CN109676099B - 一种制备具有定向组织板材的方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种制备具有定向组织板材的装置及方法，包括底端设有出料口的储料系统，位于其下方的三维移动平台以及设于三维移动平台上的、用于对储料系统内的物料进行铺铸的冷却台，储料系统的一侧或两侧设有二冷装置；采用该装置制备板材时，储料系统对物料进行处理后通过出料口流出，调节三维移动平台进行运动，将储料系统中的物料层铺于冷却台上，并通过二冷装置进一步冷却和轧制，即可。本发明的装置通过将储料系统、三维移动平台及二冷装置进行复配，从而不仅能够生产具有定向凝固组织的板材，且板材的成分分布均匀、力学性能稳定；同时，采用该装置生产板材的方法简单，可操作性强，生产效率高，节约资源，能够连续生产。

Description

一种制备具有定向组织板材的方法

技术领域

本发明属于板材制备领域，尤其涉及一种制备具有定向组织板材的装置及方法。

背景技术

柱状晶是最常见的定向凝固组织。柱状晶由于其定向性，在某一方向的性能明显强于其他方向。结构材料和功能材料常利用定向凝固炉制备出定向凝固组织来提高其力学性能和电、磁、光、热等性能。但是，传统的定向凝固炉由于冷端是侧边散热的原因，往往很难制备横截面尺寸较大的定向凝固材料。另外，定向凝固炉的下拉速率通常在微米每秒的量级，制备效率较低。

而申请号为201410223932.2，名称为“薄层快速凝固成型装置及方法”发明公开了采用单个的坩埚系统及三维移动平台和冷却台制备大铸锭的装置和方法，但采用该装置制备的材料凝固组织不是定向凝固组织，同时具有等轴晶和柱状晶。

因此，基于此，现亟需一种能够制备出具有定向凝固组织板材的装置。

发明内容

本发明的第一目的是提供一种能够生产高度可控且具有定向组织的装置；

本发明的第二目的是提供采用上述装置制备板材的方法。

技术方案：本发明制备具有定向组织板材的装置，包括底端设有出料口的储料系统，位于其下方的三维移动平台以及设于三维移动平台上的、用于对储料系统内的物料进行铺铸的冷却台；所述储料系统的一侧或两侧设有二冷装置。

优选的，二冷装置可为冷却板或循环气体冷却装置，其中，循环气体冷却装置包括储气室、设于该储气室下端的出气口及设于该出气口一侧的轧辊。

进一步说，当二冷装置为冷却板时，所述冷却板、出料口、三维移动平台及冷却台位于真空室内。当二冷装置为循环气体冷却装置时，所述出气口、轧辊、出料口、三维移动平台及冷却台位于真空室内。循环气体冷却装置上还设有进气口，该进气口通过真空泵与真空室相连通。

再进一步说，本发明的装置还包括与储料系统、三维移动平台、冷却台、二冷装置、真空室及真空泵相连接的微机控制系统，还包括位于出料口下端、对出料口处的出口物料进行加热的加热装置。

更进一步说，储料系统为坩埚系统或中间包。其中，坩埚系统包括坩埚、设于坩埚内的物料加热装置、设于坩埚上端的坩埚密封装置、坩埚进气口、测温器及减压阀。

本发明采用上述的装置制备具有定向组织板材的方法，包括如下步骤：储料系统对物料进行处理后通过出料口流出，调节三维移动平台进行运动，将储料系统中的物料层铺于冷却台上，并通过二冷装置进一步冷却和轧制，往复运动制得具有定向组织板材。

有益效果：与现有技术相比，本发明的显著优点：该装置通过将储料系统、三维移动平台及二冷装置进行复配，从而不仅能够生产具有定向凝固组织的大尺寸、高度可控的金属板材，且制备的板材成分分布均匀、力学性能稳定；同时，采用该装置生产板材的方法简单，可操作性强，生产效率高，节约资源，能够连续生产。

附图说明

图1为本发明制备具有定向组织板材的装置结构示意图，该装置中的二冷装置为循环气体冷却装置；

图2为本发明制备具有定向组织板材的装置结构示意图，该装置中的二冷装置为冷却板。

具体实施方式

下面结合附图及实施例对本发明的技术方案做进一步详细说明。

本发明制备具有定向组织板材的装置，包括真空室9，该真空室9内可为真空、空气、保护气或反应气等；设于真空室9外的储料系统2、设于储料系统2 一侧或两侧均设置的二冷装置5，以及设于真空室9内、位于储料系统2下方的三维移动平台3，该三维移动平台3能够沿水平面的x、y向和竖向进行移动。对应地，真空室9内设有供三维移动平台3移动的导轨。三维移动平台3上、储料系统2的下方设有对储料系统2内的物料进行铺铸和冷却的冷却台4，其为平面状，且该平面状的冷却台4的表面可根据制备的板材的需求设置相应的形状。冷却台4的温度根据层铺不同的基体材料，能够在-100～3000℃内调节。

储料系统2可为坩埚系统或中间包，采用坩埚系统时，可直接用于对物料进行加热处理后流出或者可将其只作为存储物料的装置，而采用中间包时，其用于存储物料，而物料的融化加热处理则通过其他现有设备完成后浇注至中间包内进行流出制备复合材料即可，此外，该储料系统2还可为本领域的其他相类似的装置。坩埚系统包括坩埚12(可为石墨坩埚、砂型坩埚或者金属型坩埚)、设于坩埚12内对物料进行加热融化的坩埚加热装置13(可为电阻加热或感应加热)、对坩埚12进行密封的坩埚密封装置14，以及设于该干坩埚密封装置14上的坩埚进气口15、测温器16及减压阀17。储料系统2的下端设有出料口1，出料口 1可为窄缝状(缝宽可为0.01-100mm，长度可为1-2000mm)或者其他可适用的形状，从出料口1中流出的金属液恒定流速控制在0-1000m/s。出料口1处还设有对出料口1流出的金属液进行加热、防止金属液凝固堵住出料口1的加热装置 18。二冷装置5可为冷却板或循环气体冷却装置。当二冷装置5为循环气体冷却装置时，其包括储气室6、设于该储气室6下端的出气口7及设于该出气口7一侧的轧辊8，相应地出气口7、轧辊8、出料口1、三维移动平台3及冷却台4位于真空室9内；该循环气体冷却装置上还设有进气口，该进气口通过真空泵 10与真空室9相连通，如图1所示。首先循环气体冷却装置通过出气口7向层铺在冷却台4上的金属上表面以一定温度和速度(根据制备的板材而定)喷射与真空室9内相同的惰性气体，进而快速冷却金属薄层的上表面，随后利用真空泵 10将真空室9内的惰性气体抽送至储气室6内，如此达到循环利用的目的。当二冷装置5为冷却板时，该装置的冷却板、出料口1、三维移动平台3及冷却台 4位于真空室9内，真空室上同样设有真空泵10，如图2所示。

该装置还包括对上述真空室9、储料系统2、三维移动平台3、冷却台4、二冷装置5及真空泵10进行调控的、具有带有信号发送功能、接收功能、处理功能、人机交互功能的微机控制系统11。储料系统2的出料口1处设有光电传感器，当光电传感器检测到冷却台4到达相应出料口1端处时，微机控制系统11 操控储料系统2进行出料，当冷却台3移动离开后，微机控制系统11操控储料系统2关闭出料及轧辊7的作业；同理，二冷装置5上同样设有光电传感器。此外，微机控制系统11通过调整设定三维移动平台3的运行速度，进而能够实现金属液在冷却台4上的层铺。

微机控制系统11能够对整体的装置进行调控和处理，且对三维移动平台3 的高度能够调整，进而在进行层铺后，自行地降低三维移动平台3的高度，避免轧辊8或冷却板以及下一次层铺时工作的干扰。

本发明上述装置制备金属基复合材料的方法，包括如下步骤：储料系统2 对物料进行处理后通过出料口1流出，调节三维移动平台3进行运动，将储料系统2中的物料层铺于冷却台4上，并通过二冷装置5进一步冷却和轧制，往复运动制得具有定向组织板材。

实施例1二冷装置为循环气体冷却装置

采用上述装置制备具有定向组织板材的方法，包括如下步骤：

(1)在微机控制系统11中输入三维移动平台3的运动参数；

(2)向真空室9内充入一定量的惰性气体；

(3)向坩埚12中加入需要熔炼的金属，然后密封坩埚密封装置14，通过微机控制系统11调节坩埚系统和真空室9内的压强；

(4)在微机控制系统11中分别设定坩埚系统中物料加热装置13的控温参数、出料口1的加热装置18的控温参数以及出气口7喷出气体的温度和喷出速度；

(5)待坩埚12中的金属全部熔化后，启动三维移动平台3和冷却台2，按照微机控制系统11中设定的运动参数往复运动，以液态薄层或者半固态薄层形式层铺到高速移动的冷却台4上，使层铺到冷却台4上的合金熔体或者半固态熔体定向生长，随后冷却板对其表面轧制及冷却，往复上述过程进行逐层堆积，从而生产出高度可控的具有定向组织的金属板材。

实施例1-1

(1)根据制备的具有定向凝固组织的316L不锈钢的尺寸(长、宽及高分别为100cm×30cm×1cm)，首先设定微机控制系统中三维移动平台的运动参数为Vx＝0.5m/s，Vy＝0.5m/s，Vz＝0.1mm/s，以及金属液从出料口喷出的速度为0.5m/s，然后向坩埚系统中加入10Kg的不锈钢316L；

(2)加完原材料，安装坩埚密封装置后，通过微机控制系统调节坩埚腔室内的压强为1.2atm，将真空室内的真空度降到10^-4Pa，然后向真空室内加入一定量的氮气，直至真空室内压强为1atm；

(3)待上述步骤完成后，通过微机控制系统设置装有不锈钢316L的坩埚加热程序为30min加热至200℃，60min从200℃加热至1000℃，60min从1000℃加热至1450℃，然后1450℃保温2h；将出料口的温度控制在1440～1460℃之间；设置出气口的喷出气体的温度为-20℃，气体喷出速度为10m/s；

(4)待坩埚中的金属全部熔化后，同时启动三维移动平台、强制冷却台和轧辊。三维移动平台按照微机控制系统中设定的运动参数往复运动，当三维移动平台运动到出气口下方时，出气口喷出气体对层铺在冷却平台上表面的金属进行冷却，如此往复上述过程进行逐层堆积，进而加工出所需的尺寸为100cm×30cm ×1cm的具有高度定向凝固组织的不锈钢316L。

实施例2二冷装置为冷却板

采用上述装置制备具有定向组织板材的方法，包括如下步骤：

(1)在微机控制系统11中输入三维移动平台3的运动参数；

(2)向真空室9内充入一定量的惰性气体；

(3)向坩埚12中加入需要熔炼的金属，然后密封坩埚密封装置14，通过微机控制系统11调节坩埚系统和真空室9内的压强；

(4)在微机控制系统11中分别设定坩埚系统中物料加热装置13的控温参数、冷却板的移动速度及下压力度；

(5)待坩埚12中的金属全部熔化后，启动三维移动平台3和冷却台2，按照微机控制系统11中设定的运动参数往复运动，以液态薄层或者半固态薄层形式层铺到高速移动的冷却台4上，使层铺到冷却台4上的合金熔体或者半固态熔体定向生长，随后冷却板对其表面轧制及冷却，往复上述过程进行逐层堆积，从而生产出高度可控的具有定向组织的金属板材。

实施例2-1

(1)根据制备的具有定向凝固组织的45#钢的尺寸(长宽高分别为100cm ×30cm×1cm)，首先设定微机控制系统中三维移动平台的运动参数为Vx＝0.5m/s， Vy＝0.5m/s，Vz＝0.1mm/s，以及金属液从出料口喷出的速度为0.5m/s，然后向坩埚系统中加入10Kg的45#钢；

(2)加完原材料，安装坩埚密封装置后，通过微机控制系统调节坩埚腔室内的压强为1.2atm，将真空室内的真空度降到10^-4Pa，然后向真空室内加入一定量的氮气，直至真空室内压强为1atm；

(3)待上述步骤完成后，通过微机控制系统设置装有45#钢的坩埚加热程序为30min加热至200℃，60min从200℃加热至1000℃，60min从1000℃加热至1510℃，然后1510℃保温2h；将出料口的温度控制在1500～1520℃之间；设置出气口的喷出气体的温度为-20℃，气体喷出速度为10m/s；

(4)待坩埚中的金属全部熔化后，同时启动三维移动平台和强制冷却台。三维移动平台按照微机控制系统中设定的运动参数往复运动，当三维移动平台运动到冷却板下方时，冷却板对金属表面轧制及冷却，如此往复上述过程进行逐层堆积，进而加工出所需的尺寸为100cm×30cm×1cm的具有高度定向凝固组织的45#钢。

通过上述实施例可知，本发明的装置通过将储料系统、三维移动平台及二冷装置进行复配，进而能够生产具有定向凝固组织的大尺寸、高度可控的金属板材。

Claims (8)

1.一种制备具有定向组织板材的方法，其特征在于：该方法中涉及的装置包括底端设有出料口(1)的储料系统(2)，位于其下方的三维移动平台(3)以及设于三维移动平台(3)上的、用于对储料系统(2)内的物料进行铺铸的冷却台(4)；所述储料系统(2)的一侧或两侧设有二冷装置(5)，二冷装置(5)为冷却板或循环气体冷却装置，其中，循环气体冷却装置包括储气室(6)、设于该储气室(6)下端的出气口(7)及设于该出气口(7)一侧的轧辊(8)；

储料系统(2)对物料进行处理后通过出料口(1)流出，调节三维移动平台(3)进行运动，将储料系统(2)中的物料层铺于冷却台(4)上，并通过二冷装置(5)进一步冷却和轧制，往复运动制得具有定向组织板材。

2.根据权利要求1所述的方法，其特征在于：当二冷装置(5)为冷却板时，所述冷却板、出料口(1)、三维移动平台(3)及冷却台(4)位于真空室(9)内。

3.根据权利要求1所述的方法，其特征在于：当二冷装置(5)为循环气体冷却装置时，所述出气口(7)、轧辊(8)、出料口(1)、三维移动平台(3)及冷却台(4)位于真空室(9)内。

4.根据权利要求3所述的方法，其特征在于：所述循环气体冷却装置上还设有进气口，该进气口通过真空泵(10)与真空室(9)相连通。

5.根据权利要求4所述的方法，其特征在于：该装置还包括与储料系统(2)、三维移动平台(3)、冷却台(4)、二冷装置(5)、真空室(9)及真空泵(10)相连接的微机控制系统(11)。

6.根据权利要求1所述的方法，其特征在于：所述储料系统(2)为坩埚系统或中间包。

7.根据权利要求6所述的方法，其特征在于：所述坩埚系统包括坩埚(12)、设于坩埚(12)内的物料加热装置(13)、设于坩埚(12)上端的坩埚密封装置(14)、坩埚进气口(15)、测温器(16)及减压阀(17)。

8.根据权利要求1所述的方法，其特征在于：该装置还包括位于出料口(1)下端、对出料口(1)处的出口物料进行加热的加热装置(18)。

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