CN112091211A

CN112091211A - 一种扩散多元节的制备方法

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Publication number: CN112091211A
Application number: CN202010841909.5A
Authority: CN
Inventors: 赵冰冰; 董显平; 张澜庭
Original assignee: Shanghai Jiaotong University
Current assignee: Shanghai Jiaotong University
Priority date: 2020-08-20
Filing date: 2020-08-20
Publication date: 2020-12-18
Anticipated expiration: 2040-08-20
Also published as: CN112091211B

Abstract

本发明公开了一种扩散多元节的制备方法，涉及合金材料领域，具体为：将通过切割、打磨和清洗后的高熔点固态块状金属样品放置在扩散多元节模具中，然后将扩散多元节模具放入放电等离子烧结炉中进行烧结，设置烧结参数，包括升温速率，烧结温度，保温时间和烧结压力，最终经烧结得到扩散多元节，通过扫描电子显微镜、X射线能谱分析扩散层的厚度为50～80μm。本发明的制备方法简单，可以在较低的烧结温度和烧结压力下以及较短的烧结时间内获得高熔点差的扩散多元节，且所用到的模具较为简单，可重复利用。

Description

一种扩散多元节的制备方法

技术领域

本发明涉及合金材料领域，尤其涉及一种扩散多元节的制备方法。

背景技术

作为高通量实验块体合金制备的主要方法，扩散多元节是将多个不同的固态块状金属紧密的贴合在一起进行高温热处理，促使金属间相互扩散形成固溶体或者金属间化合物。现有的制备扩散多元节的技术是利用热等静压技术将多块金属紧密贴合，其优点是技术成熟，缺点是需在较高的温度和压力下进行，且试验时间较长，例如Fe-Co-Ni体系(ActaMaterialia Vol.88,2015,p.196)的固结参数为：在1200℃、207MPa下烧结8h。

放电等离子烧结(Spark Plasma Sintering，SPS)是近年来发展起来的一种新型的快速烧结技术,它融等离子活化、热压为一体，具有升温速度快、烧结时间短、冷却迅速、外加压力和烧结气氛可控、节能环保等特点。由于SPS技术是单向加压、并非整体加热样品，可通过样品间隙的部分电流激活晶粒表面，击穿空隙内残留气体，局部放电，促进晶粒间的结合，因此在较低的温度就可以实现高熔点材料的固结，其固结时间和温度明显低于利用扩散进行固结的热等静压技术，且升温和冷却速度远快于传统方法，可明显提高样品制备的效率。同时，SPS技术并非加热整体样品，可以用于制造高熔点差的非平衡合金，从而增加样品制备的数目和种类，满足高通量实验的要求。近几年国内外许多大学和科研机构都相继配备了SPS烧结系统，并利用SPS进行新材料的研究和开发，主要在粉末烧结中得到广泛应用，将其应用于多种块状样品的固结尚未见报道。

因此本领域的技术人员致力于开发一种用于制备扩散多元节的技术，即改善现有扩散多元节的制备条件，在较低的烧结温度和烧结压力以及较短的时间内制备出扩散多元节。

发明内容

有鉴于现有技术的上述缺陷，本发明所要解决的技术问题是现有的制备扩散多元节的技术，热等静压技术，试验条件较为苛刻，需在较高的温度和压力下进行，且试验时间较长，加大了制备扩散多元节的难度。

为实现上述目的，本发明提供了一种用于制备扩散多元节的方法，即利用放电等离子烧结技术制备扩散多元节，将模具置于上下电极之间，通过系统加压，然后对腔体抽真空，达到要求的真空度后通入脉冲电流进行实验。脉冲大电流直接施加于导电模具和样品上，通过样品及间隙的部分电流激活晶粒表面，在孔隙间局部放电，产生等离子体，实现样品的固结。

具体步骤如下：

步骤一：对固态块状金属样品表面进行打磨，并放入溶液中清洗；

步骤二：将清洗好的所述固态块状金属样品放置在扩散多元节模具中；

步骤三：将所述扩散多元节模具放入放电等离子烧结炉中，抽真空，设置升温速率，烧结温度，保温时间和烧结压力，所述烧结压力为45～55MPa；

步骤四：取出已烧结好的扩散多元节；

步骤五：检测所述扩散多元节的烧结程度。

进一步地，步骤一中所述固态块状金属样品的种类包括Fe、Ni、Ni-Al(60at.％Ni)、Ni-Cu(60at.％Ni)、Ni-Ti(90at.％Ni)、Ni-Mn(90at.％Ni)，所选的单个固态块状金属样品的熔点在1200～1600℃，金属样品的熔点差值可以达到400℃。目前对于熔点差值较大的金属的连接方式主要包括熔焊、钎焊、固相扩散连接及瞬间液相连接，但是通过上述方式获得的扩散多元节连接处的结合强度较低，且容易产生裂纹，具有较为苛刻的制备要求，通过放电等离子体烧结技术，可以在较低的烧结温度、烧结压力下以及较短的烧结时间内制备得到扩散多元节，而且可以明显缩短烧结时间。

进一步地，步骤一中所述固态块状金属样品通过线切割加工方式制备获得，固态块状金属样品的厚度为11～15mm。

进一步地，步骤一中所述打磨采用砂纸进行打磨，砂纸的型号一般为60#、80#、100#、120#，因为较细的砂纸使得固态块状金属样品表面的粗糙度较低，有效接触面积减少，从而固态块状金属样品间的间隙降低，不利于直流脉冲电压击穿固态块状金属样品间的残留气体，从而产生较少的放电等离子体，降低了固态块状金属样品表面原子的扩散。

进一步地，步骤一中所述清洗采用乙醇超声清洗。

进一步地，步骤二中所述扩散多元节模具包括外层石墨模具、内层石墨模具、金属镍层模具和样品放置层，所述外层石墨模具为空心圆柱体，位于所述扩散多元节模具的最外层，所述内层石墨模具位于所述外层石墨模具的内部，是由两个半圆的空心圆柱体拼接组成，所述金属镍层模具位于所述内层石墨模具的内部，所述金属镍层模具是由两块中心为空心矩形的半圆柱体拼接而成，所述金属镍层模具的空心矩形区域为所述样品放置层。

进一步地，步骤二中将清洗好的所述固态块状金属样品放置在扩散多元节模具中的具体步骤为：首先，将清洗好的所述固态块状金属样品按照一定顺序放置在所述金属镍层模具中的样品放置层中，所述固态块状金属间及所述固态块状金属与所述金属镍层模具间应紧密贴合，在不受外力的作用下，所述固态块状金属不与所述金属镍层模具产生相对位移。然后，将所述金属镍层模具放入所述内层石墨模具中。最后，将所述内层石墨模具放入所述外层石墨模具中。

进一步地，步骤二中所述扩散多元节模具中的所述外层石墨模具的厚度为15～25mm，所述外层石墨模具主要起到隔热和承受压力的作用，通常石墨层的厚度越大，承压能力和隔热效果愈好，但是综合考虑承压能力、隔热效果以及经济层面，所述外层石墨模具的厚度控制在15～25mm。

进一步地，步骤二中所述扩散多元节模具中的所述内层石墨模具的厚度为3～8mm，所述内层石墨模具主要有三个方面的作用，第一方面，可以起到增强隔热的效果，使得试验操作更安全方便，另一方面，可以起到固定金属镍层模具的作用，防止金属镍层模具受热变形脱离模具，而且可以避免外层石墨模具与金属镍层模具粘连，其次，由于所述内层石墨模具是由两个半圆形的石墨层组成，所以使得样品的放置和取出更为方便，模具可重复利用。

进一步地，步骤二中所述扩散多元节模具中的所述金属镍层模具有两个方面的作用，一方面可以防止所述固态块状金属样品粘连石墨层模具，另一方面，由于镍金属具有较好的延展性，可在将多块固态块状金属样品放入金属镍层模具前加热金属镍层模具，使其受热膨胀，然后冷却，使得固态块状金属样品更为紧密的放置于金属镍层模具中。

进一步地，步骤二中所述扩散多元节模具中的所述样品放置层为矩形，矩形的宽度为15～20mm，所述样品放置层与固态块状金属样品的形状一致，因为形状为矩形的固态块状金属更易获得，且更容易对所述固态块状金属样品的表面进行打磨。

进一步地，步骤三中抽真空的真空度设置为10^-3mbar或更低。

进一步地，步骤三中所述升温速率为100℃/min。

进一步地，步骤三中所述烧结温度为1000～1200℃，由于烧结过程中样品放置层不能出现液相层，所以烧结温度不能超过金属样品的熔点。

进一步地，步骤三中所述保温时间为20～30min。

进一步地，步骤四中所述取出已烧结好的扩散多元节的方式为通过线切割加工方式制备获得，由于线切割的切缝较窄，所以能有效节约模具材料，提高材料的利用率。

进一步地，步骤五中所述检测扩散多元节烧结程度的方式包括宏观分析和微观分析，宏观上，可以通过肉眼观察固态块状金属样品拼接处是否有裂缝来确定其烧结效果；微观上，主要利用扫描电子显微镜(SEM)、X射线能谱分析(EDS)和同步辐射分析观察固态块状金属样品拼接处的元素扩散情况，从而进一步确定烧结程度。

进一步地，步骤五中所述烧结程度主要通过扩散层的厚度来衡量，通过扫描电子显微镜和X射线能谱分析测量得到的扩散层的厚度为50～80μm，表明通过放电等离子体烧结技术可以获得较高烧结程度的扩散多元节，另外，也可利用同步辐射表征扩散多元节的烧结程度，当固态块状金属样品拼接处成分有明显的的渐变时，表明样品已经固结并相互扩散。

有益效果

(1)利用放电等离子烧结技术可以在较低的烧结温度、保温时间和烧结压力下获得扩散多元节。

(2)放电等离子烧结技术所用到的扩散多元节模具较为简单，可重复利用。

(3)由于放电等离子烧结技术并非加热整体样品，所以可以制造高熔点差的扩散多元节。

以下将结合附图对本发明的构思、具体结构及产生的技术效果作进一步说明，以充分地了解本发明的目的、特征和效果。

附图说明

图1是本发明的一种扩散多元节的制备方法流程图；

图2是本发明的一种扩散多元节的制备模具简图；

图3是本发明的一个较佳实施例1制备扩散多元节的样品摆放示意图；

图4是本发明的一个较佳实施例1制备的扩散多元节的成品图；

图5是本发明的一个较佳实施例1制备的扩散多元节的SEM和EDS分析结果图；

图6是本发明的一个较佳实施例2制备扩散多元节的样品摆放示意图；

图7是本发明的一个较佳实施例2制备的扩散多元节的成品图；

图8是本发明的一个较佳实施例2制备的扩散多元节的同步辐射分析结果图。

附图2标记如下：1-外层石墨模具；2-内层石墨模具；3-金属镍层模具；4-样品放置层。

具体实施方式

以下参考说明书附图介绍本发明的多个优选实施例，使其技术内容更加清楚和便于理解。本发明可以通过许多不同形式的实施例来得以体现，本发明的保护范围并非仅限于文中提到的实施例。

在附图中，结构相同的部件以相同数字标号表示，各处结构或功能相似的组件以相似数字标号表示。附图所示的每一组件的尺寸和厚度是任意示出的，本发明并没有限定每个组件的尺寸和厚度。为了使图示更清晰，附图中有些地方适当夸大了部件的厚度。

实施例1

如图3～5所示，在一个优选实施例中，由Fe、Ni、Ni-Al(60at.％Ni)、Ni-Cu(60at.％Ni)四种固态块状金属样品制备扩散多元节的方法如下：

步骤一：用线切割处理得到Fe、Ni、Ni-Al(60at.％Ni)、Ni-Cu(60at.％Ni)四种固态块状金属样品，用80#砂纸打磨每块固态块状金属样品的表面，将打磨好的固态块状金属样品放在乙醇溶液中超声清洗两次，每次清洗10min。

步骤二：用酒精灯加热金属镍层模具3，使其受热膨胀，将清洗好的固态块状金属样品按照一定顺序放置在金属镍层模具3中的样品放置层4中，将金属镍层模具3放入内层石墨模具2中，再将内层石墨模具放入外层石墨模具1中。

步骤三：将所述扩散多元节模具放入放电等离子烧结炉中，将放电等离子体烧结炉抽真空至10^-3mbar，设置烧结压力为50Mpa，将烧结炉以100℃/min的升温速率升温至1100℃并保温30min，完成固态块状金属样品的烧结。

步骤四：样品降至室温后，采用线切割取出烧结好的扩散多元节。

步骤五：利用SEM和EDS分析得到样品的扩散层厚度为50～80μm。

实施例2

如图6～8所示，在一个优选实施例中，由Fe、Ni、Ni-Al(60at.％Ni)、Ni-Cu(60at.％Ni)、Ni-Ti(90at.％Ni)、Ni-Mn(90at.％Ni)六种固态块状金属样品制备扩散多元节的方法如下：

步骤一：用线切割处理得到Fe、Ni、Ni-Al(60at.％Ni)、Ni-Cu(60at.％Ni)、Ni-Ti(90at.％Ni)、Ni-Mn(90at.％Ni)六种固态块状金属样品，用80#砂纸打磨每块固态块状金属样品的表面，将打磨好的固态块状金属样品放在乙醇溶液中超声清洗两次，每次清洗10min。

步骤三：将所述扩散多元节模具放入放电等离子烧结炉中，将放电等离子体烧结炉抽真空至10^-3mbar，设置烧结压力为50Mpa，将烧结炉以100℃/min的升温速率升温至1100℃并保温20min，完成固态块状金属样品的烧结。

步骤五：利用同步辐射分析扩散多元节的烧结程度，附图8包括金属Ni、Fe、Cu、Ti、Mn元素的分布图，元素分布图中颜色的深浅代表金属元素含量的多少，蓝色越深，表明相应的元素含量越小，黄色越深，表明相应的元素含量越大，图中每个金属元素的分布和左上角的扩散多元节成品图是1:1对应的，从图中可以看出渐变的颜色变化，表明固态块状样品拼接处的成分发生了变化，固态块状金属样品已经固结并互相扩散。

以上详细描述了本发明的较佳具体实施例。应当理解，本领域的普通技术无需创造性劳动就可以根据本发明的构思作出诸多修改和变化。因此，凡本技术领域中技术人员依本发明的构思在现有技术的基础上通过逻辑分析、推理或者有限的实验可以得到的技术方案，皆应在由权利要求书所确定的保护范围内。

Claims

1.一种扩散多元节的制备方法，其特征在于，包括如下步骤：

步骤二：将清洗好的所述固态块状金属样品放置在扩散多元节模具中，所述扩散多元节模具包括外层石墨模具(1)、内层石墨模具(2)、金属镍层模具(3)和样品放置层(4)，所述外层石墨模具(1)为空心圆柱体，位于所述扩散多元节模具的最外层，所述内层石墨模具(2)位于所述外层石墨模具(1)的内部，是由两个半圆的空心圆柱体拼接组成，所述金属镍层模具(3)位于所述内层石墨模具(2)的内部，所述金属镍层模具(3)是由两块中心为空心矩形的半圆柱体拼接而成，所述金属镍层模具(3)的空心矩形区域为所述样品放置层(4)；

步骤四：取出已烧结好的扩散多元节；

步骤五：检测所述扩散多元节的烧结程度。

2.如权利要求1所述的扩散多元节的制备方法，其特征在于，所述固态块状金属样品的种类包括Fe、Ni、Ni-Al(60at.％Ni)、Ni-Cu(60at.％Ni)、Ni-Ti(90at.％Ni)、Ni-Mn(90at.％Ni)。

3.如权利要求1所述的扩散多元节的制备方法，其特征在于，所述外层石墨模具(1)的厚度为15～25mm。

4.如权利要求1所述的扩散多元节的制备方法，其特征在于，所述内层石墨模具(2)的厚度为3～8mm。

5.如权利要求1所述的扩散多元节的制备方法，其特征在于，所述抽真空的真空度设置为10^-3mbar。

6.如权利要求1所述的扩散多元节的制备方法，其特征在于，所述升温速率为100℃/min。

7.如权利要求1所述的扩散多元节的制备方法，其特征在于，所述烧结温度为1000～1200℃。

8.如权利要求1所述的扩散多元节的制备方法，其特征在于，所述保温时间为20～30min。

9.如权利要求1所述的扩散多元节的制备方法，其特征在于，所述取出已烧结好的扩散多元节的方式为线切割处理。

10.如权利要求1所述的扩散多元节的制备方法，其特征在于，所述烧结程度通过扩散层的厚度来衡量，所述扩散层的厚度为50～80μm。