本發(fā)明涉及材料制備技術(shù)領(lǐng)域,具體地說(shuō),涉及一種制備織構(gòu)化高韌性塊體材料的方法。
背景技術(shù):
單晶材料在不同的晶體學(xué)方向上,其各方面的性能會(huì)表現(xiàn)出顯著差異,這種現(xiàn)象稱為各向異性,利用這種各向異性的特性,擴(kuò)展提高了各種材料的應(yīng)用和使用性能。但單晶材料的制備困難且成本高,制約了材料實(shí)際應(yīng)用。在多晶材料中形成織構(gòu),使得多晶材料具有各向異性,且制備相對(duì)容易成本相對(duì)較低,所以具有廣闊的實(shí)際應(yīng)用前景。
目前,制備具有織構(gòu)的多晶材料的方法,主要有定向凝固法、大變形法和急冷甩帶法。發(fā)明專利201310637736.5“一種高性能各向異性銣鐵硼磁體的制備方法”中,采用先噴射沉積得到銣鐵硼坯錠,然后對(duì)合金坯錠進(jìn)行熱變形得到織構(gòu),再在強(qiáng)磁場(chǎng)下退火強(qiáng)化織構(gòu),最后進(jìn)行低溫退火改善晶界結(jié)構(gòu)。雖然該方法可以獲得高性能的各向異性銣鐵硼磁體合金,但該過(guò)程需要進(jìn)行熱變形,不宜應(yīng)用于脆性材料,且通過(guò)在高磁場(chǎng)下退火來(lái)提高織構(gòu)的步驟,不能應(yīng)用于非磁性材料,施加磁場(chǎng)必然會(huì)提高生產(chǎn)成本和能耗。
材料的力學(xué)性能是一項(xiàng)重要的指標(biāo),尤其對(duì)于工程材料高的強(qiáng)度、高的塑性和高的韌性,一直是材料研究人員在追求的目標(biāo)。從機(jī)理上材料的強(qiáng)化主要有四種機(jī)制,分別為細(xì)晶強(qiáng)化、固溶強(qiáng)化、第二相強(qiáng)化和加工硬化,其中細(xì)晶強(qiáng)化是唯一可以在提高強(qiáng)度的同時(shí)提高材料的塑性。
在發(fā)明專利201610050074.5中,公開了一種重力鑄造與熱擠出組合工藝制備高強(qiáng)高塑高韌性亞共晶鋁硅合金材料的方法,該方法首先采用重力鑄造得到鋁硅合金,再在真空下熱擠出改善合金組織,最后在退火得到固溶的亞共晶。雖然該方法可以獲得高強(qiáng)高塑高韌性亞共晶鋁硅合金,但該過(guò)程需要進(jìn)行熱變形,但是不宜應(yīng)用于脆性材料。具有織構(gòu)的多晶高韌性材料,具有巨大的應(yīng)用前景,傳統(tǒng)的定向凝固工藝得到的材料往往力學(xué)性能不足,而大變形的制備方法又不宜應(yīng)用于脆性材料。因此,既可應(yīng)用于塑性材料,也可以用于脆性材料,從而獲得具有高韌性和織構(gòu)材料的新型制備工藝,成為需迫切解決的重要問題。
技術(shù)實(shí)現(xiàn)要素:
為了避免現(xiàn)有技術(shù)存在的不足,本發(fā)明提出一種制備織構(gòu)化高韌性塊體材料的方法。該方法既適用于塑性材料也可適用于脆性材料的制備,其通過(guò)急冷甩帶工藝與壓力下固相燒結(jié)工藝相結(jié)合的復(fù)合工藝,有效地細(xì)化晶粒和控制晶粒的取向,從而制備出織構(gòu)化的高韌性塊材。
本發(fā)明解決其技術(shù)問題所采用的技術(shù)方案是:
一種制備織構(gòu)化高韌性塊體材料的方法,其特征在于包括以下步驟:
步驟1.在高真空單輥旋淬設(shè)備上進(jìn)行甩帶;
將打磨干凈的合金材料裝插在單輥旋淬設(shè)備的感應(yīng)線圈中間的石英管中;開啟真空泵,將腔室內(nèi)抽真空直至1×10-3pa,在感應(yīng)線圈上接通30a的電流,待固體材料感應(yīng)熔化成液態(tài),打開氬氣閥門,向石英管中充入高純氬氣,將液態(tài)材料噴射到水冷的銅輥上,得到具有織構(gòu)的薄帶;
步驟2.選取薄帶;
將選取的帶材有序的堆疊到石墨模具中,石墨陰模與帶材使用石墨紙隔開,兩端用石墨墊片和石墨壓頭封上;
步驟3.燒結(jié);
將已堆疊入薄帶的石墨模具放入燒結(jié)爐中,抽真空直至1×10-3pa,施加60mpa壓力,在600℃進(jìn)行燒結(jié),保溫20分鐘,得到晶粒不生長(zhǎng)的原始織構(gòu)的塊材;
步驟4.待燒結(jié)爐體降溫,真空恢復(fù)到常壓,打開石墨模具,取出燒結(jié)的塊材。
有益效果
本發(fā)明提出的一種制備織構(gòu)化高韌性塊體材料的方法,該方法通過(guò)急冷甩帶工藝與壓力下固相燒結(jié)工藝相結(jié)合的復(fù)合工藝,有效地細(xì)化晶粒和控制晶粒的取向,從而制備出織構(gòu)化的高韌性塊材。
本發(fā)明制備織構(gòu)化高韌性塊體材料的方法與傳統(tǒng)的定向凝固工藝相比,效果如下:
(1)采用急冷甩帶法制備先期薄帶,晶粒細(xì)小且具有強(qiáng)烈的織構(gòu),為后期燒結(jié)提供了先期必要條件。
(2)采用燒結(jié)工藝,將有序堆疊好的薄帶燒結(jié)成致密的塊材保證晶粒不長(zhǎng)大,從而獲得致密的具有織構(gòu)的高韌性塊體材料。
(3)甩帶工藝和燒結(jié)工藝,既適用于塑性材料也可適用于脆性材料的制備,并有效的控制了晶粒的大小和取向從而制備出了織構(gòu)化的高韌性的塊材。
本發(fā)明制備織構(gòu)化高韌性塊體材料的方法,提供一種既可適用于塑性材料也可適用于脆性材料的制備方法,用于織構(gòu)化高韌性塊材的制備,其通過(guò)急冷甩帶工藝與壓力下固相燒結(jié)工藝相結(jié)合的復(fù)合工藝,有效地細(xì)化晶粒和控制晶粒的取向,從而制備出織構(gòu)化的高韌性塊材。具有織構(gòu)的多晶高韌性材料應(yīng)用前景廣闊。
附圖說(shuō)明
下面結(jié)合附圖和實(shí)施方式對(duì)本發(fā)明一種制備織構(gòu)化高韌性塊體材料的方法作進(jìn)一步詳細(xì)說(shuō)明。
圖1a、圖1b為將薄帶有序堆疊到模具中的示意圖。
圖2為急冷甩帶的薄帶和本發(fā)明制備的塊材示意圖。
圖3為普通鑄態(tài)試樣和本發(fā)明制備的塊材的壓縮應(yīng)力應(yīng)變曲線。
圖4為本發(fā)明的流程圖。
圖中:
1.石墨壓頭2.石墨墊片3.薄帶帶材4.石墨陰模5.石墨紙
具體實(shí)施方式
本實(shí)施例是一種制備織構(gòu)化高韌性塊體材料的方法。
本實(shí)施例從制備工藝入手,采用急冷甩帶工藝與壓力下燒結(jié)工藝相結(jié)合的復(fù)合工藝,該工藝既可應(yīng)用于塑性材料也可用于脆性材料,同時(shí)制備的合金具有強(qiáng)烈織構(gòu)和高的韌性。
急冷甩帶法過(guò)程為:將熔化的合金液體噴射到水冷的基板上得到帶材,因?yàn)闊崃鞣较虼怪庇谒浠?,所以晶粒垂直于基板表面生長(zhǎng),同時(shí)凝固過(guò)程迅速,所得到的帶材晶粒細(xì)小且具有強(qiáng)烈的織構(gòu)。在此基礎(chǔ)上,對(duì)帶材進(jìn)行固相壓力燒結(jié),將帶材燒結(jié)成致密的塊材;同時(shí),由于燒結(jié)溫度低、燒結(jié)時(shí)間短,細(xì)小的晶粒不長(zhǎng)大,所以能保持原始織構(gòu)并得到高的韌性,同時(shí)這兩種工藝都適用于塑性和脆性材料。因此,急冷甩帶工藝與固相壓力燒結(jié)工藝相結(jié)合的復(fù)合工藝,能實(shí)現(xiàn)制備高韌性的織構(gòu)的多晶材料。
本實(shí)施例制備織構(gòu)化高韌性塊體材料的方法,具體步驟如下:
首先,在高真空單輥旋淬設(shè)備上進(jìn)行甩帶,將打磨干凈的合金材料裝插在單輥旋淬設(shè)備的感應(yīng)線圈中間的石英管中,打開真空泵將腔室抽真空直至1×10-3pa,在感應(yīng)線圈上通上電流,等固體材料感應(yīng)熔化成液態(tài),打開氬氣閥門,向石英管中充入高純氬氣,將液態(tài)材料噴射到水冷的銅輥上,得到具有織構(gòu)的晶粒細(xì)小的薄帶。
其次,選取完整的薄帶,將薄帶帶材有序的堆疊到特制的石墨模具中,石墨陰模4與薄帶帶材3用石墨紙5隔離開,兩端用石墨墊片2和石墨壓頭1封上。
然后,將堆疊入的樣品的石墨模具放入燒結(jié)爐中,抽真空直至1×10-3pa,施加壓力進(jìn)行燒結(jié)。
最后,待燒結(jié)爐體降溫,真空恢復(fù)到常壓,打開石墨模具,取出燒結(jié)的塊材。
實(shí)施例
本實(shí)施例應(yīng)用于織構(gòu)化高韌性nimninco合金塊材的制備,具體實(shí)施步驟如下:
1、在高真空單輥旋淬設(shè)備上進(jìn)行甩帶,將打磨干凈的nimninco合金材料裝插在單輥旋淬設(shè)備的感應(yīng)線圈中間的石英管中,打開真空泵將腔室抽真空直至1×10-3pa,在感應(yīng)線圈上通上30a電流,等固體材料感應(yīng)熔化成液態(tài),打開氬氣閥門,往石英管中沖入0.3mpa壓力的高純氬氣,將液態(tài)材料噴射到水冷的轉(zhuǎn)速為15m/s的銅輥上,得到晶粒大小為10μm具有織構(gòu)厚度為50μm的合金薄帶。
2、首先在石墨模具陰模4內(nèi)壁鋪墊石墨紙5,再在一端放入石墨壓頭1和石墨墊片2;然后使薄帶自由表面朝上放入石墨模具中,最后,放入另一端的石墨墊片和石墨壓頭。
3、將已經(jīng)裝好薄帶的模具放入放電等離子燒結(jié)爐中,抽真空直至1×10-3pa,施加60mpa的壓力,放電燒結(jié)在600℃保溫20分鐘,等燒結(jié)爐冷至室溫,取出燒結(jié)后的塊材。
4、從步驟1和步驟3得到的薄帶和燒結(jié)塊材的織構(gòu)用背散射電子衍射技術(shù)進(jìn)行分析,薄帶和燒結(jié)后塊材均具有強(qiáng)烈的織構(gòu)。
在萬(wàn)能力學(xué)試驗(yàn)機(jī)上測(cè)試本實(shí)施例制備nimninco合金塊材的力學(xué)性能,并與傳統(tǒng)鑄造出的試樣進(jìn)行對(duì)比,見圖中的普通鑄態(tài)試樣和本實(shí)施例制備的塊材的壓縮應(yīng)力應(yīng)變曲線,制備的nimninco合金塊材的力學(xué)性能優(yōu)于傳統(tǒng)鑄造試樣,且具有較高的韌性。