CN102978427B - 一种激光－强磁场复合熔铸制备偏晶合金的方法 - Google Patents

Abstract

一种激光－强磁场复合熔铸制备偏晶合金的方法，该方法的特点是：首先，根据偏晶合金的化学成分，将各组分的金属粉末按质量百分比混合，配制成粒度均匀、流动性好的偏晶合金粉末；然后，将具有循环冷却水系统的铜铸模放置于强磁场装置内的中心位置，利用粉末喷嘴将偏晶合金粉末喷射入CO₂激光束热源内快速熔化，当激光束运动移开后，熔化的偏晶合金粉末在铜铸模内快速凝固并形成偏晶合金。本发明利用CO₂激光束快速加热熔化偏晶合金粉末的同时引入强磁场，抑制熔体的对流，降低第二相颗粒的运动速度，改善偏晶合金的组织偏析与结构分层。因此，采用本发明可在高效率、低成本的条件下，制备大尺寸、第二相颗粒均匀分布、高性能的偏晶合金，克服了常规方法在重力场条件下难铸造且存在组织分布不均匀与分层现象的问题。

Description

一种激光-强磁场复合熔铸制备偏晶合金的方法

技术领域

本发明涉及一种备偏晶合金的方法，尤其涉及一种激光－强磁场复合熔铸制备偏晶合金的方法。

背景技术

偏晶合金又称难混溶合金，具有许多独特的物理、化学与机械性能。当在硬度较高的基体上均匀弥散分布较软的第二相颗粒时，偏晶合金具有优异的自润滑特征，可用作汽车轴瓦材料。当在具有良好导电性能的基体上均匀弥散分布第二相颗粒时，偏晶合金兼具有高导电与高耐磨特征，可用作电接触材料。当在具有良好导热性能的基体上均匀弥散分布第二相颗粒时，弥散分布的颗粒间尽管相互分离但可通过隧道效应建立超导关联，偏晶合金具有优异的超导特征，可用作超导材料。因此，偏晶合金内弥散分布的第二相颗粒极大地延伸了偏晶合金的导磁、导电、导热、耐磨与耐蚀性能，成为了工程上一类十分重要且广泛应用的金属材料。

但是，偏晶合金存在一个液相两相区，在这一温度范围内完全熔化的液态金属各组元之间分离成互不相溶的单独液相，在地球重力作用下，密度较大的液相会自动下沉到熔池底部，密度较小的液相会自动上浮到熔池顶部，导致液相在凝固过程中自动分层，严重恶化了偏晶合金优异性能的发挥。因此，常规铸造方法很难制备大体积的性能优异的偏晶合金，从而限制了偏晶合金的大规模工业化应用。

为了克服常规铸造方法制备偏晶合金在凝固过程中易于分层的问题，获得匀相的高性能偏晶合金，国内外的专家学者提出了许多方法与措施，综合起来主要有：粉末冶金法、微重力法、定向凝固法、强磁场法等。其中，粉末冶金被认为是制备偏晶合金较成功的一种方法，它克服了重力作用下偏晶合金凝固时的液相分层行为。但是，粉末冶金法制备高性能偏晶合金过程中存在金属粉末易氧化，致密性差与强度低等问题。微重力法包括空间微重力法与地面微重力法，其中空间微重力法削除了重力环境下偏晶合金内第二相颗粒的Stokes下沉效应，但空间微重力法制备成本高，对第二相颗粒长大机制、影响因素以及偏晶合金凝固过程缺乏深入的认识；尽管可以通过落塔管实验实现地面微重力制备偏晶合金，降低制造成本，但是地面微重力法保持微重力的时间很短，导致无法制备大尺寸高性能的偏晶合金。定向凝固法制备偏晶合金是指当固/液界面的生长速度超过第二相颗粒逃离前沿的速度时，粒子将被生长着的界面所吞没，形成具有均匀弥散分布第二相颗粒的组织。因此，定向凝固法对于研究偏晶合金凝固理论具有十分重要的意义，与一些其他的制备技术相结合，应用前景十分广阔，但是定向凝固法存在工艺复杂，工艺参数不易控制以及生产成本高等缺点。强磁场产生的洛仑兹力可以部分抵消重力的影响，抑制合金熔体的对流，降低第二相颗粒的运动速度，改善组织的宏观偏析，为制备大尺寸偏晶合金提供了一种新的途径。但是，强磁场法制备偏晶合金过程中需要真空加热炉装置，导致操作复杂，生产效率低，制备的偏晶合金仍存在宏观偏析与组织不均匀等问题。

发明内容

本发明的目的在于提供一种激光－强磁场复合熔铸制备偏晶合金的方法。本发明利用具有快速加热、快速凝固、柔性制造、易实现自动化等特点的高能CO₂激光束，将粉末喷嘴喷射出的偏晶合金粉末在具有一定形状的铜铸模中熔化，同时利用强磁场具有抑制熔体的Marangoni对流、驱动晶界移动、调节晶粒生长速度与生长模式、细化晶粒等特点，抑制熔化的偏晶合金粉末在快速凝固过程的组织偏析与结构分层等缺陷。另外，利用铜铸模的循环冷却水系统，将熔融偏晶合金粉末的凝固放热快速释放，极大地提高熔融偏晶合金粉末的凝固冷却速度，将凝固过程中在偏晶合金内析出的第二相颗粒快速地“包覆”起来，进一步减少组织偏析，形成具有均匀弥散分布第二相颗粒的偏晶合金。

本发明是这样来实现的，其方法与步骤为：

（1）根据偏晶合金的化学成分，将各组分的金属粉末按质量百分比混合，并加入到成膜物质中机械搅拌配制成浆料；

（2）将配制好的的浆料经行星式球磨机混合均匀后，放置于干燥箱内在120~250℃温度下烘干，经机械研磨成粒度均匀、流动性好的偏晶合金粉末，并放置于旁轴自动送粉器的装料斗内；

（3）将具有循环冷却水系统的铜铸模放置于强磁场装置的超导磁体内的中心位置，在铜铸模内获得强度为10~50T强磁场。其中，铜铸模循环冷却水流量为30~500 L/min；

（4）将CO₂激光器发出的激光束与积分镜作用后形成光斑尺寸为30mm×5mm的宽带CO₂激光束与粉末喷嘴定位于铜铸模边缘，利用粉末喷嘴将偏晶合金粉末喷射入CO₂激光束的热源内快速熔化，当CO₂激光束在铜铸模内　扫描时，熔化的偏晶合金粉末在铜铸模底部快速凝固并形成沉积层；

（5）当在铜铸模底部沉积完一圈之后，沿着激光扫描速度的垂直方向移动加工机床，其移动的距离为激光光斑长度方向的85~90%；其中，激光功率为1~10 kW，激光扫描速度为60~600 mm/min，粉末流量为10~120 g/min，粉末喷嘴与铜铸模底部表面的夹角为40~60°；

（6）重复步骤（4）－（5），直到沉积层布满整个铜铸模底部；

（7）检测沉积层是否充满整个铜铸模，如果没有，将激光加工头沿Z轴向上移动一段距离ΔZ，该距离ΔZ为刚形成的沉积层的厚度，重复步骤（4）－（6），直到形成的沉积层充满整个铜铸模；

（8）当获得与铜铸模相同高度的沉积层时，将铜铸模与沉积层分离，然后将沉积层放入电阻炉内在200~500℃温度下退火，获得无裂纹、高性能的偏晶合金。

本发明所述的成膜物质为乙基纤维素、环氧树脂、丙烯酸树脂、聚氨酯树脂。

本发明在进行所述的步骤（3）时，具有循环冷却水系统的铜铸模的几何形状为空心圆柱体、空心圆台、空心棱台，壁厚为5~10 mm，高度为5~200 mm。

本发明在进行所述的步骤（4）时，铜铸模顶部安装有喷气嘴，利用喷气嘴向铜铸模内连续吹入氩气，防止熔化的偏晶合金粉末氧化或氮化。

本发明的优点是：（1）利用CO₂激光束快速加热熔化偏晶合金粉末的同时引入强磁场，抑制熔化的偏晶合金粉末的对流，降低第二相颗粒的运动速度，改善偏晶合金的组织偏析与结构分层。（2）利用铜铸模的循环冷却水系统，进一步提高熔化的偏晶合金粉末的冷却速度，减少偏晶合金的组织偏析。（3）通过调节激光功率、激光扫描速度、粉末流量、强磁场强度、铜铸模循环冷却水流量，控制熔融合金粉末的凝固速度，调节凝固形成的偏晶合金的显微结构，使第二相颗粒在偏晶合金内均匀弥散分布，消除偏晶合金的组织偏析与结构分层，制备具有一定形状、大尺寸、高性能的偏晶合金。

附图说明

图1　激光－强磁场复合熔铸制备偏晶合金的装置示意图。

图2　铜铸模结构示意图。

具体实施方式

实施例1

采用激光－强磁场复合熔铸的方法制备Al-Pb系二元偏晶合金，其化学成分为Al-12 wt.%Pb，具体实施过程如图1与图2所示：

（1）根据偏晶合金的化学成分，将纯度为99.9%铝粉与纯度为99.9%的铅粉按质量比22：3混合，并加入到成膜物质为乙基纤维素中机械搅拌配制成浆料；

（2）将配制好的的浆料经行星式球磨机混合均匀后，放置于干燥箱内在150℃温度下烘干，经机械研磨成粒度均匀、流动性好的偏晶合金粉末8，并放置于旁轴自动送粉器9的装料斗7内；

（3）将紧固螺栓21插入左半铜铸模22与右半铜铸模22’的螺栓孔24与24’内拧紧，使左半铜铸模22与右半铜铸模22’结合成铜铸模16，铜铸模16为开口圆柱体、开口圆台或开口棱台，壁内的冷却水循环腔20设有一个进水口19与一个出水口19’，分别通过水管13与循环冷却水系统12相连，左半铜铸模22的通孔23与右半铜铸模22’的通孔23’通过紧固螺栓21拧紧后相通，使循环冷却水系统12里的冷却水能够连续通过水管13从进水口19流入冷却水循环腔20内，然后经过出水口19流入循环冷却水系统12内实现循环冷却。将具有循环冷却水系统12的铜铸模16放置于强磁场装置14的超导磁体10内的中心位置，铜铸模16与超导磁体10均固定于加工机床15上，数控系统1同时控制强磁场装置14与循环冷却水系统12，使强磁场装置14在铜铸模16内获得强度为20T强磁场，使循环冷却水系统12在冷却水循环腔20内的流量为150L/min，铜铸模16的几何形状为开口圆台，上、下部直径分别为80mm与100mm，壁厚为5mm，高度为100mm；

（4）CO₂激光器2发出的激光束经反射镜3反射后照射到积分镜5上，形成光斑尺寸为30mm×5mm的宽带CO₂激光束，积分镜5安装在激光头4上，将粉末喷嘴6与宽带CO₂激光束17定位于铜铸模16的边缘，利用粉末喷嘴6将偏晶合金粉末8喷射入宽带CO₂激光束17的热源内快速熔化，当宽带CO₂激光束17在铜铸模16内扫描时，熔化的偏晶合金粉末在铜铸模16底部快速凝固并形成沉积层18；铜铸模16顶部安装有喷气嘴11与11’，利用喷气嘴11与11’向铜铸模16内连续吹入氩气；

（5）当在铜铸模16底部沉积完一圈之后，由数控系统1控制加工机床15沿着激光扫描速度的垂直方向移动的距离为激光光斑长度方向的85%，激光功率为4kW，激光扫描速度为300mm/min，粉末流量为60g/min，粉末喷嘴6与铜铸模16底部表面的夹角为45°；

（6）重复步骤（4）－（5），直到沉积层18布满整个铜铸模16的底部；

（7）检测沉积层18是否充满整个铜铸模16，如果没有，利用数控系统1将激光加式头4沿Z轴向上移动一段距离ΔZ，该距离ΔZ为刚形成的沉积层18的厚度，重复步骤（4）－（6），直到形成的沉积层18充满整个铜铸模16；

（8）当获得与铜铸模16相同开口深度的沉积层18时，松开紧固螺栓21，将铜铸模16与偏晶合金18分离成左半铜铸模22与右半铜铸模22’ 然后将沉积层18放入电阻炉内在250℃温度下退火，获得无裂纹、高性能的偏晶合金。

实施例2

采用激光－强磁场复合熔铸的方法制备Ni-Pb-Cu系三元偏晶合金，其化学成分为60 wt.% Ni-30 wt.% Pb-10 wt.% Cu，具体实施过程如图1与图2所示：

（1）根据偏晶合金的化学成分，将纯度为99.9%镍粉、纯度为99.9%的铅粉与纯度为99.9%的铜粉按质量比6：3：1混合，并加入到成膜物质为丙烯酸树脂中机械搅拌配制成浆料；

（2）将配制好的的浆料经行星式球磨机混合均匀后，放置于干燥箱内在200℃温度下烘干，经机械研磨成粒度均匀、流动性好的偏晶合金粉末8，并放置于旁轴自动送粉器9的装料斗7内；

（3）将紧固螺栓21插入左半铜铸模22与右半铜铸模22’的螺栓孔24与24’内拧紧，使左半铜铸模22与右半铜铸模22’结合成铜铸模16，铜铸模16为开口圆柱体、开口圆台或开口棱台，壁内的冷却水循环腔20设有一个进水口19与一个出水口19’，分别通过水管13与循环冷却水系统12相连，左半铜铸模22的通孔23与右半铜铸模22’的通孔23’通过紧固螺栓21拧紧后相通，使循环冷却水系统12里的冷却水能够连续通过水管13从进水口19流入冷却水循环腔20内，然后经过出水口19流入循环冷却水系统12内实现循环冷却。将具有循环冷却水系统12的铜铸模16放置于强磁场装置14的超导磁体10内的中心位置，铜铸模16与超导磁体10均固定于加工机床15上，数控系统1同时控制强磁场装置14与循环冷却水系统12，使强磁场装置14在铜铸模16内获得强度为20T强磁场，使循环冷却水系统12在冷却水循环腔20内的流量为350L/min，铜铸模16的几何形状为开口圆柱体，直径为120mm，壁厚为8mm，高度为150mm；

（4）CO₂激光器2发出的激光束经反射镜3反射后照射到积分镜5上，形成光斑尺寸为30mm×5mm的宽带CO₂激光束，积分镜5安装在激光头4上，将粉末喷嘴6与宽带CO₂激光束17定位于铜铸模16的边缘，利用粉末喷嘴6将偏晶合金粉末8喷射入宽带CO₂激光束17的热源内快速熔化，当宽带CO₂激光束17在铜铸模16内扫描时，熔化的偏晶合金粉末在铜铸模16底部快速凝固并形成沉积层18；铜铸模16顶部安装有喷气嘴11与11’，利用喷气嘴11与11’向铜铸模16内连续吹入氩气；

（5）当在铜铸模16底部沉积完一圈之后，由数控系统1控制加工机床15沿着激光扫描速度的垂直方向移动的距离为激光光斑长度方向的88%；其中，激光功率为7kW，激光扫描速度为480mm/min，粉末流量为90g/min，粉末喷嘴6与铜铸模16底部表面的夹角为53°；

（6）重复步骤（4）－（5），直到沉积层18布满整个铜铸模16的底部；

（7）检测沉积层18是否充满整个铜铸模16，如果没有，利用数控系统1将激光加式头4沿Z轴向上移动一段距离ΔZ，该距离ΔZ为刚形成的沉积层18的厚度，重复步骤（4）－（6），直到形成的沉积层18充满整个铜铸模16；

（8）当获得与铜铸模16相同开口深度的沉积层18时，松开紧固螺栓21，将铜铸模16与偏晶合金18分离成左半铜铸模22与右半铜铸模22’ 然后将沉积层18放入电阻炉内在480℃温度下退火，获得无裂纹、高性能的镍系偏晶合金。

实施例3

采用激光－强磁场复合熔铸的方法制备Fe-Sn-Ge系三元偏晶合金，其化学成分为50 wt.% Fe-40 wt.% Sn-10 wt.% Ge，具体实施过程如图1与图2所示：

（1）根据偏晶合金的化学成分，将纯度为99.9%铁粉、纯度为99.9%的锡粉与纯度为99.9%的锗粉按质量比5：4：1混合，并加入到成膜物质为聚氨酯树脂中机械搅拌配制成浆料；

（2）将配制好的的浆料经行星式球磨机混合均匀后，放置于干燥箱内在250℃温度下烘干，经机械研磨成粒度均匀、流动性好的偏晶合金粉末8，并放置于旁轴自动送粉器9的装料斗7内；

（3）将紧固螺栓21插入左半铜铸模22与右半铜铸模22’的螺栓孔24与24’内拧紧，使左半铜铸模22与右半铜铸模22’结合成铜铸模16，铜铸模16为开口圆柱体、开口圆台或开口棱台，壁内的冷却水循环腔20设有一个进水口19与一个出水口19’，分别通过水管13与循环冷却水系统12相连，左半铜铸模22的通孔23与右半铜铸模22’的通孔23’通过紧固螺栓21拧紧后相通，使循环冷却水系统12里的冷却水能够连续通过水管13从进水口19流入冷却水循环腔20内，然后经过出水口19流出进入循环冷却水系统12内实现循环冷却。将具有循环冷却水系统12的铜铸模16放置于强磁场装置14的超导磁体10内的中心位置，铜铸模16与超导磁体10均固定于加工机床15上，数控系统1同时控制强磁场装置14与循环冷却水系统12，使强磁场装置14在铜铸模16内获得强度为20T强磁场，使循环冷却水系统12在冷却水循环腔20内的流量为480L/min，铜铸模16的几何形状为开口正四棱台，上、下部的边长分别为30mm与60mm，壁厚为10mm，高度为185mm；

（4）CO₂激光器2发出的激光束经反射镜3反射后照射到积分镜5上，形成光斑尺寸为30mm×5mm的宽带CO₂激光束，积分镜5安装在激光头4上，将粉末喷嘴6与宽带CO₂激光束17定位于铜铸模16的边缘，利用粉末喷嘴6将偏晶合金粉末8喷射入宽带CO₂激光束17的热源内快速熔化，当宽带CO₂激光束17在铜铸模16内扫描时，熔化的偏晶合金粉末在铜铸模16底部快速凝固并形成沉积层18；铜铸模16顶部安装有喷气嘴11与11’，利用喷气嘴11与11’向铜铸模16内连续吹入氩气；

（5）当在铜铸模16底部沉积完一圈之后，由数控系统1控制加工机床15沿着激光扫描速度的垂直方向移动的距离为激光光斑长度方向的90%；其中，激光功率为10kW，激光扫描速度为600mm/min，激光光斑尺寸为30mm×5mm，粉末流量为120g/min，粉末喷嘴6与铜铸模16底部表面的夹角为60°；

（6）重复步骤（4）－（5），直到沉积层18布满整个铜铸模16的底部；

（7）检测沉积层18是否充满整个铜铸模16，如果没有，利用数控系统1将激光加式头4沿Z轴向上移动一段距离ΔZ，该距离ΔZ为刚形成的沉积层18的厚度，重复步骤（4）－（6），直到形成的沉积层18充满整个铜铸模16；

（8）当获得与铜铸模16相同开口深度的沉积层18时，松开紧固螺栓21，将铜铸模16与偏晶合金18分离成左半铜铸模22与右半铜铸模22’ 然后将沉积层18放入电阻炉内在350℃温度下退火，获得无裂纹、高性能的铁系偏晶合金。

Claims (4)

1. 一种激光－强磁场复合熔铸制备偏晶合金的方法，其特征是方法与步骤为：

（1）根据偏晶合金的化学成分，将各组分的金属粉末按质量百分比混合，并加入到成膜物质中机械搅拌配制成浆料；

（2）将配制好的的浆料经行星式球磨机混合均匀后，放置于干燥箱内在120~250℃温度下烘干，经机械研磨成粒度均匀、流动性好的偏晶合金粉末，并放置于旁轴自动送粉器的装料斗内；

（3）将具有循环冷却水系统的铜铸模放置于强磁场装置的超导磁体内的中心位置，在铜铸模内获得强度为10~50T强磁场，其中，铜铸模循环冷却水流量为30~500L/min；

（4）将CO₂激光器发出的激光束与积分镜作用后形成光斑尺寸为30mm×5mm的宽带CO₂激光束与粉末喷嘴定位于铜铸模边缘，利用粉末喷嘴将偏晶合金粉末喷射入宽带CO₂激光束的热源内快速熔化，当宽带CO₂激光束在铜铸模内扫描时，熔化的偏晶合金粉末在铜铸模底部快速凝固并形成沉积层；

（5）当在铜铸模底部沉积完一圈之后，沿着激光扫描速度的垂直方向移动加工机床，其移动的距离为宽带CO₂激光束光斑长度方向的85~90%；其中，激光功率为1~10kW，激光扫描速度为60~600mm/min，粉末流量为10~120g/min，粉末喷嘴与铜铸模底部表面的夹角为40~60°；

（6）重复步骤（4）－（5），直到沉积层布满整个铜铸模底部；

（7）检测沉积层是否充满整个铜铸模，如果没有，将激光加工头沿Z轴向上移动一段距离ΔZ，该距离ΔZ为刚形成的沉积层的厚度，重复步骤（4）－（6），直到形成的沉积层充满整个铜铸模；

（8）当获得与铜铸模相同开口深度的沉积层时，将铜铸模与沉积层分离，然后将沉积层放入电阻炉内在200~500℃温度下退火，获得无裂纹、高性能的偏晶合金。

2.根据权利要求1所述的一种激光－强磁场复合熔铸制备偏晶合金的方法，其特征在于配制浆料所用的成膜物质为乙基纤维素、环氧树脂、丙烯酸树脂或聚氨酯树脂。

3.根据权利要求1所述的一种激光－强磁场复合熔铸制备偏晶合金的方法，其特征在于进行所述的步骤（3）时，具有循环冷却水系统的铜铸模的几何形状为开口圆柱体、开口圆台或开口棱台，壁厚为5~10mm，开口深度为5~200mm，壁内为冷却水循环腔。

4.根据权利要求1所述的一种激光－强磁场复合熔铸制备偏晶合金的方法，其特征在于进行所述的步骤（4）时，铜铸模顶部安装有喷气嘴，利用喷气嘴向铜铸模内连续吹入氩气，防止熔化的偏晶合金粉末氧化或氮化。