CN111441006A - 一种基于金属液流冲击的金属组织细化方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种基于金属液流冲击的金属组织细化方法，属于金属制备技术领域。该方法包括如下步骤：在喷嘴中盛装金属熔体，并使所述金属熔体的温度维持在金属的液相线温度以上1‑300℃；使所述金属熔体从所述喷嘴中以50‑5000mm/s的速度呈连续金属液流的形式喷出并冲击到低温基板上；采用水平运动机构驱动所述喷嘴以1‑1000mm/s的速度在水平方向运动，使所述金属液流冲击到所述低温基板表面后向所述金属液流移动的后方稳定堆积并且堆积的所述金属的固液界面与所述金属液流的距离始终维持恒定，最终制备得到具有均匀细小组织的金属件。本发明采用移动的金属液流冲击低温基板的方式直接制备出组织均匀细小的金属件，具有成本低、流程短和效率高等优点。

Description

一种基于金属液流冲击的金属组织细化方法

技术领域

本发明属于金属制备技术领域，具体涉及一种基于金属液流冲击的金属组织细化方法。

技术背景

组织细化能够显著提升金属的强度和韧性，是提升金属综合性能，拓展金属应用领域的重要手段。金属组织细化的主要原理包括增加形核率、降低晶核生长速度、增加枝晶破碎以及再结晶或相变等。基于以上原理，现有的金属组织细化方法主要包括化学处理法、物理搅拌/振动细化法、快速凝固法和形变热处理法等。以上方法均能够显著细化金属的组织，但仍然存在以下问题：

(1)化学处理法引入了与金属的化学成分不同的元素，降低了金属的纯净度，同时也增加了金属制备的成本。

(2)物理搅拌/振动细化法在对金属熔体搅拌/振动时易卷入气体，存在搅拌/振动装置复杂和控制难度大等缺点。

(3)快速凝固法实现条件较为苛刻，存在制备效率低等不足。

(4)形变热处理法会消耗大量的能源，而且金属的制备工序繁琐、生产成本高。

因此，开发成本低、流程短、效率高、无需额外搅拌/振动装置或元素添加的金属组织细化方法，具有重要意义。

发明内容

本发明针对传统金属组织细化方法存在的成本高、流程长、效率低、需额外搅拌/振动装置或元素添加等问题，提出采用移动的金属液流冲击低温基板的方式直接制备出组织均匀细小的金属件。该方法将移动的金属液流冲击低温基板后会向金属液流移动的后方稳定堆积并且堆积金属的固液界面与金属液流的距离始终维持恒定的特点与金属液流冲击使金属熔体在固液界面前方始终保持高速环形流动的特点相结合，使金属熔体在高速环形流场的作用下充分形核，增加形核率，并在低温基板的作用下，使金属熔体始终以较快的速度凝固，降低晶核生长速度，最终制备得到具有均匀细小组织的金属件。

根据本发明的第一方面，提供一种基于金属液流冲击的金属组织细化方法，包括如下步骤：

第一步：在喷嘴中盛装金属熔体，并使所述金属熔体的温度维持在金属的液相线温度以上1-300℃，确保所述金属熔体成分均匀、具有更好的流动性以及所需的过热度，同时满足后续稳定堆积和高速环形流动等需要。

第二步：在外力或自身重力的作用下，使所述金属熔体从所述喷嘴中以50-5000mm/s的速度呈连续金属液流的形式喷出并冲击到低温基板上，确保所述金属液流冲击所述低温基板后具有所需的初始流动速度，能够形成高速环形流场；所述金属液流的直径为0.1-100mm，使所述金属液流冲击所述低温基板后能以较快的速度凝固。

第三步：采用水平运动机构驱动所述喷嘴以1-1000mm/s的速度在水平方向运动，使所述金属液流冲击到所述低温基板表面后向所述金属液流移动的后方稳定堆积并且堆积的所述金属的固液界面与所述金属液流的距离始终维持恒定；在所述低温基板的冷却作用下，堆积的所述金属的所述固液界面向所述金属液流移动的后上方倾斜，并跟随所述金属液流移动；在所述固液界面和所述金属液流之间的所述金属熔体中，存在由所述金属液流冲击所述低温基板而形成的高速环形流场，使所述固液界面前方的所述金属熔体充分形核，增加其形核率，并在所述低温基板的作用下，使所述金属熔体始终以较快的速度凝固，降低其晶核的生长速度，最终制备得到具有均匀细小组织的金属件。

进一步的，所述金属熔体的温度维持在所述金属的固相线温度和所述液相线温度之间，获得固液混合体。

进一步的，所述喷嘴保持静止，所述低温基板以1-1000mm/s的速度在水平方向运动。

进一步的，所述低温基板的材质为纯铜、纯铝、铜合金、铝合金、不锈钢、氮化铝或石墨中的至少一种，所述低温基板的内部通有循环冷却水或四周采用冷却介质进行冷却，所述冷却介质为液体冷却介质、气体冷却介质或固体冷却介质中的至少一种。

进一步的，所述金属液流持续冲击到所述金属件上，并在冷却装置的作用下，制备出大尺寸的金属制品。

根据本发明的第二方面，提供一种具有均匀细小组织的金属件，其特征在于，所述金属件采用根据以上任一方面所述的金属组织细化方法制备得到。

本发明具有以下优势：

1.基于金属液流冲击的金属组织细化方法充分利用了金属液流冲击低温基板后对金属熔体的搅拌作用，并通过金属液流移动的方式，使金属液流始终冲击到基板上，提升了金属熔体的形核率，使制备得到的金属件具有均匀细小的等轴晶组织。

2.基于金属液流冲击的金属组织细化方法充分利用了金属液流冲击低温基板后向金属液流移动的后方以较小的体积均匀堆积的特点，并在低温基板的冷却作用下，使固液界面跟随金属液流均匀推进，提升了金属熔体的冷却速度，降低了晶核的生长速度，进一步均匀细化了金属件的组织。

3.基于金属液流冲击的金属组织细化方法直接利用金属熔体自身的流动和低温基板的冷却来细化组织，无需额外搅拌/振动装置或元素添加，且无需后续形变热处理对制备后的金属件进行进一步处理，具有成本低、流程短和效率高等优点。

附图说明

图1为本发明的一种基于金属液流冲击的金属组织细化方法的工艺流程图。

具体实施方式

以下结合实施例对本发明进行具体描述，有必要在此指出的是本实施例只用于对本发明进行进一步说明，不能理解为对本发明保护范围的限制，该领域的熟练技术人员可以根据上述本发明的内容做出一些非本质的改进和调整。

实施例1：

第一步：在喷嘴中盛装7075铝合金熔体，并采用感应加热的方式使7075铝合金熔体的温度维持在7075铝合金的液相线温度以上100℃，确保7075铝合金熔体成分均匀、具有更好的流动性以及所需的过热度，同时满足后续稳定堆积和高速环形流动等需要。

第二步：在气体压力的作用下，使7075铝合金熔体从喷嘴中以3000mm/s的速度呈连续7075铝合金液流的形式喷出并冲击到低温纯铜基板上，确保7075铝合金液流冲击低温纯铜基板后具有所需的初始流动速度，能够形成高速环形流场；7075铝合金液流的直径为0.5mm，使7075铝合金液流冲击低温纯铜基板后能以较快的速度凝固。

第三步：采用水平运动机构驱动喷嘴以50mm/s的速度在水平方向运动，使7075铝合金液流冲击到低温纯铜基板表面后向7075铝合金液流移动的后方稳定堆积并且堆积的7075铝合金的固液界面与7075铝合金液流的距离始终维持恒定；在低温纯铜基板的冷却作用下，堆积的7075铝合金的固液界面向7075铝合金液流移动的后上方倾斜，并跟随7075铝合金液流移动；在固液界面和7075铝合金液流之间的7075铝合金熔体中，存在由7075铝合金液流冲击低温纯铜基板而形成的高速环形流场，使固液界面前方的7075铝合金熔体充分形核，增加其形核率，并在低温纯铜基板的作用下，使7075铝合金熔体始终以较快的速度凝固，降低其晶核的生长速度，最终制备得到具有平均直径为15μm的均匀细小等轴晶组织的7075铝合金件。

实施例2：

第一步：在喷嘴中盛装7075铝合金熔体，并采用电阻加热的方式使7075铝合金熔体的温度维持在7075铝合金的液相线温度以下20℃，确保7075铝合金熔体成分均匀、具有更好的流动性以及所需的过热度，同时满足后续稳定堆积和高速环形流动等需要。

第二步：在气体压力的作用下，使7075铝合金熔体从喷嘴中以2000mm/s的速度呈连续7075铝合金液流的形式喷出并冲击到低温纯铜基板上，确保7075铝合金液流冲击低温纯铜基板后具有所需的初始流动速度，能够形成高速环形流场；7075铝合金液流的直径为1mm，使7075铝合金液流冲击低温纯铜基板后能以较快的速度凝固。

第三步：采用水平运动机构驱动喷嘴以200mm/s的速度在水平方向运动，使7075铝合金液流冲击到低温纯铜基板表面后向7075铝合金液流移动的后方稳定堆积并且堆积的7075铝合金的固液界面与7075铝合金液流的距离始终维持恒定；在低温纯铜基板的冷却作用下，堆积的7075铝合金的固液界面向7075铝合金液流移动的后上方倾斜，并跟随7075铝合金液流移动；在固液界面和7075铝合金液流之间的7075铝合金熔体中，存在由7075铝合金液流冲击低温纯铜基板而形成的高速环形流场，使固液界面前方的7075铝合金熔体充分形核，增加其形核率，并在低温纯铜基板的作用下，使7075铝合金熔体始终以较快的速度凝固，降低其晶核的生长速度，最终制备得到具有平均直径为10μm的均匀细小等轴晶组织的7075铝合金件。

实施例3：

第一步：在喷嘴中盛装2A70铝合金熔体，并采用感应加热的方式使2A70铝合金熔体的温度维持在2A70铝合金的液相线温度以上200℃，确保2A70铝合金熔体成分均匀、具有更好的流动性以及所需的过热度，同时满足后续稳定堆积和高速环形流动等需要。

第二步：在自身重力的作用下，使2A70铝合金熔体从喷嘴中以1000mm/s的速度呈连续2A70铝合金液流的形式喷出并冲击到低温氮化铝基板上，确保2A70铝合金液流冲击低温氮化铝基板后具有所需的初始流动速度，能够形成高速环形流场；2A70铝合金液流的直径为5mm，使2A70铝合金液流冲击低温氮化铝基板后能以较快的速度凝固。

第三步：采用水平运动机构驱动喷嘴以500mm/s的速度在水平方向运动，使2A70铝合金液流冲击到低温氮化铝基板表面后向2A70铝合金液流移动的后方稳定堆积并且堆积的2A70铝合金的固液界面与2A70铝合金液流的距离始终维持恒定；在低温氮化铝基板的冷却作用下，堆积的2A70铝合金的固液界面向2A70铝合金液流移动的后上方倾斜，并跟随2A70铝合金液流移动；在固液界面和2A70铝合金液流之间的2A70铝合金熔体中，存在由2A70铝合金液流冲击低温氮化铝基板而形成的高速环形流场，使固液界面前方的2A70铝合金熔体充分形核，增加其形核率，并在低温氮化铝基板的作用下，使2A70铝合金熔体始终以较快的速度凝固，降低其晶核的生长速度，最终制备得到具有平均直径为30μm的均匀细小等轴晶组织的2A70铝合金件。

实施例4：

第一步：在喷嘴中盛装2A70铝合金熔体，并采用电阻加热的方式使2A70铝合金熔体的温度维持在2A70铝合金的液相线温度以上50℃，确保2A70铝合金熔体成分均匀、具有更好的流动性以及所需的过热度，同时满足后续稳定堆积和高速环形流动等需要。

第二步：在塞杆推力的作用下，使2A70铝合金熔体从喷嘴中以4000mm/s的速度呈连续2A70铝合金液流的形式喷出并冲击到低温2A70铝合金基板上，确保2A70铝合金液流冲击低温2A70铝合金基板后具有所需的初始流动速度，能够形成高速环形流场；2A70铝合金液流的直径为0.2mm，使2A70铝合金液流冲击低温2A70铝合金基板后能以较快的速度凝固。

第三步：采用水平运动机构驱动喷嘴以100mm/s的速度在水平方向运动，使2A70铝合金液流冲击到低温2A70铝合金基板表面后向2A70铝合金液流移动的后方稳定堆积并且堆积的2A70铝合金的固液界面与2A70铝合金液流的距离始终维持恒定；在低温2A70铝合金基板的冷却作用下，堆积的2A70铝合金的固液界面向2A70铝合金液流移动的后上方倾斜，并跟随2A70铝合金液流移动；在固液界面和2A70铝合金液流之间的2A70铝合金熔体中，存在由2A70铝合金液流冲击低温2A70铝合金基板而形成的高速环形流场，使固液界面前方的2A70铝合金熔体充分形核，增加其形核率，并在低温2A70铝合金基板的作用下，使2A70铝合金熔体始终以较快的速度凝固，降低其晶核的生长速度，最终制备得到具有平均直径为20μm的均匀细小等轴晶组织的2A70铝合金件。

实施例5：

第一步：在喷嘴中盛装纯锡熔体，并采用电阻加热的方式使纯锡熔体的温度维持在纯锡的熔点温度以上30℃，确保纯锡熔体成分均匀、具有更好的流动性以及所需的过热度，同时满足后续稳定堆积和高速环形流动等需要。

第二步：在自身重力的作用下，使纯锡熔体从喷嘴中以800mm/s的速度呈连续纯锡液流的形式喷出并冲击到低温纯铜基板上，确保纯锡液流冲击低温纯铜基板后具有所需的初始流动速度，能够形成高速环形流场；纯锡液流的直径为2mm，使纯锡液流冲击低温纯铜基板后能以较快的速度凝固。

第三步：采用水平运动机构驱动喷嘴以300mm/s的速度在水平方向运动，使纯锡液流冲击到低温纯铜基板表面后向纯锡液流移动的后方稳定堆积并且堆积的纯锡的固液界面与纯锡液流的距离始终维持恒定；在低温纯铜基板的冷却作用下，堆积的纯锡的固液界面向纯锡液流移动的后上方倾斜，并跟随纯锡液流移动；在固液界面和纯锡液流之间的纯锡熔体中，存在由纯锡液流冲击低温纯铜基板而形成的高速环形流场，使固液界面前方的纯锡熔体充分形核，增加其形核率，并在低温纯铜基板的作用下，使纯锡熔体始终以较快的速度凝固，降低其晶核的生长速度，最终制备得到具有平均直径为40μm的均匀细小等轴晶组织的纯锡件。

实施例6：

第一步：在喷嘴中盛装锡铋合金熔体，并采用电阻加热的方式使锡铋合金熔体的温度维持在锡铋合金的液相线温度以上10℃，确保锡铋合金熔体成分均匀、具有更好的流动性以及所需的过热度，同时满足后续稳定堆积和高速环形流动等需要。

第二步：在气体压力的作用下，使锡铋合金熔体从喷嘴中以2500mm/s的速度呈连续锡铋合金液流的形式喷出并冲击到低温纯铜基板上，确保锡铋合金液流冲击低温纯铜基板后具有所需的初始流动速度，能够形成高速环形流场；锡铋合金液流的直径为0.8mm，使锡铋合金液流冲击低温纯铜基板后能以较快的速度凝固。

第三步：采用水平运动机构驱动喷嘴以250mm/s的速度在水平方向运动，使锡铋合金液流冲击到低温纯铜基板表面后向锡铋合金液流移动的后方稳定堆积并且堆积的锡铋合金的固液界面与锡铋合金液流的距离始终维持恒定；在低温纯铜基板的冷却作用下，堆积的锡铋合金的固液界面向锡铋合金液流移动的后上方倾斜，并跟随锡铋合金液流移动；在固液界面和锡铋合金液流之间的锡铋合金熔体中，存在由锡铋合金液流冲击低温纯铜基板而形成的高速环形流场，使固液界面前方的锡铋合金熔体充分形核，增加其形核率，并在低温纯铜基板的作用下，使锡铋合金熔体始终以较快的速度凝固，降低其晶核的生长速度，最终制备得到具有平均直径为35μm的均匀细小等轴晶组织的锡铋合金件。

实施例7：

第一步：在喷嘴中盛装锌铝合金熔体，并采用感应加热的方式使锌铝合金熔体的温度维持在锌铝合金的液相线温度以上75℃，确保锌铝合金熔体成分均匀、具有更好的流动性以及所需的过热度，同时满足后续稳定堆积和高速环形流动等需要。

第二步：在气体压力的作用下，使锌铝合金熔体从喷嘴中以3500mm/s的速度呈连续锌铝合金液流的形式喷出并冲击到低温纯铜基板上，确保锌铝合金液流冲击低温纯铜基板后具有所需的初始流动速度，能够形成高速环形流场；锌铝合金液流的直径为0.4mm，使锌铝合金液流冲击低温纯铜基板后能以较快的速度凝固。

第三步：采用水平运动机构驱动喷嘴以400mm/s的速度在水平方向运动，使锌铝合金液流冲击到低温纯铜基板表面后向锌铝合金液流移动的后方稳定堆积并且堆积的锌铝合金的固液界面与锌铝合金液流的距离始终维持恒定；在低温纯铜基板的冷却作用下，堆积的锌铝合金的固液界面向锌铝合金液流移动的后上方倾斜，并跟随锌铝合金液流移动；在固液界面和锌铝合金液流之间的锌铝合金熔体中，存在由锌铝合金液流冲击低温纯铜基板而形成的高速环形流场，使固液界面前方的锌铝合金熔体充分形核，增加其形核率，并在低温纯铜基板的作用下，使锌铝合金熔体始终以较快的速度凝固，降低其晶核的生长速度，最终制备得到具有平均直径为20μm的均匀细小等轴晶组织的锌铝合金件。

实施例8：

第一步：在喷嘴中盛装铜镍硅合金熔体，并采用感应加热的方式使铜镍硅合金熔体的温度维持在铜镍硅合金的液相线温度以上300℃，确保铜镍硅合金熔体成分均匀、具有更好的流动性以及所需的过热度，同时满足后续稳定堆积和高速环形流动等需要。

第二步：在气体压力的作用下，使铜镍硅合金熔体从喷嘴中以3200mm/s的速度呈连续铜镍硅合金液流的形式喷出并冲击到低温不锈钢基板上，确保铜镍硅合金液流冲击低温不锈钢基板后具有所需的初始流动速度，能够形成高速环形流场；铜镍硅合金液流的直径为0.3mm，使铜镍硅合金液流冲击低温不锈钢基板后能以较快的速度凝固。

第三步：采用水平运动机构驱动喷嘴以700mm/s的速度在水平方向运动，使铜镍硅合金液流冲击到低温不锈钢基板表面后向铜镍硅合金液流移动的后方稳定堆积并且堆积的铜镍硅合金的固液界面与铜镍硅合金液流的距离始终维持恒定；在低温不锈钢基板的冷却作用下，堆积的铜镍硅合金的固液界面向铜镍硅合金液流移动的后上方倾斜，并跟随铜镍硅合金液流移动；在固液界面和铜镍硅合金液流之间的铜镍硅合金熔体中，存在由铜镍硅合金液流冲击低温不锈钢基板而形成的高速环形流场，使固液界面前方的铜镍硅合金熔体充分形核，增加其形核率，并在低温不锈钢基板的作用下，使铜镍硅合金熔体始终以较快的速度凝固，降低其晶核的生长速度，最终制备得到具有平均直径为50μm的均匀细小等轴晶组织的铜镍硅合金件。

对比例1：

采用感应加热的方式使喷嘴中的7075铝合金熔体的温度维持在7075铝合金的液相线温度以上100℃，然后将7075铝合金直接浇注到直径为100mm的水冷铜坩埚中，最终制备获得晶粒平均直径为150μm的7075铝合金件。

对比例2：

采用电阻加热的方式使喷嘴中的7075铝合金熔体的温度维持在7075铝合金的液相线温度以上50℃，然后将7075铝合金熔体浇注到温度为7075铝合金的液相线温度以下20℃的搅拌桶中，并对7075铝合金熔体进行搅拌，搅拌的速度为300r/min，搅拌时间为30s，搅拌完成后将7075铝合金浆料浇注到直径为60mm的水冷不锈钢坩埚中，最终制备获得晶粒平均直径为80μm的7075铝合金件。

对比例3：

采用感应加热的方式使喷嘴中的2A70铝合金熔体的温度维持在2A70铝合金的液相线温度以上200℃，然后将2A70铝合金浇注到直径为200mm的水冷氮化铝坩埚中，最终制备获得晶粒平均直径为200μm的2A70铝合金件。

上述部分实施例和对比例中金属的牌号和平均晶粒大小见表1。

表1

本发明技术方案所公开的基于金属液流冲击的金属组织细化方法，将移动的金属液流冲击低温基板后会向金属液流移动的后方稳定堆积并且堆积金属的固液界面与金属液流的距离始终维持恒定的特点与金属液流冲击使金属熔体在固液界面前方始终保持高速环形流动的特点相结合，使金属熔体在高速环形流场的作用下充分形核，增加形核率，并在低温基板的作用下，使金属熔体始终以较快的速度凝固，降低晶核生长速度，最终制备得到具有均匀细小组织的金属件。

上面结合附图对本发明的实施例进行了描述，但是本发明并不局限于上述的具体实施方式，上述的具体实施方式仅仅是示意性的，而不是限制性的，本领域的普通技术人员在本发明的启示下，在不脱离本发明宗旨和权利要求所保护的范围情况下，还可做出很多形式，这些均属于本发明的保护之内。

Claims (9)

1.一种基于金属液流冲击的金属组织细化方法，其特征在于，包括如下步骤：

第一步：在喷嘴中盛装金属熔体，并使所述金属熔体的温度维持在金属的液相线温度以上1-300℃；

第二步：使所述金属熔体从所述喷嘴中以50-5000mm/s的速度呈连续金属液流的形式喷出并冲击到低温基板上；

第三步：采用水平运动机构驱动所述喷嘴以1-1000mm/s的速度在水平方向运动，使所述金属液流冲击到所述低温基板表面后向所述金属液流移动的后方稳定堆积并且堆积的所述金属的固液界面与所述金属液流的距离始终维持恒定，最终制备得到具有均匀细小组织的金属件。

2.根据权利要求1所述的金属组织细化方法，其特征在于，第二步中，所述金属液流的直径为0.1-100mm。

3.根据权利要求1所述的金属组织细化方法，其特征在于，第一步中，使所述金属熔体的温度维持在金属的液相线温度以上1-300℃的步骤替换为：

使所述金属熔体的温度维持在所述金属的固相线温度和所述液相线温度之间。

4.根据权利要求1所述的金属组织细化方法，其特征在于，第三步中，采用水平运动机构驱动所述喷嘴以1-1000mm/s的速度在水平方向运动的步骤替换为：

所述喷嘴保持静止，所述低温基板以1-1000mm/s的速度在水平方向运动。

5.根据权利要求1所述的金属组织细化方法，其特征在于，所述低温基板的材质为纯铜、纯铝、铜合金、铝合金、不锈钢、氮化铝或石墨中的至少一种。

6.根据权利要求5所述的金属组织细化方法，其特征在于，所述低温基板的内部通有循环冷却水或四周采用冷却介质进行冷却。

7.根据权利要求6所述的金属组织细化方法，其特征在于，所述冷却介质为液体冷却介质、气体冷却介质或固体冷却介质中的至少一种。

8.根据权利要求1所述的金属组织细化方法，其特征在于，所述金属液流持续冲击到所述金属件上，并在冷却装置的作用下，制备出大尺寸的金属制品。

9.一种具有均匀细小组织的金属件，其特征在于，所述金属件采用根据权利要求1至8中任一项所述的金属组织细化方法制备得到。

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