CN110117761A - 一种降低合金凝固过程微观偏析的方法 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及合金加工技术领域，尤其涉及一种降低合金凝固过程微观偏析的方法。本发明提供的降低合金凝固过程微观偏析的方法，包括以下步骤：在稳态磁场中，将Al‑Cu合金熔体进行定向凝固，得到Al‑Cu合金。根据实施例的记载，利用本发明所述的方法处理后的Al‑Cu合金的非平衡第二相(Al2Cu)的数量明显减少，溶质分布更加均匀，微观偏析得到改善。

Description

一种降低合金凝固过程微观偏析的方法
技术领域
本发明涉及合金加工技术领域，尤其涉及一种降低合金凝固过程微观偏析的方法。
背景技术
合金凝固过程中的微观偏析是由于溶质在固相和液相中溶解度不同而造成的枝晶尺度上化学成分的差异。微观偏析对于铸件的性能有十分重要的影响，例如：(1)非平衡第二相的析出会降低铸件的力学性能，增加其热裂倾向；(2)化学成分不均匀会导致铸件抗腐蚀性能恶化；(3)热处理后析出相的分布不均使得铸件抗疲劳性能下降；(4)在晶界处形成的低熔点相也会限制铸件的热处理温度和服役温度等。因此，降低/消除合金凝固过程中形成的微观偏析不仅能够提升铸件的力学和机械加工性能，还能够明显缩短后续热处理的时间，降低热处理的成本。
针对上述问题，人们开发了一些技术手段来降低微观偏析，如：快速凝固技术和电磁振荡技术。然而，快速凝固技术虽然能够显著改善微观偏析，但只能制备薄带、微粒等尺寸较小的材料，且对设备及加工条件苛刻；电磁振荡技术需要将电极插入金属熔体中，容易污染合金体系。
因此，如何在保证不污染合金体系的基础上，得到尺寸较大、微观偏析程度低的合金成为合金材料加工领域的重要研究内容。
发明内容
本发明的目的在于提供一种降低合金凝固过程微观偏析的方法，所述方法不污染合金体系，且所述方法制备得到的合金材料尺寸能够满足生产要求，加工条件温和。
为了实现上述发明目的，本发明提供以下技术方案：
本发明提供了一种降低合金凝固过程微观偏析的方法，包括以下步骤：
在稳态磁场中，将Al-Cu合金熔体进行定向凝固，得到Al-Cu合金。
优选的，所述稳态磁场的方向与定向凝固方向平行。
优选的，所述稳态磁场的磁场强度为0.01～12T。
优选的，所述定向凝固的固/液界面的温度梯度为(30～200)K/cm。
优选的，所述定向凝固的抽拉速率为(5～5000)μm/s。
优选的，所述Al-Cu合金熔体的制备方法，包括以下步骤：
在磁场中，将Al-Cu合金原料进行均匀化处理，得到Al-Cu合金熔体。
优选的，所述均匀化处理的过程为：以8～12℃/min的升温速率，升温至所述Al-Cu合金液相线以上200～350℃，保温≥30min。
本发明提供了一种降低合金凝固过程微观偏析的方法，包括以下步骤：在稳态磁场中，将Al-Cu合金熔体进行定向凝固，得到Al-Cu合金。本发明在稳态磁场环境中，将Al-Cu合金熔体进行定向凝固时，稳态磁场在一定程度上降低了合金凝固过程中微观偏析的程度。根据实施例的记载，利用本发明所述的方法处理后的Al-Cu合金的非平衡第二相(Al2Cu)的数量明显减少，溶质分布更加均匀，微观偏析得到改善。
附图说明
图1为本发明所述降低合金凝固过程微观偏析的方法采用的实验装置图(1-热电偶，2-温控仪，3-合金试样，4-硅碳加热管，5-超导磁体，6-拉杆，7-冷却介质(Ga-In-Sn液态合金)，8-循环冷却水口)；
图2为本发明实施例1(b)和对比例1(a)得到的Al-4.5wt％合金的微观组织图；
图3为本发明实施例1和对比例1得到的Al-4.5wt％Cu合金的溶质分布曲线图。
具体实施方式
本发明提供了一种降低合金凝固过程微观偏析的方法，包括以下步骤：
在稳态磁场中，将Al-Cu合金熔体进行定向凝固，得到Al-Cu合金。
在本发明中，所述定向凝固过程优选在如图1所示的装置内进行。
在本发明中，所述定向凝固的具体过程优选为：在稳态磁场的作用下，通过拉杆6将Al-Cu合金熔体抽拉进入冷却介质7中，直至完全凝固。
本发明对所述Al-Cu合金熔体的组分和配比没有任何特殊的限定，采用本领域技术人员熟知的组分和配比即可。在本发明具体实施例中，所述Al-Cu合金熔体可以具体选择为Al-4.5wt％Cu、Al-2wt％Cu或Al-8wt％Cu。
在本发明中，所述Al-Cu合金熔体的制备方法，优选包括以下步骤：
在磁场中，将Al-Cu合金原料进行均匀化处理，得到Al-Cu合金熔体。
在本发明中，所述Al-Cu合金熔体的制备方法优选在如图1所示的装置内进行。具体过程优选为：在磁场中，将Al-Cu合金原料置于合金试样3所示位置处，通过温控仪2控制硅碳加热管4对所述Al-Cu合金原料进行均匀化处理。
在本发明中，所述磁场优选为稳态磁场，所述稳态磁场的磁场强度优选为0.01～12T。
在本发明中，所述均匀化处理的过程优选为：以8～12℃/min的升温速率，升温至所述Al-Cu合金液相线以上200～350℃，保温≥30min；更优选为：以9～11℃/min的升温速率，升温至所述Al-Cu合金液相线以上250～300℃，保温35～50min；最优选为：以10℃/min的升温速率，升温至所述Al-Cu合金液相线以上250～300℃，保温40～45min。
在本发明中，所述稳态磁场的方向优选与所述定向凝固方向平行。
在本发明中，所述定向凝固的固/液界面的温度梯度优选为(30～200)K/cm，更优选为(50～150)K/cm，最优选为(80～120)K/cm。所述定向凝固的抽拉速率优选为(5～5000)μm/s，更优选为(10～500)μm/s，最优选为(20～100)μm/s。
下面结合实施例对本发明提供的降低合金凝固过程微观偏析的方法进行详细的说明，但是不能把它们理解为对本发明保护范围的限定。
实施例1
在5T稳态磁场作用下，将Al-4.5wt％Cu合金原料置于合金试样3所示位置处，通过温控仪2控制硅碳加热管4以10℃/min的升温速率对所述Al-4.5wt％Cu合金原料加热至950℃(液相线温度为648℃)进行均匀化处理40min，得到Al-4.5wt％Cu合金熔体；
在上述稳态磁场作用下，将所述Al-4.5wt％Cu合金熔体以10μm/s的速率抽拉进入Ga-In-Sn液态合金中直到完全凝固(固/液界面处温度梯度为100K/cm)，得到Al-4.5wt％Cu合金。
实施例2
在5T稳态磁场作用下，将Al-2wt％Cu合金原料置于合金试样3所示位置处，通过温控仪2控制硅碳加热管4以10℃/min的升温速率对所述Al-2wt％Cu合金原料加热至950℃(液相线温度为656℃)进行均匀化处理60min，得到Al-2wt％Cu合金熔体；
在上述稳态磁场作用下，将所述Al-2wt％Cu合金熔体以10μm/s的速率抽拉进入Ga-In-Sn液态合金中直到完全凝固(固/液界面处温度梯度为101K/cm)，得到Al-2wt％Cu合金。
实施例3
在5T稳态磁场作用下，将Al-8wt％Cu合金原料置于合金试样3所示位置处，通过温控仪2控制硅碳加热管4以10℃/min的升温速率对所述Al-8wt％Cu合金原料加热至950℃(液相线温度为638℃)进行均匀化处理50min，得到Al-8wt％Cu合金熔体；
在上述稳态磁场作用下，将所述Al-8wt％Cu合金熔体以10μm/s的速率抽拉进入Ga-In-Sn液态合金中直到完全凝固(固/液界面处温度梯度为101K/cm)，得到Al-8wt％Cu合金。
对比例1
将Al-4.5wt％Cu合金原料置于合金试样3所示位置处，通过温控仪2控制硅碳加热管4以10℃/min的升温速率对所述Al-4.5wt％Cu合金原料加热至950℃(液相线温度为648℃)进行均匀化处理40min，得到Al-4.5wt％Cu合金熔体；
将所述Al-4.5wt％Cu合金熔体以10μm/s的速率抽拉进入Ga-In-Sn液态合金中直到完全凝固(固/液界面处温度梯度为100K/cm)，得到Al-4.5wt％Cu合金。
将实施例1和对比例1得到的Al-4.5wt％Cu合金的横截面进行微观组织分析，其中图2中的a图为对比例1得到的Al-4.5wt％Cu合金的横截面的微观组织图，图2中的b图为实施例1得到的Al-4.5wt％Cu合金的横截面的微观组织图，由图可知，利用本发明所述的方法得到的Al-4.5wt％Cu合金的非平衡第二相(Al2Cu)的数量明显小于对比例1。
图3为实施例1和对比例1得到的Al-4.5wt％合金的溶质分布曲线图(采用扫描电镜配备的能谱仪测试得到)，由图可知，利用本发明所述的方法得到的Al-4.5wt％Cu合金的溶质浓度在凝固初始及后期阶段都更靠近平均合金成分，说明利用本发明所述的方法得到的Al-4.5wt％Cu合金的溶质分布更加均匀，微观偏析得到改善。
由以上实施例可知，利用本发明所述的方法处理后的Al-Cu合金的非平衡第二相(Al2Cu)的数量明显减少，溶质分布更加均匀，微观偏析得到改善。
以上所述仅是本发明的优选实施方式，应当指出，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明原理的前提下，还可以做出若干改进和润饰，这些改进和润饰也应视为本发明的保护范围。

Claims (7)

1.一种降低合金凝固过程微观偏析的方法，其特征在于，包括以下步骤：
在稳态磁场中，将Al-Cu合金熔体进行定向凝固，得到Al-Cu合金。
2.如权利要求1所述的方法，其特征在于，所述稳态磁场的方向与定向凝固方向平行。
3.如权利要求1或2所述的方法，其特征在于，所述稳态磁场的磁场强度为0.01～12T。
4.如权利要求1或2所述的方法，其特征在于，所述定向凝固的固/液界面的温度梯度为(30～200)K/cm。
5.如权利要求4所述的方法，其特征在于，所述定向凝固的抽拉速率为(5～5000)μm/s。
6.如权利要求1所述的方法，其特征在于，所述Al-Cu合金熔体的制备方法，包括以下步骤：
在磁场中，将Al-Cu合金原料进行均匀化处理，得到Al-Cu合金熔体。
7.如权利要求6所述的方法，其特征在于，所述均匀化处理的过程为：以8～12℃/min的升温速率，升温至所述Al-Cu合金液相线以上200～350℃，保温≥30min。
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