利用穩(wěn)態(tài)磁場制備亞穩(wěn)金屬材料的方法及應用
【專利摘要】本發(fā)明公開了一種利用穩(wěn)態(tài)磁場制備亞穩(wěn)金屬材料的方法及應用，在大于1T的穩(wěn)態(tài)磁場下，并采用快速凝固方法，將金屬熔體冷卻至金屬凝固時的固?液兩相區(qū)對應的某一設定溫度進行保溫，在保溫一定時間后，再將尚在進行初始凝固的金屬材料體系快速放入淬火介質(zhì)中進行淬火，在淬火工藝過程中，金屬材料體系一直處于穩(wěn)態(tài)磁場之中，從而獲得亞穩(wěn)金屬材料。本發(fā)明利用磁場與金屬材料的相互作用，在快速淬火過程中施加穩(wěn)態(tài)磁場，制備亞穩(wěn)金屬材料。本發(fā)明方法與傳統(tǒng)淬火技術相比，能夠在相同的冷卻條件下獲得更快的冷速，對淬火設備要求低，應用前景廣泛。此外，該技術設備工藝簡單，有利于廣泛應用。
【專利說明】
利用穩(wěn)態(tài)磁場制備亞穩(wěn)金屬材料的方法及應用
技術領域
[0001 ]本發(fā)明涉及一種金屬材料的制備方法及應用，特別是涉及一種亞穩(wěn)金屬材料的制備方法及應用，應用于金屬材料加工領域。
【背景技術】
[0002]亞穩(wěn)金屬材料因其具有穩(wěn)定金屬材料所不具備的某些優(yōu)異性能而受到廣泛的關注和研究。這一方面是因為，利用穩(wěn)定相—亞穩(wěn)相—穩(wěn)定相的相變過程，在不改變合金成分的條件下可以使穩(wěn)定相的微觀組織形態(tài)得到很大改善，從而提高合金的性能，這比設計研制一種新成分的合金更加快捷簡單；另一方面，金屬材料中的許多亞穩(wěn)相都具有穩(wěn)定相所沒有的微觀組織結構和性能，只要在使用狀態(tài)下不存在使亞穩(wěn)相穩(wěn)定化轉(zhuǎn)變的熱激活條件，就可以長期使用由亞穩(wěn)相增強的材料。
[0003]亞穩(wěn)金屬材料已經(jīng)成為現(xiàn)代工業(yè)中重要的組成部分，如:航空航天用的鋁合金或鋼產(chǎn)品。為了研究和應用亞穩(wěn)材料，人們已經(jīng)開發(fā)了一些用于制備亞穩(wěn)金屬材料方法，如:快速凝固技術，氣相沉積，高能輻射法，機械合金化，非晶退火法等。這些傳統(tǒng)的方法，雖然能制備出亞穩(wěn)金屬材料，但是其體積都被限制在厘米級以下或者是只能形成很少的幾種亞穩(wěn)相，而且其制備方法對設備及加工條件要求苛刻，難以有進一步突破，例如:快速淬火法制備亞穩(wěn)相需要極快的冷卻速率，而為了提高冷速速率，往往只能犧牲產(chǎn)品的體積;快速凝固的箔片、條帶、粉粒需經(jīng)過極為復雜的緊實、燒結及塑性成型工藝過程，在后續(xù)加工中，急冷態(tài)的亞穩(wěn)相及與之相適應的特殊性能常難以完全保持。這極大地限制了亞穩(wěn)金屬材料在實際工業(yè)生產(chǎn)中的廣泛應用。這樣的矛盾現(xiàn)象迫使人們尋求新的亞穩(wěn)金屬材料制備方法。因此，開發(fā)亞穩(wěn)金屬材料制備新技術成為亞穩(wěn)材料領域亟待解決的技術問題。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0004]為了解決現(xiàn)有技術問題，本發(fā)明的目的在于克服已有技術存在的不足，提供一種利用穩(wěn)態(tài)磁場制備亞穩(wěn)金屬材料的方法及應用，利用磁場與金屬材料的相互作用，在快速淬火過程中施加穩(wěn)態(tài)磁場，制備亞穩(wěn)金屬材料。本發(fā)明方法與傳統(tǒng)淬火技術相比，能夠在相同的冷卻條件下獲得更快的冷速，對淬火設備要求低，應用前景廣泛。
[0005]為達到上述發(fā)明創(chuàng)造目的，本發(fā)明構思如下:
制備亞穩(wěn)材料通常需要采用兩步法制備，包括能量化過程及快速凍結過程。能量化過程即通過氣化，溶解，輻射，塑性變形，加熱等方式使材料轉(zhuǎn)變?yōu)楣虘B(tài)，液態(tài)及氣態(tài)，材料系統(tǒng)的自由能增加?？焖賰鼋Y過程是將完成能量化過程的處于高能態(tài)的材料進行快速凍結，以獲得所需的亞穩(wěn)材料。一般以冷卻速率表征凍結快慢，因此，提高冷卻速率已經(jīng)成為制備亞穩(wěn)材料的重要手段。采用施加磁場能夠改變冷速速率，能改善亞穩(wěn)材料制備方法，從而更容易獲得亞穩(wěn)材料。
[0006]根據(jù)上述發(fā)明構思，本發(fā)明采用下述技術方案:
一種利用穩(wěn)態(tài)磁場制備亞穩(wěn)金屬材料的方法，在大于IT的穩(wěn)態(tài)磁場下，采用快速凝固方法，將金屬熔體冷卻至金屬凝固時的固-液兩相區(qū)對應的某一設定溫度進行保溫，在保溫一定時間后，再將尚在進行初始凝固的金屬材料體系快速放入淬火介質(zhì)中進行淬火，在淬火工藝過程中，金屬材料體系一直處于穩(wěn)態(tài)磁場之中，從而獲得亞穩(wěn)金屬材料。本發(fā)明金屬熔體首先在固液兩相區(qū)某一溫度保溫一段時間，確保固/液兩相達到熱力學平衡條件，有利于提高亞穩(wěn)定材料制備的質(zhì)量，使制備過程更加可控。
[0007]作為本發(fā)明優(yōu)選的技術方案，將金屬熔體冷卻至金屬凝固時的固-液兩相區(qū)對應的設定溫度進行保溫，保溫時間?大于固-液兩相達到熱力學平衡條件所需要的時間，即:?> X 2ZD，其中是固相特征長度4是固相擴散系數(shù)。保溫完成以后，再進行淬火工藝。
[0008]作為上述方案的進一步優(yōu)選的技術方案，穩(wěn)態(tài)磁場采用磁場強度為6τ的磁場。
[0009]作為上述方案的進一步優(yōu)選的技術方案，將金屬熔體冷卻至金屬凝固時的固-液兩相區(qū)對應的設定溫度進行保溫3 h后，再進行淬火工藝。
[00?0] —種本發(fā)明利用穩(wěn)態(tài)磁場制備亞穩(wěn)金屬材料的方法的應用，對Al_45wt%Cu合金實施了無磁場下的快速淬火處理，制備亞穩(wěn)相凝固組織。
[0011]本發(fā)明與現(xiàn)有技術相比較，具有如下顯而易見的突出實質(zhì)性特點和顯著優(yōu)點:
1.相比傳統(tǒng)淬火法制備亞穩(wěn)材料，本發(fā)明在同樣的快速淬火條件下，在合金熔體淬火過程中施加了穩(wěn)態(tài)磁場，利用磁場提高金屬熔體在淬火過程中的冷卻速率，結合了快速凝固方法及磁場加工方法的優(yōu)勢，更容易制備亞穩(wěn)金屬材料；
2.本發(fā)明在不改變淬火設備的基礎上，僅增加穩(wěn)態(tài)磁場，設備工藝簡單，有利于廣泛應用。
【附圖說明】
[0012]圖1為本發(fā)明優(yōu)選實施例磁場淬火實驗裝置結構示意圖。
[0013]圖2為本發(fā)明優(yōu)選發(fā)明實施例和對比例的有無磁場淬火速率比較圖。
[0014]圖3為本發(fā)明優(yōu)選發(fā)明實施例和對比例的有無磁場淬火組織微觀照片比較圖。
[0015]圖4為本發(fā)明優(yōu)選發(fā)明實施例的淬火試樣的XRD圖譜。
【具體實施方式】
[0016]本發(fā)明的優(yōu)選實施例詳述如下:
在本實施例中，參見圖1?4，采用的合金為Al-45wt%Cu合金。將所述合金切割成Φ6πιπι*8mm的圓柱體試樣，之后將所得到的Al-45wt%Cu合金試樣放入圖1所示磁場淬火實驗裝置中在6T穩(wěn)態(tài)磁場的環(huán)境下進行快速淬火處理。本實施例中的磁場淬火裝置如圖1所示，包括樣品支撐桿I，加熱爐2，強磁體3以及淬火池4。本實施例并采用快速凝固方法，具體步驟:首先，以10°C/min的升溫速率將試樣由室溫加熱至750°C，保溫40min;然后以5°C/min的速率將試樣冷卻至Al-45wt%Cu合金凝固時的固-液兩相區(qū)對應的某一設定溫度570 °C，保溫3h，隨后將將尚在進行初始凝固的試樣快速放入淬火池中用水淬火，在淬火工藝過程中，試樣一直處于穩(wěn)態(tài)磁場之中，從而獲得亞穩(wěn)合金材料。本實施例在6T的穩(wěn)態(tài)磁場環(huán)境下，將合金熔體緩慢冷卻至固液兩相區(qū)某一溫度并保溫一段時間，然后將合金熔體放入淬火介質(zhì)中快速淬火。由于磁場改變冷卻速率，磁場下將獲得更大的冷速速率，從而更容易獲得亞穩(wěn)金屬材料。本實施例通過在快速淬火過程中施加穩(wěn)態(tài)磁場，提高金屬熔體在淬火過程中的冷卻速率，更容易獲得亞穩(wěn)金屬材料。本實施例以Al-45wt%Cu合金淬火實驗為例，在淬火過程施加磁場，冷卻速度更快。且凝固組織中出現(xiàn)兩種亞穩(wěn)相，a-Al相，Al4Cu9相。相比傳統(tǒng)的淬火技術，在相同淬火條件下，本實施例施加穩(wěn)態(tài)磁場提高了冷速速率，更容易獲得亞穩(wěn)金屬材料。此外，該技術設備工藝簡單，有利于廣泛應用。
[0017]對比例:
本對比例與實施例基本相同，特別之處在于:
在本實施例中，對Al-45wt%Cu合金實施了無磁場下的快速淬火處理。該處理工藝除穩(wěn)態(tài)磁場強度為OT之外，其他工藝參數(shù)如加熱溫度，保溫時間，淬火方式等均與上述實施例相同。
[0018]實驗測試分析:
通過試驗結果對比表明，上述實施例在6T磁場下的冷卻速率明顯大于無磁場下的冷卻速率，如圖2所示，上述實施例的冷卻速率至少比對比例的冷卻速率增加一倍以上。在圖3中，掃描電鏡顯微組織觀察表明:在快速淬火的過程中，上述實施例施加穩(wěn)恒磁場使得試樣中出現(xiàn)了大量的亞穩(wěn)相，而無磁場下的快速淬火試樣中并未出現(xiàn)亞穩(wěn)相，如圖3所示，A為初生相Al2Cu,B為淬火組織，C為Al4Cu9相。在圖4中，XRD檢測圖譜表明:上述實施例在6T穩(wěn)恒磁場下的快速淬火試樣中存在兩種亞穩(wěn)相，即α-Α1相，Al4Cu9相，而對比例在無磁場下的快速淬火試樣中未出現(xiàn)亞穩(wěn)相，如圖4所示。
[0019]上面結合附圖對本發(fā)明實施例進行了說明，但本發(fā)明不限于上述實施例，還可以根據(jù)本發(fā)明的發(fā)明創(chuàng)造的目的做出多種變化，凡依據(jù)本發(fā)明技術方案的精神實質(zhì)和原理下做的改變、修飾、替代、組合或簡化，均應為等效的置換方式，只要符合本發(fā)明的發(fā)明目的，只要不背離本發(fā)明利用穩(wěn)態(tài)磁場制備亞穩(wěn)金屬材料的方法及應用的技術原理和發(fā)明構思，都屬于本發(fā)明的保護范圍。
【主權項】
1.一種利用穩(wěn)態(tài)磁場制備亞穩(wěn)金屬材料的方法，其特征在于:在大于IT的穩(wěn)態(tài)磁場下，采用快速凝固方法，將金屬熔體冷卻至金屬凝固時的固-液兩相區(qū)對應的某一設定溫度進行保溫，在保溫一定時間后，再將尚在進行初始凝固的金屬材料體系快速放入淬火介質(zhì)中進行淬火，在淬火工藝過程中，金屬材料體系一直處于穩(wěn)態(tài)磁場之中，從而獲得亞穩(wěn)金屬材料。2.根據(jù)權利要求1所述利用穩(wěn)態(tài)磁場制備亞穩(wěn)金屬材料的方法，其特征在于:將金屬熔體冷卻至金屬凝固時的固-液兩相區(qū)對應的設定溫度進行保溫，保溫時間t大于固-液兩相達到熱力學平衡條件所需要的時間，即:? > X 2ZD，其中是固相特征長度4是固相擴散系數(shù)，保溫完成以后，再進行淬火工藝。3.根據(jù)權利要求1或2所述利用穩(wěn)態(tài)磁場制備亞穩(wěn)金屬材料的方法，其特征在于:穩(wěn)態(tài)磁場采用磁場強度為6 T的磁場。4.根據(jù)權利要求1或2所述利用穩(wěn)態(tài)磁場制備亞穩(wěn)金屬材料的方法，其特征在于:將金屬熔體冷卻至金屬凝固時的固-液兩相區(qū)對應的設定溫度進行保溫3 h后，再進行淬火工-H- O5.—種權利要求1所述利用穩(wěn)態(tài)磁場制備亞穩(wěn)金屬材料的方法的應用，其特征在于:對Al-45wt%Cu合金實施了無磁場下的快速淬火處理，制備亞穩(wěn)相凝固組織。
【文檔編號】C22F1/057GK105970133SQ201610266188
【公開日】2016年9月28日
【申請日】2016年4月27日
【發(fā)明人】李傳軍, 任忠鳴, 何盛亞, 郭銳, 玄偉東, 賈尚華, 曹洋
【申請人】上海大學