制备细小晶粒、偏析程度低的合金铸造装置和方法制造方法及图纸

本发明专利技术属于合金铸造领域，具体涉及制备细小晶粒、偏析程度低的合金铸造装置和方法。所述装置包括：二次加料系统，熔炼系统，浇注系统，铸模，环形磁场发生器，定向磁场发生器和舱体；所述铸模安放在环形磁场发生器和定向磁场发生器中心，通过两种磁场的作用在铸模内的未凝固液态金属中产生剪切流。所述方法是将熔化的液态金属凝固后直接得到晶粒细小、偏析程度低的合金铸锭，以及由此方法制备的具有低偏析程度的大尺寸跨尺度结构高温合金铸锭。

【技术实现步骤摘要】
制备细小晶粒、偏析程度低的合金铸造装置和方法
：本专利技术属于合金铸造领域，具体涉及制备细小晶粒、偏析程度低的合金铸造装置和方法。
技术介绍
传统重力铸造过程中，金属液进入铸型后，在铸型壁和金属液中心存在大的温度梯度，导致铸锭组织在宏观上形成表层细晶区、柱状晶区和中心等轴晶区三个区域，同时温度梯度驱动下的溶质再分配过程导致溶质原子在液态金属液固界面前沿不断富集，最终产生了铸锭的宏观偏析。细化晶粒是以提升金属材料的强度、减轻或消除偏析来提升金属材料的塑性，这是材料学者们的研究热点。在细化晶粒过程中，人们通过控制金属凝固过程中的过冷度以增加金属液的形核率，在金属液中形成更多的初始晶核来增加晶粒数量以细化晶粒。以快速凝固为例，通过提高金属液的冷却速度一方面可以获得大的过冷度来增加形核率，使得金属组织明显细化，同时，由于金属液固界面迁移速度极快，溶质原子来不及再分配便被捕捉凝固，减轻了金属组织的偏析程度。常见的快速凝固方法有：气枪法、旋铸法、工作表面熔化与自淬火法和雾化法，这些方法一般适用于小块细晶金属或者大块金属表层组织的细化，并不能在大块金属的晶粒细化中得到应用([KangC,SakaguchiM,InoueH.Contributionofcreeptostrainevolutioninaparaffindropletduringandafterrapidsolidificationonametalsubstrate[J].SurfaceandCoatingsTechnology,2020:126145；DrozdenkoD,YamasakiM,KristiánMáthis,etal.OptimizationofmechanicalpropertiesofdiluteMg-Zn-Yalloyspreparedbyrapidsolidification[J].Materials&design,2019,181:107984；BezHN,PathakAK,BiswasA,etal.GiantenhancementofthemagnetocaloricresponseinNi-Co-Mn-Tibyrapidsolidification[J].ActaMaterialia,2019,173；C.D.Cao,X.Y.Lu,B.Wei.PeritecticsolidificationofhighlyundercooledCu-Coalloy[J].Adv.SpaceRes.,1999,24:1251-1255])。此外，向金属液中添加孕育剂或变质剂也是细化晶粒的重要方法，例如在铝合金中通常添加Al-Ti-B来细化([Wang,JunZ.ResearchonaNewTypeGrainRefinerRefining±-AlbyAddingMoltenStateandDilutedAl-Ti-B-REMasterAlloy[J].AdvancedMaterialsResearch,2012,535-537:915-918.])，但往往对变质剂的要求很高，只有在金属液中稳定存在、细小、弥散的变质剂才能有效细化晶粒，否则会恶化材料性能。近年来，通过外加物理场，如电场、磁场、超声波等物理场来改善凝固组织，但均存在不同程度的局限性。如对金属液施加超声振动，只有其距离振动源很近的位置产生了晶粒细化效果，而对远的位置处作用效果较差([PugaH,CostaS,BarbosaJ,etal.InfluenceofultrasonicmelttreatmentonmicrostructureandmechanicalpropertiesofAlSi9Cu3alloy[J].JournalofMaterialsProcessingTechnology,2011,211(11):1729-1735.])。通过对固态金属进行大塑性变形如等通道转角挤压法(ECAP)是目前制备研究纳米晶材料的热点方法，但该方法要求固态金属通过一个尺寸很小的等通道转角，这严重限制了金属材料的形状和尺寸，虽然可以极大细化金属组织，但是没有大规模应用的前景。对于合金来说，大幅减轻合金铸锭宏观偏析来减少经典偏析产物以改善其的开坯及热加工性能。降低铸锭组织偏析度的传统思路是：追求快的冷却速度或者减轻金属的合金化程度，通过这种方法来影响合金元素在凝固过程中的溶质再分配过程或减轻凝固过程中的成分过冷度来减缓合金元素的输运速度，从而降低铸锭组织的偏析度。这种传统思路很难获得大块组织均匀的合金铸锭或因合金元素的减少而降低合金性能。
技术实现思路
为解决上述问题，本专利技术提供一种制备细小晶粒、偏析程度低的合金铸造装置和方法。所述装置用于制备细化晶粒、偏析程度低的中高合金化金属铸造材料；所述方法是将熔化的液态金属凝固后直接得到晶粒细小、偏析程度低的合金铸锭，以及由此方法制备的具有低偏析程度的大尺寸跨尺度结构高温合金铸锭。本专利技术根据前期研究，剪切流或非对称流能使金液滴从几十微米破碎到亚微米。强的混合作用和熔体调节可能分散团簇和细化任何潜在的形核质点。此外，根据晶粒长大理论，剪切流能影响纳米尺度上的颗粒形态([ChenM,JiX,XuX,etal.Theeffectoftheshearflowonparticlegrowthintheundercooledmelt[J].JournalofCrystalGrowth,2014,401(sep.1):116-119.])。这为细化晶粒、减轻偏析，改善金属材料组织性能提供了新的思路。本专利技术是通过以下技术方案实现的：一种制备细小晶粒、偏析程度低的合金铸造装置，所述装置包括：二次加料系统，用于容纳中间合金和/或易挥发金属并给熔炼系统进行二次加料；熔炼系统，用于熔融待铸造金属；浇注系统，用于将熔炼系统中的金属熔体浇注到铸模(也称铸型)中；铸模，用于金属熔体凝固成型；环形磁场发生器，用于在金属熔体中产生沿切向的环形剪切力；定向磁场发生器，用于在金属熔体中提供沿径向的定向剪切力；和舱体，用于集成所述二次加料系统、熔炼系统、浇注系统、铸模、环形磁场发生器和定向磁场发生器；所述铸模安放在环形磁场发生器和定向磁场发生器中心，通过两种磁场的作用在铸模内的未凝固液态金属中产生剪切流。进一步地，所述舱体可为合金熔炼和凝固过程提供0.01～100Pa的真空度，也可以通过向舱体中充注保护惰性气体实现可控气氛熔炼和凝固。进一步地，所述熔炼系统采用电磁感应熔炼。进一步地，所述环形磁场发生器和定向磁场发生器同时工作或(按照需要)交替工作。进一步地，所述环形磁场发生器产生的磁场强度范围为0.1～10T。进一步地，所述定向磁场发生器产生的磁场强度范围为0.1～10T。进一步地，所述环形磁场发生器和定向磁场发生器同时工作时，所述环形磁场发生器产生的磁场强度和定向磁场发生器产生的磁场强度相同或不同；分别根据径向剪切力和切向剪切力的要求调节。进一步地，所述本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种制备细小晶粒、偏析程度低的合金铸造装置，其特征在于，所述装置包括：/n二次加料系统，用于容纳中间合金和/或易挥发金属并给熔炼系统进行二次加料；/n熔炼系统，用于熔融待铸造金属；/n浇注系统，用于将熔炼系统中的金属熔体浇注到铸模中；/n铸模，用于金属熔体凝固成型；/n环形磁场发生器，用于在金属熔体中产生沿切向的环形剪切力；/n定向磁场发生器，用于在金属熔体中提供沿径向的定向剪切力；/n舱体，用于集成所述二次加料系统、熔炼系统、浇注系统、铸模、环形磁场发生器和定向磁场发生器。/n

【技术特征摘要】
1.一种制备细小晶粒、偏析程度低的合金铸造装置，其特征在于，所述装置包括：
二次加料系统，用于容纳中间合金和/或易挥发金属并给熔炼系统进行二次加料；
熔炼系统，用于熔融待铸造金属；
浇注系统，用于将熔炼系统中的金属熔体浇注到铸模中；
铸模，用于金属熔体凝固成型；
环形磁场发生器，用于在金属熔体中产生沿切向的环形剪切力；
定向磁场发生器，用于在金属熔体中提供沿径向的定向剪切力；
舱体，用于集成所述二次加料系统、熔炼系统、浇注系统、铸模、环形磁场发生器和定向磁场发生器。


2.根据权利要求1所述的一种制备细小晶粒、偏析程度低的合金铸造装置，其特征在于，所述环形磁场发生器和定向磁场发生器同时工作或交替工作。


3.根据权利要求1所述的一种制备细小晶粒、偏析程度低的合金铸造装置，其特征在于，所述环形磁场发生器产生的磁场强度范围为0.1～10T。


4.根据权利要求1所述的一种制备细小晶粒、偏析程度低的合金铸造装置，其特征在于，所述定向磁场发生器产生的磁场强度范围为0.1～10T。


5.根据权利要求2所述的一种制备细小晶粒、偏析程度低的合金铸造装置，其特征在于，所述环形磁场发生器和定向磁场发生器同时工作时，所述环形磁场发生器产生的磁场强度和定向磁场发生器产生的磁场强度相同或不同。


6.一种制备细小晶粒、偏析程度低的合金铸造的方法，其特征在于，所述方法包括如下步骤：
S1，烘干：将金属原料清洗后放于烘干炉中烘干1～3小时；
S2，合金化金属：采用熔炼系统和二次加料系...

【专利技术属性】
技术研发人员：陈晓华，秦军伟，王自东，王艳林，陈凯旋，曹裕栋，杨明，
申请(专利权)人：北京科技大学，
类型：发明
国别省市：北京;11