[发明专利]利用双辊薄带连铸制备自生梯度功能材料的方法

说明书

技术领域

本发明涉及梯度功能材料的制造方法，特别涉及利用双辊薄带连铸制备自生梯度功能材料的方法。

背景技术

梯度功能材料(Functionally gradient materials，FGM)是成分或结构呈连续梯度变化的一种新型材料。其主要特征有：材料的组分和结构呈连续梯度分布；材料内部没有明显的界面；材料的性能相应呈连续梯度分布。FGM设计的目的在于获得最优化的材料成分与成分分布曲线，从而具有许多特殊的、设计性较强的机械、耐腐蚀、电磁及其它性能，其应用领域已扩大至宇航、核能、电磁、化工、生物、医学乃至日常生活(王正品等，金属功能材料，北京：化学工业出版社，2004，37)。

梯度功能材料(FGM)制备方法主要包括：化学气相沉积、物理蒸镀、离子喷涂、等离子溅射、分子束外延、电沉积、等离子溅射、共晶反应、自蔓延高温合成、喷涂、烧结扩散、激光熔覆、离心铸造、电磁分离等，但以上制备技术复杂，产品体积有限，成本高，难以付之于工业大规模实施。

德国专利DE4108203A1首次提出以连续铸造方法生产合金成分呈梯度变化材料的设想。其特征在于采用初级、次级两级结晶器，首先让不同的金属液在各自初级结晶器里部分凝固，随后在次级结晶器内金属相互挤压而熔合，从而获得成分连续分布的宏观组织。

中国专利97103553.9提出以连续及半连续铸造方式制备FGM的方法，其特征在于将多种金属液以分离水口方式连续注入同一结晶器，分层顺序凝固，形成连续光滑的成分梯度分布。

以上方法虽然可设计性较强，但很难精确控制，在大规模连续生产中存在较大困难。

双辊薄带连铸技术作为冶金与材料领域的一项前沿技术，改变了传统薄型材的生产理念与过程，有利于获得超细的凝固组织，给冶金业带来革命性的飞跃，如中国专利CN02136304.8。目前，该技术已成功应用于铝合金、低碳钢、中碳钢、奥氏体不锈钢、铁素体不锈钢、高速钢、镁合金等材料的制备上。

双辊薄带连铸过程中，金属液接触到铸辊后开始凝固，在两铸辊外表面上形成凝固壳，随后固-液界面逐渐向液相推进，凝固壳增厚，并在辊隙附近(Kiss point)相互结合，从而直接制备出毫米级的金属带材(“双辊薄带连铸过程与凝固组织多场耦合数学模型”，梁高飞等，《铸造技术》，2006，27(1)：90)。

因此，双辊薄带连铸工艺为直接制备自生梯度功能材料提供了一条新思路。

发明内容

本发明的目的在于针对现有技术在实际工业生产梯度功能材料中的局限性，提供一种利用双辊薄带连铸制备自生梯度功能材料的方法，实现合金元素按性能需求沿材料厚度方向连续分布，有效解决材料不同部位有其独特性能要求的问题。

研究发现，凝固壳沿铸辊生长中伴随着合金元素在固-液界面两侧的反偏析，从而导致元素在带厚方向上呈梯度连续分布。对于正偏析元素在带表面处含量大于平均含量，并沿带厚方向梯度减小；反之，负偏析元素在带表面处含量小于平均含量，并沿带厚方向梯度增加。元素偏析的程度受到双辊薄带连铸工艺参数(带厚、铸辊冷却能力、出带速率等)以及在凝固过程中元素之间的相互作用影响。因此，通过对工艺参数以及元素种类的控制，可以实现合金元素沿带厚方向上不同的梯度分布，以满足材料不同部位的独特性能需求。

梯度功能材料基体材料可以为Fe、Al、Ti、Ni、Mg等，合金元素为在双辊薄带连铸过程存在偏析的元素，即这类元素在凝固壳-液相附近的分配系数(C_s/C_L，式中，C_s：固相浓度；C_L：液相浓度)大于1(负偏析)或小于1(正偏析)。正偏析元素在带表面处含量最低，并沿带厚方向增加，负偏析元素在带表面处含量最高，并沿带厚方向减小。通过调整双辊薄带连铸工艺参数(浇铸温度、出带速率、铸辊冷却能力等)，以及合金元素在材料凝固过程中的交互作用，控制元素的梯度分布曲线。