CN115323200B - 一种混合物的固液扩散方法、合金材料及其制备方法与应用 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种混合物的固液扩散方法、合金材料及其制备方法与应用。所述混合物包括原料Ⅰ和原料Ⅱ，所述固液扩散方法包括如下步骤：部分或全部熔化的原料Ⅰ与部分熔化或未熔化的原料Ⅱ于电磁场作用下进行扩散，且于扩散过程中施加脉冲电流于原料Ⅱ，其中，所述原料Ⅰ或/和原料Ⅱ中包含0价金属，原料Ⅰ的熔点低于原料Ⅱ的熔点。本发明中采用固液扩散方法，所得到的混合产物，原料间合金化更充分和均匀。

Description

一种混合物的固液扩散方法、合金材料及其制备方法与应用
技术领域
本发明属于合金材料技术领域，具体涉及一种混合物的固液扩散方法、合金材料及其制备方法与应用。
背景技术
合金一般是由两种或多种金属与金属或金属与非金属之间通过一定的工艺制备而得，因其高强度、高密度、高硬度等优良特性而被广泛应用于生活及各大工程领域中。合金的制备工艺与使用性能之间密切相关，成功的制备是其发挥优异性能必要前提。在合金的制备过程中，充分合金化是其制备成功的重要前提条件。合金化是指在一定的工艺条件下，通过向某种金属中加入其他金属或非金属元素，使单一金属成为具有预期性能的合金。合金化一般发生于两种或多种金属(也可含非金属)的熔体当中，通过液体之间相互扩散来完成；但由于一些金属的熔点太高或者制备工艺中温度低于高熔点金属的熔点，所以合金化过程也发生于固液金属之间。大熔点差、大密度差合金就是由于高熔点金属的熔点太高，使得其合金化过程常常发生于固液金属之间。然而，大熔点差、大密度差合金因为合金成分间物理性质的巨大差异而导致其在制备过程中极易出现合金化不充分的现象。
发明内容
本发明旨在至少解决上述现有技术中存在的技术问题之一。为此，本发明提出一种混合物的固液扩散方法，所得到的混合产物，原料间合金化更充分和均匀。
本发明还提出一种合金材料的制备方法。
本发明还一种用于实现上述固液扩散方法的装置。
本发明还提出一种合金材料。
本发明还提出上述合金材料的应用。
本发明的第一方面，提出了一种混合物的固液扩散方法，所述混合物包括原料Ⅰ和原料Ⅱ，所述固液扩散方法包括如下步骤：部分或全部熔化的原料Ⅰ与部分熔化或未熔化的原料Ⅱ于电磁场作用下进行扩散，且于扩散过程中施加脉冲电流于原料Ⅱ，其中，所述原料Ⅰ或/和原料Ⅱ中包含0价金属，原料Ⅰ的熔点低于原料Ⅱ的熔点。
原料Ⅰ部分或全部熔化，原料Ⅱ为固态或含部分熔体的固液混合态。在无施加电磁场条件下，固态的高熔点原料(原料Ⅱ)在低熔点原料(原料Ⅰ)熔体中会形成溶解通道，溶解通道延伸并相互贯通，在界面处脱落形成未熔的高熔点原料的物料块，针对于未熔的高熔点原料的物料块，若其密度低于低熔点原料熔体的密度，则会上浮至低熔点原料熔体表面，若其密度大于低熔点原料熔体的密度，则会下沉至熔体底部，无论上浮或者下沉均会导致合金化不充分问题和产生宏观偏析，造成所得材料性能急剧下降。
本发明中施加电磁场加快高熔点原料所含元素在低熔点原料熔体中的扩散和重新分布，同时解决低密度原料脱落后上浮、或高密度原料脱落后下沉而出现的成分偏析严重问题。其中，大熔点差合金在合金化过程中，耦合电磁场和外加能量(脉冲电源产生脉冲电流)，能够加速高熔点原料在低熔点原料熔体中的合金化速率，解决大熔点差合金化不充分问题。因此，采用本发明中的所述固液扩散方法，得到的混合产物，原料间混合更均匀，合金化更充分，混合产物制得的合金材料，合金化效果好，合金性能也会随之上升。
脉冲电流的施加可以采用脉冲电源或者其他类型的电源。
本文中“大熔点差大密度差合金”是指合金的各制备原料熔点相差大、密度相差大。
本发明的第二方面，提出了一种合金材料的制备方法，所述制备方法包括：利用上述的固液扩散方法处理后的混合物，制备得到合金材料。
根据本发明实施例的合金材料的制备方法，至少具有以下有益效果：
原料Ⅰ的熔点低于原料Ⅱ的熔点。原料Ⅰ部分或全部熔化，原料Ⅱ为固态或含部分熔体的固液混合态。在无施加电磁场条件下，固态的高熔点原料(原料Ⅱ)在低熔点原料(原料Ⅰ)熔体中会形成溶解通道，溶解通道延伸并相互贯通，在界面处脱落形成未熔的高熔点原料的物料块，针对于未熔的高熔点原料的物料块，若其密度低于低熔点原料熔体的密度，则会上浮至低熔点原料熔体表面，若其密度大于低熔点原料熔体的密度，则会下沉至熔体底部，无论上浮或者下沉均会导致合金化不充分问题。
本发明中施加电磁场加快高熔点原料所含元素在低熔点原料熔体中的扩散和重新分布，同时解决低密度原料脱落后上浮、或高密度原料脱落后下沉而出现的成分偏析严重问题。其中，大熔点差合金在合金化过程中，引入外加能量-脉冲电流辅助制备技术，通过外加能量的辅助熔化高熔点金属，实现耦合电磁场和外加能量(通过脉冲电源或者其他电源等施加能量)，能够加速高熔点原料在低熔点原料熔体中的合金化速率，解决大熔点差合金化不充分问题。因此，采用本发明中的制备方法制得的合金材料，合金化效果好，合金性能好，合金材料的力学性能好。本发明的制备方法尤其适用于制备大熔点差、大密度差合金。
在本发明的一些实施方式中，所述原料Ⅰ的密度高于所述原料Ⅱ的密度，或者所述原料Ⅰ的密度低于所述原料Ⅱ的密度。
在本发明的一些优选的实施方式中，所述原料Ⅰ为锡，所述原料Ⅱ为铝；或者所述原料Ⅰ为铋，所述原料Ⅱ为铜；或者所述原料Ⅰ为铀，所述原料Ⅱ为铌。
通过上述实施方式，所得合金可分别为U-Nb合金，Al-Sn合金，Cu-Bi合金。其中，U-Nb合金具有优异的力学及抗腐蚀性能而广泛用于军工领域；Al-Sn合金具有优异的抗摩擦磨损性能和抗咬合性能，是汽车、船舶发动机中滑动轴承的重要材料；Cu-Bi合金具备优异的减摩性，是理想的瓦轴材料。
在本发明的一些实施方式中，所述制备方法包括如下步骤：
取原料Ⅰ与原料Ⅱ，加热，所述原料Ⅰ开始熔化，得到混合物，施加电磁场于所述混合物，施加脉冲电流于原料Ⅱ，于所述电磁场、脉冲电流的作用下，进行原料Ⅰ和原料Ⅱ间的扩散。
在本发明的一些实施方式中，所述制备方法包括如下步骤：
S1，取原料Ⅰ与原料Ⅱ，加热使所述原料Ⅰ部分或全部熔化，所述原料Ⅱ部分熔化或未熔化，得到含有原料Ⅰ熔体的混合物；
S2，施加电磁场于所述混合物，施加脉冲电流于原料Ⅱ，所述混合物于所述电磁场作用下进行原料Ⅰ和原料Ⅱ的扩散，得到所述合金材料。
在本发明的一些优选的实施方式中，所述制备方法包括如下步骤：
S1，取原料Ⅰ与原料Ⅱ，加热至温度T1，所述原料Ⅰ部分或全部熔化，所述原料Ⅱ部分熔化或未熔化，得到含有原料Ⅰ熔体的混合物；
S2，保温，并同步施加电磁场于所述混合物，施加脉冲电流于原料Ⅱ，混合物于所述电磁场作用下进行原料Ⅰ和原料Ⅱ间的扩散，得到所述合金材料。
在本发明的一些更优选的实施方式中，步骤S1中，取原料Ⅰ与原料Ⅱ，加热至温度T1，所述原料Ⅰ部分或全部熔化，所述原料Ⅱ为固态，得到含有原料Ⅰ熔体的混合物。
在本发明的一些更优选的实施方式中，所述电磁场施加时间、所述脉冲电流施加时间与保温时间相同。
在本发明的一些更优选的实施方式中，所述原料Ⅰ为锡，所述原料Ⅱ为铝，所述T1为400-600℃。
在本发明的一些更优选的实施方式中，保温时间为0.1-120min。
在本发明的一些更优选的实施方式中，保温时间为10-30min。
在本发明的一些优选的实施方式中，步骤S2中，于温度T2保温下，施加电磁场于所述混合物，施加脉冲电流于原料Ⅱ。
在本发明的一些更优选的实施方式中，所述原料Ⅰ为锡，所述原料Ⅱ为铝，所述T2为400-600℃。
在本发明的一些实施方式中，所述电磁场包括行波磁场或旋转磁场中的至少一种。
本发明中，优选地，可以根据具体合金原料的不同(扩散过程中金属液的粘度的不同)，选择合适的磁场参数，以使在原料扩散过程中，通过磁场的施加调控金属液，既能引起湍流，又不会导致金属液的飞溅，原料扩散效果好，且方法安全性好。
在本发明的一些优选的实施方式中，所述行波磁场的磁场频率为10-30Hz，电流强度为100-160A。
在本发明的一些更优选的实施方式中，所述原料Ⅱ为铝，所述行波磁场的磁场频率为10-30Hz，电流强度为100-160A。
通过上述实施方式，通过选取优选的行波磁场参数，调控金属液既能引起湍流，促进原料间的扩散，又不会导致金属液的飞溅，原料间混合更均匀，合金化更充分。
在本发明的一些实施方式中，采用脉冲电源施加脉冲电流于原料Ⅱ。
在本发明的一些优选的实施方式中，所述脉冲电源输出脉冲宽度10-200μs，输出脉冲频率为100-1000Hz。
在本发明的一些实施方式中，所述电磁场施加时间为0.1-120min。
在本发明的一些实施方式中，所述脉冲电流施加时间为0.1-120min。
本发明的第三方面，提出了一种用于实现本发明中第一方面所述固液扩散方法的装置，所述装置包括本体及设于本体内的腔体，所述腔体内设有熔体处理组件，所述熔体处理组件包括样品室和用于加热样品室内物料的加热部件，所述样品室连接设置脉冲电源，所述脉冲电源用于施加脉冲电流于样品室内的物料上，所述装置还包括电磁发生组件，所述电磁发生组件用于施加电磁场于样品室内。
根据本发明实施例的所述装置，至少具有以下有益效果：采用所述装置，可用于将合金原料进行熔炼、扩散，得到合金化材料，进而得到合金材料。通过采用所述装置，可施加电磁场加快高熔点原料所含元素在低熔点原料熔体中的扩散和重新分布，同时解决低密度原料脱落后上浮、或高密度原料脱落后下沉而出现的成分偏析严重问题。其中，大熔点差合金在合金化过程中，引入外加能量-脉冲电流辅助制备技术，通过外加能量的辅助熔化高熔点金属，实现耦合电磁场和外加能量(脉冲电源产生脉冲电流)，能够加速高熔点原料在低熔点原料熔体中的合金化速率，解决大熔点差合金化不充分问题。因此，采用本发明中的装置制得的合金材料，合金化效果好，合金性能好。
在本发明的一些实施方式中，所述加热部件包括电阻炉。优选地，所述电阻炉包括热电偶。
在本发明的一些实施方式中，所述样品室为坩埚。优选地，所述坩埚为氧化铝坩埚。
在本发明的一些实施方式中，所述装置还包括升降组件，所述升降组件用于驱动所述样品室于腔体内上下移动，将样品室移入电磁发生组件产生的电磁场内或移出所述电磁场外。
在本发明的一些优选的实施方式中，所述升降组件的顶部与样品室相连。
应当理解为，升降组件、电磁发生组件，其具体结构可为市场上常见的升降组件结构、电磁发生组件结构，因此即使不加以叙述也不影响本领域的技术人员对本发明所实际要求保护的范围进行理解。
本发明的第四方面，提出了一种合金材料，所述合金材料采用上述制备方法制得，或者采用上述装置制得。
在本发明的一些实施方式中，所述合金材料包括铝锡合金、铀铌合金或铜铋合金中的至少一种。
本发明的第五方面，提出了上述合金材料在轴承制备中的应用。
在本发明的一些实施方式中，上述合金材料应用于汽车或船舶发动机中滑动轴承制备中。
附图说明
下面结合附图和实施例对本发明做进一步的说明，其中：
图1为本发明中实施例1的用于制备合金材料的装置的结构示意图；
图2为本发明中实施例1的Al/Sn扩散偶于坩埚内的放置示意图；
图3为本发明中实施例1、对比例1-2中540℃保温20min时Al-Sn合金固液界面于较低分辨率下微观测试结果图；
图4为本发明中实施例1、对比例1-2中所得合金化材料的微观和宏观测试结果图；
图5为本发明中对比例1中540℃保温不同时间后Al-Sn合金固液界面于较高分辨率下测试结果图；
图6为本发明中不施加行波磁场时Al/Sn固液扩散示意图；
图7为本发明中施加行波磁场时Al/Sn固液扩散示意图。
具体实施方式
以下将结合实施例对本发明的构思及产生的技术效果进行清楚、完整地描述，以充分地理解本发明的目的、特征和效果。显然，所描述的实施例只是本发明的一部分实施例，而不是全部实施例，基于本发明的实施例，本领域的技术人员在不付出创造性劳动的前提下所获得的其他实施例，均属于本发明保护的范围。
实施例1
本实施例公开了一种合金材料，制备合金材料的设备包括结构示意图如图1所示的装置，所述装置包括本体及设于本体内的腔体，腔体内设有熔体处理组件，熔体处理组件包括样品室和用于加热样品室内物料的加热部件，加热部件包括电阻炉，电阻炉包括热电偶。样品室连接设置脉冲电源，脉冲电源用于施加脉冲电流于样品室内的物料上，装置还包括电磁发生组件，电磁发生组件用于施加电磁场于样品室内。样品室为氧化铝坩埚。所述装置还包括升降组件，升降组件的顶部与氧化铝坩埚相连，升降组件用于驱动氧化铝坩埚于腔体内上下移动，将氧化铝坩埚移入的电磁场内或移出电磁场外。
所述合金材料的制备过程包括：
(Ⅰ)将大熔点金属块Al切割成丝状，可去应力退火；将大熔点金属Al定位在坩埚的中心处；将低熔点金属液(Sn)浇铸在坩埚内，大熔点金属尺寸、金属液含量可根据最终合金化的成分制定；空冷至室温，得到结合的复合式样；
(Ⅱ)将结合的复合式样(Al/Sn扩散偶)放入Al2O3坩埚，放置示意图如图2所示，其中Al/Sn扩散偶中Al棒的直径为4mm，扩散偶的外径为16mm；采用电阻炉对Al2O3坩埚进行电阻加热，加热至实验预设温度540℃，误差±1℃；开始保温；
同时，在加热过程中，Al开始熔化时，利用升降组件将Al2O3坩埚升至电磁发生组件可产生的电磁场的中心位置，打开电磁发生组件，通入实验预设参数的电磁场，(行波磁场，电流强度为150A，磁场频率为20Hz)；同时，通过脉冲电源施加脉冲电流于Al，加速Al的熔化(在Al/Sn扩散过程中)，脉冲电源输出脉冲宽度为50μs，输出频率200Hz；利用温度记录仪监测实验温度的变化，使用秒表控制通入电磁场的时间和脉冲电源的时间；
(Ⅲ)于540℃下，误差±1℃，保温20min，关闭电磁发生组件和脉冲电源(施加电流和磁场的时间分别约为20min)，取出Al2O3坩埚，空冷，得到合金化材料，得到所述合金材料。
实施例2
本实施例公开了一种合金材料，其与实施例1的区别之处在于：步骤(Ⅱ)中行波磁场的电流强度为100A，磁场频率为20Hz，脉冲电源输出脉冲宽度为10μs，输出频率250Hz。
对比例1
本对比例公开了一种合金材料，其与实施例1的区别之处在于：步骤(Ⅱ)中既不施加行波磁场也不施加脉冲电流。
对比例2
本对比例公开了一种合金材料，其与实施例1的区别之处在于：步骤(Ⅱ)中不施加脉冲电流。
对比例3
本对比例公开了一种合金材料，其与实施例2的区别之处在于：步骤(Ⅱ)中不施加脉冲电流。
试验例
本试验例对实施例及对比例中的材料进行了测试，具体包括：
(1)针对于实施例1和对比例1-2：
实施例1和对比例1-2的540℃保温20min时Al-Sn合金固液界面微观测试结果图如图3所示(较低分辨率)，其中，图3(a)为对比例1的测试结果图，图3(b)为对比例2的测试结果图，图3(c)为实施例1的测试结果图。
由图3可知，外加电磁场、脉冲电流对Al在Sn熔体中溶解过程具有不同的影响，540℃保温20min，不施加电磁场和脉冲电流、仅施加行波磁场不施加脉冲电流、施加行波磁场+脉冲电流的Al-Sn合金固液界面：从图3(a)、图3(b)中可以发现施加行波磁场后Al-Sn界面相比未施加行波磁场的样品更加曲折，而图3(c)中施加行波磁场+脉冲电流的样品中仅隐约留存着界面痕迹(可能是残存的氧化铝皮)，几乎全部的铝已经扩散到锡液体中，合金化明显更好。
实施例1和对比例1-2的540℃保温20min后所得合金化材料的微观测试结果图和实物照片对比如图4所示，其中，从上到下依次为对比例1的测试结果图、对比例2的测试结果图、实施例1的测试结果图。测得对比例1-2制得材料中Al棒半径分别为3.9mm、3.84mm(由于Al和Sn的互相扩散，因此Al和Sn的边界粗糙)，而实施例1中的原料Al棒已全部扩散至金属锡中，实施例1的合金化效果明显优于对比例1-2。由图4可知，合金化过程中，在行波磁场的作用下，通过脉冲电源对高熔点金属施加能量，加速其在低熔点金属熔体中熔化，使整个材料中不同合金可通过包括冲刷、撞击和液-液扩散等方式，加速其合金化过程。
(2)采用对比例1方案于540℃保温不同时间后Al-Sn合金固液界面较高的分辨率SEM测试结果图如图5所示，其中，图5(a)为保温10min的测试结果图，图5(b)为保温20min的测试结果图，图5(c)为保温30min的测试结果图。从图中5可以发现，随着保温时间的增加Al-Sn固液界面逐渐由平直变为曲折，同时还发现Al-Sn扩散偶在540℃保温30min的溶解过程中，发生了小块铝从固液界面剥离的现象，图5中只观察到了部分剥离小块铝，更多的小铝块发生剥离后因其密度较Sn熔体低很多，而快速上浮到Sn熔体表面并形成大量的未熔解铝渣。
从图3-5中测得的Al/Sn固液界面、合金化材料的微观形貌可以推测本发明实施例和对比例中界面处Al块的形成过程如下：由于固液界面浓度梯度的驱动，固液界面缺陷处的Al原子会优先发生溶解，Sn熔体会从溶解处浸入Al棒的内部，进而形成条状的溶解通道，当溶解通道相互连通时，在界面处脱落形成小的Al块。由于Al的密度只有2.7g/cm3，远小于Sn熔体的密度7.365g/cm3，所以在浮力的作用下脱落的Al块会漂浮至Sn熔体表面，使得Al-Sn合金化不充分。常规方法教导的增加保温时间或者提高保温温度的方式，仍无法使得混合物合金充分(Al/Sn固液扩散示意图如图6所示)。即使仅仅施加脉冲电流，不施加行波磁场，溶解的铝块会上浮，造成严重的宏观偏析，导致合金化不充分。而本发明实施例中通过脉冲电源施加特定能量给予高熔点金属，能够加速高熔点金属合金化速率，而施加行波磁场，低密度的铝块上浮速率大大降低，甚至不会上浮，从而使相同温度下合金化程度较之前大大改善，Al/Sn固液扩散示意图如图7所示。
(3)针对于实施例2和对比例3：测得实施例2中Al和Sn之间的扩散结果、合金化效果明显优于对比例3。
由上述实施例和对比例可知，行波磁场+脉冲电流作用下，Al在Sn液中溶解速率优于仅施加行波磁场。行波磁场+脉冲电流作用下Al棒溶解速率更快有着多方面原因。具体包括：
首先，实施例中Al棒下端由不锈钢部件定位，较低温度的不锈钢部件和高热传导能力的Al棒轴向、熔体径向都形成了降温的温度梯度，必然降低Al的溶解速度。本发明中在行波磁场+脉冲电流作用下可加快熔体内的热传输速度，进而弱化上述温度梯度的影响，最终增加了Al在Sn熔体中的溶解速率。
其次，Al棒表面易氧化生成一层致密的Al2O3氧化膜，无磁场情况下，氧化膜阻碍Al原子扩散，降低Al溶解速率的效果比较明显，而在行波磁场作用下，脱落的Al块对Al棒表面持续进行冲刷、撞击，可导致氧化膜的破碎、开裂或脱落。无氧化膜的新鲜Al棒更易与Sn原子发生互扩散，进一步加速Al棒的溶解。尤其是复合磁场作用下(行波磁场+旋转磁场)，Sn熔体的流动兼具行波磁场和旋转磁场作用的流场特点，其加速Al棒的溶解的效果更好。
由于Al最初的溶解也是来源于浓度梯度驱动，使得Al在界面的缺陷处优先发生溶解。但起初形成的溶解通道向Al棒内部深入的很浅。Sn熔体一旦进入溶解通道就会受到熔体冲刷和电磁力驱动，且具有行波磁场作用的流场特点。由于Al棒表面和内部缺陷的随机性，产生的溶解通道方向各异，当溶解通道的延伸方向与流场方向成锐角时，在流场的冲刷作用下溶解通道会加速向Al棒的内部延伸。当溶解通道的方向与流场方向成钝角时，流场的冲刷作用会使得溶解通道向四周延伸，产生剥开Al棒表面的效果。未熔的Al块在行波磁场的流场的作用下会在Sn熔体中快速溶解。Al棒被剥开的表面受到流场的剧烈冲刷又会进一步的发生溶解。
此外，行波磁场还可以对Sn熔体中Al原子浓度场和温度场的起到均匀化作用。同时本发明在其合金化过程中引入脉冲电流辅助制备技术，通过外加能量的辅助熔化高熔点金属，协助解决其合金化不充分的问题。
综上，在无施加电磁场条件下，高熔点的原料在低熔点原料熔体中会形成溶解通道，溶解通道延伸并相互贯通，在界面处脱落形成未熔的高熔点原料的物料块，未熔的高熔点原料，若其密度低于低熔点原料熔体，则会上浮至低熔点原料熔体表面，若其密度大于低熔点原料熔体，则会下沉至低熔点原料熔体底部，无论上浮或者下沉均会导致合金化不充分问题。
本发明中大熔点差合金化过程中，相比无外加电磁场，施加电磁场加快高熔点原料元素在低熔点原料熔体中的扩散和重新分布，加速高熔点金属在低熔点金属熔体中的溶解速率，降低能耗，同时可抑制低密度原料脱落后小块金属上浮现象或高密度原料脱落后小块金属上浮现象，从而解决低密度原料脱落后上浮、或高密度原料脱落后下沉而出现的成分偏析严重问题(无电磁的溶解过程中均发现有小块高熔点金属固体剥离的现象，这些小块会成为夹杂漂浮在金属液上部、或下沉至金属液底部，造成合金化不充分问题)；此外，大熔点差合金在合金化过程中，引入外加能量-脉冲电流辅助制备技术，通过外加能量的辅助熔化高熔点金属，实现耦合电磁场和外加能量(脉冲电源产生脉冲电流)，加速高熔点金属原料在低熔点金属原料熔体中的合金化速率，使最终整个熔体中成分更加均匀，解决大熔点差合金化不充分问题。因此，采用本发明中的制备方法制得的合金材料，合金化效果好，合金性能好。本发明的制备方法尤其适用于制备大熔点差、大密度差合金。
需要说明的是，本文中的“室温”，如无特殊说明，约为25℃；本文中涉及数值的“约”的含义为误差±10％。
上面结合附图对本发明实施例作了详细说明，但是本发明不限于上述实施例，在所属技术领域普通技术人员所具备的知识范围内，还可以在不脱离本发明宗旨的前提下作出各种变化。此外，在不冲突的情况下，本发明的实施例及实施例中的特征可以相互组合。

Claims (5)

1.一种合金材料的制备方法，其特征在于，所述制备方法包括：利用一种混合物的固液扩散方法处理后的混合物，所述混合物包括原料Ⅰ和原料Ⅱ，所述固液扩散方法包括如下步骤：部分或全部熔化的原料Ⅰ与部分熔化或未熔化的原料Ⅱ于电磁场作用下进行扩散，且于扩散过程中施加脉冲电流于原料Ⅱ，其中，所述原料Ⅰ和原料Ⅱ中包含0价金属，原料Ⅰ的熔点低于原料Ⅱ的熔点；制备得到合金材料；
所述原料Ⅰ的密度高于所述原料Ⅱ的密度，或者所述原料Ⅰ的密度低于所述原料Ⅱ的密度；
所述制备方法包括如下步骤：
S1，取原料Ⅰ与原料Ⅱ，加热使所述原料Ⅰ部分或全部熔化，所述原料Ⅱ部分熔化或未熔化，得到含有原料Ⅰ熔体的混合物；
S2，施加电磁场于所述混合物，施加脉冲电流于原料Ⅱ，所述混合物于所述电磁场作用下进行原料Ⅰ和原料Ⅱ的扩散，得到所述合金材料；
所述电磁场包括行波磁场或旋转磁场中的至少一种；
采用脉冲电源施加脉冲电流于原料Ⅱ，所述脉冲电源输出脉冲宽度10-200μs，输出脉冲频率为100-1000Hz；
所述电磁场施加时间为0.1-120min，所述脉冲电流施加时间为0.1-120min。
2.根据权利要求1所述的合金材料的制备方法，其特征在于，所述原料Ⅰ为锡，所述原料Ⅱ为铝；或者所述原料Ⅰ为铋，所述原料Ⅱ为铜；或者所述原料Ⅰ为铀，所述原料Ⅱ为铌。
3.一种用于实现权利要求1所述固液扩散方法的装置，其特征在于，所述装置包括本体及设于本体内的腔体，所述腔体内设有熔体处理组件，所述熔体处理组件包括样品室和用于加热样品室内物料的加热部件，所述样品室连接设置脉冲电源，所述脉冲电源用于施加脉冲电流于样品室内的物料上，所述装置还包括电磁发生组件，所述电磁发生组件用于施加电磁场于样品室内。
4.一种合金材料，其特征在于，所述合金材料采用如权利要求1-2任一项所述方法制得。
5.如权利要求4所述的合金材料在轴承制备中的应用。
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Citations (8)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
US5248475A (en) * 1991-10-24 1993-09-28 Derafe, Ltd. Methods for alloy migration sintering
JPH11264030A (ja) * 1998-03-17 1999-09-28 Inr Kenkyusho:Kk 放電合金の製作方法
US6425961B1 (en) * 1998-05-15 2002-07-30 Alps Electric Co., Ltd. Composite hard magnetic material and method for producing the same
CN102248274A (zh) * 2011-06-29 2011-11-23 重庆大学 一种分段式异种材料高温固态扩散/低温瞬间液相复合连接方法
WO2012068419A2 (en) * 2010-11-17 2012-05-24 California Institute Of Technology Heating and plastic forming of bulk metallic glass shells by inductive coupling
WO2014060047A1 (en) * 2012-10-19 2014-04-24 Adamco Ag Nano-dendrites reinforced metal
CN208234968U (zh) * 2018-05-31 2018-12-14 贵州水城亮星铝业投资有限责任公司 一种铝合金熔炼吸铁装置
CN113774242A (zh) * 2021-08-18 2021-12-10 北京科技大学 一种利用脉冲电流快速消除稀土镁合金中元素偏析的方法

Family Cites Families (1)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
WO2016137210A1 (ko) * 2015-02-25 2016-09-01 이인영 열전도성과 난연성이 우수한 소성가공용 마그네슘 합금과 그의 제조방법

Patent Citations (8)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
US5248475A (en) * 1991-10-24 1993-09-28 Derafe, Ltd. Methods for alloy migration sintering
JPH11264030A (ja) * 1998-03-17 1999-09-28 Inr Kenkyusho:Kk 放電合金の製作方法
US6425961B1 (en) * 1998-05-15 2002-07-30 Alps Electric Co., Ltd. Composite hard magnetic material and method for producing the same
WO2012068419A2 (en) * 2010-11-17 2012-05-24 California Institute Of Technology Heating and plastic forming of bulk metallic glass shells by inductive coupling
CN102248274A (zh) * 2011-06-29 2011-11-23 重庆大学 一种分段式异种材料高温固态扩散/低温瞬间液相复合连接方法
WO2014060047A1 (en) * 2012-10-19 2014-04-24 Adamco Ag Nano-dendrites reinforced metal
CN208234968U (zh) * 2018-05-31 2018-12-14 贵州水城亮星铝业投资有限责任公司 一种铝合金熔炼吸铁装置
CN113774242A (zh) * 2021-08-18 2021-12-10 北京科技大学 一种利用脉冲电流快速消除稀土镁合金中元素偏析的方法

Non-Patent Citations (1)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Title
脉冲电流影响合金熔体特征及其凝固组织的研究进展;丁宏升;张永;姜三勇;陈瑞润;郭景杰;徐达鸣;傅恒志;;稀有金属材料与工程(01);全文 *

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