CN110508784A - 一种可精确控制成分的梯度金属材料制备方法 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种可精确控制成分的梯度金属材料制备方法,通过构建由分区凝固箱(1)、第一坩埚(2)、第二坩埚(2)、预制梯度隔板(3)组成的梯度金属材料制备装置，采用成分精确可控的预制梯度隔板(3)在铸造过程中对不同成分的金属熔液进行隔离，并使预制梯度隔板(3)内部的多层金属板以及预制梯度隔板(3)与两边的金属熔液之间进行充分的原子扩散，从而高效获得成分精确可控梯度金属材料。该方法解决了梯度材料制备效率低、成分精确控制难、成分连续变化难的难题。

Description

一种可精确控制成分的梯度金属材料制备方法
技术领域
本发明涉及梯度材料制备技术领域，特别是一种可精确控制成分的梯度金属材料制备方法。
背景技术
结构在服役过程中，不同区域受到的静力、动力、热等往往存在较大区别，因此在设计中，不同区域的材料性能需求也相应有所不同，如有的区域需要高强韧性，有的区域需要高模量，有的区域需要高导热。而在同一个结构内部，单一成分材料无法具备满足大范围的性能改变，需要把两种以上的材料通过梯度区连接为一体。
目前，梯度材料的制备通常通过焊接或增材制造等方式实现，采用焊接方式制造的梯度材料，在焊缝区两边材料的性能表现为不连续的阶跃变化，而且焊缝的材料成分难以控制；采用增材制造方法制造的梯度材料，需要提前配置大量不同成分的丝材、粉材，效率较低，同时增材制造采用逐层沉积，在梯度区的每一层材料的性能还是表现为不连续的阶跃变化，难以实现高效、成分精确可控、性能连续变化的梯度材料的制备。
发明内容
本发明目的在于提供一种可精确控制成分的梯度金属材料高效制备方法，解决梯度材料制备过程中，梯度区制造的效率低、成分精确控制难、材料成分难以实现连续变化等问题。
对此，本发明提出一种可精确控制成分的梯度金属材料制备方法，其步骤为：第一步、确定梯度材料成分从低到高的变化区间；第二步、预制梯度隔板制备：将所述变化区间按照指定的间隔，分成五层过渡金属层，选取锂含量按指定间隔由低到高递增的5种厚度相同的金属薄板，按照锂成分从低到高依次叠加并轧制为指定厚度的梯度板，并按照分区凝固箱的截面形状，加工成预制梯度隔板；第三步、构建梯度金属材料制备装置：将预制梯度隔板插入分区凝固箱中间，将分区凝固箱隔离为两个区间，将低锂含量的铝锂合金和高锂含量的铝锂合金放入的第一坩埚和第二坩埚，加热熔化；第四步、梯度金属材料浇铸：将第一坩埚中低锂含量的铝锂合金熔液导入预制梯度隔板的锂含量低的一侧的分区凝固箱内；同时，将第二坩埚中高锂含量的铝锂合金熔液导入预制梯度隔板的锂含量高的一侧的分区凝固箱内；第五步、冷却和脱模：铝锂合金熔液凝固冷却，将所制备的铝锂合金梯度材料从分区凝固箱脱模；至此，完成梯度金属材料制备。
其中，所述第一步中，确定梯度材料锂含量成分变化区间为1％到4％。
其中，所述第二步中，将1％到4％的变化区间按照0.5％的间隔，分成1.5％、2.0％、2.5％、3.0％、3.5％五层过渡金属层，选取锂含量分别为1.5％、2.0％、2.5％、3.0％、3.5％厚度为5mm的金属薄板，按照锂成分从低到高依次叠加并轧制为25mm厚度梯度板，并按照分区凝固箱的截面形状，加工成预制梯度隔板。
其中，第三步中，将锂含量1％和锂含量4％的铝锂合金放入第一坩埚和第二坩埚，加热熔化。
其中，第四步中，将第一坩埚中锂含量1％铝锂合金熔液导入预制梯度隔板的锂含量1.5％一侧的分区凝固箱内；同时，将第二坩埚中锂含量4％铝锂合金熔液导入预制梯度隔板的锂含量3.5％一侧的分区凝固箱内。
其中，分析梯度材料成分从低到高的变化区间，按照成分每次提高指定浓度的梯度，将变化区间分成多层过渡金属层；按照每一层过渡金属层的成分，选择与每一层过渡金属层成分对应的金属薄板，按照成分从低到高的变化规律，依次叠加并轧制成梯度板；将梯度板按照分区凝固箱的截面形状，加工成预制梯度隔板。
其中，加工成预制梯度隔板时，按照成分每次提高0.2-1％的梯度，将变化区间分成多层过渡金属层。
本发明通过成分精确可控的预制梯度隔板在铸造过程中对不同成分的金属熔液进行隔离，并控制铸造温度使得预制梯度隔板内部的多层金属板、以及预制梯度隔板与两边的金属熔液之间，进行充分的原子扩散，从而通过铸造的高效方法，获得成分精确可控梯度金属材料。同时，材料成分通过原子扩散可实现界面组织成分的连续变化，解决了通常梯度材料制备过程中，梯度区制造的效率低、成分精确控制难、材料成分难以实现连续变化等难题。
附图说明
图1是梯度金属材料制备装置示意图；
图2是预制梯度隔板与金属熔液材料充分梯度变化示意图。
1.分区凝固箱 2.第一坩埚、第二坩埚 3.预制梯度隔板
具体实施方式
以下结合附图1-2对本发明的具体实施方式做出详细说明。
本发明一种可精确控制成分的梯度金属材料制备装置，包括：分区凝固箱1、第一坩埚2、第二坩埚2、预制梯度隔板3。
图1所示，梯度金属材料制备的具体过程为：分析梯度材料成分从低到高的变化区间，按照成分每次提高0.2-1％的梯度，将变化区间分成多层过渡金属层；按照每一层过渡金属层的成分，选择与每一层过渡金属层成分对应的金属薄板，按照成分从低到高的变化规律，依次叠加并轧制成梯度板；将梯度板按照分区凝固箱的截面形状，加工成预制梯度隔板3；将梯度成分两端的材料分别放置在第一坩埚2和第二坩埚2内，同时熔化为金属熔液；把不同的成分金属熔液浇铸到分区凝固箱由预制梯度隔板3隔开的不同区域；控制温度，使得预制梯度隔板处于半熔融状态，并逐渐降温；等金属熔液凝固，预制梯度隔板3与两端的金属熔液结合为完整铸件后脱模。
以制备从锂含量1％到锂含量4％的梯度铝锂合金说明本发明可精确控制成分的梯度金属材料高效制备方法，其具体步骤为：
第一步、确定梯度材料成分从低到高的变化区间，确定梯度材料锂含量成分变化区间为1％到4％。
第二步、预制梯度隔板3制备：
图2所示，将1％到4％的变化区间按照0.5％的，分成1.5％、2.0％、2.5％、3.0％、3.5％五层过渡金属层，选取锂含量分别为1.5％、2.0％、2.5％、3.0％、3.5％厚度为5mm的金属薄板，按照成分从低到高依次叠加并轧制为25mm厚度梯度板，并按照分区凝固箱1的截面形状，加工成预制梯度隔板3。
第三步、构建梯度金属材料制备装置：
将预制梯度隔板3插入分区凝固箱1中间，将分区凝固箱1隔离为两个区间，将锂含量1％和锂含量4％的铝锂合金放入第一坩埚2和第二坩埚2，加热熔化，图2所示。
第四步、梯度金属材料浇铸：
将第一坩埚2中锂含量1％铝锂合金熔液导入预制梯度隔板3的锂含量1.5％一侧的分区凝固箱1内；同时，将第二坩埚2中锂含量4％铝锂合金熔液导入预制梯度隔板3的锂含量3.5％一侧的分区凝固箱1内。
第五步、冷却和脱模：等铝锂合金熔液凝固冷却，将所制备的铝锂合金梯度材料从分区凝固箱1脱模。
至此，完成梯度金属材料制备。
本发明通过成分精确可控的预制梯度隔板在铸造过程中对不同成分的金属熔液进行隔离，并控制铸造温度使得预制梯度隔板内部的多层金属板、以及预制梯度隔板与两边的金属熔液之间，进行充分的原子扩散，从而通过铸造的高效方法，获得成分精确可控梯度金属材料。同时，材料成分通过原子扩散可实现界面组织成分的连续变化，解决了通常梯度材料制备过程中，梯度区制造的效率低、成分精确控制难、材料成分难以实现连续变化等难题。

Claims (7)

1.一种可精确控制成分的梯度金属材料制备方法，其特征在于，其步骤为：
第一步、确定梯度材料成分从低到高的变化区间；
第二步、预制梯度隔板(3)制备：将所述变化区间按照指定的间隔，分成五层过渡金属层，选取锂含量按指定间隔由低到高递增的5种厚度相同的金属薄板，按照锂成分从低到高依次叠加并轧制为指定厚度的梯度板，并按照分区凝固箱(1)的截面形状，加工成预制梯度隔板(3)；
第三步、构建梯度金属材料制备装置：将预制梯度隔板(3)插入分区凝固箱(1)中间，将分区凝固箱(1)隔离为两个区间，将低锂含量的铝锂合金和高锂含量的铝锂合金放入的第一坩埚和第二坩埚(2)，加热熔化；
第四步、梯度金属材料浇铸：将第一坩埚(2)中低锂含量的铝锂合金熔液导入预制梯度隔板(3)的锂含量低的一侧的分区凝固箱(1)内；同时，将第二坩埚(2)中高锂含量的铝锂合金熔液导入预制梯度隔板(3)的锂含量高的一侧的分区凝固箱(1)内；
第五步、冷却和脱模：铝锂合金熔液凝固冷却，将所制备的铝锂合金梯度材料从分区凝固箱(1)脱模；
至此，完成梯度金属材料制备。
2.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述第一步中，确定梯度材料锂含量成分变化区间为1％到4％。
3.根据权利要求2所述的方法，其特征在于，所述第二步中，将1％到4％的变化区间按照0.5％的间隔，分成1.5％、2.0％、2.5％、3.0％、3.5％五层过渡金属层，选取锂含量分别为1.5％、2.0％、2.5％、3.0％、3.5％厚度为5mm的金属薄板，按照锂成分从低到高依次叠加并轧制为25mm厚度梯度板，并按照分区凝固箱(1)的截面形状，加工成预制梯度隔板(3)。
4.根据权利要求3所述的方法，其特征在于，第三步中，将锂含量1％和锂含量4％的铝锂合金放入第一坩埚(2)和第二坩埚(2)，加热熔化。
5.根据权利要求4所述的方法，其特征在于，第四步中，将第一坩埚(2)中锂含量1％铝锂合金熔液导入预制梯度隔板(3)的锂含量1.5％一侧的分区凝固箱(1)内；同时，将第二坩埚(2)中锂含量4％铝锂合金熔液导入预制梯度隔板(3)的锂含量3.5％一侧的分区凝固箱(1)内。
6.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，分析梯度材料成分从低到高的变化区间，按照成分每次提高指定浓度的梯度，将变化区间分成多层过渡金属层；按照每一层过渡金属层的成分，选择与每一层过渡金属层成分对应的金属薄板，按照成分从低到高的变化规律，依次叠加并轧制成梯度板；将梯度板按照分区凝固箱的截面形状，加工成预制梯度隔板(3)。
7.根据权利要求6所述的方法，其特征在于，加工成预制梯度隔板(3)时，按照成分每次提高0.2-1％的梯度，将变化区间分成多层过渡金属层。
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