半固态金属或合金的制备方法技术

本发明专利技术涉及一种半固态金属或合金的制备方法，包括：将基体金属或合金加热到液相线以上温度，并确保具有足够的过热度以使基体金属或合金完全熔化，形成均匀的液相金属或合金熔体；将液相金属或合金熔体冷却至半固态温度，使晶核开始形成；当固相组分达到一定规模时，开始对熔体进行一或多次持续高速剪切乳化分散，在熔体内形成初始运动加速度为Gopt的微晶核，得到金属或合金熔体悬浊液；在金属或合金熔体悬浊液发生团聚前将其制成半固态金属或合金材料。本发明专利技术的半固态金属或合金的制备方法，成功解决了传统方法中存在的晶核弥散不均匀、晶体团聚形核长大、晶粒球形度不高等问题，并且适合工业化生产。

Preparation method of semi solid metal or alloy

【技术实现步骤摘要】
半固态金属或合金的制备方法
本专利技术涉及金属或合金铸造
，特别涉及一种半固态金属或合金的制备方法。
技术介绍
半固态流变成形技术是由金属或合金熔体在凝固到固液区间后直接通过一定的成形工艺成形得到零件，由于缩短了材料制备过程的一些加工环节，极大节约了产品零件加工制造过程的成本，因而成为一种极具关注的材料加工手段。采用半固态成形的方法制备金属或合金材料，可在保留原有金属或合金高性能的基础上实现短流程加工制造。半固态成形技术在铝、镁金属或合金中的应用，有效地降低了加工温度，减少了气孔、缩孔等缺陷，提高了零件的成品率和产品质量，推动了金属成形方法的发展。通常认为，半固态金属浆料的质量是成形技术的基础和关键因素，它要求浆料组织中的晶粒为圆整、细小、均匀的球状晶组织。针对半固态浆料的制备方法，国内外学者已做了大量的研究工作，提出许多制备工艺的方法。在现有的半固态金属或合金浆料制备技术中，按照制备原理主要分为利用外力、添加孕育剂、控制冷却速度、加热保温和低过冷度铸造等若干类方法。利用外力的方法主要是采用各种搅拌和超声振动等技术对熔体产生一个外力场，使金属或合金熔体发生强烈的对流，达到细化晶粒、抑制枝晶生长、获得非枝晶组织的目的。这类方法的研究较多，包括各种机械搅拌法、电磁搅拌法和超声振动法等(已公开的中国专利技术专利201710313704.8、201410507971.5、201510396284.5、201811655216.6)，但是对于如何增强外力场的作用效果，以达到高效、快速制备半固态金属或合金浆料等问题，尚有待解决。添加孕育剂的方法主要是通过向金属或合金熔体内添加粉末细化剂或变质剂，改善熔体的形核条件和控制晶粒生长方式，以达到细化晶粒的目的。这种方法的主要问题是难以得到理想的球晶结构，无法单独作为半固态浆料的制备方法，而且在生产现场难以满足制备材料的一致性要求。控制冷却速度法是通过减缓熔体的冷却速度促进枝晶退化，以达到枝晶向等轴晶的转变，从而获得半固态浆料。这种方法得到的晶粒尺寸较大，成形件的性能难以体现半固态加工的优势，且生产效率较低，同样在生产现场难以满足制备材料的一致性要求。晶粒细化及重新加热保温法是利用化学晶粒细化剂制备晶粒细小的合金锭料，然后锭料重新加热到固液两相区，依靠一段时间保温过程中的组织演化来获得半固态浆料。这种方法局限性较大，一是合适的晶粒细化剂极其有限，二是制备过程较长，效率较低。低过热度铸造，也称近液相线铸造，是通过低过热度浇注和整体加压效应，使整个合金液同时进入过冷状态，实现同时形核和同时长大，但只能用于简单结构件的成形，且生产效率较低。此外，半固态浆料的制备方法还有喷射沉积法、变形诱变激活法、紊流效应法和多种粉末冶金法等，但都受到制备效率和制备费用的限制，无法大规模生产应用。
技术实现思路
本专利技术的目的是为解决以上问题，本专利技术提供一种半固态金属或合金的制备方法。根据本专利技术的一个方面，提供一种半固态金属或合金的制备方法，包括以下步骤：A.金属或合金块体熔炼，将基体金属或合金加热到液相线以上温度，并确保具有足够的过热度以使基体金属或合金完全熔化，形成均匀的液相金属或合金熔体；B.冷却形核,将所述液相金属或合金熔体冷却至半固态温度，使晶核开始形成；C.高速剪切乳化分散,当固相组分达到一定规模时，开始对熔体进行一或多次持续高速剪切乳化分散，在熔体内形成初始运动加速度为Gopt的微晶核，得到金属或合金熔体悬浊液；D.悬浊液后处理,在所述金属或合金熔体悬浊液发生团聚前将其制成半固态金属或合金材料。其中，步骤C中，微晶核的直径为1-999nm，初始运动加速度Gopt＝30-100G。其中，步骤C中，所述高速剪切乳化分散是通过高速乳化分散设备完成，其转子的线速度为30-60m/s；并且，当所述晶核形成至当固相组分达到40％-60％时，开始高速剪切乳化分散。其中，步骤C包括，乳化剪切分散总时长为1-30min。其中，步骤B中，半固态温度为金属或合金固相线与液相线之间的任一温度。其中，步骤D中，采用冷却或浇注的方法制成金属或合金型材。其中，所述金属或合金熔体为具有较宽固液共存区的半固态金属金属或合金体系，进一步地，为铝熔体、镁熔体、铝合金熔体、钛合金熔体或镁合金熔体。根据本专利技术的另一方面，提供该制备方法制备的半固态金属或合金。本专利技术中，利用高速转子与定子的相对作用，一方面通过高速剪切乳化工艺，利用高速转子与定子的相对作用，保证了更大的剪切力和更高的剪切速度，实现了对形成的晶核进行反复的破碎分散，将晶核分离成单一纳米级尺寸的微晶核，进而最大程度降低质点浮沉速度。另一方面，根据加速度公式a＝v2/r，通过特定的剪切线速度，使微晶核刚开始脱离剪切乳化装置时的加速度达到30～100倍重力加速度，进而使微晶核在熔体中始终保持高度运动的状态，静止团聚的概率很小，直至分散在熔体的各个角落。在浮沉速度和初始运动加速度的双重条件下，并使得形成的微晶核能够在超越常规的后续加工处理时间内始终维持稳定状态。则在整个制备过程中，只需要后续的冷却加工工艺按照常规方式进行，本专利技术就能够保持气泡在最后形成的泡沫金属或合金中，始终处于均匀分散的状态。本专利技术的半固态金属或合金的制备方法，避免了传统方法的不足，成功解决了传统方法中存在的晶核弥散不均匀、晶体团聚形核长大、晶粒球形度不高等问题，同时该方法原料易得，设备简单，工艺流程短，效率高，成本低，适合工业化生产。附图说明通过阅读下文优选实施方式的详细描述，各种其他的优点和益处对于本领域普通技术人员将变得清楚明了。附图仅用于示出优选实施方式的目的，而并不认为是对本专利技术的限制。而且在整个附图中，用相同的参考符号表示相同的部件。在附图中：图1示出了根据本专利技术实施方式的半固态金属或合金的制备方法的流程图。具体实施方式下面将根据实施例更详细地描述本公开的示例性实施方式。虽然说明书中显示了本公开的示例性实施方式，然而应当理解，可以以各种形式实现本公开而不应被这里阐述的实施方式所限制。相反，提供这些实施方式是为了能够更透彻地理解本公开，并且能够将本公开的范围完整的传达给本领域的技术人员。如图1所示，本专利技术提供一种半固态金属或合金的制备方法，包括以下步骤：A.金属或合金块体熔炼，将基体金属或合金加热到液相线以上温度，并确保具有足够的过热度，使基体金属或合金完全熔化，形成均匀的液相金属或合金熔体；B.冷却形核：将液相金属或合金熔体冷却至半固态温度，并开始形成晶核；C.高速乳化分散：当金属或合金熔体内包括晶核在内的固相组分(包含晶核以及在晶核上生长的树枝状晶体)达到一定规模时，对熔体持续进行一到多次高速剪切乳化分散，实现对熔体内新形成晶核的破碎分散，在熔体内形成初始运动加速度为Gopt的微晶核，从而使半固态金属或合金熔体转化为微晶核均匀弥散分布且在特定时间内不发生团聚的金属或合金熔体悬浊液；D.悬浊液后处理：将金属或合金熔体悬浊液在本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种半固态金属或合金的制备方法，其特征在于，包括以下步骤：/nA.金属或合金块体熔炼，将基体金属或合金加热到液相线以上温度，并确保具有足够的过热度以使基体金属或合金完全熔化，形成均匀的液相金属或合金熔体；/nB.冷却形核,将所述液相金属或合金熔体冷却至半固态温度，使晶核开始形成；/nC.高速剪切乳化分散，当包括晶核在内的固相组分达到一定规模时，开始对熔体进行一或多次持续高速剪切乳化分散，在熔体内形成初始运动加速度为Gopt的微晶核，得到金属或合金熔体悬浊液；/nD.悬浊液后处理，在所述金属或合金熔体悬浊液发生团聚前将其制成半固态金属或合金材料。/n

【技术特征摘要】
1.一种半固态金属或合金的制备方法，其特征在于，包括以下步骤：
A.金属或合金块体熔炼，将基体金属或合金加热到液相线以上温度，并确保具有足够的过热度以使基体金属或合金完全熔化，形成均匀的液相金属或合金熔体；
B.冷却形核,将所述液相金属或合金熔体冷却至半固态温度，使晶核开始形成；
C.高速剪切乳化分散，当包括晶核在内的固相组分达到一定规模时，开始对熔体进行一或多次持续高速剪切乳化分散，在熔体内形成初始运动加速度为Gopt的微晶核，得到金属或合金熔体悬浊液；
D.悬浊液后处理，在所述金属或合金熔体悬浊液发生团聚前将其制成半固态金属或合金材料。


2.如权利要求1所述的制备方法，其特征在于，
步骤C中，微晶核的直径为1-999nm，初始运动加速度Gopt＝30-100G。


3.如权利要求1所述的制备方法，其特征在于，
步骤C中，所述高速剪切乳化分散是通...

【专利技术属性】
技术研发人员：贺会军，林卓贤，王志刚，徐蕾，刘希学，刘建，赵朝辉，朱捷，张焕鹍，朱学新，李志刚，
申请(专利权)人：北京康普锡威科技有限公司，
类型：发明
国别省市：北京;11