CN109930015A

CN109930015A - 一种镁基单晶合金颗粒的制备方法

Info

Publication number: CN109930015A
Application number: CN201711358304.5A
Authority: CN
Inventors: 杜宇雷; 卢晓阳
Original assignee: Nanjing University of Science and Technology
Current assignee: Nanjing University of Science and Technology
Priority date: 2017-12-17
Filing date: 2017-12-17
Publication date: 2019-06-25

Abstract

本发明属于材料制备领域，涉及一种镁基单晶合金颗粒的制备方法，具体包括以下步骤：(1)通过铜模快淬预制出特定直径的镁基合金棒，表面经抛光打磨后置入相应内径的管式坩埚中；(2)通过感应线圈加热使管式坩埚内的预制镁基合金棒材完全熔融为合金液，后通过抽拉杆带动管式坩埚沿轴向向下以一定速度匀速没入冷却介质中，获得具有大晶粒尺寸的镁基合金棒材；(3)最后对棒材通过机械破碎研磨与机械筛分获得粒度分布在50～150μm之间的镁基单晶合金颗粒。本发明制备的镁基单晶合金颗粒内部不存在晶界缺陷，消除了晶间腐蚀的根源，解决了镁基合金在储氢应用中晶间腐蚀的问题。

Description

一种镁基单晶合金颗粒的制备方法

技术领域

本发明涉及一种镁基单晶合金颗粒的制备方法，属于材料制备领域。

背景技术

镁基合金因其低成本、低密度、高储氢容量(如Mg₂Ni的理论储氢量可达3.6wt％)以及可循环吸放氢的特性，是实现金属氢化物储氢的理想材料，并有望替代传统存储容量低且具有较高安全隐患的高压储氢、液态储氢以及物理吸附储氢等储氢方式，促进氢能在镍氢电池、燃料电池以及新能源汽车等新兴领域的广泛应用。

通过传统熔炼铸造方法制备的镁基合金其内部在由液态冷却凝固过程中会生成许多细小的晶粒，并伴随有大量晶界等晶体结构缺陷的形成。而因晶粒内部和表面化学成分的差异以及晶界杂质或内应力的存在，大量的晶界结构会造成金属材料在长期服役过程中因晶间腐蚀而失效，特别是储氢合金在服役过程中会同电解液或是氢气长期接触，极易产生晶间腐蚀。为提高金属材料的抗晶间腐蚀性能，以往合金成分设计、热处理以及变形处理等方法被采用，如中国发明专利CN 104152759 B通过合金成分设计、热处理、轧制以及预拉伸的方法显著提高了Al-Mg合金的抗晶间腐蚀性能，中国发明专利CN 104060201 B亦通过热处理与轧制的方法显著提高了6000系Al-Mg-Si-Cu铝合金的晶间腐蚀抗力。然而，上述方法处理过的金属材料虽晶间腐蚀抗力获得提升，但内部仍有晶界结构的存在，晶间腐蚀的根源没有消除，仍然存在晶间腐蚀的问题，影响镁基合金作为金属氢化物储氢材料服役时的循环使用寿命。

发明内容

本发明的目的是要提供一种镁基单晶合金颗粒的制备方法，通过对熔融合金液在凝固过程中热流方向与冷却速率的控制获得具有大晶粒的镁基合金棒材，并对棒材通过机械破碎与机械筛分实现镁基单晶合金颗粒的制备。

为实现以上目的，本发明的技术方案是：

一种镁基单晶合金颗粒的制备方法，包括以下步骤：

第一步：通过铜模快淬预制出直径3～10mm的镁基合金棒，表面经抛光打磨后置入相应内径的管式坩埚中；

第二步：将装有预制镁基合金棒的管式坩埚置入定向凝固炉中，在高纯氩气保护下，通过感应线圈对管式坩埚进行加热使其内预制镁基合金棒材完全熔融为合金液，后通过抽拉杆带动管式坩埚沿轴向向下以5～10μm/s的速度匀速没入冷却介质Ga-In合金中，获得具有200～400μm晶粒尺寸的镁基合金棒材；

第三步：将具有200～400μm晶粒尺寸的镁基合金棒材敲碎后，研磨10～20min，最后使用100目和300目的网筛分别筛除未破碎的大颗粒与破碎产生的细小颗粒，最终获得粒度分布在50～150μm之间的镁基单晶合金颗粒。

进一步的，第一步中所述管式坩埚材质为石墨、刚玉或不锈钢。

与现有技术相比，本发明的优点在于：

1、本发明通过对熔融合金液在凝固过程中热流方向与冷却速率的控制获得具有大晶粒的镁基合金棒材，并通过机械破碎与机械筛分实现镁基单晶合金颗粒的制备。

2、本发明所制备镁基单晶合金颗粒的粒度分布在50～150μm之间，单晶颗粒内部不存在晶界缺陷，消除了晶间腐蚀的根源，解决了镁基合金在储氢应用中晶间腐蚀的问题。

附图说明

图1是实施例1中大晶粒尺寸Mg₂Ni合金棒材晶粒沿生长方向截面的金相图片。

图2是实施例1中大晶粒尺寸Mg₂Ni合金棒材垂直晶粒生长方向截面的SEM图片。

具体实施方式

下面结合附图以实施例对本发明的原理和特征进行描述，所举实例只用于解释本发明，并非用于限定本发明的范围。

实施例1

制备Mg₂Ni单晶合金颗粒。

具体制备过程如下：

第一步：通过铜模快淬预制出直径3mm的Mg₂Ni合金棒，表面经抛光打磨后置入相应内径3mm的管式石墨坩埚中；

第二步：将装有预制Mg₂Ni合金棒的管式石墨坩埚置入定向凝固炉中，在高纯氩气保护下，通过感应线圈对管式坩埚进行加热使其内预制Mg₂Ni合金棒材完全熔融为合金液，后通过抽拉杆带动管式石墨坩埚沿轴向向下以10μm/s的速度匀速没入Ga-In合金中，实现对合金液凝固过程中热流方向与冷却速率的控制，并获得具有大晶粒尺寸的Mg₂Ni合金棒材；

第三步：将具有大晶粒尺寸的Mg₂Ni合金棒材置于不锈钢研钵中，在将其敲碎后研磨10min，最后使用100目和300目的网筛分别筛除未破碎的大颗粒与破碎产生的细小颗粒，最终获得粒度分布在50～150μm之间的Mg₂Ni单晶合金颗粒。

图1和图2分别展示了按上述方案制备的大晶粒尺寸Mg₂Ni合金棒材晶粒沿生长方向截面的金相图片与垂直晶粒生长方向截面的SEM图片。从图中可以观察到Mg₂Ni合金棒材内部在不同方向上晶粒的尺寸均在50μm以上，且晶粒之间具有较大的间隙，这使得上述棒材可在机械研磨过程中主要沿晶粒间隙开裂，进而保证研磨后得到的颗粒具有单晶的结构。

实施例2

制备Mg₁₂La单晶合金颗粒。

具体制备过程如下：

第一步：通过铜模快淬预制出直径10mm的Mg₁₂La合金棒，表面经抛光打磨后置入相应内径10mm的管式刚玉坩埚中；

第二步：将装有预制Mg₁₂La合金棒的管式刚玉坩埚置入定向凝固炉中，在高纯氦气保护下，通过感应线圈对管式坩埚进行加热使其内预制Mg₁₂La合金棒材完全熔融为合金液，后通过抽拉杆带动管式刚玉坩埚沿轴向向下以5μm/s的速度匀速没入Ga-In合金中，实现对合金液凝固过程中热流方向与冷却速率的控制，并获得具有大晶粒尺寸的Mg₁₂La合金棒材；

第三步：将具有大晶粒尺寸的Mg₁₂La合金棒材置于玛瑙研钵中，在将其敲碎后研磨20min，最后使用100目和300目的网筛分别筛除未破碎的大颗粒与破碎产生的细小颗粒，最终获得粒度分布在50～150μm之间的Mg₁₂La单晶合金颗粒。

Claims

1.一种镁基单晶合金颗粒的制备方法，其特征在于，包括以下步骤：

第一步：预制出直径3～10mm的镁基合金棒，表面经抛光打磨后置入相应内径的管式坩埚中；

第二步：将装有预制镁基合金棒的管式坩埚置入定向凝固炉中，在高纯惰性气体保护下，通过加热装置对管式坩埚进行加热使其内预制镁基合金棒材完全熔融为合金液，后通过抽拉杆带动管式坩埚沿轴向向下以5～10μm/s的速度匀速没入冷却介质Ga-In合金中，对合金液凝固过程中热流方向与冷却速率的控制，并获得具有大晶粒尺寸的镁基合金棒材；

第三步：将具有大晶粒尺寸的镁基合金棒材，敲碎后研磨10～20min，最后使用100目和300目的网筛分别筛除未破碎的大颗粒与破碎产生的细小颗粒，最终获得粒度分布在50～150μm之间的镁基单晶合金颗粒。

2.如权利要求1所述的方法，其特征在于，第一步中，所述管式坩埚材质为石墨、刚玉或不锈钢。

3.如权利要求1所述的方法，其特征在于，抛光打磨具体为将镁基合金棒表面的氧化皮去除，并用酒精超声清洗。

4.如权利要求1所述的方法，其特征在于，高纯惰性气体为氩气。

5.如权利要求1所述的方法，其特征在于，加热装置为感应线圈或电阻丝。