CN114433820B - 液态组装法制备超细晶金属材料的系统和超细晶金属材料 - Google Patents

Abstract

本发明提供了一种液态组装法制备超细晶金属材料的系统和超细晶金属材料，涉及金属材料领域。该系统包括高压发生装置、熔体冲击装置、组装壳体和三维运动装置，组装壳体内设置有用于容纳预制块的预制块容纳腔，三维运动装置放置于组装壳体内，预制块容纳腔与三维运动装置连接，熔体冲击装置设置有熔体容纳腔和冲击喷嘴，冲击喷嘴的一端与熔体容纳腔连通，另一端插入组装壳体内且位于预制块容纳腔的上方，高压发生装置间歇式地与熔体容纳腔连通。利用该系统制备超细晶金属材料效率高、成本低，技术优势明显，制备获得的超细晶金属材料具有超细晶结构凝固组织。

Description

液态组装法制备超细晶金属材料的系统和超细晶金属材料

技术领域

本发明涉及金属材料领域，具体而言，涉及一种液态组装法制备超细晶金属材料的系统和超细晶金属材料。

背景技术

金属材料性能和晶粒尺寸密切相关，晶粒细化是同时提升金属材料的强度和塑性的唯一技术途径。获得纳米晶、超细晶、细晶是成倍提升各种金属材料强度的普适性方法，是未来金属材料发展的重要方向。迄今为止，大规格金属材料制品的晶粒尺寸仅能做到10微米级，还没有一种装置能把具有工程价值的大规格金属结构材料的晶粒尺寸控制在纳米尺度，金属材料的性能远未达到其上限。

鉴于此，特提出本申请。

发明内容

本发明的目的包括，例如，提供了一种液态组装法制备超细晶金属材料的系统和超细晶金属材料。

本发明的实施例可以这样实现：

第一方面，本发明实施例提供一种液态组装法制备超细晶金属材料的系统，其包括高压发生装置、熔体冲击装置、组装壳体和三维运动装置，所述组装壳体内设置有用于容纳预制块的预制块容纳腔，所述三维运动装置放置于所述组装壳体内，所述预制块容纳腔与所述三维运动装置连接，所述熔体冲击装置设置有熔体容纳腔和冲击喷嘴，所述冲击喷嘴的一端与所述熔体容纳腔连通，另一端插入所述组装壳体内且位于所述预制块容纳腔的上方，所述高压发生装置间歇式地与所述熔体容纳腔连通。

在可选的实施方式中，所述预制块容纳腔用于容纳凹槽结构的预制块；

优选地，所述预制块的凹槽深度为5～10cm；

优选地，所述预制块的厚度为10～20cm。

在可选的实施方式中，所述冲击喷嘴与所述预制块之间的高度差为10-50cm；

优选地，所述冲击喷嘴具有多个阵列式分布的单嘴；

优选地，所述单嘴的个数为20-40个；

优选地，所述单嘴的直径为0.8-2.0mm；

优选地，任意两个相邻的所述单嘴之间的间距为5-20mm。

在可选的实施方式中，所述组装壳体内还设置有用于对所述预制块容纳腔内的所述预制块进行冷却的冷凝装置，所述预制块放置于所述冷凝装置上；

优选地，所述冷凝装置为凹槽结构，所述冷凝装置的凹槽结构构成所述预制块容纳腔，所述预制块容纳于所述冷凝装置内，所述冷凝装置放置于所述三维运动装置上，所述冷凝装置上开设有冷凝液进口和冷凝液出口。

在可选的实施方式中，所述三维运动装置的运动轨迹为蛇形，所述三维运动装置的运动速度为100～150mm/s。

在可选的实施方式中，所述高压发生装置设置有高压气体进气管，所述高压气体进气管与所述熔体容纳腔连通，所述高压气体进气管上设置有用于间歇式输出高压气体的自动阀门和用于控制所述自动阀门启闭的时间继电器。

在可选的实施方式中，所述高压发生装置产生的压力为5～20Mpa。

在可选的实施方式中，所述液态组装法制备超细晶金属材料的系统还包括控制装置，所述控制装置包括控制柜、熔体液位检测机构、三维运动控制机构和抽真空控制机构，所述控制柜同时与所述熔体液位检测机构、所述三维运动控制机构和所述抽真空控制机构电连接，所述熔体液位检测机构与所述熔体容纳腔连接，所述三维运动控制机构与所述三维运动装置连接，所述抽真空控制机构与所述组装壳体连通。

在可选的实施方式中，所述液态组装法制备超细晶金属材料的系统还包括高温熔体制备装置，所述高温熔体制备装置与所述熔体容纳腔连通。

第二方面，本发明实施例提供一种超细晶金属材料，其是采用如前述实施方式任一项所述的液态组装法制备超细晶金属材料的系统制备而成。

本发明实施例的有益效果包括，例如：

本发明实施例提供了一种液态组装法制备超细晶金属材料的系统，其通过高压发生装置产生的超高压作用于熔体容纳腔内的高温熔体，使高温熔体从冲击喷嘴中喷出并作用于位于组装壳体内的预制块容纳腔内的预制块上，高温熔体在预制块表面形成铝合金熔池，铝合金溶池快速凝固，形成半固态区熔覆层，并随三维运动平台一起运动，高温熔体间歇式冲击扫描预制块，循环逐层作用半固态区熔覆层，最终形成超细晶材料。可以制备具有超细晶结构凝固组织的金属铸锭。本申请的系统可以提供一种制备超细晶金属材料的新方法，利用该系统制备超细晶金属材料效率高、成本低，技术优势明显。

附图说明

为了更清楚地说明本发明实施例的技术方案，下面将对实施例中所需要使用的附图作简单地介绍，应当理解，以下附图仅示出了本发明的某些实施例，因此不应被看作是对范围的限定，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他相关的附图。

图1为本申请实施例提供的液态组装法制备超细晶金属材料的系统的结构示意图；

图2为本申请实施例提供的液态组装法制备超细晶金属材料的系统在使用时容纳有高温熔体和预制块的结构示意图；

图3为本申请实施例提供的液态组装法制备超细晶金属材料的系统的预制块的结构示意图；

图4为本申请实施例提供的液态组装法制备超细晶金属材料的系统的预制块经高温熔体第一次冲击后的结构示意图。

图标：100-液态组装法制备超细晶金属材料的系统；110-高温熔体制备装置；120-熔体冲击装置；121-熔体容纳腔；122-冲击喷嘴；124-加热器；125-高温熔体；126-液柱；130-组装壳体；140-预制块容纳腔；141-预制块；150-三维运动装置；160-冷凝装置；161-冷凝液进口；162-冷凝液出口；170-高压发生装置；171-高压气体进气管；172-自动阀门；173-时间继电器；180-控制装置；181-控制柜；182-熔体液位检测机构；183-三维运动控制机构；184-抽真空控制机构。

具体实施方式

为使本发明实施例的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。通常在此处附图中描述和示出的本发明实施例的组件可以以各种不同的配置来布置和设计。

因此，以下对在附图中提供的本发明的实施例的详细描述并非旨在限制要求保护的本发明的范围，而是仅仅表示本发明的选定实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有作出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。

应注意到：相似的标号和字母在下面的附图中表示类似项，因此，一旦某一项在一个附图中被定义，则在随后的附图中不需要对其进行进一步定义和解释。

在本发明的描述中，需要说明的是，若出现术语“上”、“下”、“内”、“外”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，或者是该发明产品使用时惯常摆放的方位或位置关系，仅是为了便于描述本发明和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本发明的限制。

此外，若出现术语“第一”、“第二”等仅用于区分描述，而不能理解为指示或暗示相对重要性。

需要说明的是，在不冲突的情况下，本发明的实施例中的特征可以相互结合。

实施例

本发明从颠覆传统金属材料铸锭制备方法入手，探索基于熔体高速冲击、快速增材凝固方法的高强韧大规格纳米晶金属材料制备新思路。提出了本申请的自体强搅拌的液态组装制备技术，利用间歇式极细高压熔体强烈冲击固相材料使之穿插进入固相材料内部，与其产生深度融合，并利用原固相组织的强冷却作用使穿插进入的液态金属的凝固速度大幅提升，进而在高过冷度下快速凝固获得微米级甚至亚微米级铸造晶粒组织。

具体来说，请参考图1和图2，本实施例提供了一种液态组装法制备超细晶金属材料的系统100，其包括高温熔体制备装置110、熔体冲击装置120、组装壳体130、预制块容纳腔140、三维运动装置150、冷凝装置160、高压发生装置170和控制装置180。高温熔体制备装置110与熔体冲击装置120连通，熔体冲击装置120与组装壳体130连通，预制块容纳腔140、三维运动装置150和冷凝装置160均设置于组装壳体130内，高压发生装置170与熔体冲击装置120连通，控制装置180分别与熔体冲击装置120、三维运动装置150和冷凝装置160连接。

其中，高温熔体制备装置110用于制备高温熔体125，并将高温熔体125输入至熔体冲击装置120中。本实施例中的高温熔体制备装置110具体为熔炼炉，通过熔炼炉对铝合金进行熔炼，还可以进行后续常规的在线除气净化处理，然后将高温的铝合金熔体转移至熔体冲击装置120内保温待用。

熔体冲击装置120用于对高温熔体125进行喷出，使高温熔体125形成液柱126作用于预制块容纳腔140内的预制块141上。具体地，本实施例中的熔体冲击装置120包括熔体容纳腔121和冲击喷嘴122，冲击喷嘴122的一端与熔体容纳腔121连通，另一端插入组装壳体130内且位于预制块容纳腔140的上方。冲击喷嘴122与预制块141之间的高度差为10-50cm；优选地，冲击喷嘴122具有多个阵列式分布的单嘴；优选地，单嘴的个数为20-40个；单嘴的直径为0.8-2.0mm；任意两个相邻的单嘴之间的间距为5-20mm。通过本申请的单嘴的个数、直径以及相邻两个单嘴之间的间距的设置，有利于使高温熔体125冲击预制块141后形成的熔池形成一个整体，而不会出现多个相互独立的熔池，更不会形成熔沟。此外，本申请中熔体容纳腔121的侧壁上还设置有用于对高温熔体125进行加热保温的加热器124。

组装壳体130用于使整个液态组装过程在真空条件下进行，本实施例中的预制块容纳腔140、三维运动装置150和冷凝装置160均设置于组装壳体130内。

请参阅图2、图3和图4，预制块容纳腔140用于容纳预制块141，本申请的预制块141为凹槽结构，凹槽结构便于高温熔体125冲击预制块141时形成熔池，四周的固体结构可以起到支撑和包围熔体的作用，避免熔体飞溅。本申请中的预制块141的凹槽深度为5～10cm，凹槽深度过深过浅均不佳，过深后期处理麻烦，且减材量大，导致浪费，过浅围挡效果不明显，导致未凝固的熔体外流。预制块141应具有一定的厚度，具体来说，本申请中预制块141的厚度为10～20cm，这是根据液态组装法的原理进行设定的，间歇式极细高压熔体液柱126强烈冲击固相材料使之穿插进入固相材料内部，与其产生深度融合，一定厚度的原固相材料的强冷却作用使穿插进入的液态金属快速凝固速度。预制块141具有一定的厚度，过高过低均不佳，经发明人研究发现，预制块141的厚度设置为10～20cm可保证熔体穿插后可形成一定高度的熔池，起到快速搅拌的作用，另外，冷却效果与固相材料厚度有关，该冷却效果要考虑固相冷却与外部冷凝装置160(水冷)相结合的作用。

此外，需要说明的是，预制块141的化学成分可以与高温熔体125的化学成分保持一致，也可以不一致。在预制块141的化学成分与高温熔体125的化学成分一致时，最终形成的超细晶金属材料是同一化学成分的材料，而当预制块141的化学成分与高温熔体125的化学成分不一致时，形成的超细晶金属材料是复合材料。

冷凝装置160用于对预制块容纳腔140内的预制块141进行冷却，由于高温熔体125冲击到预制块141的表面时会形成铝合金熔池，高温熔体125的温度高，会将热量传递至预制块141，为了加快铝合金熔池快速凝固，形成半固态区熔覆层，本申请中通过在预制块141的底部设置该冷凝装置160，快速将预制块141上的热量带走。预制块容纳腔140可以是单独的一个腔体，也可以是由冷凝装置160的外表面形成的腔体。本申请中优选冷凝装置160为凹槽结构，冷凝装置160的凹槽结构构成预制块容纳腔140，预制块141容纳于冷凝装置160内，冷凝装置160上开设有冷凝液进口161和冷凝液出口162，通过冷凝液的不断将预制块141表面的热量带走。

三维运动装置150用于带动预制块141进行三维运动。三维运动装置150与预制块容纳腔140的连接方式有多种，包括但限于：将三维运动装置150连接至预制块容纳腔140的底部或侧面，具体来说，本申请中，预制块141放置于冷凝装置160上，冷凝装置160放置于三维运动装置150上，三维运动装置150同时带动预制块141和冷凝装置160进行运动。为了配合冷凝装置160的运动，冷凝装置160上设置的冷凝液进口161和冷凝液出口162通过软管与外界的冷凝液进行连通。

由于本申请中的冲击喷嘴122的位置相对确定，为了避免从冲击喷嘴122内喷出的高温熔体125反复对同一位置进行冲击，本申请中通过三维运动装置150带动预制块141进行运动，这样有利于在预制块141的多个位置均形成熔池，以便形成整体而非多个单独存在的熔池。此外，由于高温熔体125冲击在预制块141上时，需要一定时间才会完全冷凝，三维运动装置150在带动预制块141进行运动时，可以对流体状的未完全冷凝的熔体进行振动和混合，使得冲击形成的熔池更加均匀。

本申请中的三维运动装置150的运动轨迹为蛇形，具体来说是在水平面上进行蛇形运动三维运动装置150的运动速度为100～150mm/s，当熔池的厚度累积到一定程度时，可以利用三维运动装置150将预制块141向下移动，以保证冲击喷嘴122与预制块141之间的高度差为10-50cm，该高度差可以保证高温熔体125对预制块141具有较佳的冲击力度。

本申请中的三维运动装置150的结构有多种，只要能够实现在真空环境中带动预制块141在三维方向上进行运动即可，具体的结构可参阅现有技术，本申请不进行具体的阐述。

高压发生装置170与熔体容纳腔121连通，用于向熔体容纳腔121内通入高压的惰性气体，实现高压作用于高温熔体125使其从冲击喷嘴122中喷出并作用于预制块141。高压发生装置170设置有高压气体进气管171，高压气体进气管171与熔体容纳腔121连通，高压气体进气管171上设置有用于间歇式输出高压气体的自动阀门172和用于控制自动阀门172启闭的时间继电器173。高压发生装置170产生的压力为5～20Mpa。

本申请中，通过设置自动阀门172和时间继电器173实现高压的惰性气体间歇式的作用至高温熔体125，这样可以保证高温熔体125冲击预制块141的时间间隔，值得注意的是，本申请中，是以高温熔体125冲击预制块141时形成的熔池到熔池形成半固态区状态时的间隔时间来调整高温熔体125冲击预制块141的间隔时间。这样可以保证，当铝合金熔池温度降至初生固相形成的半固态区内时，第二道次高压熔体刚好扫过半固态区熔覆层表面对其进行力学干扰，如此循环逐层作用半固态区熔覆层后冷却，直至双尺度/多尺度的纳米晶、超细晶、细晶铝合金件形成。

此外，本申请的高压发生装置170还设置有用于向组装壳体130内输送惰性气体的管道(图未标)，有利于在高温熔体125冲击完成后，实现使组装壳体130恢复常压状态。

控制装置180包括控制柜181、熔体液位检测机构182、三维运动控制机构183和抽真空控制机构184，控制柜181同时与熔体液位检测机构182、三维运动控制机构183和抽真空控制机构184电连接，熔体液位检测机构182与熔体容纳腔121连接，三维运动控制机构183与三维运动装置150连接，抽真空控制机构184(具体到本实施例中为真空泵)与组装壳体130连通。控制装置180可以实现对各种参数进行调整和控制，操作更方便。

根据本实施例提供的一种液态组装法制备超细晶金属材料的系统100的工作原理是：高温熔体制备装置110制备高温熔体125，制备获得的高温熔体125置于熔体冲击装置120的熔体容纳腔121中保温待用，高压发生装置170产生超高压，将熔体容纳腔121中的高温熔体125从冲击喷嘴122喷出，冲击到放置于组装壳体130内的预制块141上获得铝合金熔池，铝合金溶池在预制块141固相组织的强冷及冷凝装置160的联合作用下快速凝固，形成半固态区熔覆层，并随三维运动平台一起运动，高温熔体125间歇式冲击扫描预制块141，循环逐层作用半固态区熔覆层，最终形成超细晶材料。

本实施例提供的一种液态组装法制备超细晶金属材料的系统100至少具有以下优点：本申请可实现将高温熔体125冲击作用于预制块141，在熔池处于初生固相的半固态区时，再次利用高温熔体125对预制块141以及预制块141上的熔池进行冲击，在高温熔体125的压力和重力形成的力学冲击、高温熔体125形成的热冲击以及高温熔体125作用于预制块141时固态和液态在运动过程中搅拌形成的溶质均匀化的共同作用下，使晶体生长前沿的温度场、流体场、溶质场会发生根本性改变，通过调控冲击深度和冷却速度，可以制备具有超细晶结构凝固组织的金属铸锭。该方法因温度梯度小、冷却速度快，利于形成合金成分分布均匀、晶粒尺寸均匀的全等轴细晶组织。且该方法制备效率高、成本低，技术优势明显。

由上述液态组装法制备超细晶金属材料的系统100制备获得的超细晶金属材料，其合金成分分布均匀、晶粒尺寸均匀。

综上所述，本发明实施例提供了一种液态组装法制备超细晶金属材料的系统100，其通过高压发生装置170产生的超高压作用于熔体容纳腔121内的高温熔体125，使高温熔体125从冲击喷嘴122中喷出并作用于位于组装壳体130内的预制块容纳腔140内的预制块141上，高温熔体125在预制块141表面形成铝合金熔池，铝合金溶池快速凝固，形成半固态区熔覆层，并随三维运动平台一起运动，高温熔体125间歇式冲击扫描预制块141，循环逐层作用半固态区熔覆层，最终形成超细晶材料。可以制备具有超细晶结构凝固组织的金属铸锭。本申请的系统可以提供一种制备超细晶金属材料的新方法，利用该系统制备超细晶金属材料效率高、成本低，技术优势明显。

以上所述，仅为本发明的具体实施方式，但本发明的保护范围并不局限于此，任何熟悉本技术领域的技术人员在本发明揭露的技术范围内，可轻易想到的变化或替换，都应涵盖在本发明的保护范围之内。

Claims (13)

1.一种液态组装法制备超细晶金属材料的系统，其特征在于，其包括高压发生装置、熔体冲击装置、组装壳体和三维运动装置，所述组装壳体内设置有用于容纳预制块的预制块容纳腔，所述三维运动装置放置于所述组装壳体内，所述预制块容纳腔与所述三维运动装置连接，所述熔体冲击装置设置有熔体容纳腔和冲击喷嘴，所述冲击喷嘴的一端与所述熔体容纳腔连通，另一端插入所述组装壳体内且位于所述预制块容纳腔的上方，所述高压发生装置间歇式地与所述熔体容纳腔连通；

所述预制块容纳腔用于容纳凹槽结构的预制块；所述预制块的凹槽深度为5～10cm；所述预制块的厚度为10～20cm；所述高压发生装置产生的压力为5～20Mpa。

2.根据权利要求1所述的液态组装法制备超细晶金属材料的系统，其特征在于，所述冲击喷嘴与所述预制块之间的高度差为10-50cm。

3.根据权利要求1所述的液态组装法制备超细晶金属材料的系统，其特征在于，所述冲击喷嘴具有多个阵列式分布的单嘴。

4.根据权利要求3所述的液态组装法制备超细晶金属材料的系统，其特征在于，所述单嘴的个数为20-40个。

5.根据权利要求3所述的液态组装法制备超细晶金属材料的系统，其特征在于，所述单嘴的直径为0.8-2.0mm。

6.根据权利要求3所述的液态组装法制备超细晶金属材料的系统，其特征在于，任意两个相邻的所述单嘴之间的间距为5-20mm。

7.根据权利要求1所述的液态组装法制备超细晶金属材料的系统，其特征在于，所述组装壳体内还设置有用于对所述预制块容纳腔内的所述预制块进行冷却的冷凝装置，所述预制块放置于所述冷凝装置上。

8.根据权利要求7所述的液态组装法制备超细晶金属材料的系统，其特征在于，所述冷凝装置为凹槽结构，所述冷凝装置的凹槽结构构成所述预制块容纳腔，所述预制块容纳于所述冷凝装置内，所述冷凝装置放置于所述三维运动装置上，所述冷凝装置上开设有冷凝液进口和冷凝液出口。

9.根据权利要求1所述的液态组装法制备超细晶金属材料的系统，其特征在于，所述三维运动装置的运动轨迹为蛇形，所述三维运动装置的运动速度为100～150mm/s。

10.根据权利要求1所述的液态组装法制备超细晶金属材料的系统，所述高压发生装置设置有高压气体进气管，所述高压气体进气管与所述熔体容纳腔连通，所述高压气体进气管上设置有用于间歇式输出高压气体的自动阀门和用于控制所述自动阀门启闭的时间继电器。

11.根据权利要求1-10任一项所述的液态组装法制备超细晶金属材料的系统，其特征在于，所述液态组装法制备超细晶金属材料的系统还包括控制装置，所述控制装置包括控制柜、熔体液位检测机构、三维运动控制机构和抽真空控制机构，所述控制柜同时与所述熔体液位检测机构、所述三维运动控制机构和所述抽真空控制机构电连接，所述熔体液位检测机构与所述熔体容纳腔连接，所述三维运动控制机构与所述三维运动装置连接，所述抽真空控制机构与所述组装壳体连通。

12.根据权利要求1-10任一项所述的液态组装法制备超细晶金属材料的系统，其特征在于，所述液态组装法制备超细晶金属材料的系统还包括高温熔体制备装置，所述高温熔体制备装置与所述熔体容纳腔连通。

13.一种超细晶金属材料，其特征在于，其是采用如权利要求1-12任一项所述的液态组装法制备超细晶金属材料的系统制备而成。

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