[发明专利]一种制备无偏析的偏晶合金材料的方法及其装置

说明书

技术领域

本发明涉及一种制备无偏析的偏晶合金材料的方法及其装置，属均质偏晶合金材料制备工艺技术领域。

背景技术

第二相均匀分布于基体的偏晶合金是一种重要的功能材料，在高性能轴瓦材料、电触头材料、电化学材料、超导材料等领域中，均展现出非常优异的性能。然而该种合金具有特殊的冶金特点：在合金凝固过程中，均存在一个液液不混溶区，由于先析出的液相与原有熔体存在密度差异，导致液相分层，最终形成互不混溶的两相，从而无法实现第二相的均匀分布，以致在众多领域中无法展现偏晶合金的优良性能。

目前为制备第二相均匀分布于基体的偏晶合金，已有的方法包括微重力条件下凝固、快速凝固、粉末冶金等。然而各种方法都存在着一定的问题：利用微重力条件凝固时，在地面上要获得长时间的微重力非常困难，而在太空进行微重力下材料制备则费用昂贵，研究周期较长；采用快速凝固方案时，虽然可以制备出近似均匀分布的偏晶合金，但是试样尺寸和设备受到很大的限制；利用雾化制粉、再低温烧结的方法时，虽然可以制备出宏观无偏析的偏晶合金材料，但是其机械性能仍然无法与通过凝固制备的合金相媲美，用作轴瓦材料时其性能将大大降低。因此迄今为止，在地面上尚无法在常规凝固速度下制备出第二相均匀分布的偏晶合金。

发明内容

本发明的目的是提供一种新的在地面上重力场下制备无偏析的偏晶合金的方法。

本发明主要是利用稳恒强磁场与交变电流复合作用下抑制第二相的偏析，从而获得第二相均匀分布的偏晶合金。

本发明一种制备无偏析的偏晶合金材料的方法，其特征在于具有以下的过程和步骤：

将含有偏晶成分的二元或多元组成合金放置于设有两个石墨电极或不锈钢电极的坩埚中，并将所述的坩埚放置在有惰性气体氩气或氮气保护下的加热装置中；然后将上述整套装置放置于一超导磁体产生的强磁场空间中，磁场方向保持为向上垂直方向，调整磁场强度达1～12T范围内；然后给所述加热装置通电加热，通过控温仪控制加热装置炉内温度为偏晶合金的液相线温度以上，并保温若干小时；然后控制炉温以恒定的速度降温；同时通过合金熔体两端的两个石墨电极或不锈钢电极往熔体中通入适当强度和适当频率的交变电流，电流大小为2-40A，电流频率为1-1000Hz，同时确保磁场强度和电流密度的方向为垂直正交，直至偏晶合金温度完全降至固相线温度以下，此时关闭电源，停止电流输入，待冷却至室温后即获得第二相均匀分布的偏晶合金材料。

本发明一种制备无偏析的偏晶合金材料的方法中所用的专用装置，该装置由水冷套管、调压调频交流电源、超导磁体、交流电电极、坩埚、热电偶、控温装置、合金试样、加热元件和惰性气体输入管组成；其特征在于：放置有合金试样的坩埚放置在设有加热元件的加热炉内；在坩埚内的两侧设置有两个石墨电极或不锈钢电极，且通过导线与调压调频交流电源相连接；上述装置坩埚和设有加热元件的加热炉整体的最外侧设置有一具有强磁场的超导磁体，使上述装置整体置于强磁场空间中，且磁场方向保持为垂直向上方向；超导磁体产生的磁场强度为1～12T；在超导磁体和加热元件之间的环形空间内设置有一水冷套管，以保护超导磁体；加热元件通过导线与控温装置相连接；另有一插入炉内的热电偶与控温装置相连接；在加热炉的底部连接有一可通过高纯惰性气体氩或氮气的输入管。

本发明方法的机理和原理叙述如下：

在本发明中，将偏晶合金的凝固过程移置于磁场中进行，利用强磁场与适当频率和适当强度的交变电流配合产生的电磁激振效应，来细化第二相液滴粒子的粒径，降低其上浮或下沉速度，以达到抑制比重偏析的目的。由于强磁场复合交变电流场对第二相粒子的上浮或下沉速度有显著的抑制作用，因此可以在地面上以较低的凝固速度下获得第二相均匀分布的偏晶合金材料，而目前已有的技术尚无法实现这一目的。本发明在工业级的冷却速度下，即0.1～10²K/S冷却速度下，使偏晶合金凝固过程中的比重偏析得到显著抑制，从而获得第二相均匀分布的偏晶合金。

另外，本发明方法的特点如下所述：

(1)在强磁场中，第二相颗粒在导电熔体中运动时，将感生出电流，而该电流与磁场作用产生的洛仑兹力将阻碍颗粒的运动，因而可抑制聚合和偏析；