本发明专利技术公开了一种利用梯度强磁场制备梯度组成块体材料的方法和装置，装置由加热炉、加热炉架、温度控制系统、水冷套、应力应变检测装置、超导梯度强磁体和淬火水槽组成，超导梯度强磁体中心区域磁场强度在0‑14 T之间连续可调，其中心区域附近磁场梯度在不高于600T2/m的范围内连续可调。本发明专利技术利用梯度强磁场诱发的磁力作用，使梯度强磁场和块体材料之间无接触，不增加二次污染，使具有不同磁化率、不同密度的物质可以从原始的混合物中悬浮到不同高度从而分离，形成一种组织成分连续变化的梯度组成块体材料，为制备梯度块体材料提供了一种全新的技术，为利用梯度强磁场进行特殊材料制备提供了新的工艺方向。
【技术实现步骤摘要】
本专利技术涉及一种金属材料制备方法和装置，特别是涉及一种具有非均匀组织的金属材料制备方法和装置，应用于金属凝固组织控制
技术介绍
材料构件在使用过程中，材料成分和性能的突然改变通常会导致明显的局部应力集中，降低材料使用寿命。如果一种材料的组成和性能是逐步变化的，这样应力集中就会大大降低，为此有研究学者提出了梯度组成材料的概念。梯度组成材料是指材料在某一方向上其组成、结构和性能连续或准连续变化的一种非均质功能复合材料。由于材料的成分和组织结构在几何空间上连续变化，从而使得材料的性能在几何空间上也是连续的变化，这种新型梯度材料由于本身具有优异的性能以及其体现出的新颖设计思路，一经提出就吸引了国内外材料科学研究工作者的高度重视，目前为止已探索出一些基本的制备方法，例如，气相沉积法、等离子喷涂法、激光熔覆法等。制备方法不同，材料组成、样品尺寸、厚度、组织结构等不同，并各有特点，但是，大尺寸的梯度组成块体材料的制备一直是一个备受关注的难点。近年来，随着超导技术、低温技术和真空技术的快速发展，超导强磁场发生技术取得了突破性的进展，超导梯度强磁场的强度和分布空间也越来越大。尤其是超导梯度强磁场发生装置的日益商品化更使得梯度强磁场的应用更加广泛，以梯度强磁场作为研究手段进行的研究范围不断扩大。在材料科学研究领域当中，包括非磁性材料在内的所有物质在梯度强磁场中都会受到磁力的作用，并且磁化率越高，材料所受的磁力越大。当物质在梯度强磁场中所受的磁力与物质的重力相反且大小相等的时候，物质可以稳定的悬浮于梯度强磁场分布区域内，称为磁悬浮。同时，根据阿基米德原理，在梯度强磁场中，当一种物质所受重力、浮力和磁力与周围介质所受磁力的反作用力平衡时，这种物质也可以稳定的悬浮在熔体之中，这种现象称之为磁阿基米德悬浮。因此，利用梯度强磁场的磁悬浮效应可以开展一系列的科学研究，并且为相关研究提供了一条新的途径。在材料制备领域，无法控制不均匀形核，而梯度强磁场下的磁悬浮效应具有无接触作用力的优点，可以对晶体生长过程产生影响，这样可以制备特殊结构的材料。但目前的制备具有非均匀组织的金属材料制备方法和装置不够理想，需要优化制备工艺和设备，这成为亟待解决的技术问题。
技术实现思路
为了解决现有技术问题，本专利技术的目的在于克服已有技术存在的不足，提供一种利用梯度强磁场制备梯度组成块体材料的方法和装置，利用梯度强磁场诱发的磁力作用，使梯度强磁场和块体材料之间无接触，不增加二次污染，使具有不同磁化率、不同密度的物质可以从原始的混合物中悬浮到不同高度从而分离，形成一种组织成分连续变化的梯度组成块体材料，为制备梯度块体材料提供了一种全新的技术，为利用梯度强磁场进行特殊材料制备提供了新的工艺方向。为达到上述专利技术创造目的，本专利技术采用下述技术方案：一种利用梯度强磁场制备梯度组成块体材料的方法，包括如下步骤：a. 梯度组成块体材料的原材制备：按照待制备的梯度组成块体材料的合金成分及其成分含量，选取所需成分的原始合金材料作为原料，在真空感应加热炉内进行合金熔炼，并在氩气保护下浇注成设定尺寸的合金坯料，然后使合金坯料快速冷却，获得成分均匀的原始合金样品；原始合金材料优选采用Al-Si合金、Zn-Cu合金、Al-Cu合金或Sn-Sb合金。b. 进行熔铸设备安装：将在步骤a中制备的原始合金样品表面处理干净，装入相应尺寸的刚玉坩埚中，将刚玉坩埚固定在加热炉中心加热区域，对在刚玉坩埚内的原始合金样品施加磁场中心区域的最大磁场强度为0-14T的梯度强磁场，并控制磁场中心附近磁场梯度在不高于600T2/m的范围内连续可调，使刚玉坩埚内的原始合金样品处于梯度强磁场中受力最大的空间位置处，并使刚玉坩埚内的合金连接应力传感器，对合金中应力和应变大小进行实时记录，由加热装置控制对在刚玉坩埚内的原始合金样品进行熔炼的工艺过程，由温度控制系统控制制备梯度组成块体材料的熔炼升温和凝固降温过程；c. 进行梯度组成块体材料熔铸制备：在固定好在步骤b中设置的熔铸设备后，向加热炉内不断通入氩气作为保护气体，然后启动加热装置和磁场发生装置，对在梯度强磁场中的在步骤b中设置好的刚玉坩埚内的原始合金样品进行熔融处理，在到达预定的原始合金样品的熔融温度以后恒温1小时后，进行热稳定和磁稳定，然后对刚玉坩埚内的金属熔体进行降温，通过温度控制系统以设定的降温速度和梯度组成块体材料的凝固时设定的降温方式，最后将加热炉内的温度降至室温，或最后将梯度组成块体材料进行淬火实现快速降温，从加热炉内或淬火池中取出凝固的合金样品，即得到梯度组成块体材料。在对刚玉坩埚内的金属熔体进行降温时，优选采用的降温速度为18 K/min。一种利用梯度强磁场制备梯度组成块体材料的熔铸装置，主要由加热炉、加热炉架、温度控制系统和水冷套组成，在加热炉内设有坩埚，加热炉架用于固定加热炉及其周边设备，在坩埚内装载金属材料，温度控制系统采用热电偶实时测量在坩埚内的金属材料和加热炉架炉腔内温度，并通过实时控制升温速度和降温速度控制坩埚内的金属材料的熔炼和凝固工艺，还设有应力应变检测装置、超导梯度强磁体和淬火水槽，应力应变检测装置由应力传感器、应变仪和X-Y记录器组成，应力传感器和在坩埚内金属材料连接，随时测量坩埚内的金属材料在梯度强磁场中的受力情况，X-Y记录器通过应变仪与应力传感器连接，应力传感器采集的金属材料的受力情况信息通过应变仪传导到X-Y记录器进行存储和计算分析，得到坩埚内的金属材料在梯度强磁场中的实时的应力、应变改变数据，X-Y记录器通过控制模块，根据坩埚内的金属材料在梯度强磁场中的实时的应力、应变的计算结果，向温度控制系统发出温度控制指令信息，进而来控制坩埚内的金属材料的熔炼和凝固工艺，超导梯度强磁体设置于加热炉的外部，水冷套设置于加热炉和超导梯度强磁体之间，使超导梯度强磁体的工作空间处于室温下，以保障超导强磁体安全、正常的工作，超导梯度强磁体具有一个竖直圆柱形空洞的室温磁场工作区间，其中心区域磁场强度在0-14 T之间连续可调，其中心区域附近磁场梯度在不高于600T2/m的范围内连续可调，淬火水槽设置于加热炉的下方，用于坩埚内的金属材料的快速淬火。作为上述方案的进一步优选的技术方案，上述加热炉的内层炉壁优选采用无磁性不锈钢制作，优选加热炉内腔最高温度为1600℃。作为上述方案的进一步优选的技术方案，上述温度控制系统优选采用WZK-Ⅱ型温度控制仪，并优选采用双铂铑型热电偶实时测量在坩埚内的金属材料和加热炉架炉腔内温度。本专利技术方法的原理：本专利技术方法的原理在于，物质在梯度强磁场的受力，使具有不同磁化率、不同密度的物质可以从原始的混合物中悬浮到不同高度从而分离，快速凝固后，形成一种组织成分连续变化的梯度组成块体材料，其分离机制如下：在梯度强磁场中单位体积物质承受的磁力为： (1)式中，Fm是物质承受的磁化力，单位：N/kg；μ0是真空磁导率μ0= 4π×10-7，单位：Wb/(m·A)；H是梯度磁场强度，单位：T2/m；χ是体积磁化率；χg是质量磁化率，ρ是密度。另外，一些离子晶体可以在水溶液中进行磁悬浮生长。在悬浮溶液中，晶体的受力为： (2)式中，χ，ρ分别代表磁化率和密度，下标“cryt”和“so本文档来自技高网...
【技术保护点】
一种利用梯度强磁场制备梯度组成块体材料的方法，其特征在于，包括如下步骤：a. 梯度组成块体材料的原材制备：按照待制备的梯度组成块体材料的合金成分及其成分含量，选取所需成分的原始合金材料作为原料，在真空感应加热炉内进行合金熔炼，并在氩气保护下浇注成设定尺寸的合金坯料，然后使合金坯料快速冷却，获得成分均匀的原始合金样品；b. 进行熔铸设备安装：将在步骤a中制备的原始合金样品表面处理干净，装入相应尺寸的刚玉坩埚中，将刚玉坩埚固定在加热炉中心加热区域，对在刚玉坩埚内的原始合金样品施加磁场中心区域的最大磁场强度为0‑14T的梯度强磁场，并控制磁场中心附近磁场梯度在不高于600T2/m的范围内连续可调，使刚玉坩埚内的原始合金样品处于梯度强磁场中受力最大的空间位置处，并使刚玉坩埚内的合金连接应力传感器，对合金中应力和应变大小进行实时记录，由加热装置控制对在刚玉坩埚内的原始合金样品进行熔炼的工艺过程，由温度控制系统控制制备梯度组成块体材料的熔炼升温和凝固降温过程；c. 进行梯度组成块体材料熔铸制备：在固定好在步骤b中设置的熔铸设备后，向加热炉内不断通入氩气作为保护气体，然后启动加热装置和磁场发生装置，对在梯度强磁场中的在步骤b中设置好的刚玉坩埚内的原始合金样品进行熔融处理，在到达预定的原始合金样品的熔融温度以后恒温1小时后，进行热稳定和磁稳定，然后对刚玉坩埚内的金属熔体进行降温，通过温度控制系统以设定的降温速度和梯度组成块体材料的凝固时设定的降温方式，最后将加热炉内的温度降至室温，或最后将梯度组成块体材料进行淬火实现快速降温，从加热炉内或淬火池中取出凝固的合金样品，即得到梯度组成块体材料。...
【技术特征摘要】
1.一种利用梯度强磁场制备梯度组成块体材料的方法，其特征在于，包括如下步骤：a. 梯度组成块体材料的原材制备：按照待制备的梯度组成块体材料的合金成分及其成分含量，选取所需成分的原始合金材料作为原料，在真空感应加热炉内进行合金熔炼，并在氩气保护下浇注成设定尺寸的合金坯料，然后使合金坯料快速冷却，获得成分均匀的原始合金样品；b. 进行熔铸设备安装：将在步骤a中制备的原始合金样品表面处理干净，装入相应尺寸的刚玉坩埚中，将刚玉坩埚固定在加热炉中心加热区域，对在刚玉坩埚内的原始合金样品施加磁场中心区域的最大磁场强度为0-14T的梯度强磁场，并控制磁场中心附近磁场梯度在不高于600T2/m的范围内连续可调，使刚玉坩埚内的原始合金样品处于梯度强磁场中受力最大的空间位置处，并使刚玉坩埚内的合金连接应力传感器，对合金中应力和应变大小进行实时记录，由加热装置控制对在刚玉坩埚内的原始合金样品进行熔炼的工艺过程，由温度控制系统控制制备梯度组成块体材料的熔炼升温和凝固降温过程；c. 进行梯度组成块体材料熔铸制备：在固定好在步骤b中设置的熔铸设备后，向加热炉内不断通入氩气作为保护气体，然后启动加热装置和磁场发生装置，对在梯度强磁场中的在步骤b中设置好的刚玉坩埚内的原始合金样品进行熔融处理，在到达预定的原始合金样品的熔融温度以后恒温1小时后，进行热稳定和磁稳定，然后对刚玉坩埚内的金属熔体进行降温，通过温度控制系统以设定的降温速度和梯度组成块体材料的凝固时设定的降温方式，最后将加热炉内的温度降至室温，或最后将梯度组成块体材料进行淬火实现快速降温，从加热炉内或淬火池中取出凝固的合金样品，即得到梯度组成块体材料。2.根据权利要求1所述利用梯度强磁场制备梯度组成块体材料的方法，其特征在于：在步骤c中，在对刚玉坩埚内的金属熔体进行降温时，采用的降温速度为18 K/min。3.根据权利要求1或2所述利用梯度强磁场制备梯度组成块体材料的方法，其特征在于：在步骤a中，原始合金材料采用Al-Si合金、Zn-Cu合金、Al-Cu合金或Sn-Sb合金。4.一种利用梯度强磁场制备梯度组成块体材料的熔铸装置，主要由加热炉（4）、加热炉架（2）、温度控制系统（7）和水...
【专利技术属性】
技术研发人员：李喜，卢振远，候龙，张义坤，丁王新，
申请(专利权)人：上海大学，
类型：发明
国别省市：上海;31
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