[发明专利]一种异质结构金属材料的连续制备装置及方法

说明书

本发明的一种异质结构金属材料的连续制备装置及方法，在坩埚内对金属进行熔化，熔化后的金属熔液从坩埚中流入控温铸型内，控温铸型在加热器的作用下被加热至固相线温度以上，铸型内部插入气冷管，气冷管内部插入导气管，气体经导气管的进气口进入到气冷管内，在气冷管的冷却作用下使得熔体快速冷却形核，并通过旋转方式促使形核核心大量游离到金属熔体中。同时，在铸型的出口端进行强制冷却，使得凝固金属与未完全凝固金属熔体间建立起沿拉坯方向的温度梯度，热量主要沿轴向向强制冷却区传输，合金熔体在铸型内部实现定向凝固，合金熔体有沿连铸方向定向生长形成柱状晶的趋势，且沿着拉坯方向在冷却器下方安装牵引机构，对金属铸坯进行连续拉制。

技术领域

本发明涉及属于金属连铸工艺技术领域，尤其涉及一种异质结构金属材料的连续制备装置及方法。

背景技术

金属材料是人类社会发展的重要物质基础，各种金属材料在航空航天、汽车船舶和轨道交通等多种领域得到了广泛的应用。但其强度与韧性间的相互制约限制了应用范围的进一步扩大。对于传统均质材料来说，强度的提高往往伴随塑性的显著下降，难以实现强度与塑性的良好匹配。

异构材料是相对于传统均质材料而提出的，它主要表现为材料空间结构以及成分上呈现出不均匀分布的特性。异构材料由强度差异显著的多种组织组成，在变形过程中，不同组织界面附近会产生较大的应变梯度，从而产生显著的背应力来强化材料，同时背应力加工硬化使基体获得良好的塑性，最终实现强度和韧性的良好匹配。根据其不同的微观结构可大致分为双峰结构、谐波结构、梯度纳米结构、双相结构、层状异构复合金属结构等。现有异构金属材料制备的主要方法有液氮低温轧制-退火、混合粉体等离子体烧结-剧烈塑性变形-热轧、异步轧制-不完全退火处理、激光表面处理、离心铸造多层金属管坯-芯部金属液压铸方法。

采用累积叠轧工艺或者异步轧制等轧制方法制备时程序复杂，控制难度大，材料利用率不高，且对轧制设备要求高，制得的材料为板材，不能直接用于导线等工件的制备。采用激光表面处理时，制得的材料中细晶层在表面，粗晶层在内部，无法对微观结构进行灵活调控，且制得的材料细晶层厚度有极限，无法制备大尺寸均匀异构样品，限制其在工业领域的应用。采用离心铸造+压铸的方式交替浇铸两种或两种以上金属液，得到两种或两种以上金属径向交替排列的管状材料，随后利用压铸的方式填充铸件心部，得到两种或两种以上金属径向交替排列的金属铸件时，制备工序同样繁琐，且离心铸造容易出现偏析缺陷，无法连续制备超长规格的异构材料。

综上所述，现有的制备技术难以高效成形表面和内部质量好、组织致密、塑性加工性能优异的异构金属铸坯。因此，针对目前制备方法存在的问题，开发一种新型的连续铸造装置与方法，高效地生产出表面光洁度好、组织致密及综合性能优异的异构金属铸坯，具有十分重要的意义现点。

发明内容

为解决上述问题，本发明公开了一种异质结构金属材料的连续制备装置及方法，该装置将连铸装置的铸型温度控制在金属的固相线温度以上，并通过气冷管对熔体进行冷却与形核，可以显著提高熔体流入铸型内部初始结晶晶粒的数量。然后通过在铸型出口附近强制冷却已凝固的合金，使得熔体沿着连铸方向形成极高的温度梯度，使合金在离开铸型出口之前完成凝固，实现连铸成形，获得表面光洁度良好，具有柱状晶和等轴晶均匀混合组织的异构金属制品，是一种近终形、短流程、高效率、极具发展潜力的先进金属材料成形方法，从而改善铸坯组织结构、提高连铸坯性能及后续加工性能。

一种异构金属材料的连续制备装置，该装置主要有第一加热器、坩埚、气冷管、导气管、控温铸型、结晶器、二次冷却器、牵引机构、加热器组成；其中坩埚的外侧设有第一加热器；坩埚的出料口连接铸型；铸型的出口端依次连接结晶器；其中气冷管一端穿过坩埚并插入在铸型的内腔；气冷管的外壁与铸型的内壁形成型腔；其中气冷管的内腔为中空结构且内部插入导气管，气体经导气管的进气口进入到气冷管内，通过气冷管顶部的开口缝隙流出；其中铸型的外侧设有第二加热器。

所述第一、二加热器为外部热源或感应加热线圈。

所述坩埚置于空气或真空或充入惰性气体保护的环境中。