CN109338126B - 一种基于粉末喷射熔炼的镁合金块材高通量制备方法 - Google Patents

Abstract

一种基于粉末喷射熔炼的镁合金块材高通量制备方法，包括合金粉末的多组分实时精密输出、坩埚连续进样、坩埚封装、合金粉末在多温区内的分区熔炼四个步骤。本发明可快速制备多组分配比、多热处理条件的镁合金块体样品制备。样品中合金元素种类及含量可以精确控制，样品配置、熔炼过程安全、简便。除镁合金外，本发明也适用于其他容易氧化合金（如：锌、钛）块体高通量制备。

Description

一种基于粉末喷射熔炼的镁合金块材高通量制备方法

技术领域

本发明属于材料高通量实验技术领域，特别涉及金属块材的高通量制备。

背景技术

“材料高通量实验”是在短时间内完成大量样品的制备与表征。其核心思想是将传统材料研究中采用的顺序迭代方法改为并行处理，以量变引起材料研究效率的质变。作为“材料基因组技术”三大要素之一，与“材料计算模拟”和“材料信息学/数据库”有机融合、协同发展，加速材料研发与应用的效能，使材料科学走向“按需设计”的终极目标。高通量实验不仅可为材料模拟计算提供海量的基础数据和实验验证；更为重要的是其本身就可以快速地提供有价值的研究成果，直接加速材料的筛选和优化。1970年，Hanak首先提出了“多样品实验”的概念，并应用于薄膜形态的二元、三元超导材料研究[Hanak J J. Journal ofMaterials Science, 1970, 5(11): 964-971.]。20世纪80年代高通量新药筛选、高通量基因测序、高通量平行反应器（用于有机材料和催化剂等的合成）等，显著地提高了生物和有机化学领域的研发效率。20世纪90年代中期，美国劳伦斯伯克利国家实验室的项晓东和Schultz发展和完善了现代高通量薄膜形态组合材料实验方法[Xiang X D, Sun X,Briceno G, et al. Science, 1995, 268(5218): 1738-1740.]。近年来以多元体材扩散法[Zhao J C, Jackson M R, Peluso L A, et al.MRS bulletin, 2002,27(4): 324-329.]、微机电结构法[Kim H J, Han J H, Kaiser R, et al. Review of ScientificInstruments, 2008, 79(4): 045112.]、微流体结构法[Guram A, Hagemeyer A, LugmairC G, et al. Advance Synthesis & Catalysis, 2004, 346(2/3): 215-230.]、激光增材法[Baufeld B, Van der Biest O, Gault R. Materials & Design, 2010, 31(Suppl1): S106-S111.]为代表的高通量技术陆续发展起来。高通量的实验技术被广泛用于高温合金、陶瓷、高分子等材料的快速制备和研发。

镁及镁合金作为一种轻质工程结构材料，具有减震性好、密度小及高比强度、高比刚度等优点，在国防军事、航空航天、汽车、电子消费品等领域有广阔的应用前景。但是镁及镁合金也具有耐热性差、耐蚀性差、耐磨性差及装饰性差等缺点，限制了其应用领域。常用冶金手段来改善镁合金周期长且成本高。而现有的高通量实验技术基本不适合镁合金材料的快速制备，如组合材料芯片技术、微机电结构法、微流体结构法所得的材料形态不是块体材料；多元体材扩散法虽然可以得到块体材料但原位扩散不仅耗时长且所得合金组分难以精确、增材制造中高能能量束容易造成镁合金爆炸且镁的氧化、烧损严重。

本发明提出一种基于粉末喷射熔炼的镁合金块材高通量制备方法，包括合金粉末的多组分实时精密输出、坩埚连续进样、坩埚封装、合金粉末在多温区内的分区熔炼四个步骤。可快速制备多组分配比、多热处理温度的镁合金块体样品制备。除镁合金外，本发明也适用于其他容易氧化合金（如：锌、钛）块体高通量制备。

发明内容

本发明的目的是提出一种基于粉末喷射熔炼的镁合金块材高通量制备方法，可以一次性完成多组分和多个热处理温度的镁合金块体样品制备。样品中合金元素种类及含量可以精确控制，样品配置、熔炼过程安全、简便。

本发明是通过以下技术方案实现的。

本发明所涉及的主要设备有多组分实时控制精密送粉系统（基于专利201610323445.2自主安装的送粉系统）、转盘式坩埚支架、坩埚、多温区管式气氛炉（如：五温区管式气氛炉OTF-1200X-V）。

本发明所述的一种基于粉末喷射熔炼的镁合金块材高通量制备方法，包括合金粉末的多组分实时精密输出、坩埚连续进样、坩埚封装、合金粉末在多温区内的分区熔炼四个步骤，具体地，包括以下步骤。

（1）多组分的镁合金待熔炼粉末精密输出。利用多组分实时控制精密送粉系统，按镁合金块体的组分设计需求将合金粉末输出。

（2）坩埚连续进样。将坩埚用紧固螺栓逐一连接，形成链状。将坩埚链一端放入转盘式坩埚支架的进样槽口；转动坩埚支架，坩埚逐个由转盘式支架的入口进入支架，当坩埚处于送粉系统喷嘴正下方时，合金粉末注入到坩埚内；继续转动坩埚支架，坩埚逐一从坩埚支架出口转出。

所述坩埚为带双耳的圆柱体坩埚。坩埚口带有45度倒角，利于合金粉末注入；双耳分布在圆柱体两侧，耳中心处钻螺纹孔供紧固螺栓通过，一耳与坩埚口平齐，另一耳距离坩埚口为耳长。每个坩埚可得到1个圆柱形合金试样。

所述转盘式坩埚支架，由定子、转子组成。定子主体为圆环，圆环底部向内延伸构成坩埚链托板；转子齿轮转盘，齿轮尺寸与坩埚链中坩埚间隙匹配。

（3）坩埚封装。松开坩埚链上紧固螺栓，并根据合金粉末熔炼的温度要求，将坩埚分组。用紧固螺栓将每组坩埚相链，并盖上坩埚盖，旋进紧固螺栓至坩埚盖螺孔，此时坩埚密封严实。每组坩埚排成直线，以备送入管式炉熔炼。

所述坩埚盖，上面含若干突起，其突起形状与坩埚口相匹配，突起间钻有螺孔，紧固螺栓穿过将坩埚密封。

步骤（1）~（3）需在真空手套箱内进行。

（4）镁合金样品分区熔炼。用送样杆将各组坩埚推至多温区管式气氛炉的指定温度区进行热处理。若实验室具有N个n温区管式气氛炉，一次性分区熔炼即可以实现同一组分N*n个热处理条件。当热处理条件一致时，则可以实现或多个不同组分镁合金样品的熔炼，其具体数量由坩埚大小、炉膛尺寸决定。

本发明提出一种基于粉末喷射熔炼的镁合金块材高通量制备方法可快速制备多组分配比、多热处理条件的镁合金块体样品制备。样品中合金元素种类及含量可以精确控制，样品配置、熔炼过程安全、简便。除镁合金外，本发明也适用于其他容易氧化合金（如：锌、钛）块体高通量制备。

附图说明

图1 坩埚正面示意图。

图2 坩埚的俯面示意图。

图3坩埚链正面示意图。

图4坩埚链俯面示意图。

图5转盘式坩埚支架正面示意图。4为转子，5为定子。

图6转盘式坩埚支架俯面示意图。

图7坩埚载入转盘式坩埚支架示意图。

图8坩埚盖示意图。

图9坩埚封装示意图。

图10坩埚连续进样示意图。其中，1为送粉系统喷嘴，2为转盘式坩埚支架，3为坩埚链。

具体实施方式

本发明将通过以下实施例作进一步说明。

实施例1。

30个不同组分Mg-(3.8~3.3)Zn-（0.3~0.7）Gd at%镁合金样品同一熔炼温度熔炼。首先进行设备选型。选用多组分实时控制精密送粉系统（基于专利201610323445.2自主安装的送粉系统）、五温区管式气氛炉（OTF-1200X-V，炉管直径50mm长1400mm，稳定加热区长度为180mm，共有5加热区）、真空手套箱等商业设备，并根据该商业设备定制转盘式坩埚支架、坩埚尺寸。其中坩埚尺寸为：圆柱体其外半径为10mm、内半径为5m、高25mm、底厚为5mm；耳半圆直径为6mm，耳长5mm，一耳距离坩埚口0mm，另一耳距离坩埚口5mm，每个坩埚可得到直径10mm长20mm圆柱试样；转盘式坩埚支架尺寸为：定子外半径为200mm内径150mm的环高为30mm，转子内半径为120m带齿轮的转盘，盘高度为30mm，齿轮间距为25mm，齿高10mm，中心转轴轴半径为40mm高80mm。随后进行基于粉末喷射熔炼的镁合金块材高通量制备。

按说明书中所述依次进行合金粉末的多组分实时精密输出、坩埚连续进样(按送粉系统20g/min的平均送粉速度计算，每分钟能完4个样品的配置)、坩埚封装、合金粉末在多温区内的分区熔炼四个步骤，其中前三个步骤需在在真空手套箱内进行。

在多组分送粉系统供粉筒里分别装入100目Zn粉、Gd粉、Mg粉；调节各供粉斗和粉轮的进气压力、粉轮转速，使得总送粉速率为20g/min，且送出粉末组分为Mg-3.8Zn-0.3Gdat%。

将30个坩埚用紧固螺栓逐一连接，形成链状；将坩埚链一端放入转盘式坩埚支架的进样槽口段；转动坩埚支架，使得坩埚逐个由转盘式支架的入口进入支架，调节第1个坩埚处于送粉系统喷嘴正下方。注入第1个配方的镁合金粉末（其配方为Mg-3.8Zn-0.3Gdat%）；增加Gd粉供粉斗的粉轮转速，使得送粉系统送粉组分为Mg-3.8Zn-0.4Gd at%，转动坩埚支架使得第2坩埚位于送粉喷嘴正下方，注入第2配方的粉末样品；增加Gd粉供粉斗的粉轮转速，使得送粉系统送粉组分为Mg-3.8Zn-0.5Gd at%，转动坩埚支架使得第3坩埚位于送粉喷嘴正下方，注入第3配方的粉末样品；增加Gd粉供粉斗的粉轮转速，使得送粉系统送粉组分为Mg-3.8Zn-0.6Gd at%，转动坩埚支架使得第4坩埚位于送粉喷嘴正下方，注入第4配方的粉末样品；增加Gd粉供粉斗的粉轮转速，使得送粉系统送粉组分为Mg-3.8Zn-0.7Gd at%，转动坩埚支架使得第5坩埚位于送粉喷嘴正下方，注入第5配方的粉末样品。调节Zn、Gd送粉筒粉轮速度，使得送出粉末组分为Mg-3.7Zn-0.3Gd at%，转动坩埚支架使得第6坩埚位于送粉喷嘴正下方，注入第6配方的粉末样品；增加Gd粉供粉斗的粉轮转速，使得送粉系统送粉组分为Mg-3.7Zn-0.4Gd at%，转动坩埚支架使得第7坩埚位于送粉喷嘴正下方，注入第7配方的粉末样品；增加Gd粉供粉斗的粉轮转速，使得送粉系统送粉组分为Mg-3.7Zn-0.5Gd at%，转动坩埚支架使得第8坩埚位于送粉喷嘴正下方，注入第8配方的粉末样品；增加Gd粉供粉斗的粉轮转速，使得送粉系统送粉组分为Mg-3.7Zn-0.6Gd at%，转动坩埚支架使得第9坩埚位于送粉喷嘴正下方，注入第9配方的粉末样品；增加Gd粉供粉斗的粉轮转速，使得送粉系统送粉组分为Mg-3.7Zn-0.7Gd at%，转动坩埚支架使得第10坩埚位于送粉喷嘴正下方，注入第10配方的粉末样品。调节Zn、Gd送粉筒粉轮速度，使得送出粉末组分为Mg-3.6Zn-0.3Gd at%，转动坩埚支架使得第11坩埚位于送粉喷嘴正下方，注入第11配方的粉末样品；随后按照类似方法完成配方为Mg-3.6Zn-0.4Gd、Mg-3.6Zn-0.5Gd、Mg-3.6Zn-0.6Gd、Mg-3.7Zn-0.7Gd镁合金12~15号样品的坩埚注入。调节Zn、Gd送粉筒粉轮速度，使得送出粉末组分为Mg-3.5Zn-0.3Gd at%，转动坩埚支架使得第16坩埚位于送粉喷嘴正下方，注入第16配方的粉末样品；随后按照类似方法完成配方为Mg-3.5Zn-0.4Gd、Mg-3.5Zn-0.5Gd、Mg-3.5Zn-0.6Gd、Mg-3.5Zn-0.7Gd镁合金17~20号样品的坩埚注入。调节Zn、Gd送粉筒粉轮速度，使得送出粉末组分为Mg-3.4Zn-0.3Gd at%，转动坩埚支架使得第21坩埚位于送粉喷嘴正下方，注入第21配方的粉末样品；随后按照上诉类似方法完成配方为Mg-3.4Zn-0.4Gd、Mg-3.4Zn-0.5Gd、Mg-3.4Zn-0.6Gd、Mg-3.4Zn-0.7Gd镁合金22~25号样品的坩埚注入。调节Zn、Gd送粉筒粉轮速度，使得送出粉末组分为Mg-3.3Zn-0.3Gd at%，转动坩埚支架使得第26坩埚位于送粉喷嘴正下方，注入第26配方的粉末样品；随后按照上诉类似方法完成配方为Mg-3.3Zn-0.4Gd、Mg-3.3Zn-0.5Gd、Mg-3.3Zn-0.6Gd、Mg-3.3Zn-0.7Gd镁合金27~30号样品的坩埚注入。

松开坩埚链上紧固螺栓。将坩埚6个为1组盖上坩埚盖，旋进紧固螺栓至坩埚盖，将坩埚密封严实，且每组坩埚排成直线。

将样品从真空手套箱取出，并用送样杆将各组坩埚推至五温区管式气氛炉的指定温度区。调节管式炉各温度区温度均为750度，炉内保护气氛为99%CO₂+1%SF₆，保温30~40分钟后随炉冷却。将样品从坩埚中脱模，随即得到同一熔炼温度但组分不同的30个样品。

实施例2。

同一组分Mg-3.5Zn-0.6Gd at%镁合金样品在5个熔炼温度熔炼。其设备选型条件参照实施例1，随后进行基于粉末喷射熔炼的镁合金块材高通量制备。按说明书中所述依次进行合金粉末的多组分实时精密输出、坩埚连续进样、坩埚封装、合金粉末在多温区内的分区熔炼四个步骤，其中前三个步骤需在在真空手套箱内进行。

在多组分送粉系统供粉筒里分别装入100目Zn粉、Gd粉、Mg粉；调节各供粉斗和粉轮的进气压力、粉轮转速，使得总送粉速率为20g/min，且送出粉末组分为Mg-3.5Zn-0.6Gdat%。

将5个坩埚用紧固螺栓逐一连接，形成链状；将坩埚链一端放入转盘式坩埚支架的进样槽口段；转动坩埚支架，使得坩埚逐个由转盘式支架的入口进入支架。调节第1个坩埚处于送粉系统喷嘴正下方，注入第1个配方的镁合金粉末（其配方为Mg-3.5Zn-0.6Gd at%）。转动坩埚支架，使得2~5号坩埚依次位于送粉喷嘴下方，完成2~5号样品的坩埚注入。

松开坩埚链上紧固螺栓。将坩埚盖上坩埚盖，旋进紧固螺栓至坩埚盖，将坩埚密封严实，且每组坩埚只有1个样品。

将样品从真空手套箱取出，用送样杆将各组坩埚推至五温区管式气氛炉的指定温度区，调节管式炉各温度区温度分别为600，700，800、750、650度，炉内保护气氛为99%CO₂+1%SF₆，保温30~40分钟后随炉冷却。将样品从坩埚中脱模，随即得到同一组分5个熔炼温度的5个样品。

实施例3。

30个不同组分Mg-(3.8~3.3)Zn-（0.3~0.7）Gd at%镁合金样品在5个熔炼温度熔炼。其设备选型条件参照实施例1，随后进行基于粉末喷射熔炼的镁合金块材高通量制备。按说明书中所述依次进行合金粉末的多组分实时精密输出、坩埚连续进样、坩埚封装、合金粉末在多温区内的分区熔炼四个步骤，其中前三个步骤需在在真空手套箱内进行。

按实施例1所述方式完成30个不同组分Mg-(3.8~3.3)Zn-（0.3~0.7）Gd at%镁合金样品的配置。

松开坩埚链上紧固螺栓。将组分为Mg-(3.8~3.3)Zn-0.3Gd at%的6个镁合金样品为第1组，盖上坩埚盖，旋进紧固螺栓至坩埚盖，将坩埚密封严实，且坩埚排成直线。随后以组分为Mg-(3.8~3.3)Zn-0.4Gd at%、Mg-(3.8~3.3)Zn-0.5Gd at%、Mg-(3.8~3.3)Zn-0.6Gdat%、Mg-(3.8~3.3)Zn-0.7Gd at%的镁合金样品为第2、3、4、5组。并依次盖上坩埚盖，密封。

将样品从真空手套箱取出，用送样杆将坩埚按第1、3、5、4、2推至五温区管式气氛炉的指定温度区，调节管式炉各温度区温度分别为600，700，800、750、650度，炉内保护气氛为99%CO₂+1%SF₆，保温30~40分钟后随炉冷却。将样品从坩埚中脱模，随即得到30个不同组分Mg-(3.8~3.3)Zn-（0.3~0.7）Gd at%镁合金样品在5个熔炼温度熔炼，其中当钆含量相同时其镁合金熔炼温度相同，且随着钆含量的增加熔炼温度逐步增加。

Claims (1)

1.一种基于粉末喷射熔炼的镁合金块材高通量制备方法，其特征是包括以下步骤：

（1）多组分的镁合金待熔炼粉末精密输出：利用多组分实时控制精密送粉系统，按镁合金块体的组分设计需求将镁合金粉末输出；

（2）坩埚连续进样：将坩埚用紧固螺栓逐一连接，形成链状；将坩埚链一端放入转盘式坩埚支架的进样槽口；转动坩埚支架，坩埚逐个由转盘式支架的入口进入支架，当坩埚处于送粉系统喷嘴正下方时，合金粉末注入到坩埚内；继续转动坩埚支架，坩埚逐一从坩埚支架出口转出；

所述的坩埚为带双耳的圆柱体坩埚，坩埚口带有45度倒角，双耳分布在圆柱体两侧，耳中心处钻螺纹孔供紧固螺栓通过，一耳与坩埚口平齐，另一耳距离坩埚口为耳长；

所述转盘式坩埚支架，由定子、转子组成，定子主体为圆环，圆环底部向内延伸构成坩埚链托板；转子齿轮转盘，齿轮尺寸与坩埚链中坩埚间隙匹配；

（3）坩埚封装：松开坩埚链上紧固螺栓，并根据合金粉末熔炼的温度要求，将坩埚分组，用紧固螺栓将每组坩埚相链，并盖上坩埚盖，旋进紧固螺栓至坩埚盖螺孔，此时坩埚密封严实；

所述坩埚盖，上面含若干突起，其突起形状与坩埚口相匹配，突起间钻有螺孔，紧固螺栓穿过螺孔将坩埚密封；

步骤（1）~（3）需在真空手套箱内进行；

（4）镁合金样品分区熔炼：用送样杆将各组坩埚推至多温区管式气氛炉的指定温度区进行热处理，当具有N个n温区管式气氛炉，一次性分区熔炼即可以实现同一组分N*n个热处理条件；当热处理条件一致时，则可以实现多个不同组分镁合金样品的熔炼。

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