[发明专利]多场作用下多级定向生长金属材料的制备方法

说明书

本发明提供了一种多级定向生长金属材料及多场作用下多级定向生长金属材料的制备方法，属于金属材料制备技术领域。本发明提出一种多场作用下多级定向生长组织的原位耦合调控方法，可制备定向生长晶粒内部分布定向固态相变组织的多级定向生长金属材料，多级定向组织的耦合效应可赋予材料新的性能，具有极大的研究和应用潜力。本发明将电场、磁场和超声场三种物理场同时耦合到定向凝固和定向固态相变过程，利用外场调控金属材料的凝固组织，探索新的凝固现象，推动了新型材料的研发和应用。

技术领域

本发明涉及金属材料制备技术领域，尤其涉及一种多级定向生长金属材料及多场作用下多级定向生长金属材料的制备方法。

背景技术

定向凝固技术通过在液态金属中建立特定方向的温度梯度，使液固相变沿着与热流相反的方向进行，获得具有柱状晶或者单晶的材料，被广泛应用于航空航天领域。对定向凝固后的材料进行固态相变调控，可以进一步提升其应用性能。专利CN108588605A公开了一种镍基单晶高温合金的热处理工艺，通过固溶和时效处理提高合金的抗蠕变性能。专利CN103540884A发明了一种定向凝固铌硅基合金的热处理方法，通过在1750～1850℃退火细化晶粒尺寸，提升材料的断裂韧性。但是，固态相变的组织难以控制取向，其往往弥散、无序地分布于定向凝固后的柱状晶或单晶内，这样非定向的组织会影响材料的单向性。并且，在定向凝固后往往只采用一种固态相变调控手段，也无法进一步提升材料的应用性能。

在液固相变和固态相变过程中施加外场，可实现对材料微观组织和宏观性能的调控。专利CN110093522B提出一种利用磁场提高AlCoCrFeNi_2.1共晶高熵合金力学性能的方法，将合金置于励磁线圈中，使其在匀强磁场中凝固，通过增大BCC相的含量提升材料的屈服强度。专利CN101812727A提出一种在直流电场作用下定向凝固提纯多晶硅的方法，通过杂质离子在电场下的定向迁移运动，提高定向凝固多晶硅的纯度。专利CN113102735A发明了一种浸入式三维超声金属凝固装置与方法，将超声通过铸模施加于金属熔体，从而提高铸件力学性能。文献(稳恒强磁场在固态相变中应用的研究进展，任晓等，材料工程，2009,3:82-86)记录了强磁场对材料固态相变过程中的相稳定性、相形貌和晶粒尺寸等方面均有显著影响。但上述现有技术只通过单一外场调控凝固组织，对于材料性能的提升作用有限。

发明内容

本发明的目的在于提供一种多级定向生长金属材料及多场作用下多级定向生长金属材料的制备方法，能够原位制备多级定向生长金属材料，设计和开发更多性能优异的新型材料。

为了实现上述发明目的，本发明提供以下技术方案：

本发明提供了一种多场作用下多级定向生长金属材料的制备方法，包括以下步骤：

(1)将金属材料加热熔化，得到金属熔体；

(2)启动定向抽拉装置将所述金属熔体拉入冷却室中进行定向凝固；所述定向凝固在第一外场作用下进行，所述第一外场包括第一电场、第一磁场和第一超声场；

优选的，所述步骤(2)完成后还包括：

(3)将步骤(2)所得第一定向生长金属材料从冷却室升回至起始加热位置，加热至固态相变温度以上且在固相线温度以下；

(4)再次启动定向抽拉装置将加热的第一定向生长金属材料拉入冷却室进行定向固态相变；所述定向固态相变在第二外场作用下进行，所述第二外场包括第二电场、第二磁场和第二超声场。

优选的，所述第一电场和第二电场独立地为对向电场或并列电场。

优选的，所述第一电场和第二电场的电流独立地＞0且≤20mA。

优选的，所述第一磁场和第二磁场独立地为静磁场或动磁场。

优选的，所述静磁场的大小＞0且≤5T，所述动磁场的大小＞0且≤2T。