[发明专利]一种高速剪切制备合金材料的方法及所得细晶合金材料

说明书

本发明涉及一种高速剪切制备合金材料的方法及所得细晶合金材料。一种高速剪切制备合金材料的方法：对合金材料进行熔融；所述合金材料为锡合金、铋合金、铟合金、铝合金或铜合金中的一种；采用剪切乳化设备对熔融态合金进行剪切乳化处理，所述剪切乳化处理的温度保持在所述合金的液相线以上；其中，所述剪切乳化设备的线速度为30～60m/s，使所述熔融态合金的加速度达到30～100倍重力加速度；冷却并成型为合金材料。本发明解决了传统方法中存在的工艺繁杂、设备要求高、易引入杂质，并且细化组织不均匀、组织受热易长大、组织在服役过程中不稳定、组织不可遗传等问题，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。

技术领域

本发明涉及冶金技术领域，特别涉及一种高速剪切制备合金材料的方法及所得细晶合金材料。

背景技术

合金制品的组织和性能的优劣，首先取决于铸锭的原始组织。细晶组织的铸锭与粗晶组织的铸锭相比，具有一系列的优点：机械加工时的切削量减少，成品率提高；具有均匀细小的组织的铸锭，铸造应力小，使得铸锭的塑性形变能力提高；用细晶组织铸锭制成的半成品，具有更高的机械性能；所以对合金进行组织细化处理是十分必要的。

液态结构对固态组织有着直接而重要的影响。在一般情况下，铸锭的晶粒细化处理是通过少量特殊添加剂的作用，或者快速冷却及各种物理作用的影响下，使合金组织分散度提高。快速冷却方法需要采用较高的铸造速度，对熔炼和铸造设备的生产能力提出很高的要求。

传统的冶金作用的组织细化处理方法主要是添加少量细化剂。随着合金制造业和加工工业的不断进步与发展，晶粒细化剂也获得了不断改进。然而，细化剂的添加在晶粒细化过程中仍存在不足，当熔体中含有某些特定元素时，会失去细化效果，即发生“中毒”现象。中毒的原因在于熔体中生成了其他化合物，点阵常数很大，和熔体合金没有共格关系。另外，在实际生产中，细化剂的添加量也是一个很关键的问题，如果过量添加，将导致引入的杂质元素含量超标，且浪费了细化剂，增加成本。实际生产中需要根据具体情况，通过反复实验来确定最佳量。

通过物理作用方法进行组织细化处理主要采用电磁搅拌。然而，电磁搅拌对熔体铸造温度要求严格，需要控制铸造温度，确保在此温度下，能使感应线圈下方和中心部分的晶粒和枝晶胞的大小很相近。

综上所述，国内外工程应用多从成分的选择与配比的优化、微合金化、稀土元素的加入、细化剂的添加及铸造过程中的快速冷却速度上着手进行研究，却很少有人关注合金制备过程中，熔体的结构与状态对材料本身的凝固组织、力学性能、工艺性能以及服役过程中的组织稳定性等方面的影响。

近年来，液态结构转变的发现与研究，为液-固依存关系的认知提供了一个新契机。在材料生产和科研实际中，人们对合金液态结构有了较深入的认识，特别是发现了外力诱导的液-液相结构转变现象，并且认识到液-液相结构转变与材料性能方面存在着液-固相组织遗传性。通过使熔体液相结构发生转变，获得凝固组织均匀细化的合金材料，改善材料的力学性能、工艺性能和服役稳定性能。如果采用熔体液-液相结构转变方法制备组织细化的合金材料，具有一系列优点，首先设备要求简单，不需要快速冷却的铸造设备；其次工艺流程简单，不需要控制特定的铸造温度，铸造温度范围广；不会引入杂质，不需要添加细化剂或者稀土元素；并且最为关键的一点在于，液相结构转变具有不可逆性，当细晶组织材料再次熔化并凝固后，仍能保持细晶组织，亦即具有组织遗传性，而传统方法获得的细晶组织材料再次熔化并凝固后，无法实现仍能保留细晶组织。

如何实现熔体液-液相结构转变来制备细晶合金产品，在具体工程应用和工艺上生产，仍是一个难点。

发明内容

本发明的目的在于提供一种制备合金材料的方法，该方法避免了传统方法的不足，解决了传统方法中存在的工艺繁杂、设备要求高、易引入杂质，并且细化组织不均匀、组织受热易长大、组织在服役过程中不稳定、组织不可遗传等问题，同时该方法设备简单、工艺流程短、效率高、成本低，适合工业化生产。

为了实现以上目的，本发明提供了以下技术方案：