CN103071783B

CN103071783B - 一种激光-强磁场复合熔铸制备偏晶合金的装置

Info

Publication number: CN103071783B
Application number: CN201210571188.6A
Authority: CN
Inventors: 周圣丰; 戴晓琴
Original assignee: Nanchang Hangkong University
Current assignee: Nanchang Hangkong University
Priority date: 2012-12-26
Filing date: 2012-12-26
Publication date: 2015-05-06
Anticipated expiration: 2032-12-26
Also published as: CN103071783A

Abstract

本发明公开了一种激光－强磁场复合熔铸制备偏晶合金的装置，强磁场装置固定于加工机床上，铜铸模放置于强磁场装置的中心位置内并固定于加工机床上，另外，在激光－强磁场复合熔铸过程中，具有循环冷却水系统的铜铸模可以进一步增加熔化的偏晶合金粉末的冷却凝固速度，从而消除偏晶合金的组织偏析与结构分层，提高了制备偏晶合金的效率、质量与性能，降低了制备成本，解决了常规铸造方法在重力场作用下难以制备大尺寸、组织均匀、高性能偏晶合金的难题。

Description

一种激光-强磁场复合熔铸制备偏晶合金的装置

技术领域

本发明涉及一种激光－强磁场复合熔铸的装置，它特别适合于制备偏晶合金。

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装置。本发明的装置利用具有快速加热、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，高效、低成本地制备具有均匀弥散分布第二相颗粒的偏晶合金。

与现有技术相比，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

下面结合附图和实例对本发明作进一步详细的说明。

如图1与图2所示，本发明主要包括CO₂激光器、旁轴自动送粉器9、强磁场装置14、铜铸模16、加工机床15、数控系统1。其中，铜铸模16由左半铜铸模22与右半铜铸模22’构成。工作时，具体实施方法与步骤如下：

第一步：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；

第二步：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8，并放置于旁轴自动送粉器9的装料斗7内；

第三步：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，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10~50T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30~500L/min；

第四步：将CO₂激光器2发出的激光束经反射镜3反射后作用于积分镜5上形成宽带CO₂激光束17，并与旁轴自动送粉器9的粉末喷嘴6定位于铜铸模16的边缘，利用喷气嘴11向铜铸模16内连续吹入氩气，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6内扫描时，熔化的偏晶合金粉末8在铜铸模16底部快速凝固并形成偏晶合金18；

第五步：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85~90%，激光功率为1~10kW，激光扫描速度为60~600mm/min，激光光斑尺寸为30mm×5mm，粉末流量为10~120g/min，粉末喷嘴6与铜铸模16底部表面的夹角为40~60°；

第六步：重复步骤（4）－（5），直到偏晶合金18布满整个铜铸模16的底部；

第七步：检测偏晶合金18是否充满整个铜铸模16，如果没有，由数控系统1控制激光加工头4沿Z轴向上移动一段距离ΔZ，该距离ΔZ为刚形成的偏晶合金18的厚度，重复步骤（4）－（6），直到形成的偏晶合金18充满整个铜铸模16；

第八步：当获得与铜铸模16相同开口深度的偏晶合金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’，然后将偏晶合金18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，包括Al-Pb系二元偏晶合金、Ni-Pb-Cu系三元偏晶合金、Fe-Sn-Ge系三元偏晶合金或其它二元、三元偏晶合金。

Claims

1.一种激光－强磁场复合熔铸制备偏晶合金的装置，包括：CO₂激光器、旁轴自动送粉器、强磁场装置、铜铸模、加工机床、数控系统，其特征在于：该装置还包括喷气嘴（11），固定于铜铸模（16）的顶部；工作时，强磁场装置（14）的超导磁体（10）固定于加工机床（15）上，铜铸模（16）放置于超导磁体（10）的中心位置内并固定于加工机床（15）上，将CO₂激光器（2）发出的激光束经反射镜（3）反射后作用于积分镜（5）上形成宽带CO₂激光束（17），并与旁轴自动送粉器（9）的粉末喷嘴（6）定位于铜铸模（16）的边缘，利用喷气嘴（11）向铜铸模（16）内连续吹入氩气。

2.根据权利要求1所述的装置，其特征在于：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，工作时，数控系统（1）控制循环冷却水系统（12）在冷却水循环腔（20）内的流量。

3.根据权利要求1所述的装置，其特征在于：铜铸模（16）由左半铜铸模（22）与右半铜铸模（22’）组成，工作时，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）；当获得与铜铸模（16）相同高度的偏晶合金（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’）。

4.根据权利要求1所述的装置，其特征在于：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。