CN102206785A - 一种柱状晶结构的孪生诱发塑性合金钢及其制备方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种柱状晶结构的孪生诱发塑性合金钢及其制备方法，其主要是将一定化学配比的Mn、Al、Si、C、Fe单质混合，然后依次通过冶炼、定向凝固、热处理的工序得到，本发明可控制合金钢的组织为柱状晶，消除了横向晶界，大大提高了材料的纵向力学性能，实现合金钢在较高水平上调节力学性能；而且本发明持续形成孪晶，获得较高强度与较大塑性，与传统合金钢相比，具有高比强度、高比刚度和能量吸收率高等特点，在很多领域具有广泛的应用前景。

Description

一种柱状晶结构的孪生诱发塑性合金钢及其制备方法

技术领域

本发明涉及一种柱状晶结构的孪生诱发塑性合金钢及其制备方法，特别是一种适用于航空航天等领域的高强度超高塑性合金的制备方法。

背景技术

孪生诱发塑性合金在变形过程中持续形成孪晶，显著推迟颈缩，从而获得较高强度与较大塑性，与传统合金钢相比，具有高比强度、高比刚度和能量吸收率高等特点，是一种结构与功能一体化的新型材料。作为结构材料，它具有轻质和高强的特点；作为功能材料，具有高效能量吸收的特性，在很多领域具有广泛的应用前景。比如它可用于缓冲器、汽车深冲部件等。该高效吸能合金由于加入了轻质合金元素，比如锰、铝与硅等，其比强度较高，同时具有极佳的延伸率。所以该孪生诱发塑性合金是一种力学性能极其优异的实用新型的合金钢，尤其是其具有极佳的延伸率，以使材料抗破坏和吸收能量的能力最优化，而且，可以通过合金的热处理工艺，改变材料的微观组织，调节合金的抗拉强度与塑性等力学性能参数，使得该合金具有广泛的应用空间。

目前研究的孪生诱发塑性合金钢均是在真空冶炼炉中熔炼，并经过锻打、热轧与冷轧等热加工工艺成型。其微观组织一般均由无一定结晶方向的多晶体组成，在高温疲劳和蠕变过程中，垂直于主应力的横向晶界往往是裂纹产生和扩展的主要部位，因此，这种传统加工成型工艺对该合金的应用具有一定的限制。采用定向凝固技术可获得生长方向与主应力方向一致的单向生长的柱状晶结构体)。定向凝固由于消除了横向晶界，从而推迟了材料的裂纹扩展，提高了材料的综合力学性能。但是，目前的孪生诱发合金的研究以冶炼轧制成型为主，关于采用定向凝固工艺成型的文章和专利较少，尤其是组织为柱状晶结构的孪生诱发塑性合金钢，鲜见报道，因而探索基于定向凝固成型的制备方法有着重要的意义。

定向凝固技术是在熔模铸造型壳中建立特定方向的温度梯度，使熔融合金沿着与热流相反的方向按照要求的结晶取向凝固的一种铸造工艺。其利用合金凝固时晶粒沿热流相反方向生长的原理，控制热流方向，使铸件沿规定方向结晶的铸造技术。定向凝固成形技术是伴随高温合金的发展而逐渐发展起来的，是在凝固过程中采用强制手段，在凝固金属和未凝固熔体中建立起特定方向的温度梯度，从而使熔体沿着与热流相反的方向凝固，以获得具有特定取向柱状晶结构的技术。由于该技术较好地控制了凝固组织的晶粒取向，消除了横向晶界，大大提高了材料的纵向力学性能。

铸件定向凝固需要两个条件：首先，热流向单一方向流动并垂直于生长中的固-液界面；其次，晶体生长前方的熔液中没有稳定的结晶核心。为此，在工艺上必须采取措施避免侧向散热，同时在靠近固-液界面的熔液中应造成较大的温度梯度。这是保证定向柱晶和单晶生长挺直，取向正确的基本要素。

目前，常用的定向凝固成型技术主要有以下几种：

1发热剂法

发热剂法是将熔化好的金属液浇入一侧壁绝热，底部冷却，顶部覆盖发热剂的铸型中，在金属液和已凝固金属中建立起一个自上而下的温度梯度，使铸件自下而上进行凝固，实现单向凝固。这种方法由于所能获得的温度梯度不大，并且很难控制，致使凝固组织粗大，铸件性能较差，因此，该法不适于大型、优质铸件的生产。

2功率降低法(PD法)

将保温炉的加热器分成几组，保温炉是分段加热的。当熔融的金属液置于保温炉内后，在从底部对铸件冷却的同时，自下而上顺序关闭加热器，金属则自下而上逐渐凝固，从而在铸件中实现定向凝固。通过选择合适的加热器件，可以获得较大的冷却速度，但是在凝固过程中温度梯度是逐渐减小的，致使所能允许获得的柱状晶结构区较短，且组织也不够理想。加之设备相对复杂，且能耗大，限制了该方法的应用。

3快速凝固法(HRS法)

为了改善功率降低法在加热器关闭后，冷却速度慢的缺点，在Bridgman晶体生长技术的基础上发展成了一种新的定向凝固技术，即快速凝固法。该方法的特点是铸件以一定的速度从炉中移出或炉子移离铸件，采用空冷的方式，而且炉子保持加热状态。这种方法由于避免了炉膛的影响，且利用空气冷却，因而获得了较高的温度梯度和冷却速度，所获得的柱状晶结构间距较长，组织细密挺直，且较均匀，使铸件的性能得以提高，在生产中有一定的应用。

4液态金属冷却法(LMC法)

HRS法是由辐射换热来冷却的，所能获得的温度梯度和冷却速度都很有限。为了获得更高的温度梯度和生长速度。在HRS法的基础上，将抽拉出的铸件部分浸入具有高导热系数的高沸点、低熔点、热容量大的液态金属中，形成了一种新的定向凝固技术，即LMC法。这种方法提高了铸件的冷却速度和固液界面的温度梯度，而且在较大的生长速度范围内可使界面前沿的温度梯度保持稳定，结晶在相对稳态下进行，能得到比较长的单向柱晶。

发明内容

本发明目的在于提供一种柱状晶结构的孪生诱发塑性合金钢及其制备方法。

为了实现上述目的本发明采用如下技术方案：

柱状晶结构的孪生诱发塑性合金钢，其特征在于其中化学成分的含量为：Mn：28-32％、Al：2.8-3.2％、Si：2.5-3.4％、C＜0.08％、其他的为Fe。

所述的柱状晶结构的孪生诱发塑性合金钢的制备方法，其特征在于包括以下步骤：

(1)冶炼：将一定配比的原料单质Mn、Al、Si、C、Fe混合，投入到真空感应冶炼炉中冶炼，保护气氛为氩气，获得组织比较均匀的铸件；

(2)定向凝固：使用冶炼后的铸件作为原料，先在合适的铸件部位选取一定大小的材料，放入定向凝固炉中在氩气气氛保护下进行熔化、制备温度在1500-1600℃，然后使定向凝固炉中坩埚缓慢下降，通过一个温度下降梯度为30-50℃/cm的区域，让结晶从坩埚底部开始，逐渐向上推移，进行晶体生长；

(3)热处理：根据目标合金钢形状将定向凝固后的铸件切割，并置于电阻加热炉内，通电加热，升温速率6-10℃/min，升温至1000℃，保温1-5小时，保温结束后断电进行炉冷至室温。

所述的柱状晶结构的孪生诱发塑性合金钢的制备方法，其特征在于：所述的坩埚下降速率为2-10mm/min。

本发明的有益效果：

本发明提供的柱状晶结构孪生诱发塑性合金钢的制备方法，可控制合金钢的组织为柱状晶，消除了横向晶界，大大提高了材料的纵向力学性能，实现合金钢在较高水平上调节力学性能；孪生诱发塑性合金在变形过程中持续形成孪晶，显著推迟颈缩，从而获得较高强度与较大塑性，与传统合金钢相比，具有高比强度、高比刚度和能量吸收率高等特点，是一种结构与功能一体化的新型材料，作为结构材料，它具有轻质和高强的特点；作为功能材料，具有高效能量吸收的特性，在很多领域具有广泛的应用前景。

具体实施方式

实施例：柱状晶结构的孪生诱发塑性合金钢，其中化学成分的含量为：Mn：30％、Al：3％、Si：2.9％、C：0.06％、Fe：64.04％。

柱状晶结构的孪生诱发塑性合金钢的制备方法，包括以下步骤：

(1)冶炼：将一定配比的原料单质Mn、Al、Si、C、Fe混合，投入到真空感应冶炼炉中冶炼，保护气氛为氩气，获得组织比较均匀的铸件；

(2)定向凝固：使用冶炼后的铸件作为原料，先在合适的铸件部位选取一定大小的材料，放入定向凝固炉中在氩气气氛保护下进行熔化、制备温度在1500℃，然后使定向凝固炉中坩埚缓慢下降，下降速度控制在5mm/min，通过一个温度下降梯度为30-50℃/cm的区域，让结晶从坩埚底部开始，逐渐向上推移，进行晶体生长；下降的距离控制在12-20cm。

(3)热处理：根据目标合金钢形状将定向凝固后的铸件切割，并置于电阻加热炉内，通电加热，升温速率8℃/min，升温至1000℃，保温3小时，保温结束后断电进行炉冷至室温。

Claims (3)

1.一种柱状晶结构的孪生诱发塑性合金钢，其特征在于其中化学成分的含量为：Mn：28-32％、Al：2.8-3.2％、Si：2.5-3.4％、C＜0.08％、其他的为Fe。

2.一种如权利要求1所述的柱状晶结构的孪生诱发塑性合金钢的制备方法，其特征在于包括以下步骤：

(1)冶炼：按组成化学成分的含量将一定配比的原料单质Mn、Al、Si、C、Fe混合，投入到真空感应冶炼炉中冶炼，保护气氛为氩气，获得组织比较均匀的铸件；

(2)定向凝固：使用冶炼后的铸件作为原料，先在合适的铸件部位选取一定大小的材料，放入定向凝固炉中在氩气气氛保护下进行熔化、控制温度在1500-1600℃，然后使定向凝固炉中坩埚缓慢下降一段距离，通过一个温度下降梯度为30-50℃/cm的区域，让结晶从坩埚底部开始，逐渐向上推移，进行晶体生长；

(3)热处理：根据目标合金钢形状将定向凝固后的铸件切割，并置于电阻加热炉内，通电加热，升温速率6-10℃/min，升温至1000℃，保温1-5小时，保温结束后断电进行炉冷至室温。

3.根据权利要求2所述的柱状晶结构的孪生诱发塑性合金钢的制备方法，其特征在于：所述的坩埚下降速率为2-10mm/min，下降的距离控制在12-20cm。