本发明专利技术Al3Sc‑Al3Zr/Al复合材料孕育剂的制备方法，涉及铝基合金，步骤是：依据目标合金中各组分元素的质量百分比为：Sc 1.00％～2.00％、Zr 1.00％～2.00％，其余为Al进行原料配制；块状Al‑Sc‑Zr中间合金的原位合成制备和超声处理；快速凝固技术制得薄带状Al3Sc‑Al3Zr/Al复合材料孕育剂产品。本发明专利技术方法用添加廉价Zr元素替代一部分价格高昂的Sc元素，降低了产品成本，克服了现有技术中形核颗粒不能在基体上弥散分布或弥散程度还不理想、颗粒在熔体中的聚集沉淀和颗粒尺寸大，Al‑Sc合金中Al3Sc颗粒尺寸过大和数量较少缺陷。
Preparation of Inoculant for Al3Sc-Al3Zr/Al Composites
【技术实现步骤摘要】
Al3Sc-Al3Zr/Al复合材料孕育剂的制备方法
本专利技术的技术方案涉及铝基合金，具体地说是Al3Sc-Al3Zr/Al复合材料孕育剂的制备方法。
技术介绍
作为典型的Al-Sc金属间化合物，Al3Sc与α-Al间有非常小的晶格错配δ值，是目前为止，α-Al形核最有效的形核基底，因此，含Sc的铝合金通常具有非常细小的晶粒。此外，过饱和Al-Sc固溶体容易分解为稳定的Al3Sc沉淀相，对弥散强化起着重要作用。因此，近年来，Sc作为不同铝合金的微合金化添加元素，以其显著的细晶强化效果，受到了越来越多的关注。但值得注意的是，在微合金化的过程中，为了达到最佳的细化增强效果，Sc的添加量通常超过1wt.％。Sc是一种昂贵的金属，显然，如此的作为合金化元素的Sc的添加量，将明显提高工程铝合金的生产成本，限制了其应用范围。CN104674079A公开了含Zr与稀土Sc复合的ZL铝镁合金(Al-10Mg)及其制备方法，其存在产品中Sc的添加量达2.5％导致产品成本高和制备方法很难保证合金元素混合均匀而导致的Al-Sc合金中Al3Sc颗粒尺寸过大和数量较少的缺陷。CN104911409A公开了一种含钪锆的碳化硼颗粒增强铝基复合材料及其制备方法，该方法存在操作过程设计中并未使用电弧熔炼，仅依赖长时间保温的方式很难使合金元素充分溶解，同样导致的Al-Sc合金中Al3Sc颗粒尺寸过大和数量较少的缺陷。
技术实现思路
本专利技术所要解决的技术问题是：提供Al3Sc-Al3Zr/Al复合材料孕育剂的制备方法，是采用原位合成法、超声处理和快速凝固技术制得薄带状Al3Sc-Al3Zr/Al复合材料孕育剂的方法，并用添加廉价Zr元素的方法替代一部分价格高昂的Sc元素，克服了现有技术中形核颗粒不能在基体上弥散分布或弥散程度还不理想、颗粒在熔体中的聚集沉淀和颗粒尺寸大，Al-Sc合金中Al3Sc颗粒尺寸过大和数量较少和产品成本高的缺陷。本专利技术解决该技术问题所采用的技术方案是：Al3Sc-Al3Zr/Al复合材料孕育剂的制备方法，是采用原位合成法、超声处理和快速凝固技术制得薄带状Al3Sc-Al3Zr/Al复合材料孕育剂的方法，具体步骤如下：第一步，原料的配制：称取所需用量的商购组分含量质量百分比为Al-5Sc的中间合金和商购组分含量质量百分比为Al-40Zr的中间合金，依据目标合金中各组分元素的质量百分比为：Sc为1.00％～2.00％、Zr为1.00％～2.00％，其余为Al，进行原料配制；第二步，块状Al-Sc-Zr中间合金的原位合成制备：将上述第一步称取的商购Al-5Sc中间合金和商购Al-40Zr中间合金放入非自耗式真空电弧炉的坩埚内进行熔炼，真空度为5×10-3Pa,利用电弧加热的高温，熔化温度为2000K，将所加入的所有中间合金熔化，保温10分钟，然后随炉子里带有水冷装置的铜坩埚冷却至熔化的中间合金固化，再在熔化温度为2000K条件下将固态合金熔化，再保温10分钟，如此重复3遍，保证所有组分元素反应充分，由此合金熔炼，原位合成制得块状Al-Sc-Zr中间合金；第三步，块状Al-Sc-Zr中间合金的超声处理：将上述第二步制得的块状Al-Sc-Zr中间合金加热至熔化然后进行超声处理，超声功率为650～700W，超声频率为25000～30000Hz，超声时间为1～2min，该过程通入氩气进行保护，在熔体凝固前将其倒入高为120mm，直径为20mm的钢模中，由此完成块状Al-Sc-Zr中间合金的超声处理；第四步，Al3Sc-Al3Zr/Al复合材料孕育剂的制备：将上述第三步完成超声处理后的块状Al-Sc-Zr中间合金进行线切割，切割成长20mm，直径20mm的圆柱体后放入真空快淬炉的铜坩埚内，真空度为5×10-3Pa，在抽真空后通入氩气保护，通过移动极头的火焰将该铜坩埚内的Al-Sc-Zr中间合金熔化并吹入到高速旋转的铜轮上，铜轮的转速为2000～8000r/min，其冷却速率达104～107K/s，制备出宽为2～5毫米，厚为0.03～0.1毫米、长为5～30毫米的薄带状Al3Sc-Al3Zr/Al复合材料孕育剂。上述Al3Sc-Al3Zr/Al复合材料孕育剂的制备方法，其目标合金中各组分元素的质量百分比优选为Sc与Zr的质量比为2:1，其余为Al。上述Al3Sc-Al3Zr/Al复合材料孕育剂的制备方法，其目标合金中各组分元素的质量百分比优选为Sc与Zr的质量比为1:1，其余为Al。上述Al3Sc-Al3Zr/Al复合材料孕育剂的制备方法，其目标合金中各组分元素的质量百分比优选为Sc与Zr的质量比为1:2，其余为Al。上述Al3Sc-Al3Zr/Al复合材料孕育剂的制备方法，所涉及的原料和设备通过公知途径获得，操作工艺是本
的技术人员能够掌握的。本专利技术的有益效果是：与现有技术相比，本专利技术具有以下突出的实质性特点和显著进步：(1)Sc是细化铝晶粒、促进铝异质形核最有效的元素，但是高昂的价格一直制约了其应用然而。本专利技术依据相图理论，Sc元素和Zr元素可以互相固溶这一特点，在铝熔体中原位生成Al3Sc和Al3Zr两种与铝基体间有良好的晶格匹配关系的形核颗粒，Sc和Zr的合金化能够产生明显的协同效应达到增强铝合金的目的。本专利技术用Zr替代部分Sc，减少了Sc的用量，从而节省含钪铝合金的生产成本。(2)Al3Sc作为孕育剂来细化铝合金晶粒的研究却未见有报道。基于晶格错配理论，Al3Sc和Al3Zr能够作为铝合金孕育剂设计的理想形核基底，基于此，本专利技术通过原位合成、超声处理和快速凝固的方法，制备了含有Al3Sc/Al3Zr双相颗粒的薄带状Al3Sc-Al3Zr/Al复合材料孕育剂。本专利技术制备出的薄带Al3Sc-Al3Zr/Al复合材料孕育剂，薄带中含有体积分数较高的Al3Sc/Al3Zr双相颗粒，颗粒数量较多，因此，更容易激发铝基体形核。(3)本专利技术方法是将Al-Sc中间合金和Al-Zr中间合金作为原料来制备薄带状Al3Sc-Al3Zr/Al复合材料孕育剂，采用了优于现有技术的原位合成方法，在真空电弧炉内合成，直接在铝基体上形成原位的Al3Sc和Al3Zr增强颗粒，而非外加法直接加进基体中。(4)本专利技术方法中利用超声处理中间合金，保证了真空电弧炉熔炼之后原位合成的Al3Sc和Al3Zr增强颗粒在铝基体中的弥散分布，弥补了快速凝固处理可以极大的细化增强颗粒而无法保证颗粒弥散分布的这一不足。(5)本专利技术方法采用真空快淬炉内进行快速凝固处理的方法，用真空电弧炉制备出铸态合金再进行超声处理后，利用真空快淬炉进行快速凝固处理，真空度为5×10-3Pa，在抽真空后通入氩气保护。将中间合金放入真空快淬炉的铜坩埚中，通过移动极头的火焰将坩埚内的中间合金熔化并吹入到高速旋转的铜轮上，利用高的转速达到极快的冷却速度，铜轮的转速为2000～8000r/min，其冷却速率为104～107K/s，由此制得的薄带状Al3Sc-Al3Zr/Al复合材料孕育剂中的形核粒子Al3Sc和Al3Zr相的尺寸被极大地细化，这有利于获得更多的形核核心，从而提高细化效果。(6)本专利技术方法最终制得的Al3Sc-Al3Zr/Al复合材料孕育剂中陶瓷颗粒尺寸分布在300nm～1μm本文档来自技高网...
【技术保护点】
1.Al3Sc‑Al3Zr/Al复合材料孕育剂的制备方法，其特征在于：是采用原位合成法、超声处理和快速凝固技术制得薄带状Al3Sc‑Al3Zr/Al复合材料孕育剂的方法，具体步骤如下：第一步，原料的配制：称取所需用量的商购组分含量质量百分比为Al‑5Sc的中间合金和商购组分含量质量百分比为Al‑40Zr的中间合金，依据目标合金中各组分元素的质量百分比为：Sc为1.00%～2.00%、Zr为1.00%～2.00%，其余为Al，进行原料配制；第二步，块状Al‑Sc‑Zr中间合金的原位合成制备：将上述第一步称取的商购Al‑5Sc中间合金和商购Al‑40Zr中间合金放入非自耗式真空电弧炉的坩埚内进行熔炼，真空度为5×10
【技术特征摘要】
1.Al3Sc-Al3Zr/Al复合材料孕育剂的制备方法，其特征在于：是采用原位合成法、超声处理和快速凝固技术制得薄带状Al3Sc-Al3Zr/Al复合材料孕育剂的方法，具体步骤如下：第一步，原料的配制：称取所需用量的商购组分含量质量百分比为Al-5Sc的中间合金和商购组分含量质量百分比为Al-40Zr的中间合金，依据目标合金中各组分元素的质量百分比为：Sc为1.00%～2.00%、Zr为1.00%～2.00%，其余为Al，进行原料配制；第二步，块状Al-Sc-Zr中间合金的原位合成制备：将上述第一步称取的商购Al-5Sc中间合金和商购Al-40Zr中间合金放入非自耗式真空电弧炉的坩埚内进行熔炼，真空度为5×10-3Pa,利用电弧加热的高温，熔化温度为2000K，将所加入的所有中间合金熔化，保温10分钟，然后随炉子里带有水冷装置的铜坩埚冷却至熔化的中间合金固化，再在熔化温度为2000K条件下将固态合金熔化，再保温10分钟，如此重复3遍，保证所有组分元素反应充分，由此合金熔炼，原位合成制得块状Al-Sc-Zr中间合金；第三步，块状Al-Sc-Zr中间合金的超声处理：将上述第二步制得的块状Al-Sc-Zr中间合金加热至熔化然后进行超声处理，超声功率为650～700W，超声频率为25000～30000Hz，超声时间为1～2min，该过...
【专利技术属性】
技术研发人员：刘水清，崔春翔，王新，赵立臣，韩冰皓，
申请(专利权)人：河北工业大学，
类型：发明
国别省市：天津,12
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