CN113909455A - 一种高通量制备亚快速凝固合金的装置及方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种高通量制备亚快速凝固合金的装置及方法，所述装置包括：熔炼系统、吸铸系统、真空系统及充气系统。该装置及方法能够通过一次实验制备出不同凝固冷速样品，便于系统研究亚快速凝固过程中凝固冷速对铸态组织的影响，同时得到凝固时的界面热流参数，而无需在实验室制备出一系列不同凝固冷速的样品，简单高效，易于精确控制。本发明适用于合金亚快速凝固领域。
Description
技术领域
本发明属于合金亚快速凝固领域，具体涉及一种高通量制备亚快速凝固合金的装置及方法。
背景技术
亚快速凝固介于平衡凝固及快速凝固之间，凝固冷却速率可达到102-104℃/s。亚快速凝固可以实现合金材料凝固组织细化，获得普通凝固无法得到的细晶组织。此外，亚快速凝固可以增加合金中溶质元素的固溶度，促进过饱和固溶体形成，随后控制合金元素与非金属元素形成化合物的微细弥散析出，可以充分发挥第二相析出的强化效果。在常规的低冷却速率的凝固过程中，夹杂物会形核并长大成为有害的大颗粒，恶化材料的综合力学性能。而在亚快速凝固过程中，金属熔体中的一部分非金属元素与金属元素结合生成析出相微细析出，钉扎凝固基体的晶界，细化凝固基体组织。另一部分非金属元素在快速凝固和随后的快速冷却的条件下，继续保持其固溶状态，直到室温。
亚快速凝固的凝固过程十分复杂。现有技术中，一方面现场实验及中试试验研究成本高、实验周期长、条件控制不够精确；另一方面，仿真数值模拟方面的研究在基于假设和边界条件的前提下只能起到有限的模拟作用，难以全面和精确的研究合金凝固前沿接触界面复杂而迅速的反应现象。
发明内容
本发明解决的技术问题是提供一种高通量制备亚快速凝固合金的装置及方法，该装置及方法能够通过一次实验制备出不同凝固冷速样品，便于系统研究亚快速凝固过程中凝固冷速对铸态组织的影响，同时得到凝固时的界面热流参数，而无需在实验室制备出一系列不同凝固冷速的样品，简单高效，易于精确控制。
为实现上述目的，本发明第一方面提供如下技术方案：
一种高通量制备亚快速凝固合金的装置，所述装置包括：
1)熔炼系统：包括熔炼室壳体以及密封在所述熔炼室壳体内的钨电极、水冷铜坩埚，所述水冷铜坩埚位于所述钨电极的下方；
2)吸铸系统：包括吸铸室壳体以及密封在所述吸铸室壳体内的热电偶、楔形水冷铜模具，所述吸铸室壳体位于所述熔炼室壳体的下方，所述楔形水冷铜模具位于所述水冷铜坩埚下方，所述楔形水冷铜模具两侧通冷却水使金属液快速凝固，在所述楔形水冷铜模具两侧上、中、下部各放置一个所述热电偶实时监测浇铸过程温度变化；
3)真空系统及充气系统：包括真空泵及真空度测量仪，对于熔炼易氧化的合金，通过充气系统通入惰性保护气体。
作为本发明的一个实施例，所述水冷铜坩埚的数量为2-8个，半径为20-40mm；
所述钨电极的引弧方式为非接触式，工作电流600-800A；
所述钨电极的下方设置有机械手翻转，用于翻转所述熔炼后的合金。
作为本发明的一个实施例，所述楔形水冷铜模具的上方开口宽度5-20mm，高度10-40mm。
作为本发明的一个实施例，所述保护气体选自氩气、氮气和硫化氢中的一种或几种。
作为本发明的一个实施例，所述装置还包括：数据采集系统：所述数据采集系统分别与所述热电偶和电脑相连。
本发明第二方面提供一种采用本发明第一方面所述的装置制备亚快速凝固合金的方法，所述方法包括：
1)将合金放入水冷铜坩埚内，在所述熔炼室壳体内通入惰性保护气体；
2)用所述钨电极将合金融化成液态，反复熔炼3-5次保证合金的均匀性；
3)将合金移至水冷铜坩埚，引弧熔炼至合金完全融化，使合金液顺着导流管流下浇铸到下方楔形水冷铜模具中成型。
作为本发明的一个实施例，所述合金中，C的含量为0.1-0.6wt％，Si的含量为0.1-0.5wt％，Mn的含量为0.2-1.0wt％，Cr的含量为0.1-1.0wt％，Ni的含量为0.1-1.0wt％，Mo的含量为0.1-0.5wt％，Ti的含量为0.1-1.0wt％，B的含量为0-0.01wt％，余量为Fe。
本发明提供的上述技术方案至少带来的有益效果：
1)本发明利用楔形水冷铜模具不同宽度位置凝固冷速不同这一特性，巧妙地通过一次浇铸得到一系列不同凝固冷速的试样，能显著地节约实验成本和实验周期，达到了高通量制备实验样品的目的；
2)楔形水冷铜模具上宽下窄的设计解决了快速凝固时金属液凝固堵塞在模具入口从而影响浇铸的问题，实验结束后样品容易脱模，模具便于清理，操作简单方便；
3)楔形水冷铜模具内不同高度位置等间距设置的热电偶可实时测定亚快速凝固过程中的温度数据，该装置可用来研究金属液与铜模具之间的界面传热现象及亚快速凝固金属的组织变化规律与凝固冷却速率之间的关系，对于进一步研究亚快速凝固过程及传热机理具有重要的指导意义。
附图说明
图1为本发明的高通量制备亚快速凝固合金的装置示意图。
图2为实施例中所得10mm厚度样品的铸态微观组织照片。
图3为实施例中所得6mm厚度样品的铸态微观组织照片。
图4为实施例中所得4mm厚度样品的铸态微观组织照片。
图5为实施例中所得2mm厚度样品的铸态微观组织照片。
附图标记说明如下：
1、熔炼室；2、钨电极；3、水冷铜坩埚；4、电脑；5、数据采集系统；6、热电偶；7、水冷铜模具；8、吸铸室；9、真空系统；10、充气系统；11、导流管。
具体实施方式
为使本发明的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将对本发明实施方式作进一步地详细描述。
实施例1
本发明的高通量制备亚快速凝固合金的装置如图1所示，制备方法如下：
1)将40-50g合金样品放入水冷铜坩埚3中，该样品可以是冶炼完成的合金样品或者未冶炼的合金原料，关闭炉门使熔炼室1处于密闭状态。然后开启抽真空系统9，使熔炼室1内空气排出，真空度控制在10-4-10-10Pa，关闭真空泵；
2)开启充气系统10向熔炼室1内充高纯度氩气到0.08MPa，关闭充气系统；然后开启电弧熔炼引弧开关，将合金融化成液态，熔炼时工作电流保持在600-800A，反复熔炼3-5次保证合金熔炼均匀；
3)将熔炼好的合金移至浇铸坩埚，引弧熔炼至合金完全融化，使合金液顺着导流管11浇铸至下方水冷铜模具7中成型，同时开启数据采集系统5，采集浇铸过程中模具不同位置温度变化曲线；当模具温度降至室温后取出样品，切取不同厚度位置的样品做微观组织检测分析。
本发明实施例的化学成分如表1所示。不同厚度位置处凝固组织的二次枝晶间距如表2所示，凝固组织照片见图2-图5，可见随着样品厚度增加，二次枝晶间距增大，说明凝固冷速随着样品厚度的增大而减小，从而能够通过一次浇铸得到一系列不同凝固冷速的试样，快速研究金属液与铜模具之间的界面传热现象及亚快速凝固金属的组织变化规律与凝固冷却速率之间的关系，显著节约实验成本和实验周期。
表1实施例合金的化学成分(wt.％)
表2实施例的主要组织参数
以上所述仅为本发明的较佳实施例，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。
Claims (7)
1.一种高通量制备亚快速凝固合金的装置，其特征在于，所述装置包括：
1)熔炼系统：包括熔炼室壳体以及密封在所述熔炼室壳体内的钨电极、水冷铜坩埚，所述水冷铜坩埚位于所述钨电极的下方；
2)吸铸系统：包括吸铸室壳体以及密封在所述吸铸室壳体内的热电偶、楔形水冷铜模具，所述吸铸室壳体位于所述熔炼室壳体的下方，所述楔形水冷铜模具位于所述水冷铜坩埚下方，所述楔形水冷铜模具两侧通冷却水使金属液快速凝固，在所述楔形水冷铜模具两侧上、中、下部各放置一个所述热电偶实时监测浇铸过程温度变化；
3)真空系统及充气系统：包括真空泵及真空度测量仪，对于熔炼易氧化的合金，通过充气系统通入惰性保护气体。
2.根据权利要求1所述的装置，其特征在于，所述水冷铜坩埚的数量为2-8个，半径为20-40mm；
所述钨电极的引弧方式为非接触式，工作电流600-800A；
所述钨电极的下方设置有机械手翻转，用于翻转所述熔炼后的合金。
3.根据权利要求1所述的装置，其特征在于，所述楔形水冷铜模具的上方开口宽度5-20mm，高度10-40mm。
4.根据权利要求1所述的装置，其特征在于，所述保护气体选自氩气、氮气和硫化氢中的一种或几种。
5.根据权利要求1所述的装置，其特征在于，所述装置还包括：数据采集系统：所述数据采集系统分别与所述热电偶和电脑相连。
6.一种采用权利要求1～5所述的装置制备亚快速凝固合金的方法，其特征在于，所述方法包括：
1)将合金放入水冷铜坩埚内，在所述熔炼室壳体内通入惰性保护气体；
2)用所述钨电极将合金融化成液态，反复熔炼3-5次保证合金的均匀性；
3)将合金移至水冷铜坩埚，引弧熔炼至合金完全融化，使合金液顺着导流管流下浇铸到下方楔形水冷铜模具中成型。
7.根据权利要求6所述的方法，其特征在于，所述合金中，C的含量为0.1-0.6wt％，Si的含量为0.1-0.5wt％，Mn的含量为0.2-1.0wt％，Cr的含量为0.1-1.0wt％，Ni的含量为0.1-1.0wt％，Mo的含量为0.1-0.5wt％，Ti的含量为0.1-1.0wt％，B的含量为0-0.01wt％，余量为Fe。
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