入管、水冷夾套、加熱爐、控溫裝置、淬火池、剛玉管以及拉桿組成，淬火池設(shè)置于加熱爐的下方，水冷夾套安裝在加熱爐的外側(cè)，控溫裝置控制加熱爐的溫度，將合金棒試樣封裝在剛玉管內(nèi)，再將剛玉管放置在加熱爐內(nèi)，保護(hù)氣氛輸入管從加熱爐頂端通入惰性氣體，使剛玉管處于惰性氣體保護(hù)氣氛下，剛玉管豎直安裝于拉桿的上端，使拉桿與剛玉管底部固定連接，在剛玉管內(nèi)的合金棒試樣在加熱爐的加熱作用下發(fā)生熔融，形成合金棒熔體，通過定向凝固作用，使合金棒熔體從底部開始凝固，形成合金棒已凝固部分，在水冷夾套的外側(cè)還設(shè)有超導(dǎo)強(qiáng)磁體裝置，產(chǎn)生的橫向靜磁場產(chǎn)生的靜磁場強(qiáng)度范圍為0?1Τ，使超導(dǎo)強(qiáng)磁體裝置產(chǎn)生的磁場強(qiáng)度的方向與剛玉管內(nèi)的金屬熔體的定向凝固方向相互垂直，并使剛玉管內(nèi)的金屬熔體在定向凝固過程中的固液界面始終位于超導(dǎo)強(qiáng)磁體裝置產(chǎn)生的穩(wěn)恒磁場區(qū)域。
[0009]作為本發(fā)明定向凝固裝置優(yōu)選的技術(shù)方案，淬火池內(nèi)的冷卻介質(zhì)最好采用Ga-1n-Sn冷卻劑。
[0010]本發(fā)明原理:
本發(fā)明基于橫向磁場的熱電磁效應(yīng)。熱電磁效應(yīng)來源于磁場和枝晶上的熱電流的相互作用，熱電流產(chǎn)生的原理是Seebeck效應(yīng)，當(dāng)兩個Seebeck系數(shù)，即ns和H1,不同的金屬上下兩端分別連接在一起，且兩結(jié)點之間具有溫度梯度AT，回路中就會形成熱電流，產(chǎn)生一個熱電勢。在合金定向凝固過程中施加橫向磁場，在一定溫度梯度作用下，枝晶尖端的熱電流與橫向磁場的作用下，枝晶間的金屬液體在熱電磁力作用下向坩堝一側(cè)流動。與此同時，固相枝晶上受到相反的熱電磁力作用向坩堝另一側(cè)移動。
[0011]Seebeck效應(yīng)產(chǎn)生溫差熱電勢，溫差熱電勢導(dǎo)致初生相和熔體中熱電流的產(chǎn)生，如圖1所示，假設(shè)作用在枝晶上的熱電流為Λ，作用在周邊熔體中的熱電流為Λ，則有:
【權(quán)利要求】
1.一種在橫向磁場下制備梯度材料的方法，其特征在于，包括以下步驟: a.選擇純度至少為99.99%的高純合金原料，配制成合金在真空爐中熔煉，同時對合金熔體施加電磁攪拌接近I小時，使合金原料充分合金化后，將合金熔體用石英管進(jìn)行真空負(fù)壓吸鑄，得到成分均勻的合金棒材，并將所得到的合金棒材封裝在剛玉管中； b.將定向凝固裝置放入橫向靜磁場中，橫向靜磁場產(chǎn)生的靜磁場強(qiáng)度范圍為0~1Τ,將在上述步驟a中裝有合金棒材的剛玉管豎直安裝于定向凝固裝置的拉桿上端，使剛玉管能在加熱爐中抽拉作豎直移動，當(dāng)加熱爐加熱使剛玉管內(nèi)的合金棒材的下段熔化后，開啟抽拉系統(tǒng)牽引拉桿，控制以設(shè)定的拉速速率進(jìn)行定向凝固，使剛玉管內(nèi)的合金棒材的下段首先進(jìn)入定向凝固裝置中，使剛玉管內(nèi)的合金熔體定向凝固方向與橫向靜磁場的磁場方向垂直，并使剛玉管內(nèi)的合金熔體凝固界面前沿液相的溫度梯度隨加熱爐溫度保持線性變化，同時在拉桿抽拉過程中還需保持剛玉管內(nèi)的合金固液界面處于穩(wěn)恒磁場區(qū)域內(nèi)； c.當(dāng)牽引拉桿抽拉至使剛玉管內(nèi)的合金熔體穩(wěn)定凝固時，將在上述步驟b中裝有合金棒材的剛玉管迅速拉入Ga-1n-Sn淬火池中進(jìn)行淬火，得到合金凝固組織發(fā)生梯度分布改變的定向凝固枝晶組織。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述在橫向磁場下制備梯度材料的方法，其特征在于，在制備Sn-Pb合金梯度材料時，包括以下步驟:首先，在上述步驟a中，選擇純度至少為99.99%的高純合金原料，配制成合金成分為Sn-20wt%Pb的Sn-Pb合金在真空爐中熔煉，同時對Sn-Pb合金熔體施加電磁攪拌，使Sn-Pb合金原料充分合金化后，將Sn-Pb合金熔體用石英管進(jìn)行真空負(fù)壓吸鑄，得到成分均勻的Sn-Pb合金體系的棒材，并將所得到的Sn-Pb合金棒材封裝在剛玉管中；然后，在上述步驟b中，控制Sn-Pb合金在定向凝固過程中的加熱爐中心爐溫為600°C，并使剛玉管內(nèi)的Sn-Pb合金熔體的固液界面前沿的溫度梯度為52K/cm，當(dāng)加熱使剛玉管內(nèi)的Sn-Pb合金熔化并保溫接近0.5小時后，再開啟抽拉系統(tǒng)以接近5 μ m/s的抽拉速率使剛玉管內(nèi)的Sn-Pb合金熔體進(jìn)行定向凝固；最后，在上述步驟c中，將上述步驟b中裝有Sn-Pb合金棒材的剛玉管迅進(jìn)行淬火，得到具有梯度分布組織的定向凝固枝晶組織。
3.根據(jù)權(quán)利要求1所述在橫向磁場下制備梯度材料的方法，其特征在于，制備Al-Cu合金梯度材料時，包括以下步驟:首先，在上述步驟a中，選擇純度至少為99.99%的高純合金原料，配制成合金成分為Al-40wt%Cu的Al-Cu合金在真空爐中熔煉，同時對Al-Cu合金熔體施加電磁攪拌，使Al-Cu合金原料充分合金化后，將Al-Cu合金熔體用石英管進(jìn)行真空負(fù)壓吸鑄，得到成分均勻的Al-Cu合金體系的棒材，并將所得到的Al-Cu合金棒材封裝在剛玉管中；然后，在上述步驟b中，控制Al-Cu合金在定向凝固過程中的加熱爐中心爐溫為900°C，并使剛玉管內(nèi)的Al-Cu合金熔體的固液界面前沿的溫度梯度為68K/cm，當(dāng)加熱使剛玉管內(nèi)的Al-Cu合金熔化并保溫接近0.5小時后，再開啟抽拉系統(tǒng)以接近5 μ m/s的抽拉速率使剛玉管內(nèi)的Al-Cu合金熔體進(jìn)行定向凝固；最后，在上述步驟c中，將上述步驟b中裝有Al-Cu合金棒材的剛玉管迅進(jìn)行淬火，得到具有梯度分布組織的定向凝固枝晶組織。
4.一種實施權(quán)利要求1所述在橫向磁場下制備梯度材料的方法的定向凝固裝置，由保護(hù)氣氛輸入管、水冷夾套(I)、加熱爐(2)、控溫裝置、淬火池(6)、剛玉管(8)以及拉桿(7)組成，所述淬火池(6 )設(shè)置于所述加熱爐(2 )的下方，所述水冷夾套(I)安裝在所述加熱爐(2 )的外側(cè)，所述控溫裝置控制所述加熱爐(2)的溫度，將合金棒試樣封裝在所述剛玉管(8)內(nèi)，再將所述剛玉管(8)放置在所述加熱爐(2)內(nèi)，所述保護(hù)氣氛輸入管從所述加熱爐(2)頂端通入惰性氣體，使所述剛玉管(8)處于惰性氣體保護(hù)氣氛下，所述剛玉管(8)豎直安裝于所述拉桿(7)的上端，使所述拉桿(7)與所述剛玉管(8)底部固定連接，其特征在于:在所述剛玉管(8)內(nèi)的合金棒試樣在所述加熱爐(2)的加熱作用下發(fā)生熔融，形成合金棒熔體(3)，通過定向凝固作用，使合金棒熔體(3)從底部開始凝固，形成合金棒已凝固部分(5)，在水冷夾套(I)的外側(cè)還設(shè)有超導(dǎo)強(qiáng)磁體裝置(4 ),產(chǎn)生的橫向靜磁場產(chǎn)生的靜磁場強(qiáng)度范圍為0-1Τ，使所述超導(dǎo)強(qiáng)磁體裝置(4)產(chǎn)生的磁場強(qiáng)度(B)的方向與所述剛玉管(8)內(nèi)的金屬熔體的定向凝固方向(G)相互垂直，并使所述剛玉管(8)內(nèi)的金屬熔體在定向凝固過程中的固液界面始終位于所述超導(dǎo)強(qiáng)磁體裝置(4)產(chǎn)生的穩(wěn)恒磁場區(qū)域。
5.根據(jù)權(quán)利要求4所述定向凝固裝置，其特征在于:所述淬火池(6)內(nèi)的冷卻介質(zhì)采用Ga-1n-Sn冷 卻劑。
【文檔編號】B22D27/02GK103990780SQ201410210923
【公開日】2014年8月20日 申請日期:2014年5月19日 優(yōu)先權(quán)日:2014年5月19日
【發(fā)明者】李喜, 杜大帆, 王科峰, 關(guān)光 申請人:上海大學(xué)